Nano vàng và ứng dụng nano vàng dạng que trị bệnh ung thư bằng phương pháp quang nhiệt

Nano vàng và ứng dụng nano vàng dạng que trị bệnh ung thư bằng phương pháp quang nhiệt

Đề tài:

NANO VÀNG VÀ ỨNG DỤNG NANO VÀNG DẠNG QUE TRỊ BỆNH UNG THƯ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG NHIỆT

Seminar Hóa học Nano

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

Đề tài:

THANH NANO VÀNG ỨNG DỤNG TRỊ BỆNH UNG THƯ BẰNG

PHƯƠNG PHÁP QUANG NHIỆT

GVHD: Nguyễn Thị Phương Phong

Seminar Hóa học Nano

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

Mở đầu

Bước qua thế kỷ XXI, chất lượng cuộc sống con người ngày càng được nâng cao Tuy nhiên bên cạnh đó con người không tránh khỏi việc phải đối mặt với nhiều vấn đề về sức khỏe Bệnh ung thư đã ngày càng trờ nên phổ biến hơn và nguy hiểm hơn Theo thống kê của tổ chức Y tế thế giới (WHO) và bộ Y tế Việt Nam thì Việt Nam có tỉ lệ mắc bệnh ung thư cao trên thế giới Nguyên nhân chính là do người dân tiếp xúc hàng ngày môi trường bị ô nhiễm và thực phẩm có chứa chất bảo quản độc hại Tỉ lệ người tử vong vì căn bệnh này rất cao Trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, các nhà khoa học

đã cho thấy nhiều phương pháp điều trị bệnh ung thư có hiệu quả cao, trong đó việc ứng dụng hạt nano vàng vào việc tìm, nhận biết và tiêu diệt tế bào ung thư đang dần cho những kết quả rất khả quan Các tính chất của hạt nano vàng hình cầu được sử dụng trong việc cho hình ảnh của tế bào ung thư bằng cách sử dụng kính hiển vi đồng tiêu và kính hiển vi trường tối đơn giản gần đây liệu pháp quang nhiệt sử dụng các thuộc tính hấp thụ cảu kháng thể liên hợp thanh nano vàng (nanorods) và hạt nano vàng hình cầu

đã được chứng minh để tiêu diệt chọn lọc tế bào ung thư không ảnh hưởng đến các tế bào khỏe mạnh Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi xin phép phương pháp điều chế thanh (que) nano vàng, ứng dụng phương pháp quang nhiệt trị trong việc điều trị bệnh ung thư

Mục lục

Mở đầu 3

Danh mục hình ảnh 5

1 Tổng quan 6

1.1 Sơ lược về bệnh ung thư 6

1.2 Hạt nano và sự ra đời của công nghệ nano 7

1.3 Ứng dụng nano vàng điều trị bệnh ung thư 8

1.4 Các phương pháp điều chế hạt nano vàng 9

2 Thực nghiệm điều chế nano vàng dạng thanh ứng dụng điều trị ung thư 12

2.1 Hóa chất – thiết bị 12

2.2 Tổng hợp thanh nano vàng 13

2.3 Chuẩn bị kháng thể anti-EGFR mang thanh nano vàng (anti-EGFR/Au) 13

2.4 Thí nghiệm lên tế bào bình thường và tế bào ủ bệnh của hệ liên hợp anti-EGFR/Au 14

2.5 Bề mặt plasmon hấp thụ và tán xạ ánh sáng của thanh nano vàng lên tế bào 14

2.6 Tiến hành trị liệu quang nhiệt 14

3 Kết quả và nhận xét 15

3.1 Kết quả tổng hợp nano vàng dạng thanh 15

3.2 Kết quả trị liêu quang nhiệt 18

4 Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 23

Danh mục hình ảnh

Hình 1: Tỉ lệ một số loại ung thư thường gặp trên toàn thế giới (tính đến năm 2010) 6 Hình 2: Ảnh tán xạ của các tế bào không ung thư (a) và các tế bào ung thư (b), (c) sau khi ủ với kháng thể EGFR lien hợp nano vàng 9 Hình 3: Các loại hạt nano vàng tương ứng với các hình dạng khác nhau 10 Hình 4: A) Quang phổ hấp thu plasmon bề mặt của các thanh nano vàng với những bước sóng khác nhau B) Ảnh TEM của các thanh nano 15 Hình 5: Ảnh tán xạ của các tế bào khảo sát Cột trái – HaCaT, cột giữa – HSC, cột phải – HOC A) tán xạ của hạt nano vàng B) tán xạ của thanh nano vàng 16 Hình 6: Phổ phát xạ từ các tế bào đơn được đo bằng máy quanh phổ hấp thu A) anti-EGFR gắn trên hạt nano hình cầu B) anti-EGFR gắn trên thanh nano 17 Hình 7: Liệu pháp quang nhiệt có chọn lọc với các tế bào ung thư ở những mức năng lượng khác nhau Cột trái – HaCaT, cột giữa – HSC, cột phải – HOC 19

1 Tổng quan

1.1 Sơ lƣợc về bệnh ung thƣ

Ung thư là tên gọi chung của một nhóm các bệnh liện quan đến việc phân chia tế bào một cách vô tổ chức, các tế bào này có khả năng xâm lấn các mô bằng cách phát triển trực tiếp vào các mô lân cận hoặc di chuyển đến các mô khác bằng cách đi vào máu hoặc hệ bạch huyết

Nguyên nhân gây ung thư là sự sai hỏng của DNA, tạo nên các đột biến ở các gen thiết yếu điều khiển quá trình phân bào cũng như các cơ chế quan trọng khác Một hoặc nhiều đột biến được tích lũy lại sẽ gây ra sự tăng sinh không kiểm soát và tạo thành các khối u Khối u là một khối mô bất thường, có thể ác tính, tức ung thư hoặc lành tính, tức không ung thư

Theo thống kê của Tổ chức nghiên cứu ung thư thế giới (International Agency for Research on Cancer, IARC) thì năm 2002, trên toàn thế giới ước tính có khoảng 10,9 triệu người mới mắc bệnh ung thư, tỷ lệ ung thư ngày càng tăng do tốc độ đô thị hóa và

sự ô nhiễm môi trường

Hình 1: Tỉ lệ một số loại ung thư thường gặp trên toàn thế giới (tính đến năm 2010) [1]

Theo thông tin của Bộ Y tế Việt Nam và Tổ chức Y tế thế giới (WHO), hàng năm Việt Nam có khoảng 150.000 đến 200.000 người mắc bệnh ung thư mới và có khoảng 50%

tử vong vì căn bệnh này, là nguyên nhận gây tử vong cao thứ 2 của quốc gia Theo thống kê đến năm 2010, cả nước có từ 240.000 đến 250.000 người mắc bệnh ung thư, chủ yếu là ung thư phổi, dạ dày, đại tràng, ung thư vú, cổ tử cung, v.v… Nguyên nhân gây bệnh thì có nhiều, song chủ yếu là do nguồn nước ô nhiễm và nguồn thực phẩm có chứa chất bảo quản độc hại

Việc điều trị ung thư là rất quan trọng trong chương trình Phòng chống ung thư ở mọi quốc gia Muốn nâng cao chất lượng điều trị, không chỉ hoàn chỉnh về kỹ thuật của mỗi phương pháp, thiết bị, mà còn phải có kinh nghiệm, kiến thức; chẩn đoán thật chính xác, xây dựng phác đồ điều trị cho mỗi bệnh nhân một cách hợp lý nhất, thông thường phải phối hợp làm việc trong một tập thể các thầy thuốc chuyên khoa Có 2 nhóm phương pháp điều trị bệnh ung thư thông dụng

- Các phương pháp điều trị tại chỗ: bao gồm phẫu thuật và tia xạ Có khả năng điều trị triệt để khi bệnh còn ở giai đoạn sớm, các tế bào ung thư chỉ khu trú ở tại chỗ hoặc tại vùng Nếu các khối u đã di căn xa, chúng ta vẫn có thể dùng phương pháp này để trị tạm thời hoặc kết hợp với những phương pháp khác

- Các phương pháp điều trị toàn thân Bao gồm điều trị hoá chất (dùng thuốc chống ung thư), điều trị nội tiết (dùng nội tiết tố hoặc dùng kháng nội tiết tố), điều trị miễn dịch (làm tăng sức đề kháng của cơ thể để diệt tế bào ung thư) Các phương pháp này có tác dụng trên phạm vi toàn cơ thể, vì vậy chỉ thường được áp dụng điều trị khi bệnh có tính chất toàn thân hoặc đã lan rộng

1.2 Hạt nano và sự ra đời của công nghệ nano

Tiền tố “Nano” được sử dụng trong tài liệu khoa học đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ có đường kính 200nm Vào năm 1974, Tanigushi sử dụng thuật ngữ công nghệ nano chỉ sự liên kết các vật liệu cho kĩ thuật chính xác trong tương lai Hiện tại trong khoa học, tiền tố nano được biểu thị với kích thước 1 phần tỉ mét

Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”

Sau đó, định nghĩa này đã được loại bỏ bởi các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng và các vật liệu đang được tiến hành ở vi mô μm

Sau này công nghệ nano đã được định nghĩa cụ thể hơn đó là khoa học, kỹ thuật và thao tác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ” Cấu trúc cơ bản của công nghệ nano bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano Các cấu trúc nano này khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao

Công nghệ nano là một ngành khoa học phát triển nhanh trong những năm gần đây với việc tạo ra những vật liệu và thiết bị có kích thước nano mét Công nghệ nano tập trung vào các lĩnh vực như vật lí, sinh học, kỹ thuật, hóa học, khoa học máy tính và các ngành khác Từ đó, vật liệu nano được nghiên cứu rộng rãi và được tạo ra trở thành đối tượng nghiên cứu của công nghệ nano Trong số đó, hạt nano đang đóng một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano và nó đã mang đến một kỉ nguyên mới trong lĩnh vực nano thuốc và nó đã làm thay đổi nền tảng của việc chẩn đoán, điều trị và phòng ngừa bệnh dựa trên đặc tính của nó

Một trong những vật liệu nano được tạo ra và được ứng dụng rộng rãi đó chính là nano vàng

1.3 Ứng dụng nano vàng điều trị bệnh ung thƣ

Nguyên tắc cơ bản trong việc điều trị ung thư đó chính là ngăn chặn sự phân chia tiếp tục của các tế bào và tiến hành phá hủy chúng Khó khăn trong việc này đó chính là việc phát hiện sớm sự bất thường của các tế bào lúc chúng mới hình thành từng nhóm nhỏ Mặt khác việc phá hủy chúng cũng rất khó khăn để không phá hủy những tế bào bình thường khác

Năm 2005, một nhóm các nhà khoa học ở Mỹ đã công bố rằng, các hạt nano vàng có thể dùng để phát hiện sớm ung thư một cách dễ dàng Nguyên nhân là do các tế bào ung thư có một loại protein gọi là “biểu bì tăng trưởng trung tâm” (Epidermal Growth Factor Receptor – EFGR) bám trên bề mặt còn các tế bào bình thường thì

không có Khi đính kèm các kháng thể của EFGR vào các hạt nano vàng rồi tiêm vào cơ thể, các kháng thể của EFGR khi gặp các tế bào ung thư sẽ bám chặt lên bề mặt của chùng Vì vậy chỗ nào có tế bào ung thư thì có các hạt vàng, còn những tế bào bình thường thì không Do tính tán xạ mạnh của các hạt nano vàng, khi chiếu chùm ánh sang trắng và quan sát kỹ dưới kính hiển vi, chúng ta có thể thấy những chùm sáng phát ra từ các hạt nano Từ đó xác định được vị trí của các tế bào ung thư trong cơ thể

Tháng 3 năm 2009, các nhà khoa học Mỹ tiếp tục công bố cách dùng hạt nano vàng tìm tế bào ung thư để tiêu diệt Nguyên nhân là khi chiếu tia hồng ngoại vào, cũng như đối với nhiều loại hạt khác, hạt nano vàng hấp thụ tia hồng ngoại và nóng lên Nhưng đối với mỗi bước sóng của tia hồng ngoại có một kích thước (đường kính) phù hợp của hạt nano vàng, có hiện tượng hấp thụ cộng hưởng xảy ra: Hạt nano vàng rất nóng Lợi dụng hiện tượng này, người ta chế tạo hạt nano vàng hình cầu rỗng (vì tia hồng ngoại chỉ làm nóng lớp mặt ngoài) đường kính cỡ 30-50 nanomet Khi đính các kháng thể vào các hạt nano vàng này rồi cho vào cơ thể, chúng chỉ tập trung bám dính vào những tế bào ung thư Chiếu tia hồng ngoại có bước sóng thích hợp vào, do hấp thụ cộng hưởng, các hạt nano vàng rất nóng làm tiêu diệt tế bào ung thư, còn các tế bào lành ở xung quanh nóng lên không đáng kể Người ta thấy rằng chỉ cần làm nóng tế bào ung thư cao hơn nhiệt độ bình thường của cơ thể khoảng 6-7 oC là có thể tiêu diệt được

mà không ảnh hưởng đến các tế bào bình thường

Hình 2: Ảnh tán xạ của các tế bào không ung thư (a) và các tế bào ung thư (b), (c) sau khi ủ với kháng thể EGFR lien

hợp nano vàng [3]

1.4 Các phương pháp điều chế hạt nano vàng

Vàng có kí hiệu hóa học Au, số hiệu nguyên tử 79, là kim loại chuyển tiếp mềm, dẻo, dễ uốn, dễ dát mỏng, màu vàng óng và chiếu sáng Vàng không phản ứng với hầu

hết các hóa chất, nhưng lại tan trong nước cường toan tạo thành Chloroauric acid (HAuCl4) là tiền thân của Au trong nhiều ứng dụng Vàng có ở dạng quặng hoặc hạt trong đá hoặc các mỏ bồi tích

Tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và tính chất vật lý mà có nhiều loại hạt nano vàng được phát minh Nano vàng được nghiên cứu sớm nhất có dạng hình cầu, tiếp theo đó là dạng hình que (nanorod), dạng vỏ bọc (nanoshell) , dạng khung (nanocage) và một loại hạt nano vàng khác được tạo ra nhờ đặc tính tán xạ tốt trên bề mặt của nó là hạt nano SERS

Hình 3: Các loại hạt nano vàng tương ứng với các hình dạng khác nhau

Trong hai thập kỉ qua, sự phát triển không ngừng công nghệ nano đã tạo ra các hạt nano vàng có hình dạng và kích thước khác nhau dưới sự kiểm soát tốt, độ chính xác cao Dưới đây, chúng tôi xin giới thiệu một số phương pháp tổng hợp hạt nano vàng tiểu biểu

- Phương pháp khử hóa học:

Là phương pháp sử dụng tác nhân hóa học để khử ion kim loại Au3+

(trong dung dịch muối vàng HAuCl4) thành Au Đây còn được gọi là phương pháp hóa ướt do tác nhân hóa học được sử dụng ở dạng lỏng như acid citric, vitamin C, natri bohidrua (NaBH4), etanol, etilen glycol, glycerin, natri citrat, poly sodium acrylate (PSA)

Sau khi hòa tan muối vàng HAuCl4, cho tác nhân khử vào đồng thời khuấy nhanh dung dịch Các ion Au3+ sẽ bị khử thành nguyên tử Au, cho đến khi dung dịch trở nên bão hòa thì dần xuất hiện kết tủa các hạt vàng có kích thước nm; nếu khuấy đủ mạnh sẽ tạo ra các hạt có kích thước đồng đều hơn Thông thường người ta cho chất ổn định vào

để ngăn sự kết dính của các hạt nano vàng

Tùy thuộc vào từng loại hóa chất và tác nhân khử tương ứng khác nhau mà tạo ra các hạt nano vàng với chất lượng, kích thước và hình dạng khác nhau Do đó, khi điều chế vàng bằng phương pháp hóa học cần lựa chọn hóa chất sử dụng với nồng độ thích hợp, chất ổn định,…để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu

Phương pháp này đơn giản, tiến hành ở nhiệt độ thường, sản phẩm có độ tinh khiết cao và khả năng chế tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ hơn so với phương pháp khử hóa học

Ngoài ra trên thế giới người ta còn sử dụng các loại nấm mốc, tảo và cây trồng như

cỏ linh lăng, lá cây rau mùi, vỏ cây quế để chế tạo nano vàng

Phương pháp khử sinh học đơn giản, thân thiện với môi trường, có thể tạo ra số lượng lớn các hạt tuy nhiên thời gian dài thường trên 3 ngày

- Phương pháp vi nhũ

Sử dụng dung dịch chứa các micellce rất sạch, ổn định về mặt nhiệt động bao gồm pha nước và pha dầu tạo thành hệ vi nhủ Trong hệ vi nhũ, những giọt nước có kích thước nano được tạo bởi những dầu ưa nước của chất hoạt động bề mặt trong khi đuôi

kỵ nước được solvat hóa bởi pha dầu Nước trong các micelle đảo đóng vai trò như các trung tâm phản ứng rất nhỏ cho các phản ứng khử ion vàng tạo thành các hạt vàng Dung dịch chứa muối vàng được hòa trôn với chất khử như sodium bis (2 – ethylhexyl) sulfosuccinate (ATO) trong dung môi alcan lỏng Tác nhân khử sẽ thúc đẩy quá trình khử của ion kim loại vàng tạo thành hạt vàng kim loại Sự va chạm giữa cá micelle gây nên sự tranh dành lõi, dẫn đến sự phát triển hạt trong micelle cho đến khi đạt kích thước tối đa được quyết định bởi tỉ lệ khối lượng nước/chất hoạt động bề mặt Theo thời gian phản ứng xảy ra các hạt nano vàng được chiết từ micelle bởi ly tâm, rửa dung môi để loại chất hoạt động bề mặt thừa

- Phương pháp sử dụng nhiệt vi sóng

Sử dụng tác nhân khử hóa học dưới tác dụng nhiệt của lò vi sóng để khử ion vàng, quá trình khử diễn ra nhanh.Các chất khử thường dùng là các hợp chất polyol như etilen glycol, glycerin, nước…Phương pháp này tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều

và nhỏ hơn so với những phương pháp khác, vì khi nhiệt được cung cấp cho toàn bộ hệ thống như nhau.Ưu điểm của phương pháp là thời gian khử nhanh, thiết bị đơn giản, dễ

sử dụng Tuy nhiên, phải sử dụng thêm chất khử và chất ổn định để tránh làm hạt vàng keo tụ trở lại

2 Thực nghiệm điều chế nano vàng dạng thanh ứng dụng điều trị ung thƣ

2.1 Hóa chất – thiết bị

- Auric acid - HAuO2 0.0005M (Sigma)

- Cetyltrimethylammonium bromide (CTBA) – C19H42BrN 0.2M (Sigma)

- Sodium borohydride – NaBH4 0.01M

- Benzyldimethylhexadecylammonium chloride (BDAC) 0.15M

- Ascorbic acid 0.788M

- N-(2-hydroxyethyl)piperazineN′-2-ethanesulfonic acid (HEPES)