Ứng dụng công nghệ nano trong y học hiện đại

Ứng dụng công nghệ nano trong y học hiện đại

Công nghệ nano đang phát triển với tốc độ chóng mặt và làm thay đổi diện mạo của các ngành khoa học. Đặc biệt, ngành công nghệ mới này đang tạo ra một cuộc cách mạng trong những ứng dụng y sinh học nhờ vào những khả năng giúp con người can thiệp tại kích thước nanomet (1nanomet bằng 1/triệu mm) bằng những vật liệu nano được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

 

Viên đạn nano sinh học gắn vào tế bào.

Biến ước mơ thành hiện thực

Trong bộ phim khoa học viễn tưởng của Mỹ có tiêu đề The fantastic voyage, tạm dịch là Chuyến du hành kỳ diệu, các nhà điện ảnh Mỹ đã tưởng tượng ra chuyện một đoàn y bác sĩ đã dùng phương tiện thu nhỏ hiện đại để thực hiện một chuyến du hành trên một con tàu cực nhỏ. Họ chu du trong các mạch máu, đến từng ngóc ngách trong cơ thể con người để sửa chữa những tế bào hỏng hóc.

Các nhà khoa học cho rằng, chính công nghệ nano đang biến giả tưởng đó thành hiện thực. Trong một tương lai không xa, con người sẽ chế tạo ra những chiếc máy nano thông minh có khả năng mô phỏng thiên nhiên, lắp ghép các nguyên tử, phân tử và lập trình để chúng thực hiện theo những chức năng cần thiết, tạo ra những thứ có ích hoặc tiêu diệt những chất có hại.

Máy nano sinh học có thể hoàn tất những thí nghiệm trong vòng vài phút thay vì vài ngày như hiện nay, thay thế công việc của cả phòng bệnh lý.

Khi kích thước của hệ sinh vật sống từ micromet giảm xuống tới nanomet, sẽ có khả năng kết hợp các đơn vị sinh học như enzym với các cấu trúc nano nhân tạo. Bằng cách kết hợp các enzym và chip sillic, người ta có thể chế tạo các cảm biến sinh học. Cảm biến này có thể truyền vào người hoặc động vật để giám sát, theo dõi sức khỏe và phóng thích liều lượng thuốc chính xác.

Hiện nay, con người đã chế tạo ra hạt nano có đặc tính sinh học và có tác động lên con người y hệt như kháng thể, tức là chúng có thể lập trình để truy diệt tế bào ung thư. Các chất liệu từ công nghệ nano có thể hỗ trợ việc chẩn đoán bệnh tật hay khảo sát cơ thể, bằng cách gắn những chuỗi DNA vào những hạt nano có khả năng cảm thụ đặc tính sinh học của tế bào và gửi tín hiệu ra bên ngoài.

Vật liệu siêu nhuận từ và ứng dụng y sinh học

Khi kích thước các hạt của vật liệu từ tính giảm đến giá trị nào đó (khoảng vài chục nanomet) sẽ trở thành vật liệu siêu nhuận từ, sẽ có những tính chất đặc biệt cho các ứng dụng y sinh học.

Trong tự nhiên, sắt là vật liệu thường được dùng để nghiên cứu làm hạt nano từ tính. Các hạt nano từ tính dùng trong y sinh học thường có dạng chất lỏng từ, còn gọi là nước từ, gồm 3 phần: hạt nano từ tính, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi. Trong đó hạt nano từ tính là thành phần duy nhất quyết định tính chất từ của chất lỏng từ. Các chất hoạt hóa bề mặt làm hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ và có tác dụng che phủ hạt nano khỏi sự phát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể, tạo các liên kết hóa học.

Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể. Phân tách và chọn lọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến. Các thực thể sinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn... Một từ trường bên ngoài sẽ tạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bào không được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài.

Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính đã phát triển từ những năm 1970. Đó là việc sử dụng hạt từ tính như các hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể, giúp thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảm lượng thuốc điều trị.

Hệ thuốc/hạt từ tính tạo ra chất lỏng mang từ tính đưa vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt này đi vào mạch máu, người ta dùng một từ tính mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Phương pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vì việc dẫn truyền thuốc vào u não rất khó khăn. Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫn truyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều.

Những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú, tập trung tại các vùng bệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể phát hiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời.

Một vài ngành ứng dụng mới dựa trên công nghệ nano

Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạm dịch Nano phẫu thuật thẩm mỹ). Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong vi phẫu thuật thẩm mỹ để bóc mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc... Các loại kem bôi da chứa hạt nano giúp thay đổi màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da.

Ngành công nghệ mới có tên Nano-bio (tạm dịch là Sinh học nano) đang hình thành, sẽ tạo ra những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con người như da, băng thông minh...

Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng các khả năng đặc biệt của các loài động thực vật trong tự nhiên. Ví dụ hiện tượng lá sen luôn sạch sẽ và không bao giờ ướt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhau khoảng vài micromet tạo nên bề mặt không thấm nước. Từ đó các nhà khoa học đã sản xuất ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá sen, có khả năng không thấm nước, mang lại nhiều ứng dụng trong y tế và đời sống.

Phát triển như vũ bão

Trong vòng 20 năm qua, công nghệ nano luôn là ngành khoa học mũi nhọn. Mỗi năm có hàng ngàn phát minh được công nhận dựa trên công nghệ này. Trên thế giới, nhiều chính phủ nhận ra kỹ thuật nano sinh học sẽ là động cơ chính phát triển công nghệ y học. Tại Mỹ, năm 2005, Chính phủ chi 3,5 tỷ USD cho chương trình có tên Sáng kiến nano, trong đó gần 1 tỷ USD được dành cho sinh học nano. Ở Việt Nam, hiện nay các nhà khoa học đã chế tạo được hạt nano từ tính bằng các phương pháp hóa, cơ học... và tập trung vào định hướng y sinh học trong việc phân tách tế bào, dẫn thuốc, nung nóng cục bộ...

Ứng dụng ngoạn mục

Khoảng 20 năm trước, công nghệ nano chỉ ứng dụng trong quang học, điện học, quang - điện tử . Ứng dụng công nghệ nano, ngành y dược cũng chỉ đạt được ở mức độ cải tiến nhiều thiết bị cận lâm sàng. Nhưng kể từ khi các nhà khoa học gắn được hạt nano vào phân tử sinh học thì công nghệ nano-sinh học có những bước phát triển vượt bậc...

Ðiều trị ung thư

Từ lâu có hóa trị liệu ung thư, nhưng có nhược điểm: sau khi vào cơ thể, có chất bị giữ lại ở gan không phát huy hiệu lực, có chất vào máu rồi vào cả tế bào ung thư lẫn tế bào lành, diệt luôn cả hai loại tế bào đó, làm giảm hiệu lực điều trị , tăng tác dụng phụ.

PGS. Sangeeta Bhatia và cộng sự tạo hạt nano bao gồm: phân tử có nhân ôxít sắt phủ một lớp polymer (đóng vai trò nam châm cực nhỏ) nối với đuôi DNA (phân tử vi sinh) bằng cầu nối hydro và thuốc chống ung thư cũng nối với đuôi DNA bằng cầu nối hydro như vậy và có thể nối một lúc nhiều thuốc phối hợp. Tế bào vách của mạch máu đi vào mô lành có sự liên kết rất chặt chẽ, khác với tế bào vách của mạch máu đi vào khối ung thư thường có những kẽ hở có kích thước lớn hơn 4 và nhỏ hơn 400nm. Nhờ thế, khi cho hạt nano có kích cỡ phù hợp này vào máu thì chúng “lách” vào khối ung thư, nhưng không thể “rẽ” vào mô lành được. Dùng năng lượng xung bức xạ điện từ kích thích, làm cho phân tử ôxít sắt nóng lên, phá vỡ cầu hydro, giải phóng ra phân tử ôxít sắt và phóng thích thuốc vào khối ung thư. Theo dõi phân tử sắt ôxít bằng máy cộng hưởng từ (MRI) sẽ biết được tốc độ vận chuyển và điều chỉnh cường độ xung bức xạ điện từ sẽ hiệu chỉnh được liều lượng thuốc.

Lý thú của kỹ thuật trên là dùng hạt nano như một “chiếc xe tải 3 trong 1” đưa một thuốc hay phối hợp nhiều thuốc tới đích, theo liều lượng vừa đủ; không gây hại cho tế bào lành; khắc phục được trở ngại mà hóa trị liệu trước đó phải bó tay.

 

Cơ chế nano tìm kiếm tương tác kháng sinh - peptid trên chuỗi cantilever.

Ðiều trị tổn thương tim

Khi cơ thể bị một tổn thương thì theo phản xạ sẽ có một lượng lớn yếu tố tăng trưởng quy tụ về, tạo ra thụ thể, đẩy mạnh việc phân bào (tổng hợp DNA) ở vùng tổn thương, giúp cho tổn thương hồi phục. Chuyên gia hóa học Samuel Stupp Trường ĐH Northwestern Evanston (Illinoi) tiêm vào cơ thể các phân tử peptide amphiphiles. Các phân tử này tự kết lại với nhau thành các sợi thớ nano (kích thước nhỏ hơn 100nm), mỏng, dài trải ra trên vùng bị tổn thương. Thêm vào 8 acid-amin cho phép sợi thớ nano kết thành một protein. Protein này sau đó sẽ kết hợp với các chất khác tạo thành yếu tố tăng trưởng, kích thích mạch máu phát triển, hồi phục các tổn thương, giống như sự hồi phục tự nhiên nhưng nhanh hơn nhiều. Stupp kết hợp với nhà dược học Jon Lomasney Đại học Y Feinberg (Chicago), gây cho 20 con chuột lên cơn đau tim để tạo ra tổn thương tim; sau đó lấy 10 con chữa bằng công nghệ nano (nói trên), còn 10 con làm chứng không chữa hoặc chỉ cho dùng yếu tố tăng trưởng tự nhiên. Kết quả: một tháng sau đó, 10 con chuột chữa bằng công nghệ nano, tim hoạt động 100%, còn 10 con chuột (đối chứng), tim chỉ hoạt động bằng 50% so với mức hoạt động của tim trước lúc tổn thương. Lặp lại các kỹ thuật này trên tổn thương của thỏ, cũng thấy các thớ sợi nano giúp hồi phục vết thương nhanh chóng.

Điều kỳ diệu của kỹ thuật này là ở chỗ dùng sợi nano tạo ra “màng lưới” để các tế bào mới “đan” vào đó thành “tấm thảm mới” thay cho “tấm thảm cũ” bị hư hỏng. Dĩ nhiên, ứng dụng lâm sàng của nó không chỉ đóng khung trong tổn thương tim mà cho bất cứ mọi tổn thương nào khác. Hội Hóa học Mỹ đã chấp nhận và Stupp cho thành lập công ty Nanotope nhằm thương mại hóa nghiên cứu này (Theo Sciencemag).

Ðiều trị rối loạn cương

Các thuốc chữa rối loạn cương (RLC), thuộc nhóm ức chế PDE-5 (viagra, levitra, cialis) hoạt động theo cơ chế: làm tăng NO, gây giãn nở cơ trơn tiểu động mạch thể hang, làm cho máu tràn vào đó, đồng thời chẹn toàn hệ thống tĩnh mạch nằm dưới bao trắng, không cho máu thoát đi, máu ứ lại tại đó, gây trạng thái cương. Tuy nhiên khi tăng cao, NO còn làm giãn mạch máu nhiều nơi khác gây tác dụng phụ cục bộ hay toàn thân: đau đầu, đỏ bừng mặt, sung huyết mũi, rối loạn dạ dày, rối loạn thị giác và một số ít trường hợp mất thị lực, thính lực. Đối với người vốn có sẵn bệnh tim mạch (mới có cơn nhồi máu cơ tim hay đột qụy có bệnh tim nặng) có thể bị trụy mạch, tử vong. RLC thường gặp ở người tuổi cao và thường có bệnh tim mạch đi kèm nên tác dụng phụ gây trở ngại cho người muốn dùng thuốc. Thêm nữa thời gian bắt đầu có hiệu lực chậm khoảng 30 phút đến 1 giờ, sự chờ đợi đó làm mất đi hứng thú tình dục.

Trường Y khoa Einstein, thuộc Đại học Y khoa Yeshiva phát triển một dạng thuốc nano dùng ngoài gồm nano bao bọc lấy chất NO (dạng 1); hoặc nano bao bọc chất NO + thuốc RLC cialis (dạng 2) hoặc nano bọc lấy chất NO + thuốc RLC sialopin (dạng 3): cho chuột già bị RLC dùng 3 dạng thuốc này thấy: có 71,4% nhóm chuột dùng dạng 1 và 100% nhóm chuột dùng dạng 2 và 3 đều cải thiện tình trạng RLC rõ rệt, trong khi cả ba nhóm chứng dùng hạt nano rỗng đều không thấy cải thiện RLC. Thời gian bắt đầu có hiệu lực của cả 3 dạng thuốc chỉ là ít phút thỏa mãn kịp thời hứng thú tình dục.

Chống siêu vi khuẩn

TS. McKendry, Joseph Ndieyira, Moyu Watari thuộc Trung tâm Công nghệ nano London (LCN) tại UCL dùng chuỗi cantilever, chỉ nhỏ như sợi tóc bao phủ bởi mucopeptides để kiểm tra quá trình xảy ra khi kháng sinh vancomycin tiếp xúc với bề mặt vi khuẩn. Qua theo dõi, các nhà khoa học phát hiện ra rằng khi kháng sinh gắn với vi khuẩn sẽ tạo ra một áp lực đè lên bề mặt vi khuẩn, phá vỡ vách tế bào do thế đánh bại vi khuẩn. Ngược lại, cũng có những vi khuẩn đột biến, xóa hết cầu nối hydro khỏi cấu trúc vách tế bào, làm cho kháng sinh rất khó thâm nhập được và việc phá vỡ vách tế bào là khó xảy ra nên chúng trở thành siêu vi khuẩn kháng thuốc mà kháng sinh không thể nào đánh bại.

Nghiên cứu này chứng minh hiệu quả của cantilevers silicon trong việc dò tìm cơ chế tác dụng và cơ chế kháng thuốc của vi khuẩn, từ đó mở ra hướng tìm các kháng sinh mới chống siêu vi khuẩn.

Thay lời kết

Nước ta cũng đã có những ứng dụng nano trong y dược, đã có các trung tâm công nghệ nano như Viện Khoa học và Công nghệ micro - nano tại Trường ĐH Quốc gia TP.HCM. Trong khi hào hứng với những tiến bộ của công nghệ nano - sinh học cũng nên lưu ý là hiện còn quá ít các nghiên cứu mặt trái của nó. Liệu hạt nano vô cùng nhỏ bé khi xâm nhập vào cơ thể sẽ có hại gì không? Đây là câu hỏi mà cũng là một hướng nghiên cứu để đảm bảo cho việc dùng công nghệ nano-sinh học được an toàn.

diendanthietbiysinh