BIOCHIP DNA ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

Để góp phần phát hiện sớm và ngăn chặn, phát hiện kịp thời các tác nhân gây bênh cũng như tìm đúng phương pháp, loại thuốc để chữa bệnh thì các nhà khoa học nghiên cứu sử dụng những thàn

KHOA SINH-MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC DƯỢC LIỆU

BIOCHIP DNA TIỀM NĂNG CHO Y HỌC

Giảng viên hướng dẫn: TS Võ Châu Tuấn Sinh viên thực hiện: Lê Văn Kiêm Lớp: 13 CNSH

Đà Nẵng, Tháng 12 năm 2016

MỤC LỤC

I Đặt vấn đề

Hiện nay, việc lạm dụng các hóa chất độc hại cũng như phương thức sản xuất mang tính chất phá hại môi trường của một số cá nhân, tổ chức đã trở thành mối nguy cơ tiềm ẩn ngày càng lan rộng

và có thể trở thành thảm họa trong tương lai làm cho biến đổi vấn

đề sinh học diễn ra không thể kiểm soát được làm ảnh hưởng đến cuộc sống, sức khỏe của con người Cụ thể nhất là số lượng người mắc các bệnh thời đại như đột quỵ, tim mạch nhất là căn bệnh để lại nhiều đau đớn và lo lắng nhất cho nhân loại đó là ung thư ngày càng nhiều và không từ một ai như hiện nay Và đặc biệt nghiêm trọng hơn là co nhiều đại dịch bệnh tật ngày càng bùng nôt nhiều với mức

độ ngày càng nghiêm trọng

Theo dự báo của nhiều tổ chức y tế thế giới, tương lai của những bệnh không lây nhiễm, đặc biệt là ung thư sẽ có nguy cơ hàng đầu cho nhân loại Mỗi năm trên thế giới có khoảng 13 triệu người mắc bệnh ung thư mới Theo GS-TS Nguyễn Bá Đức - Phó Chủ tịch Hội Ung thư Việt Nam, tỉ lệ mắc mới ung thư ở Việt Nam đang tăng nhanh Chỉ riêng tại Bệnh viện K, từ năm 2005 - 2009 có 71.610 bệnh nhân ung thư, so với giai đoạn 2001-2004,số bệnh nhân tăng 2,5 lần Năm 2010, tỉ lệ mắc mới chung của mọi loại ung thư ở nam giới là 181,3/100.000 người, cao hơn nhiều so với năm 2000 (141/100.000 người) Ở nữ giới, con số này là 134,9/100.000 người, cũng cao hơn nhiều so với 10 năm trước đây (101,6/100.000 người

Và với kỹ thuật cũ hiện này sẽ không thể áp ứng được việc chẩn đóa chữa trị cho ngành y học hiên nay

Để góp phần phát hiện sớm và ngăn chặn, phát hiện kịp thời các tác nhân gây bênh cũng như tìm đúng phương pháp, loại thuốc để chữa bệnh thì các nhà khoa học nghiên cứu sử dụng những thành tựu của ngành công nghê sinh học để ứng dụng công nghệ sản xuát chip sinh học (Biochip) Biochip được xem là ứng dụng thông minh

trong nghiên cứu phát hiện các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện trong thức ăn, nước uống và trong cơ thể con người; Trong đó, nổi bật là sử dụng biochip trong chẩn đoán và điều trị bệnh, phát triển thuốc mới Biochip cho phép phát hiện nhanh những căn bệnh nguy hiểm và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà những phương pháp chụp, chiếu thông thường không thể phát hiện được; theo dõi được các tác động của protein đối với các tế bào, protein khác và DNA,… trong cơ thể con người, từ đó tìm ra nguyên nhân dẫn tới bệnh tật và cách điều trị bệnh cho con người [9], [6]

Từ vấn đề trên, tiểu luận Biochip DNA được thực hiện tìm hiểu để có cái nhìn tổng quá tiền nay của Biochip DNA trong lĩnh vực Y học Được xem là đầy thách thức sẽ thay đổi toàn bộ các phương pháp nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực tìm kiếm các loại thuốc trị bệnh

do thời gian nghiên cứu được rút ngắn và giảm chi phí, đặc biệt là các phương pháp chữa trị thích hợp cho từng bệnh nhân

2 Nôi dung

2.1 giới thiệu chung về Biochip

Hướng phát triển của thế giới hiện nay là nhằm vào những thiết bị phân tích thu nhỏ Thường được gọi là thiết bị dò mới mang kích thước micromet này là hệ thông phân tích vi tổng phòng thí nghiệm trên một con chip, chip sinh học Biochip và tên gọi của chúng được vào đặc điểm thuộc tính cấu trúc của chung như PCR chíp, gene chip Đặc trưng của tất cả những thiết bị dò là vi thu nhỏ một quy trình phân tích hay một phần của quá trình phân tích trên một thiết bị dò xay dựng trrn mảnh nhỏ thủy tinh, plastic hay silicon Chống là sản phẩm ứng dụng bởi các công trình ngiên cứu của các ngành như: Công nghệ gen, Công nghệ protein, Ngành dược

và cả ngành Sinh học điện toán, Công nghệ điện tử siêu bán dẫn [5], [9], [6]

Biochip có nhiều loại như chip gene, chip protein, chip tế bào, chip mô,… Gần giống như chip máy tính có các mạch điện tử, biochip có các phân tử sinh học được phân bố trên giá đỡ không lớn hơn cái móng tay bằng thủy tinh, hay nhựa hoặc silicon Cũng giống như chip máy tính có thể thực hiện hàng triệu phép tính trong một giây, một biochip có thể thực hiện hàng ngàn phản ứng sinh học (ví

dụ như giải mã gene) chỉ trong vài giây [13]

2.2 Biochip DNA

Công nghệ chế tạo biochip đòi hỏi công cụ tinh vi và chính xác Biochip DNA và microfluidic là các công nghệ nền tảng trong sản xuất biochip hiện nay

Một thiết bị siêu nhỏ, chứa các đoạn DNA hoặc các vật liệu sinh học khác (protein, tế bào) cho phép thực hiện song song hàng chục nghìn phản ứng phân tử trên cùng một miếng vật liệu có diện tích khoảng 1cm [7]

Biochip DNA còn gọi là chip gene hay chip microarray, là loại chip rất phổ biến, bao gồm rất nhiều các DNA (gọi là dò) được phân

bố trên giá đỡ rất nhỏ (thường là lam kính) Các chuỗi cần phát hiện như mRNA, virus (gọi là mục tiêu) được gán nhãn với chất phát huỳnh quang [9]

Cấu trúc

Thiết bị thu nhỏ gồm một bề mặt chất rắn (đế) có cấu trúc & thành phần hóa học xác định, trên đó được gắn các mẫu dò DNA (probe) là các sợi đơn (single strand) bằng các liên kết hoá học (cộng hóa trị) hoặc vật lý (hấp phụ, đơn phân tự lắp ráp - Self Asembly Monolayer - SAM) Đây là phần thụ thể sinh học của chip DNA (còn được gọi là DNA probe arrays) [7]

Chip Biochip DNA đã được ứng dụng rất rộng rãi trên thị trường Biochip DNA (vi lưu) là công nghệ mới đang từng bước trở thành

công nghệ mũi nhọn, cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng Một hệ thống vi lưu (được gọi là “lab-on-a-chip” - phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip) gồm có: bơm, khoang chứa, khoang trộn, các van đóng mở có khả năng điều khiển được,… ; có thể có một hoặc nhiều kênh dẫn với ít nhất một kích thước nhỏ hơn 1 mm Chất lỏng thường được sử dụng trong các thiết bị vi lưu bao gồm các mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein, DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa [7]

Hệ thống này có nhiều ứng dụng khác nhau như dẫn thuốc, in

ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân tích DNA, phân tích enzyme, và proteomic (phân tích, nghiên cứu protein, thuật ngữ proteomic nay còn bao gồm luôn cả việc phân tích chức năng của các sản phẩm gene) [4]

2.3 Cơ chế tác động của Biochip DNA

Các mẫu dò DNA

Gene hoặc một trình tự xác định ngắn và với số lượng từ hàng trăm đến hàng nghìn tùy thuộc vào mục đích sử dụng của chip và là thông số quyết định độ phức tạp (complexity) của chip [11]

Nguyên lý hoạt động

Dựa trên khả năng nhận dạng (sensing) chọn lọc và tức thời các DNA đích (target) khi các DNA mẫu dò và đích kết hợp với nhau tạo

thành sợi kép nhờ sự ghép cặp bổ sung giữa các base A, T, G, C trong quá trình lai phân tử [4]

– A-T và G-C

– Nếu phân tử DNA đích liên kết với mẫu dò có trình tự là ATCGGC thì có thể suy ra trình tự bổ sung của phân tử DNA đích này – RNA cũng tuân theo nguyên tắc ghép cặp base nghiêm ngặt khi kết hợp với DNA

Do vậy rất dễ dàng suy luận trình tự của bất kỳ sợi RNA nào bắt cặp với DNA trên microarray để lai hóa với đầu dò

Sau khi được lai hóa với dò, các chuỗi mục tiêu được phát hiện và lượng hóa nhờ huỳnh quang được phát xạ bởi tia laser [8], [3]

3 Tiềm năng của Biochip DNA

Các phương pháp chụp chiếu và phòng xét nghiệm sẽ hết thời! Nhờ những con chip sinh học siêu nhỏ, các bác sĩ sẽ có được

những chẩn đoán chính xác trong thời gian nhanh kỷ lục các căn bệnh nguy hiểm và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà

những phương pháp chụp, chiếu thông thường không thể cho kết quả ngay được Bác sĩ sẽ sử dụng những con chíp có chứa các đoạn gen của các loại căn bệnh nguy hiểm như một thiết bị thử Khi nhỏ một giọt mẫu máu của bệnh nhân lên con chip, các đoạn gen bệnh tiếp xúc với gen tương ứng trong mẫu máu

Nếu có sự trùng hợp thì con chip sẽ phát ra thông điệp huỳnh quang và truyền đến máy tính Đó là lúc căn bệnh được phát hiện đúng Theo các chuyên gia về chip sinh học, một con chip dùng để phát hiện bệnh có thể thay thế vài phòng thí nghiệm chuyên xét nghiệm máu Nó giúp xác định tất cả những căn bệnh đang có của bệnh nhân chỉ trong một giọt máu [12]

Ngoài ra, cũng thuộc lĩnh vực này, hiện đã ra đời loại biochip được dùng để phát hiện các loại vi khuẩn gây bệnh trong cơ thể người Thông thường, muốn tìm vi khuẩn gây bệnh, người ta lấy nước tiểu, phân hay máu của bệnh nhân và gửi đến các phòng xét

nghiệm Với biochip, chỉ một giọt máu của người bệnh, bác sĩ chỉ mất vài giờ đồng hồ là có thể xác định được tới 55 loại vi khuẩn gây bệnh, từ đó đề ra những phương pháp điều trị thích hợp mà không cần phải làm các xét nghiệm phức tạp, mất nhiều thời gian [14]

Thay thế hồ sơ bệnh án giấy:

Các chuyên gia của Khoa Sinh học Phân tử thuộc Đại học Duke (Bắc Carolina, Hoa Kỳ) cho biết, trong vòng 5 năm nữa, khi các hồ sơ gen của mỗi cá nhân được lập phổ biến thì chỉ với một con chip sinh học khi cho tiếp xúc với mẫu máu của một bệnh nhân cũng đủ để bác sĩ đọc được toàn bộ hồ sơ gen của bệnh nhân đó ngay lập tức Con chíp này không chỉ giúp các bác sĩ truy cập hồ sơ gen cá nhân của mỗi bệnh nhân mà cả các hồ sơ bệnh án điện tử đang được lưu giữ trên hệ thống y tế Từ đó xác định nguyên nhân dẫn tới bệnh tật

và có thể quyết định nhanh chóng phương pháp điều trị [12]

Thuốc điều trị sẽ được kê đơn đúng người, đúng bệnh hơn:

Khi sử dụng công nghệ biochip phân tích ADN của bệnh nhân, phần mềm máy tính sẽ quét bộ gen tìm sự đa hình hay dị biệt trong các thông tin di truyền của bệnh nhân đó Dựa vào những thông tin tìm được, các bác sĩ sẽ so sánh với các nghiên cứu y dược mới nhất

để kê đơn thuốc cho bệnh nhân dựa trên những đặc tính gen của người đó Đây là tiền đề giúp nền y học hiện đại tiến tới phát triển cái gọi là “giải pháp y tế cá nhân” (personalized medicine) trong tương lai Tức là, thay vì áp dụng một phác đồ điều trị cho tất cả những ai mắc cùng một căn bệnh, các bác sĩ sẽ dựa vào đặc tính bộ

mã gen di truyền của từng người để đưa ra các liệu pháp chữa trị cụ thể cho mỗi cá nhân, từ đó giúp nâng cao kết quả điều trị [10]

Thay thế nhân viên y tế kiểm tra sức khỏe từ xa và giám sát y tế cộng đồng:

Với những biochip siêu nhỏ được cấy sẵn dưới da, người ta có thể dễ dàng theo dõi các hoạt động sinh hóa, quá trình tác động của protein trong cơ thể người Tại Nhật Bản, thay vì cấy dưới da, các nhà khoa học đã cài biochip vào điện thoại di động Những chiếc điện thoại di động supper 3G mang nhãn hiệu DoCoMo do được trang bị thêm một biochip siêu nhỏ nên có thể truyền tải thông tin

về các điều kiện sinh hóa, môi trường, khí hậu, thời tiết, đồng thời phân tích và chiết xuất các phân tử đơn từ mồ hôi, hơi thở của người dùng Sau khi phân tích, các dữ liệu có thể cảnh báo người sử dụng một loạt các bệnh tật, hoặc đơn giản là sự căng thẳng, lo âu, hứng thú Dữ liệu cũng sẽ được chuyển đến chuyên gia y tế qua mạng di động để kiểm soát sức khỏe từ xa hoặc dùng cho y tế dự phòng Điều đó sẽ rất có ích cho nhiều người, đặc biệt là những người ở xa bệnh viện, xa thầy thuốc và sự vất vả, mệt nhọc của các bác sĩ sẽ được giảm đi nhiều [16]

4 thành tưu của Biochip DNA

Chip sinh học DNA thu nhỏ có thể kiểm nghiệm hiệu quả điều trị của thuốc chống ung thư trên các tế bào gốc ung thư do viện nghiên cứu công nghệ nano và kỹ thuật sin học Singapore Loại có tên gọi Droplet array, nó có thể tiến hành cuộc kiểm nghiệm nói trên với một lượng mẫu rất hạn chế, chỉ cần phải sàng lọc 500 tế bào

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Droplet array với mục đích nghiên cứu hiệu quả của thuốc chống ung thư trên các tế bào gốc ung thư được lấy từ các tế bào ung thư vú, ung thư gan và ung thư ruột kết hợp.Thành công mang tính đột phá của công trình nghiên cứu này sẽ giúp sàng lọc và phát triển các loại thuốc chống ung thư trong tương lai

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu trường Đại học Washington, Mỹ vừa chế tạo thành công một con chip sinh học mà có thể giúp thiết

lập các mối liên kết thần kinh mới ở phần não điều khiển sự vận động của con người

kết quả chứng minh rằng con chip sinh học này khi được gấy vào não khỉ thì có thể kích thích các tế bào thần kinh thay đổi Họ cho rằng việc khôi phục lại các mối liên lạc trong não bằng cơ chế này sẽ đem lại hy vọng cho việc chữa trị cho những người bị tổn thương não, bị đột qụy hay bị liệt Ngoài ra con chip sinh học này có khả năng ghi lại các hoạt động của vỏ não Nó có thể chuyển đổi các hoạt động này thành một tín hiệu mà có thể truyền tới não, tủy sống hoặc cơ Do đó, nó có thể tạo ra một mối liên lạc nhân tạo và hoạt động bình thường như trước Nhờ vào mối liên lạc nhân tạo này mà

não có thể “học” cách sử dụng nó để thay thế cho mối liên lạc đã bị

suy yếu [1]

Biochip DNA phát hiện các proten ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn Cảm biến sinh học này được chế tạo bằng cách dùng kỹ thuật tương tự con quay hồi chuyển như hệ thống định vị và các túi khí Nó sẽ được chế tạo thành một thiết bị cầm tay giúp phân tích nhanh hơn và dễ dàng hơn các mẫu mô Nó được hy vọng có thể giúp các bác sĩ chẩn đoán và kiểm soát các dạng ung thư thường gặp và đưa ra liệu pháp điều trị thích hợp nhất Thiết bị có hình đĩa với đường kính chỉ bằng 1/10 mm, được phủ bằng các kiểu đặc biệt

của ADN hay các protein khiến các tác nhân gây ung thư bị “trói” ở

bề mặt Về cơ chế hoạt động của biochip là bằng cách nhận dạng các tác nhân gây ung thư các protein hay các phân tử khác do các tế bào ung thư sản sinh [2]

Và một nhận định của giáo sư Calum McNeil, trưởng nhóm nghiên

cứu cho biết: “Việc chẩn đoán sớm và kiểm soát hiệu quả ung thư

được xem là chìa khóa để điều trị căn bệnh này, và chúng tôi tin rằng kỹ thuật mới này sẽ giúp thực hiện điều đó”.

Điều quan trọng là thiết bị Biochip DNA này có thể dể dàng được kết nối đến các nguồn thông tin như hệ thống máy tính bệnh viện, Internet hay điện thoại di động Và có thể được phát triển để ứng dụng cho các loại bệnh khác, bao gồm các bệnh do vi khuẩn gây ra

Biochip được cài vào điện thoại di động để giám sát sức khỏe người

sử dụng.

Biochip DNA còn sử dụng phục vụ để thiết lập và quản lý hồ sơ sinh trắc học cho mỗi cá nhân, giúp phát hiện các loại bệnh tật, nhận biết thực phẩm không an toàn, thay thế nhân viên y tế trong khám và điều trị bệnh từ xa Sự kết hợp diệu kỳ của công nghệ điện

tử và sinh học trong một con chíp đang bắt đầu làm biến đổi bộ mặt

y học trên toàn thế giới và hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng

đa ngành trong tương lai [15]

5 Kết luận và hướng nghiên cứu

Chip sinh học Công nghệ sinh học sẽ làm thay đổi đời sống con người, tương tự như cách mạng công nghệ thông tin Một trong những kỹ thuật hàng đầu trong lĩnh vực này, được dự báo sẽ có tác động mạnh mẽ là chip sinh học, hay biochip

Biochip được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, phổ biến nhất là trong nghiên cứu về gene, dùng để nghiên cứu về độc chất, protein, hóa sinh; phát hiện các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện trong thức

ăn, nước uống và trong cơ thể con người; hay phát hiện nhanh các tác nhân trong chiến tranh hóa, sinh học

Biochip cho phép phát hiện nhanh những căn bệnh nguy hiểm

và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà những phương pháp chụp, chiếu thông thường không thể phát hiện được; theo dõi được các tác động của protein đối với các tế bào, protein khác và DNA,…

Xu hướng phát triển cũng như ưu thế của biochip đã thúc đẩy rất nhiều quốc gia cũng như các đơn vị đầu tư vào nghiên cứu và sản xuất biochip

Thúc đẩy công nghệ khác như sản xuất tế bào nhân tạo, kháng thể nhân tạo giúp nhận diện vào tiêu diệt mầm bệnh một cách chính sát

Tài liệu tham khảo

1 Christoph Englert, Anne-Kristin Trützschler, Martin Raasch,

Tanja Bus, Philipp Borchers (2016), Crossing the blood-brain barrier: Glutathione-conjugated poly(ethylene imine) for gene delivery, pp 1 - 14

2 Elzbieta Jastrzebska, Ewelina Tomecka, Iwona Jesion (2016),

Heart-on-a-chip based on stem cell biology, pp 67 - 81