Khoa học tự nhiên

Phương pháp đo lường định lượng những tác động rủi ro của vật liệu nano đối với tế bào (11/04/2014)

Hiện nay, mỗi năm thị trường cho ra đời hàng ngàn các sản phẩm tiêu dùng có chứa các hạt nano thiết kế (Engineered nanoparticles - ENP), là các hạt nhỏ có kích thước tế vi hiện diện trong các vật dụng hàng ngày, như mỹ phẩm, quần áo, vật liệu xây dựng. Mối quan ngại về các vấn đề an toàn và sức khỏe môi trường phát sinh từ các sản phẩm nano tiếp tục nảy sinước ngoài và các nhà khoa học đang triển khai hướng nghiên cứu các hệ thống sàng lọc tế bào dễ sử dụng, nhanh và rẻ, để xác định các mối nguy hiểm tiềm tàng của tập hợp các vật liệu nano thiết kế (Engineered nanomaterials - ENM). Tuy nhiên, việc xác định được sự tiếp xúc với các hạt nano đến chừng mực nào có thể không an toàn cho con người đòi hỏi sự hiểu biết chính xác về định lượng (liều lượng) vật liệu nano tương tác với các tế bào và các mô như phổi và da.

Với các hóa chất, điều này dễ thực hiện nhưng khi nói đến các hạt nano lơ lửng trong môi trường sinh lý, thì không phải là chuyện dễ dàng. Các hạt nano trong môi trường sinh học tương tác với protein huyết thanh và hình thành các khối kết tụ lớn làm thay đổi cả mật độ hiệu quả lẫn diện tích bề mặt hoạt động, và cuối cùng quyết định liều lượng vận chuyển đến các tế bào và các mối tương tác sinh học. Hành vi này có ý nghĩa không chỉ trong việc đo lường chính xác liều lượng vật liệu nano tương tác với các tế bào và mô mà còn phải xác định được cấp độ nguy hiểm của các loại vật liệu nano thiết kế khác nhau. Kết quả là, rất khó để diễn giải và sử dụng hàng ngàn xét ​​nghiệm sàng lọc tế bào cho các mục đích đánh giá rủi ro.

Các nhà khoa học thuộc Trung tâm Công nghệ và độc chất học nano, trường Sức khỏe cộng đồng Harvard (HSPH) đã phát hiện ra một phương pháp nhanh chóng, đơn giản và không tốn kém để đo mật độ hiệu quả của các hạt nano trong môi trường sinh lý, qua đó mở ra khả năng có thể xác định chính xác liều lượng vật liệu nano có thể tiếp xúc với các tế bào và mô bằng nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm. Phương pháp này mang tên Phương pháp phân tích thể tích bằng ly tâm (Volumetric Centrifugation Method - VCM), được công bố trên Tạp chí Nature Communications, ngày 30/3/2014.

Phát hiện mới này có tác động rất lớn đến việc đánh giá tác động rủi ro của các hạt nano thiết kế, cho phép người đánh giá xác định chính xác cấp độ nguy hiểm của vật liệu nano sử dụng hệ thống tế bào. Hơn nữa, bằng cách đo thành phần khối kết tụ vật liệu nano trong môi trường sinh lý, nó cho phép các nhà khoa học có thể thiết kế các hệ thống nạp thuốc nano hiệu quả hơn dựa trên các ứng dụng y học nano.

"Thách thức lớn nhất đối với chúng tôi trong việc đánh giá ảnh hưởng sức khỏe liên quan đến phơi nhiễm nano đó là việc quyết định dựa vào liều lượng, một vật thể khi nào thì nguy hiểm và khi nào không. Ở mức độ thấp, rủi ro có thể là rất nhỏ" - Philip Demokritou  tác giả công trình nghiên cứu, phó Giáo sư Vật ký son khí Khoa sức khỏe môi trường thuộc HSPH cho biết. Câu hỏi đặt ra là: Với liều lượng là bao nhiêu thì sự phơi nhiễm nano trở nên nguy hại? Cũng câu hỏi như vậy đối với các loại thuốc nano khi chúng ta làm xét nghiệm hiệu quả của chúng bằng cách sử dụng hệ thống tế bào. Cần điều chỉnh hàm lượng thuốc nano là bao nhiêu khi tiếp xúc với các tế bào và mô? Điều này sẽ xác định liều lượng hiệu quả cần thiết đối với một phản ứng tế bào nhất định.

Hiện nay, các cơ quan quản lý không yêu cầu các nhà sản xuất xét nghiệm các hạt nano thiết kế, nếu như vật liệu khối ở dạng gốc ban đầu đã được chứng minh là an toàn. Tuy nhiên, có bằng chứng cho thấy một số các vật liệu này có thể độc hại hơn ở cấp độ nano - ở quy mô kích thước này các vật liệu có thể thâm nhập vào các tế bào và vượt qua các hàng rào sinh học một cách dễ dàng hơn và thể hiện các đặc tính vật lý, hóa học, và sinh học độc đáo so với các hạt kích thước lớn hơn. Các chuyên gia độc chất học đang nỗ lực để phát triển các phương pháp xét nghiệm độc tố tế bào nhanh và rẻ để đáp ứng kịp thời trước sự ra đời nhanh chóng của các loại hình vật liệu nano thiết kế khác nhau và để tránh những thử nghiệm trên động vật mất thời gian và tốn kém. Tuy nhiên, nỗ lực này gặp trở ngại do thiếu các phương pháp đo nhanh, đơn giản dễ sử dụng, để đánh giá mối quan hệ liều lượng - phản ứng và những tác động độc hại tiềm tàng. Trong khi có thể đo được các phản ứng sinh học khá dễ dàng, các nhà khoa học đang nỗ lực để phát triển một phương pháp đo nhanh đánh giá chính xác định lượng hay liều lượng vật liệu nano trong tiếp xúc với các tế bào trong môi trường sinh học.

So sánh các phản ứng sinh học với tiếp xúc nano thường được thực hiện theo các ước tính dựa trên các số đo đặc tính vật liệu ở dạng bột khô (ví dụ như khối lượng, diện tích bề mặt, và mật độ), mà không tính đến các mối tương tác hạt-hạt và hạt-chất lỏng trong môi trường sinh học. Khi lơ lửng trong chất lỏng, các hạt nano thường hình thành các khối kết tụ chứa một lượng lớn các chất lỏng huyền phù, vì thế có mật độ hiệu quả thấp hơn nhiều so với vật liệu khô. Điều này ảnh hưởng lớn tới sự vận chuyển hạt với các tế bào, và làm giảm diện tích bề mặt tương tác với các tế bào, theo Glen DeLoid, cộng tác viên nghiên cứu của Khoa sức khỏe môi trường và là một trong số hai tác giả chính của công trình nghiên cứu cho biết. Phương pháp VCM giúp các nhà nano sinh học và nhà quản lý giải quyết sự mâu thuẫn về dữ liệu độc tố tế bào được báo cáo trong các tài liệu về vật liệu nano. Những khác biệt đó có khả năng là do thiếu những phép đo liều lượng chính xác về các mối tương tác nano sinh học trong một hệ thống sàng lọc tế bào, theo Joel Cohen, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại HSPH và là một trong hai tác giả chính của công trình nghiên cứu cho biết.

Công trình nghiên cứu là một thành tựu lớn cung cấp giải pháp để giải quyết các vấn đề tồn tại về mật độ biểu kiến của vật liệu nano thiết kế và là một cách thức dễ dàng để xác định mật độ này bằng cách áp dụng phương pháp VCM. Công trình đã đưa ra một khái niệm linh hoạt cho phép ước tính khá chính xác liều lượng ENM giúp cải thiện được năng lực nghiên cứu độc tố trong nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm so sánh với các nghiên cứu trên cơ thể. Đây sẽ là một đóng góp lớn cho việc làm giảm các nghiên cứu thử nghiệm trên cơ thể động vật.

Dự án nghiên cứu này nhận được sự tài trợ từ Viện khoa học sức khỏe môi trường quốc gia (National Institute of Environmental Health Sciences - NIEHS), Quỹ khoa học quốc gia (National Science Foundation - NSF), và Trung tâm Công nghệ và độc chất học nano thuộc HSPH. Công trình được tiến hành một phần tại Trung tâm các hệ thống nano Harvard (CNS), thành viên của Mạng Cơ sở hạ tầng công nghệ nano quốc gia Hoa Kỳ.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Nanowerk News)