TÀI LIỆU VỀ ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ TỪ TÍNH

Các ứng dụng trong cơ thể gồm:dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ… I Phân tách và chọn lọc tế bào,ADN,tế bào CD làm giàu DNA của siêu vi Herpes 1Phâ

ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANÔ TỪ TÍNH

Các ứng dụng của hạt nanô từ được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơthể Chúng tôi chỉ trình bày một số ứng dụng tiêu biểu trong rất nhiều ứng dụng đã vàđang được nghiên cứu Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm táchnhững tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác Các ứng dụng trong cơ thể gồm:dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ…

I Phân tách và chọn lọc tế bào,ADN,tế bào CD làm giàu DNA của siêu vi Herpes 1Phân tách và chọn lọc tế bào:

Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó rakhỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đíchkhác Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương phápthường được sử dụng Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn:

+đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu

+ tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường

Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính Hạt nanô thường dùng làhạt ô-xít sắt Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh họcnhư là dextran, polyvinyl alcohol (PVA), Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liênkết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanôphân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ Giống như trong hệ miễndịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tửkhác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy

Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên Đây là cách rất hiệu quả và chính xác đểđánh dấu tế bào

Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễndịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn,

tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt

từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét.Quá trình phântách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài

Hình: tập hợp tế bào cừu liên kết lại với nhau

Hình:cấu trúc của một hạt nano từ có dạng bông hoa

Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu Các tếbào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài Lực tác động lên hạt từtính được cho bởi phương trình sau:

F = πηRΔν

Trong đó η là độ nhớt của môi trường xung quanh tế bào (nước), R là bán kính của hạt

từ tính, Δν =ν −ν là sự khác biệt về vận tốc giữa tế bào và nước

Sơ đồ phân tách tế bào đơn giản nhất được hình trên Hỗn hợp tế bào và chất đánh dấu(hạt từ tính bao phủ bởi một lớp CHHBM) được trộn với nhau để các lên kết hóa họcgiữa chất đánh dấu và tế bào xảy ra Sử dụng một từ trường ngoài là một thanh nam châmvĩnh cửu để tạo ra một gradient từ trường giữ các hạt tế bào được đánh dấu lại

2 Làm giàu DNA của siêu vi Herpes:

Herpes là một siêu vi gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục Đoạn mã DNA

dò của siêu vi này được dùng trong nghiên cứu của là một đoạn mã đặc trưng 5’-AT CACCGA CCC GGA GAG GGA C-3’ (Invitrogen) Đoạn mã sẽ lai hóa với đoạn mã đối ứngcủa của DNA đích của dung dịch cần làm giàu Để DNA dò có thể tiếp hợp với amino-

NP thì gốc phosphate của đầu 5’ của đoạn DNA cần được hoạt hóa Sử dụng (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC, Sigma) làm chất xúc tác cho việc hình

1-ethyl-3-Hình:Sơ đồ đơn giản về cơ phân tách tế bào

thành liên kết giữa nhóm amino trên bề mặt hạt nano và nhóm phosphate của đầu 5’ củađoạn DNA dò.

Tuy nhiên, thời gian sống của EDC sau khi hoạt hóa DNA trong nước rất ngắn nên chúngtôi dùng 1-methyllmidazole (MIA) để phản ứng với EDC hình thành lên nhóm chức hoạtđộng khác làm cho quá trình hoạt hóa DNA trong nước được ổn định (hình B) Sau quátrình này, DNA được hoạt hóa (gọi tắt là DNA hoạt hóa) Trộn amino-NP và DNA hoạthóa thì DNA dò sẽ tiếp hợp lên bề mặt của hạt nano ta thu được hạt nano từ tính có đoạnDNA dò trên bề mặt (DNA-NP) (hình C) Quá trình tiếp hợp DNA và hạt nano được ổnđịnh ở nhiệt độ 37°C trong 18 giờ Sản phẩm của quá trình này là hạt nano từ tính có bềmặt là các DNA dò Các DNA-NP sẽ được dùng để làm giàu DNA của mẫu thực.Quátrình làm giàu DNA của siêu vi Herpes bằng hạt nano từ tính được thực hiện như sau.Lấy 1 ml dung dịch chứa DNA-NP (2 % khối lượng DNA-NP/ml dung dịch) trộn với 2

ml – 20 ml dung dịch 0,1 nM/l DNA của siêu vi Herpes Quá trình lai hóa giữa đoạn

Hình: Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với DNA của siêu vi Herpes (A): hoạt hóa DNA bằng EDC.(B): hoạt hóa DNA bằmg MIA do EDC không ổn định trong nước.(C): tiếp hợp hạt nano từ tính phủ amino với DNA

DNA dò trên bề mặt hạt nano từ tính và DNA của siêu vi xảy ra tại nhiệt độ được ổn định

là 37°C trong thời gian 1 giờ Sau phản ứng lai hóa, dùng một nam châm thương mại để

cô đặc hạt nano từ tính có gắn cùng các DNA của siêu vi Lượng DNA-NP được ước tính

là dư so với số phân tử DNA có trong dung dịch Hạt cô đặc trong tất cả các trường hợpđược hòa vào trong 0,1 ml dung dịch và được gia nhiệt tại nhiệt độ 98°C để tách DNAcủa siêu vi ra khỏi hạt nano từ tính Nếu quá trình tách lọc từ đạt hiệu suất 100 % thìnồng độ DNA trong dung dịch cuối cùng sẽ gia tăng từ 20 đến 200 lần Đo nồng độ củaDNA sau khi được làm giàu và tách khỏi hạt nano bằng vi cảm biến độ dẫn.Vi cảm biến

độ dẫn đo nồng độ DNA dựa trên sự thay đổi về độ dẫn ở khoảng cách giữa các điện cựckhi có sự lai hóa giữa DNA đích và DNA dò Điện cực bằng đồng giống như hai chiếclược đan xen với nhau Kích thước mỗi răng lược 70´1000 mm2, khoảng cách giữa chúng

là 30 mm Các điện cực được cố định trên đế Si bằng phương pháp quang khắc Khoảngtrống giữa các điện cực là Si được tiếp hợp với DNA dò theo một phương pháp tương tựnhư phương pháp tiếp hợp hạt nano từ tính với DNA dò Khi cho cảm biến vào dung dịch

có chứa DNA Herpes, quá trình lai hóa giữa DNA dò và DNA đích xảy ra gây ra sự thayđổi về độ dẫn So sánh với tín hiệu của một điện cực khác không được chức năng hóa bềmặt bằng DNA dò ta sẽ thu được tín hiệu đầu ra

Hinh: Quá trình kết hợp AND với nano từ thành ‘AND dây’ phủ

Sự chênh lệch độ dẫn phụ thuộc vào nồng độ DNA Nhược điểm của phương pháp này làkhông đo được khi nồng độ thấp hơn 10 nM/l Kết hợp quá trình làm giàu bằng từ trườngnhư trình bày ở trên và vi cảm biến độ dẫn có thể xác định được DNA có nồng độ thấphơn Hình cho thấy sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầutrước và sau khi làm giàu DNA Nồng độ tăng tuyến tính theo thể tích cho thấy quá trìnhlàm giàu DNA bằng từ tính đạt hiệu quả Giá trị đo được bằng vi cảm biến độ dẫn khôngsai khác nhiều so với giá trị ước tính từ sự giảm thể tích ban đầu về 0,1 ml cho thấy hầuhết phân tử DNA trong dung dịch ban đầu (nồng độ 0,1 nM/l) đều lai hóa với hạt nano từtính và được cô đặc bằng tách lọc từ Đây là một phương pháp có thể sử dụng để mở rộng

để xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu vi cúm gia cầm

3 Đếm tế bào bạch cầu CD4+T

Quá trình gắn với kháng thể antiCD4 được thực hiện bằng cách lấy 0,4 g

amino-NP rửa và tách từ hai lần bằng 1 ml dung dịch đệm 2-(N-Morpholino) ethanesulfonic acid(MES) có pH bằng 6 với nồng độ 0,1 M (Sigma) Sau đó, amino-NP được phân tán trong0,25 ml dung dịch đệm chứa MES và 2 mg EDC ở dạng bột bằng cách khuấy đều tạinhiệt độ phòng trong 15 phút Tách rửa bằng từ trường hai lần trước khi nhỏ 1 μg - 100g - 100

μg - 100g kháng thể đơn dòng antiCD4 (antiCD4, Invitrogen) Tách rửa từ 4 lần bằng nước cất

ta thu được hạt nano gắn kháng thể antiCD4, kí hiệu là antiCD4-NP Trong một số mẫu,chúng tôi sử dụng 20 μg - 100l kháng thể antiCD4 phát huỳnh quang (viết tắt là *antiCD4, bướcsóng kích thích 480 nm, bước sóng phát xạ 520 nm của hãng Exiobio) trộn với antiCD4

có các nồng độ khác nhau Sau 2 giờ các hạt nano được bọc bởi các kháng thể đơn dòngantiCD4 và *antiCD4 được tách rửa từ 3 lần bằng 1 ml dung dịch đệm phosphate saline(PBS)

Kết quả cuối cùng ta thu được hạt nano từ bọc bởi hai loại kháng thể đơn dòngantiCD4: một loại thường (antiCD4-NP) và một loại phát huỳnh quang (*antiCD4-NP)

và được bảo quản trong PBS bổ sung thêm albumin huyết thanh bò (BSA) Lấy 200 μg - 100lmáu của người bình thường được li tâm trong ống nghiệm Eppendorf 1,5 ml với tốc độ

1000 vòng/phút trong 10 phút để loại bỏ huyết thanh rồi hòa lại vào 200 μg - 100l PBS bổ sung1% BSA Sau đó các ống được ủ với 0,2 mg antiCD4-NP và *antiCD4-NP trong 20 phúttại nhiệt độ phòng Bổ sung 1,3 dung dịch đệm nhược trương (5 mM Tris pH 7.0, 10%glycerol) để đột

Hinh: Sự phụ thuộc của nồng độ DNA vào thể tích của dung dịch ban đầu

trước khi và sau khi làm giàu DNA.

ngột phá tung màng tế bào máu làm tế bào trở thành dạng không có bào quan và bàotương hay còn gọi là tế bào ma (ghost cell) Giai đoạn này, các antiCD4-NP và *antiCD4-

NP trên bề mặt hạt nano sẽ gắn đặc hiệu lên các tế bào

giúp loại bớt các tế bào ma Trong một thí nghiệm đối chứng, chúng tôi gắn trực tiếp 20

μg - 100l kháng thể đơn dòng antiCD4 phát huỳnh quang với 200 μg - 100l máu để nhuộm tế bào bạchcầu CD4+ T Quá trình xử lý tiếp theo cũng tương tự như thí nghiệm với antiCD4-NP và

*antiCD4-NP nhưng không có bước tuyển từ Các tế

bào sau phản ứng gắn đặc hiệu với kháng thể được bảo quản trong 50 μg - 100l PBS lạnh, bổsung 1% BSA và 10% glycerol 5μg - 100l dung dịch chứa tế bào được nhỏ lên một tấm kính(slide glass) rồi được phủ lên bằng một phiến kính mỏng (cover slip) để quan sát bằng

Hinh Quy trình tiếp hợp hạt nano được chức năng hóa với kháng thể antiCD4 Phản ứng (A) Hạt nano từ tính được chức năng hóa EDC Phản ứng (B)Tiếp hợp kháng thể antiCD4 với hạt nano từ tính được bao phủ bởi EDC.

hiển vi huỳnh quang Carl Zeiss Axio Cường độ huỳnh quang được xử lí bằng phần mềmScion Image.là ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường vàdưới chế độ phát huỳnh quang (ánh sáng kích thích 480 nm, ánh sáng huỳnh quang 520nm) Với mẫu không được tuyển từ, dưới ánh sang thường có thể nhìn thấy tế bào hồngcầu và nhiều loại tế bào bạch cầu Sự nhận biết loại tế bào có thể thông qua hình dạng củachúng Dưới chế độ huỳnh quang thì chỉ nhìn thấy tế bào bạch cầu CD4+ T mà khôngnhìn thấy các tế bào hồng cầu và bạch cầu dạng khác Sở dĩ như vậy vì hạt nano từ cókháng thể đơn dòng *antiCD4 rất đặc hiệu, chỉ gắn với kháng nguyên CD4 trên bề mặt tếbào bạch cầu CD4+ T và làm các tế bào này phát sáng Độ sáng của tế bào bạch cầu đođược là (137±45)´103 (đơn vị tùy ý) Dựa trên diện tích của hình nghiên cứu vào khoảng

104 mm2,ước tính số tế bào bạch cầu CD4+ T của hai người trưởng thành là 670 và 810

tế bào/ml Giá trị này nằm trong khoảng an toàn đối với người khỏe mạnh

(600 đến 1200 tế bào/ml)

Hinh Ảnh chụp các tế bào trong máu từ kính hiển vi dưới ánh sáng thường (A, C) và dưới chế độ phát huỳnh quang (B, D) của tế bào không được bao bọc bởi hạt nano từ tính (A, B) và được bao bọc bởi hạt nano từ tính (C, D).

Với người mắc bệnh HIV, số lượng tế bào bạch cầu giảm đi rất nhiều (thậm chí ít hơn

150 tế bào/ml) nên việc lấy thống kê theo diện tích trên hình quan sát của kính hiển vikhông chính xác Chính vì thế sử dụng hạt nano từ tính chức năng hóa bằng kháng thểantiCD4 để làm giàu tế bàobạch cầu trước khi đếm bằng hiển vi huỳnh quang Chúng tôi

đã thử nghiệm với các nồng độ antiCD4 khác nhau từ 1 mg – 100 mg và thấy rằng 20 mg

là đủ để chức năng hóa bề mặt của 0,4 g hạt nano.hình trên cho thấy ảnh chụp tế bào máusau khi tách từ Không giống như hình , hình này không có nhiều tế bào hồng cầu, tiểucầu hoặc các tế bào bạch cầu loại khác với bạch cầu CD4+ T Hơn nữa, tín hiệu thu đượcdưới chế độ ảnh chụp huỳnh quang cho thấy cường độ phát huỳnh quang của tế bào bạchcầu CD4+ T mạnh hơn cường độ huỳnh quang của tế bào được tiếp hợp với kháng thểhuỳnh quang mà không có hạt nano

Cường độ đo được là (356±64)´103 (đơn vị tùy ý) gấp 2,6 lần cường độ lần trước Cáckết quả trên cho thấy rằng, quá trình tách lọc tế bào sử dụng tương tác kháng nguyên-kháng thể đã thành công Không những thế, cường độ huỳnh quang của các tế bào có hạtnano lại mạnh hơn trường hợp không có hạt nano Điều này có thể giải thích như sau: nếukhông có hạt nano, chỉ có một lớp kháng thể huỳnh quang bám trên bề mặt tế bào nêncường độ huỳnh quang chỉ do một lớp đó phát ra; trong trường hợp của hạt nano huỳnhquang, hạt nano có tác dụng “thu thập” các kháng thể huỳnh quang trước khi tiếp hợptrên bề mặt tế bào tạo nên nhiều lớp kháng thể huỳnh quang nên độ sáng lớn hơn độ sángcủa một lớp kháng thể Ngoài ra việc đếm tế bào cũng dễ dàng hơn do không bị lẫn vớicác tế bào khác loại và có nhiều tế bào trên một đơn vị diện tích nên thống kê chính xáchơn Phương pháp đánh dấu tế bào kết hợp với tuyển từ như thế này rất hiệu quả trongviệc đếm tế bào bạch cầu CD4+ T cho các bệnh nhân bị nhiễm HIV

II ỨNG DỤNG BÊN TRONG CƠ THỀ:

1 Phương pháp tăng thân nhiệt (gây sốt) cục bộ

Phương pháp tăng thân nhiệt (gây sốt) cục bộ là một quá trình điều trị sử dụng các hạtnano từ tính để tăng nhiệt độ của một vùng cơ thể có khối u ác tính hoạc các u khác Đâycũng là một phương pháp điều trị ung thư vì tốc độ phát triển ung thư có thể được làm

chậm lại , thậm chí có thể bị triệt tiêu ở trong khoảng nhiệt độ từ 42-48o, trong khi đó các

tế bào bình thường có thể chịu đựng đến nhiệt độ cao hơn Các phương pháp tăng thânnhiệt truyền thống sử dụng phương pháp nung nhiệt tòn bộ cơ thể hoặc một bộ phận cơthể từ bên trong hoạc từ bên ngoài bằng cách bơm các dòng chất lỏng (hoặc máu) nóngvào cơ thể, bằng phương pháp siêu âm hoặc sử dụng trường điện từ

Nguyên tắc của phương pháp gây sốt cục bộ sử dụng các hat nano từ tính là như sau:Trước tiên, các hạt nano từ tính có kích thước từ 20-100 nm được phân tán trong các mômong muốn Sau đó tác dụng một từ trường xoay chiều bên ngoài đủ lớn về cường độ vàtần số để làm cho các hạt nano hưởng ứng mà tạo ra nhiệt nung nóng những vùng xungquanh Nhiệt độ khoảng 42 °C trong khoảng 30 phút có thể đủ để giết chết các tế bào ungthư

Nghiên cứu về kĩ thuật tăng thân nhiệt cục bộ được phát triển từ rất lâu và có rất nhiềucông trình đề cập đến kĩ thuật này nhưng chưa có công bố nào thành công trên người.Khó khăn chủ yếu đó là việc dẫn truyền lượng hạt nano phù hợp để tạo ra đủ nhiệt lượngkhi có sự có mặt của từ trường ngoài mạnh trong phạm vi điều trị cho phép

Vật liệu từ với diện tích vòng trễ lớn sẽ được sử dụng rất hiệu quả trong việc đốtnhiệt Tuy nhiên, thong thường cường độ từ trường tại vị trí khu trú của các hạt từ (để

điều trị bệnh) bị han chế nhiều, nên trong thực tế, ta chỉ sử dụng được các đường từ trễriêng phần mà thôi.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung nóng cục bộ là lưu lượng máu và phân bốcủa các mô Thực nghiệm và tính toán cho biết tỉ số phát nhiệt vào khoảng 100 mW/cm3

là đủ trong hầu hết các trường hợp thực nghiệm Tần số và biên độ của từ trường thườngdùng dao động trong khoảng f = 0,05-1,2 MHz, H < 0,02 T Mật độ hạt nano cần thiếtvào khoảng 5-10 mg/cm3 Vật liệu dùng để làm hạt nano thường là magnetite vàmaghemite và có thể có tính sắt từ hoặc siêu thuận từ Phần lớn các thí nghiệm được tiếnhành với hạt siêu thuận từ Vì vậy, ở seminar này chỉ giải thích cơ chế vật lý cho hạt siêuthuận từ Với hạt siêu thuận từ, khi áp dụng một từ trường xoay chiều thì hạt sẽ hưởngứng dưới tác dụng của từ trường đó Sự hưởng ứng được thể hiện bằng chuyển động quayvật lý và quay mô men từ của hạt Hai quá trình quay này được đặc trưng bới hai thông số

là thời gian hồi phục Brown ( tB) và thời gian hồi phục Néel (tN ) Lượng nhiệt thoát rađược cho bởi phương trình sau:

P = m 0 pi f c H 2

trong đó m0 là từ thẩm của môi trường, f là tần số từ trường xoay chiều, c là thành phầnlệch pha của độ cảm từ phức (độ hấp thụ), H là cường độ từ trường Nếu chuyển độngcủa hạt nano từ tính lệch pha so với từ trường thì một phần năng lượng từ chuyển thànhnội năng của hệ Một chất lỏng từ được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ Với chất lỏng từ tốtgiá trị này có thể đạt giá trị 45 W/g tại từ trường cỡ 0,01 T [7]

Như vậy, phương pháp gây sốt cục bộ có ưu điểm là cho phép chỉ làm nóng trựctiếp khối u Để tăng hiệu quả của phương pháp này, người ta còn thường sử dụng các hạtnano từ đơn domen (kích thước nano mét) mà tránh sử dụng các hạt nano hấp thụ nhiềunăng lượng trong từ trường xoay chiều Nhiệt năng phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và

hình dạng của hạt Do đó việc lựa chọn các phương pháp chế tạo phù hợpse4 tăng cườnghiệu quả của phương pháp này.

Các hạt sắt từ thường được dử dụng để thực hiện giải pháp gây sốt cục bộ nhất trongtrường hợp này, nếu kết hợp được cà các yếu tố độc dược và tương thích sinh học, só thểtạo ra một tính năng tuyệt vời: đối với các mô chỉ chứa 1mg sắt/cm3 có thể gia nhiệt vớitốc độ cỡ 5 độ/phút khi một bức xạ công suất 1w/cm3 ở tần số 1MHz Trong lúc đó nhiệt

độ của các phần mô không chứa oxyt sắt hầu như không thay đổi Để thực hiện phươngpháp gây sốt cục bộ an toàn (không bị quá nhiệt), có thể sử dụng các vật liệu vô định hình(hợp kim của Fe, P, C, và Ge có điện trở lớn) có nhiệt độ Curie thấp Khi nhiệt độ vượtquá nhiệt độ Curie, từ tính sẽ biến mất, sự gia nhiệt dưới tác dụng của từ trường sẽ giảm

và nhiệt độ luôn ổn định xung quanh giá trị nhiệt độ Curie Theo hướng này, hiện nay,các loại vật liệu như Ferit, peroveskit cũng là các vật liệu khá triển vọng Ngày nay người

ta còn dung các dung dịch vi khuẩn từ tính nồng độ cao để thay thế các hạt nano từ tínhtrong việc điều trị các khối u ác tính bằng phương pháp gây sốt cục bộ Trong trường hợpnày, các vi khuẩn từ tính cũng được làm khu trú xung quanh khối u ác tính nhờ tác dụngcủa gradient từ trường Tiếp đó, dưới tác dụng của một từ trường xoay chiều, các vikhuẩn từ tính (và cả khối u) được làm nóng lên đến 40o C để làm chết ác tế bào trongkhối u

2 Dẫn truyền thuốc.

Một trong những nhược điểm quan trọng nhất của hóa trị liệu đó là tính không đặchiệu Khi vào trong cơ thể, thuốc chữa bệnh sẽ phân bố không tập trung nên các tế bàomạnh khỏe bị ảnh hưởng do tác dụng phụ của thuốc Có thể nêu một ví dụ điển hình nhưsau Hiện nay, hóa học trị liệu đang là một phương pháp rất phổ dụng để điề trị bệnh ungthư Tuy nhiên đây cũng là phương pháp chữa bệnh phân tán và gây rất nhiều tác dụngphụ Để thực hiện phương pháp này, trước hết người ta phải tính đến liều lượng mức chịuđụng cho từng bệnh nhân Điều này có nghĩa là các bệnh nhân có sức khỏe yếu không thểnhận đủ liều lưởng để chữa trị thành công Trong trường hợp đó, nếu hướng đích được

việc vận chuyển thuốc và có biện pháp giữ cho thuốc không bị nhả ra trước khi đến đíchkhông những sẽ làm giảm ảnh hưởng đến các tế bào mạnh mà còn tăng được đủ liềulượng để chữa trị thành công Chính vì thế việc dùng các hạt từ tính như là hạt mangthuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể (thông thường dùng điều trị các khối u ung thư) đãđược nghiên cứu từ những năm 1970, những ứng dụng này được gọi là dẫn truyền thuốcbằng hạt từ tính

Có hai lợi ích cơ bản là:

(i) thu hẹp phạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể nên làm giảm tác dụng phụ củathuốc; và

(ii) giảm lượng thuốc điều trị

Hạt nano từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị Lúcnày hạt nano có tác dụng như một hạt mang Thông thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chấtlỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn Khi các hạt đi vào mạch máu, người tadùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đótrên cơ thể Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc

có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học

do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt

độ Quá trình vật lý diễn ra trong việc dẫn truyền thuốc cũng tương tự như trong phântách tế bào Gradient từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt

Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từtrường, thể tích và tính chất từ của hạt nano Các chất mang (chất lỏng từ) thường đi vàocác tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độchất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý họcnhư khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, vàthể tích của khối u Các hạt có kích thước micro mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ

có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở cácmạch máu lớn và các động mạch

Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m vớiđộng mạch cổ Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nano từ tính có hiệu quả ởnhững vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường Tuy nhiên, khi các hạt nano chuyểnđộng ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stokenên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng

Các hạt nano từ tính thường dùng là oxyd sắt (magnetite Fe3O4, maghemite

a-Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học nhưPVA, detran hoặc silica Chất bao phủ có tác dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liênkết với các phân tử khác như nhóm chức carboxyl, biotin,

Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặcbiệt nhất là dùng để điều trị u não Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vìthuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạtnano từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều Việc ápdụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số thành công, nhưng còn rất khiêmtốn

3 Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI

Felix Bloch thuộc trường đại học Stanford và Edward Purcell thuộc trường đại họcHarvard đã thực hiện đồng thời nhưng độc lập với nhau thí nghiệm về cộng hưởng từthành công đầu tiên để nghiên cứu về các hợp chất hóa học vào năm 1946 Bác sĩ Bloch

và bác sĩ Purcell đã được giải Nobel về vật lý vào năm 1952 Vào những năm đầu củathập kỷ 80 thuộc thế kỷ trước, máy chụp cộng hưởng từ (MRI - magnetic resonanceimaging) dành cho người lần đầu tiên xuất hiện cho ra hình ảnh bên trong của cơ thể

người Máy MRI hiện nay có thể tạo ra hình ảnh 2 chiều và 3 chiều của cấu trúc cơ thểngười với độ chi tiết cao.

MRI tương tự với CT scan ở chỗ nó tạo ra hình ảnh cắt lát của cơ thể Nhìn vào hìnhảnh cơ thể theo từng lớp cắt có thể giống với việc nhìn vào bên trong ruột ổ bánh mì bằngcách cắt bánh ra thành từng lát mỏng Không giống như CT scan, MRI không dùng tia X

mà thay vào đó, nó dùng một từ trường mạnh và sóng radio để tạo ra hình ảnh vi tính hóa

ở bên trong cơ thể rất rõ ràng và chi tiết MRI thường được dùng để khảo sát não, cộtsống, các khớp, bụng và khung chậu Một dạng MRI chuyên biệt có tên là cộng hưởng từmạch máu (MRA - Magnetic resonance angiography) dùng để khảo sát các mạch máu MRI não cho hình ảnh rất chi tiết của não và thường được dùng đối với những bệnhnhân bị nhức đầu, đột quỵ, yếu ớt, nghe kém và nhìn mờ Nó cũng có thể được dùng đểkhảo sát sâu hơn những bất thường thấy được trên CT scan Khi chụp MRI não, người tađặt một cuộn dây (head coil) xung quanh đầu bệnh nhân để giúp tạo ra hình ảnh chi tiếtcủa não Head coil không chạm vào người bệnh nhân và bệnh nhân có thể nhìn thấy mọivật xung quanh qua những khoảng trống lớn ở trong cuộn dây

Ảnh não người chụp bằng MRI

3.1 Ứng dụng MRI:

Chụp MRI cột sống thường được dùng để khảo sát thoát vị đĩa đệm hoặc hẹp ốngsống ở những người bị đau cổ, tay, lưng và/hoặc chân Nó cũng là phương tiện tốt nhất đểkiểm tra thoát vị tái phát ở những người đã từng mổ thoát vị trước đó

Chụp MRI xương và khớp có thể được dùng để kiểm tra gần như tất cả xương, khớp

và mô mềm MRI có thể được dùng để xác định các gân cơ, dây chằng, cơ, sụn, và xương

bị tổn thương Nó cũng có thể được dùng để tìm những chỗ nhiễm trùng hoặc các khối u Chụp MRI bụng thường được dùng nhất để khảo sát chi tiết hơn những bất thườngthấy được ở những phương tiện chẩn đoán hình ảnh khác như siêu âm hoặc CT scan.MRI thường được dùng để khảo sát gan, tụy, hoặc tuyến thượng thận

Ở phụ nữ, chụp MRI khung chậu cho hình ảnh chi tiết của buồng trứng và tử cung vàthường được dùng để theo dõi những bất thường thấy được trên siêu âm Nó cũng đượcdùng để đánh giá mức độ lan rộng của ung thư tử cung Ở nam giới, chụp MRI khungchậu thường được dùng để kiểm tra chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến Chụp MRI khungchậu cũng có thể được dùng để khảo sát xương và cơ ở khung chậu

Chụp MRI mạch máu (MRA) cho ta thấy được hình ảnh của các mạch máu Các mạchmáu ở cổ (động mạch cảnh và đốt sống) và ở não thường được khảo sát bởi MRA để tìmchỗ hẹp hoặc dãn Ở bụng, các động mạch cung cấp máu cho thận cũng thường đượckhảo sát bởi kỹ thuật này

3.2 Nguyên lý tạo ảnh

Máy MRIMặc dù mômen từ của một proton rất nhỏ (1,5 10-3 Magneton Bohr) nhưng trong cơthể động vật có một lượng rất lớn proton (hạt nhân nguyên tử hydrogen của phân tử nước(6,6 1019) nên có thể tạo ra một hiệu ứng có thể đo được Nếu tác dụng một từ trường cốđịnh có cường độ = 1 T cùng với một từ trường xoay chiều vuông góc với từ trường cốđịnh và có tần số bằng tần số tuế sai Larmor của proton thì sự hấp thụ cộng hưởng sẽ xảy

ra Với hạt nhân nguyên tử hydrogen 1H, tỉ số từ hồi chuyển Rad.s-1.T-1

Tần số tuế sai Larmor sẽ tương ứng với tần số sóng vô tuyến và có giá trị là 42,57MHz Khi chỉ có mặt của từ trường cố định, proton sẽ tuế sai xung quanh hướng của từtrường Khi từ trường xoay chiều được phát ra, mặc dù cường độ của từ trường này yếuhơn nhiều so với từ trường cố định nhưng vì tần số của nó đúng bằng tần số tuế sai nênmômen từ của proton sẽ hướng theo phương của từ trường xoay chiều, tức là vuông gócvới từ trường cố định Khi từ trường xoay chiều ngừng tác động, mô men từ sẽ trở lạiphương của từ trường cố định (xem hình 2)

Quá trình hồi phục phụ thuộc vào hai thông số, đó là, thời gian hồi phục dọc T1 vàthời gian hồi phục ngang với phương từ trường cố định T2 cho bởi công thức:

mz = m[1-exp(-t/T1)]

mxy = m sin(wt+phi) exp(-t/T2)

t là thời gian và phi là hằng số pha

T1 đặc trưng cho sự mất mát nhiệt lượng ra môi trường xung quanh, T2 đặc trưng cho sựlệch pha của proton với từ trường xoay chiều

Tuy nhiên sự lệch pha có thể do sự bất đồng nhất của từ trường nên giá trị T2 đượcthay thế bằng giá trị T2*:

1/T2* = 1/T2 + g DB/2

DB là sự biến thiên của từ trường cố định có thể do sự biến dạng địa phương của từtrường hoặc do sự thay đổi của độ cảm từ Các giá trị T1 và T2* có thể giảm đi khi cómặt của hạt nano từ tính

Các hạt nano siêu thuận từ tạo thành từ oxyd sắt hoặc hợp chất chứa Gd thườngđược sử dụng như tác nhân làm tăng độ tương phản trong cộng hưởng từ Sự có mặt củachúng làm nhiễu loạn từ trường địa phương nên làm thay đổi giá trị rất nhiều Giá trị củacũng thay đổi nhưng ở mức độ yếu hơn Dựa trên đặc tính của từng mô trong cơ thể, tùyloại mô mà độ hấp thụ hạt nano mạnh hay yếu Ví dụ, hạt nano có kích thước 30 nm đượcbao phủ dextran có thể nhanh chóng đi vào gan và tì trong khi những cơ quan khác thìchậm hơn Như vậy, mật độ hạt nano ở các cơ quan là khác nhau, dẫn đến sự nhiễu loạn

từ trường địa phương cũng khác nhau làm tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ

do thời gian hồi phục bị thay đổi khi đi từ mô này đến mô khác

Ở phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI (Magnetic ResonnanceImaging), người ta đưa cơ thể bệnh nhân vào vùng có từ trường một chiều rất mạnh, hiệnnay phổ biến là dùng từ trường sinh ra do cuộn dây siêu dẫn có dòng điện rất lớn chạyqua Trong cơ thể có những nguyên tử mà hạt nhân có momen từ tương tự như có gắnmột thanh nam châm cực nhỏ Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạtnhân nguyên tử quay đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặtđất Nếu hạt nhân đang quay đảo với tần số w mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số wtác dụng, hạt nhân sẽ quay đảo cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng Đó là cộng hưởng

từ hạt nhân Khi ngừng tác dụng sóng vô tuyến, hạt nhân sẽ từ trạng thái quay đảo cựcmạnh trở về trạng thái quay đảo bình thường Hạt nhân có momen từ quay như vậy sẽsinh ra sóng điện từ phát ra không gian xung quanh, có thể đo được sóng điện từ đó nếuđặt vào đấy một cuộn dây điện