Nguyễn Huy Hoàng-tổng quan về công nghệ nano sinh học

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn Công nghệ nano cũng có thể hiểu là ngành công nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thướ

Trang 1

Tài liệu chia sẻ tại: wWw.SinhHoc.edu.vn

Tổng quan về công nghệ nano sinh học

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chu Hoàng Mậu Học viên thực hiện : Nguyễn Huy Hoàng

Chuyên ngành : Di truyền - K16

Đại học Thái Nguyên Đại học Sư phạm

Trang 2

Mở đầu

1 Vị trí, tầm quan trọng của công nghệ nano sinh học:

Trên thế giới, khoa học và công nghệ nano, là lĩnh vực đa ngành, kết tinh của những thành tựu mới nhất của nhiều ngành khoa học tự nhiên và lĩnh vực công nghệ với nhiều ứng dụng có hiệu quả kinh tế cao

Rất nhiều sản phẩm của ngành khoa học mới mẻ này như: hạt nano, chip sinh học vv… đã được sử dụng trong các lĩnh vực y học, dược phẩm, sinh học vv… đã đem lại hiệu quả kinh tế cao cho đất nước

2 Hướng nghiên cứu chính:

- Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học

Trang 3

Mở đầu

- Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt,dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí,

vi sinh vật

- Động cơ DNA dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự

bổ sung với nhau

- Chụp ảnh quá trình vận động của virus, prottein, prion và thuốc trong tế bào sống

- Chuyển gen và đột biến điểm chính xác

- Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch

- Công nghệ phân phối thuốc hướng đích

- Khai thác các động cơ sinh học như cơ, protein vận

Trang 4

Công nghệ nano cũng có thể hiểu là ngành công nghệ dựa trên các hiểu biết về các quy luật, hiện tượng, tính chất của cấu trúc vật lý có kích thước đặc trưng ở thang nano (

Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, 2004)

Trang 5

Nội dung

1 2 Công nghệ nano sinh học:

Công nghệ nano được sử dụng để mô tả những vấn

đề chung của công nghệ nano và sinh học Công nghệ sinh học nano cũng có thể được xem là những ứng dụng của công nghệ nano vào lĩnh vực sinh học,tìm kiếm dược phẩm

và dẫn chuyển thuốc hướng đích, các vật liệu nano mới, các thiết bị chẩn đoán, trị liệu giúp loại bỏ các thể ngoại lai khỏi

cơ thể, sửa chữa tế bào, mô

2 Phạm vi ứng dụng của công nghệ nano sinh học:

Phạm vi ứng dụng của công nghệ nano sinh học rất rộng, từ lĩnh vực y học, dược phẩm, tới các ngành công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp

Trang 6

Nội dung

Trong lĩnh vực sinh học, công nghệ nano sinh học được ứng dụng để nghiên cứu bộ gen học (genomics), tin sinh học (bioinformatcs), xác định trình tự gen, tìm kiếm và sàng lọc nhanh dược phẩm vv…

Đối với y học, công nghệ nano sinh học được ứng dụng trong các lĩnh vực: tái sinh mô (tissue regeneration), nuôi cấy và sửa chữa các cơ quan (growth and repair of organs), các hệ thống dẫn chuyển và hướng đích dược phẩm (drug-targeting and delivery systems)

Trong lĩnh vực dược phẩm, đã tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của mảng tìm kiếm dược phẩm Những triển vọng mới của công nghiệp dược phẩm đã mở ra cùng với sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA chip vv…

Trang 7

Nội dung

Trong các ngành công nghiệp

Trang 8

Nội dung

3 Một số thành tựu của công nghệ nano sinh học:

3.1 Các hạt nano - vector dẫn chuyển hướng đích dược phẩm:

Các thiết bị giải phóng dược phẩm thông minh (biểu hiện hoạt tính của dược phẩm ở những vị trí đích nhất định) trên cơ sở là các hạt nano là một trong những dòng sản phẩm chính của ngành khoa học tiềm năng này (Lawrence, 2002)

Các hạt nano là những hạt keo rắn có kích thước từ 10nm đến 1000 nm Các hạt nano này có những đặc tính quý như: kích thước siêu nhỏ, độ bền cao và có khả năng thay đổi các đặc tính bề mặt của chúng một cách dễ dàng

Trang 9

Nội dung

Ba loại vector chính được sử dụng trong hệ thống dẫn chuyển dược phẩm là liposome (phospholipid), nanosphere (polymer có thể phân hủy), nanocapsule (pha nước hoặc dầu bao bọc bởi polymer có thể phân hủy) Trong đó hai loại vector sau chính là các hạt nano

Các hạt nano là những vector lý tưởng vì: nó là thể mang có khả năng tăng cường sự tuần hoàn máu, với kích thước đủ nhỏ để có thể tiếp xúc được với các mô và tế bào gốc, và có tính linh hoạt cao, có thể áp dụng cho nhiều loại bệnh, và có thể dẫn chuyển phần có hoạt tính vào trong tế bào

Trang 10

Nội dung

Bên cạnh đó, trong y học, các hạt nano từ cũng được

sử dụng để đánh dấu tế bào đích Các hạt nano này được bọc một lớp chất tương hợp sinh học rất mỏng và được xử

lý hóa sinh bề mặt tạo khả năng liên kết với một loại tế bào đích nào đó, ví dụ tế bào ung thư (Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh, 2004)

Trang 11

Nội dung

Hình 2 Lab on chip Hình 3 DNA chip

Trang 12

Nội dung

3.3 Sensor sinh học:

Tất cả sensor sinh học đều dựa vào đặc tính nhận dạng đặc hiệu mức độ cao để phát hiện các đích cần phân tích và chứa một đế phù hợp để gắn mẫu dò

Đối với các ứng dụng sensor sinh học, các phản ứng tương tác đặc trưng của DNA là cơ sở để DNA sensor, protein sensor nhận dạng các phân tử đích (Kerman et al.,2004)

3.4 DNA chip:

DNA chip còn gọi là chip gen, là một thiết bị siêu nhỏ có thể thực hiện song song cùng lúc hàng chục nghìn

phản ứng phân tử Chip có thể được thiết kế để phát hiện

các gen đặc biệt hoặc đánh giá hoạt động của gen trong

các mẫu mô khác nhau

Trang 13

Nội dung

3.5 Xác định tế bào ung thư bằng hạt nano

Tháng 7-2008, Đại học Brown (Mỹ) đã tạo được hạt nano

từ hạt oxit sắt nhỏ bé để giúp tìm

các tế bào ung thư bằng phương

pháp cộng hưởng từ Các hạt nano

này có kích thước 8,4 nanometre

được tiêm vào bệnh nhân và khi

đến nơi có ung thư, chúng sẽ gắn

kết với tế bào u ác tính và phát tín

hiệu Bác sĩ chỉ cần dùng máy

cộng hưởng từ là sẽ phát hiện ra phát hiện ung thư Hình 4 Hạt nano

Trang 14

Nội dung

3.6 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp

Cấu trúc nano được sử dụng phổ biến nhất trong chiến lược phân phối thuốc là dendrimer bởi tính chất hướng đích và phát hiện của nó Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức năng cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc hướng đích và điều chị ung thư in vitro và in vivo, giúp tăng hoạt lực của thuốc và tạo đáp ứng dược học nhanh chóng Tháng 7 năm 2003, thuốc điều trị HIV có bản chất dendrimer đầu tiên do công

ty StarPharma (Melbourne, Australia) phát triển cho thấy hiệu quả điều trị rõ rệt trong thử nghiệm pha I

Trang 15

Nội dung

Hình 5 Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer

Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng), vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (đỏ)

Trang 16

Nội dung

3.7 Chẩn đoán và điều trị

Các cảm biến sinh học nano được sử dụng thành công trong các đo đạc nội bào Điện cực PEBBLE có thể xác định pH, Mg+, Cl-, K+, Ca2+, oxy và glucose nội bào khá chính xác Các cảm biến nano sợi quang của Vo-Dinh

và cộng sự được chế tạo thành công để đo nồng độ a-pyrenetetrol (BPT) trong bào tương của tế bào ung thư vú của người và tế bào biểu mô gan chuột Điện cực sinh học nano dùng enzyme để phát hiện gián tiếp glutamate (chất truyền dẫn nơron quan trọng trong hệ thần kinh trung ương) một cách liên tục đã được chế tạo thành công, trong

benzo-đó thụ thể sinh học là glutamate dehydrogenase

Trang 17

Nội dung

Hình 6 Hướng đích và hiện ảnh in vivo dùng QD

(A) Thí nghiệm mô ex vivo của tế bào ung thư đánh dấu QD trong phổi chuột (B) Hiện ảnh in vivo các vi hạt QD đa màu trong chuột sống (C) Hướng đích phân tử và hiện ảnh in vivo khối u tiền liệt tuyến ở chuột dùng kháng thể kết hợp với QD

Trang 18

Nội dung

Gần đây, Gao và cộng sự sử dụng QD để chụp ảnh và hướng đích ung thư in vivo Họ gắn QD với kháng thể đặc hiệu tế bào ung thư tiền liệt tuyến Sau khi tiêm vào chuột (đã chuyển tế bào ung thư tiền liệt tuyến của người), có thể nhận biết và chụp ảnh kháng thể PSMA đánh dấu QD gắn với vị trí khối u in vivo Wu và đồng sự phát triển các mẫu dò QD đặc hiệu và đáng tin cậy để định

vị chỉ thị bề mặt tế bào ung thư vú (Her2), sợi cytoskeleton, và kháng nguyên trong tế bào cố định, tế bào sống và phân đoạn mô

Công ty iMEDD (Columbus, OH, USA) tạo ra lỗ nano trên thiết bị phân phối thuốc cấy dưới da để điều khiển quá trình giải phóng thuốc

Trang 19

Nội dung

3.8 Kháng vi sinh vật:

Fernadanez- Lopez và cộng sự tìm ra các peptide vòng chứa 6

và 8 gốc axit amin tác động ưu tiên đến vi khuẩn Gram âm và dương

so với tế bào động vật Bởi vậy, NT tạo ra từ các peptide này đi sẽ có khả năng đi vào thành tế bào vi khuẩn, làm chúng bị chết nhanh chóng Các nhà nghiên cứu thuộc McGowan Institute for Regenerative Medicine và University of Pittsburgh đã tổng hợp được các NT đồng nhất từ các phân tử muối amine HBr bậc hai, NT này có khả năng giết

vi khuẩn và xác định các chất khác nhau qua chỉ thị màu

SPL7013, một dendrimer đặc biệt với lõi hóa trị hai, với liều lượng thích hợp trong âm đạo kìm hãm ngay lập tức sự nhiễm HIV mà không gây độc

Trang 20

Nội dung

3.9 Phát hiện-xác định cấu tử sinh học:

Nhóm của Lee đã phát triển các tụ điện rỗng nano (nano-gap capacitors) (không gian điện cực 50 nm) với mẫu dò ssDNA cố định trên bề mặt điện cực Các tính chất điện môi của mẫu dò ssDNA và dsDNA tạo thành khi lai với đích là khác nhau và có thể đo được thông qua các đo đạch điện dung trong những tụ điện rỗng nano này Brasuel

và cộng sự đã phát triển các điện cực PEBBLE (Probes Encapsulated By Biologically Localized Embedding) nhạy với O và dùng trong giám sát các tế bào sống

Trang 21

Nội dung

Hình 7 Kênh α-hemolysin được thể hiện mặt cắt ngang được gắn với một lớp lipid kép Khi có điện áp, mạch đơn DNA poly(dC) được điều khiển đi qua lỗ bởi điện trường

Trang 22

Nội dung

Maxwell và Dubertret cùng cộng sự đã khai thác tiềm năng của các tinh thể chất keo nano vàng để làm tắt thuốc nhuộm phát huỳnh quang trong các thí nghiệm phân biệt oligonucleotide với chỉ một base khác biệt Một ví dụ nữa là các mẫu dò gắn hạt nano vàng kết hợp với vi chíp răng lược (mirocantilever) để phân biệt một nucleotide sai khác và để chuyển đổi phân tử gắn nhằm phát hiện sự sai khác ở mức

µm Arun Majumdar và đồng sự đã sử dụng vi chíp răng lược để phát hiện SNP trong DNA đích dài 10 nucleotide, không cần đánh dấu huỳnh quang hoặc phóng xạ

Trang 23

Nội dung

McKnight và cộng sự đã chứng minh sự kết hợp chức năng của các mẫu dò sợi nano carbon trong tế bào Khả năng sống của các tế bào sau khi gắn mẫu dò được chứng minh bởi sự biểu hiện dài hạn của các gene mã hóa protein phát huỳnh quang xanh được biểu hiện chủ yếu trên các plasmid liên kết cộng hóa trị với các sợi nano Khi sợi nano và các plasmid vẫn liên kết, sự điều khiển hướng đích và trực tiếp của sự biểu hiện của các gene được kết hợp dường như là khả thi

Trang 24

Nội dung

Li và cộng sự đã tạo ra và dùng nanobarcode để phát hiện DNA của một số loại sinh vật gây bệnh dựa trên tín hiệu huỳnh quang với độ nhạy (attomole) và tốc độ phát hiện rất cao Công nghệ phát hiện DNA đã được Chad Mirkin và đồng sự phát triển Dubbed ‘bio-barcode’

có độ nhạy 500 zeptomolar (zepto = 10–21) cạnh tranh với PCR Hơn nữa, ưu điểm lớn so với PCR là không cần khuếch đại bởi enzyme và có thể áp dụng với protein, cũng như DNA

Trang 25

Nội dung

Nhóm của Lieber đi tiên phong trong việc sử dụng

NT carbon fullerene thành đơn như các đầu dò trong kính hiển vi điện tử (AFM) để chụp ảnh các đại phân tử sinh học như kháng thể, DNA, α-amyloid protofibril

Santra và cộng sự đã nang hóa các phức hệ ruthenium trong các lớp silica mỏng để nhận biết tế bào bạch cầu

Điện cực sinh học nano cũng được dùng để phát hiện nitric oxide qua tín hiệu huỳnh quang của cytochrome c9 hoặc cytochrome c’ (biến thể của cytochrome c trong đó nhóm heme được gắn với hai

Trang 26

Nội dung

3.10 Phân tách các cấu tử sinh học

Một ứng dụng của các NT là như thiết bị tách pha nano để loại bỏ các phân tử đặc hiệu khỏi dung dịch Ví

dụ, có thể sử dụng NT có mặt ngoài ưa nước và mặt trong

ưa béo (lipophilic) để tách các hóa chất ưa béo và thuốc khỏi dung dịch lỏng Các NT silica cũng có thể được sử dụng như các thiết bị phản ứng sinh học

Martin và cộng sự kết hợp với Hans Soderlund thuộc VTT đã nghiên cứu một kháng thể gắn chọn lọc với một đồng phân lập thể (enantiomer) của thuốc diarylalkyltriazole (FTB), một chất kìm hãm hoạt tính của enzyme aromatase

Trang 27

Nội dung

Soderlund đã cung cấp cho Marin và cộng sự một đoạn Fab gắn chọn lọc với RS tương quan với đồng phân lập thể SR Sau đó nhúng NT silica có cả hai mặt gắn kháng thể này vào hỗn hợp theo tỷ lệ 1:1 của các đồng phân lập thể SR và RS của FTB Các NT - kháng thể tách đồng phân lập thể RS khỏi hỗn hợp đồng tỷ lệ Đây là một

ví dụ trong đó đường kính trong cỡ nano của các NT silica

là quyết định để đạt được sự phân tách chọn lọc

Kết hợp với các hạt từ nano, QD hữu dụng cho phát hiện và phân tách tế bào Wang và cộng sự đã tạo ra các hạt nanocomposite từ lõi siêu từ tính Fe2O3 và vỏ là CdSe/ZnS QD và sử dụng để phân tách các tế bào ung thư

Trang 28

Seo và cộng sự đã thiết kế mô hình nano của các miếng

Ni trên chất nền là Si Chức năng của mảng nano là tăng độ nhạy

di động với các biến đổi trong hình dạng DNA, do đó cho phép phân tách một dải rộng các phân tử DNA Ngoài ra, khi phương pháp này phân biệt hình dạng của các chuỗi được hấp phụ

Trang 29

Nội dung

Mới đây (2005), Hellmich và đồng sự đã chế tạo thành công hệ thống poly(dimethylsiloxane) microfluidic tích hợp đồng thời các quá trình bắt giữ, điều hướng, định vị tế bào sâu Sf9 (Spodoptera frugiperda), sau đó ly giải bằng SDS, phân tách protein đích và cuối cùng phát hiện chúng với độ nhạy 100fM

mà không cần đánh dấu

Trang 30

Đặc biệt hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu

về công nghệ nano sinh học Đối với các nhà công nghệ sinh học, còn cần có thời gian để làm quen

Định dạng
Số trang	32
Dung lượng	779,68 KB