Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu công nghệ, chế tạo bộ 02 kít nano sinh học dựa trên cấutrúc sợi nano (nanowire) và thanh dao động nano (nanocantilevers), dùng đế định lượng nhanh, vớiđộ chính xác cao các chất đánh dấu sinh học (biomarkers) 116 phục vụ chẩn đoán nhanh với độđặc hiệu cao ung thư gan. Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm: Xây dựng các qui trình công nghệ chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, để chế tạo racác sợi nano và thanh dao động nano có kích thước và tính chất thích hợp cho việc chế tạo bộ kítnano sinh học. Qui trình công nghệ cho phép chế tạo các cấu trúc nano này với qui mô lớn, giáthành chế tạo hợp lí. Qui trình thiết kế, chế tạo các phần cứng và phần mềm phụ trợ để chế tạo 02 bộ kít nano sinh họchoàn chỉnh dựa trên cấu trúc sợi nano và thanh dao động nano, thích hợp cho việc định lượng cáchợp chất sinh học. Các qui trình thụ động hóa bề mặt thích hợp để thụ động hóa với hiệu suất cao các mồi sinh học(bioreceptors) lên trên bề mặt sợi nano và thanh nano, dùng để kết cặp với hiệu suất và độ đặc hiệucao các biomarkers của ung thư gan (trong thuyết minh này, nhóm tác giả xin phép không dịch sangtiếng Việt các cụm từ chuyên môn là bioreceptors ( các cặp mồi sinh học) và biomarkers (các chấtđánh dấu hay các chỉ thị sinh học đặc trưng…) mà sử dụng nguyên gốc tiếng Anh của các từ này).5 Sử dụng 02 bộ kít trong việc định lượng nhanh, chính xác, và đồng thời các biomarker đặc hiệucủa ung thư gan như Alphafetoprotein (AFP), AFPL3, Desgammacarboxyprothrombin(DCP), và Golgi protein (GP73) 116 ở nồng độ 50100 fM trong máu, phục vụ việc chẩn đoánnhanh, chính xác ung thư gan. Hiện nay việc chẩn đoán ung thư gan qua xét nghiệm máu thườngxét nghiệm sự hiện diện của một trong bốn marker phổ biến nói trên, và độ nhạy và độ đặc hiệuthường khá thấp. Ví dụ phép chẩn đoán với marker AFPL3 cho độ nhạy và độ đặc hiệu chẩn đoánthay đổi từ 3666% và 7795% tùy theo lứa tuổi và giới tính. Nếu phát hiện được đồng 02 markerslà AFP và DCP thì phép chẩn đoán sẽ có độ nhạy khoảng 94% và tính đặc hiệu là 85% 2. Nhưvậy, việc phát hiện và định lượng được đồng thời 04 markers nói trên trong đề tài này sẽ cho phépnâng cao đáng kể độ chính của việc chẩn đoán ung thư gan, thậm chí cho phép chẩn đoán trong thờigian tiền nhiễm bệnh. Đưa ra được qui trình sử dụng và đánh giá chất lượng của các bộ kít chế tạo ra trong việc phântích và định lượng các biomarkers, phục vụ chẩn đoán nhanh, sớm, chính xác ung thư gan. Đào tạo cho cán bộ nghiên cứu các kiến thức chuyên sâu, đa ngành về công nghệ vật liệu và chếtạo linh kiện nano (nanomaterials and nanodevice fabrication), điện tử điều khiển cho linh kiệnnano, công nghệ sinh học phân tử (biomarkers and receptors), và chẩn đoán ung thư... Với kiến thứcđa ngành và chuyên sâu như vậy sẽ cho phép đội ngũ nghiên cứu đưa nhanh các thành quả ưu việtcủa công nghệ nano sinh học (nanobiotechnology) vào phục vụ các nghiên cứu và ứng dụng trongmột ngành rất quan trọng với xã hội là Yhọc, trong đó chẩn đoán ung thư sớm chỉ là một trườnghợp cụ thể.
Trang 1Biểu B1-2- TMDT THUYẾT MINH ĐỀ TÀI
(Kèm theo Quyết định số 10/2007/QĐ-BKHCN ngày 11 tháng 5 năm 2007
của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ)
B1-2- TMĐT THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
Nghiên cứu và chế tạo bộ kít nano sinh học để chẩn đoán bệnh
ung thư gan
Tự nhiên; Nông, lâm, ngư nghiệp;
Kỹ thuật và công nghệ; Y dược
8 Chủ nhiệm đề tài
Họ và tên: TS NGUYỄN THỊ MINH HẠNH
Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1976 Nam/ Nữ: Nữ
Học hàm: Năm được phong học hàm:
Học vị: TS Năm đạt học vị: 2007
Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên
Điện thoại: CQ: 84-8-37242160-Ext 4632 NR: DĐ: 0936577655
Fax: 84-8-37242163 E-mail: ntmhanh@vnuhcm.edu.vn
Trang 2Tên tổ chức đang công tác: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - Đại Học Quốc Gia TP HCM Địa chỉ tổ chức: Khu Phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP HCM
Địa chỉ nhà riêng: 402A An Khánh, An Phú, Phường An Phú, Quận II, Tp HCM
9 Thư ký đề tài
Họ và tên: KS Lê Thị Thanh Tuyền
Ngày, tháng, năm sinh: 11/11/1984 Nam/ Nữ: Nữ
Học hàm, học vị: KS
Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên
Chức vụ: Cán bộ quản lý KH & CN
Điện thoại: CQ: 84-8-37242160 - Ext 4623 DĐ: 0983.938408
Fax: 84-8-7242163 E-mail: ltttuyen@vnuhcm.edu.vn;
Tên tổ chức đang công tác: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - Đại Học Quốc Gia TP HCM Địa chỉ tổ chức: Khu Phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP HCM
Địa chỉ nhà riêng: 38, đường 18, KP5, P Linh Trung, Q Thủ Đức
Địa chỉ: Khu Phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP HCM
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: PGS.TS Đặng Mậu Chiến
Số tài khoản: 945.01.0025009
Ngân hàng: Kho Bạc Nhà Nước TP HCM
Tên cơ quan chủ quản đề tài: Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - Đại Học Quốc Gia TP HCM
11 Các tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài
1 Tổ chức 1 : Bệnh Viện Ung Bướu TP HCM
Tên cơ quan chủ quản: Sở Y tế TP.HCM
Điện thoại: 84-8-38433021 Fax:
Địa chỉ: 3 Nơ Trang Long, Phường 7, Quận Bình Thạnh , TP HCM
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: BS Lê Hoàng Minh
2 Tổ chức 2 : Khoa Điện Tử - Viễn Thông, ĐH KHTN, ĐHQG Tp HCM
Tên cơ quan chủ quản: ĐH KHTN, ĐHQG Tp HCM
Trang 3Điện thoại: 84-8- 38353.193 Fax: Fax: 84-8-38350096
Địa chỉ: 227, Nguyễn Văn Cừ, Quận 5, TP HCM
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: PGS.TS Dương Ái Phương
12 Các cán bộ thực hiện đề tài
(Ghi những người có đóng góp khoa học và chủ trì thực hiện những nội dung chính thuộc tổ chức chủ trì
và tổ chức phối hợp tham gia thực hiện đề tài, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm đề tài)
Họ và tên, học
hàm học vị
Tổ chức công tác
Nội dung công việc tham gia
Thời gian làm việc cho đề tài
(Số tháng quy đổi2)
1 TS Nguyễn Thị
Minh Hạnh
Nghiên cứu viên Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - ĐHQG TP HCM
Chủ nhiệm đề tài, định hướng nghiên cứu, đánh giá kết quả nghiên cứu
Chịu trách nhiệm chuyên môn về công nghệ chế tạo và quá trình thụ động hóa bề mặt để kết cặp các mồi sinh học lên cấu trúc nano
24 tháng
2 PGS TS Đặng
Mậu Chiến
Giám đốc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano
- ĐHQG TP HCM
Chỉ đạo chung, định hướng nghiên cứu, tư vấn chuyên môn về công nghệ vật liệu nano và chế tạo nano
12 tháng
3 TS Tống Duy
Hiển
Phó Giám đốc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano
- ĐHQG TP HCM
Phụ trách chuyên môn về công nghệ chế tạo sợi nano và thanh dao động nano, các đo đạc đặc trưng của cảm biến
12 tháng
2 Một (01) tháng quy đổi là tháng làm việc gồm 22 ngày, mỗi ngày làm việc gồm 8 tiếng
Trang 46 PGS TS Nguyễn
Văn Hiếu
Trưởng Khoa Điện tử- viễn thông, ĐH KHTN, ĐHQG TP HCM
Thiết kế, chế tạo các bộ thiết bị điện tử, dùng để điều khiển và ghi nhận tín hiệu của các cảm biến sợi nano và thanh dao động nano
Thiết kế, chế tạo các cảm biến nano Thiết kế, chế tạo các bộ thiết bị điện tử điều khiển cho cảm biến nano sinh học
Các thực nghiệm phát hiện ung thư gan
20 tháng
II MỤC TIÊU, NỘI DUNG KH & CN VÀ PHƯƠNG ÁN TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
13 Mục tiêu của đề tài (Bám sát và cụ thể hoá định hướng mục tiêu theo đặt hàng - nếu có)
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu công nghệ, chế tạo bộ 02 kít nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano (nanowire) và thanh dao động nano (nanocantilevers), dùng đế định lượng nhanh, với
độ chính xác cao các chất đánh dấu sinh học (biomarkers) [1-16] phục vụ chẩn đoán nhanh với độ đặc hiệu cao ung thư gan Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm:
- Xây dựng các qui trình công nghệ chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, để chế tạo ra các sợi nano và thanh dao động nano có kích thước và tính chất thích hợp cho việc chế tạo bộ kít nano sinh học Qui trình công nghệ cho phép chế tạo các cấu trúc nano này với qui mô lớn, giá thành chế tạo hợp lí
- Qui trình thiết kế, chế tạo các phần cứng và phần mềm phụ trợ để chế tạo 02 bộ kít nano sinh học hoàn chỉnh dựa trên cấu trúc sợi nano và thanh dao động nano, thích hợp cho việc định lượng các hợp chất sinh học
- Các qui trình thụ động hóa bề mặt thích hợp để thụ động hóa với hiệu suất cao các mồi sinh học (bioreceptors) lên trên bề mặt sợi nano và thanh nano, dùng để kết cặp với hiệu suất và độ đặc hiệu cao các biomarkers của ung thư gan (trong thuyết minh này, nhóm tác giả xin phép không dịch sang tiếng Việt các cụm từ chuyên môn là bioreceptors ( các cặp mồi sinh học) và biomarkers (các chất đánh dấu hay các chỉ thị sinh học đặc trưng…) mà sử dụng nguyên gốc tiếng Anh của các từ này)
Trang 5- Sử dụng 02 bộ kít trong việc định lượng nhanh, chính xác, và đồng thời các biomarker đặc hiệu
của ung thư gan như Alpha-fetoprotein (AFP), AFP-L3, Des-gamma-carboxyprothrombin (DCP), và Golgi protein (GP73) [1-16] ở nồng độ 50-100 fM trong máu, phục vụ việc chẩn đoán
nhanh, chính xác ung thư gan Hiện nay việc chẩn đoán ung thư gan qua xét nghiệm máu thường xét nghiệm sự hiện diện của một trong bốn marker phổ biến nói trên, và độ nhạy và độ đặc hiệu thường khá thấp Ví dụ phép chẩn đoán với marker AFP-L3 cho độ nhạy và độ đặc hiệu chẩn đoán thay đổi từ 36-66% và 77-95% tùy theo lứa tuổi và giới tính Nếu phát hiện được đồng 02 markers
là AFP và DCP thì phép chẩn đoán sẽ có độ nhạy khoảng 94% và tính đặc hiệu là 85% [2] Như vậy, việc phát hiện và định lượng được đồng thời 04 markers nói trên trong đề tài này sẽ cho phép nâng cao đáng kể độ chính của việc chẩn đoán ung thư gan, thậm chí cho phép chẩn đoán trong thời gian tiền nhiễm bệnh
- Đưa ra được qui trình sử dụng và đánh giá chất lượng của các bộ kít chế tạo ra trong việc phân tích và định lượng các biomarkers, phục vụ chẩn đoán nhanh, sớm, chính xác ung thư gan
- Đào tạo cho cán bộ nghiên cứu các kiến thức chuyên sâu, đa ngành về công nghệ vật liệu và chế tạo linh kiện nano (nanomaterials and nanodevice fabrication), điện tử điều khiển cho linh kiện nano, công nghệ sinh học phân tử (biomarkers and receptors), và chẩn đoán ung thư Với kiến thức
đa ngành và chuyên sâu như vậy sẽ cho phép đội ngũ nghiên cứu đưa nhanh các thành quả ưu việt của công nghệ nano sinh học (nano-biotechnology) vào phục vụ các nghiên cứu và ứng dụng trong một ngành rất quan trọng với xã hội là Y-học, trong đó chẩn đoán ung thư sớm chỉ là một trường hợp cụ thể
14 Tình trạng đề tài
Mới Kế tiếp hướng nghiên cứu của chính nhóm tác giả
Kế tiếp nghiên cứu của người khác
15 Tổng quan tình hình nghiên cứu, luận giải về mục tiêu và những nội dung nghiên cứu của Đề tài
15.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lãnh vực của Đề tài
Ngoài nước (Phân tích đánh giá được những công trình nghiên cứu có liên quan và những kết quả
nghiên cứu mới nhất trong lãnh vực nghiên cứu của đề tài; nêu được những bước tiến về trình độ KH&CN của những kết quả nghiên cứu đó)
a Yêu cầu phân tích, định lượng nhanh, chính xác các chất sinh học
Phát hiện và định lượng nhanh các phần tử sinh học như glucose, protein, ADN… ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành sinh học, y tế, dược phẩm và nông nghiệp… Ví dụ thông qua việc phát hiện các protein chỉ thị (protein markers), DNA đột biến (gen mutation), kháng nguyên và kháng thể (antibodies, antigents), glucose … trong bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đường… Những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 200 chất đánh dấu sinh học (biomarkers) như vậy, mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành khoa học liên quan như sinh học, dược phẩm, nông nghiệp, và đặc biệt là trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh trong y học… [1-25]
Có nhiều kĩ thuật và phương pháp đã và đang được sử dụng để phân tích và định lượng các phần tử sinh học trên như kĩ thuật ELISA, Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance
Trang 6(SPR), cộng hưởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chưa có phương pháp nào trong các phương pháp truyền thống này có đầy đủ khả năng cho phép phát hiện nhanh, chính xác, đồng thời các phân
tử sinh học nói trên Do đó việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới có khả năng như thế đang được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu [17-45]
Khoa học nói chung và khoa học sự sống (life sciences) đã và đang có những phát triển vượt bậc trong thời gian qua Trong khoa học sự sống, các nhà khoa học đang tiến hành các nghiên cứu về cấu trúc và nguyên lí hoạt động của các phần tử siêu nhỏ như DNA, protein, tế bào gốc ở mức độ đơn phân tử [17-25, 46-69] Các nghiên cứu này là đặc biệt quan trọng vì nó cho phép hiểu được bản chất sự sống, tiến tới điều khiển, phục vụ các mục đích quan trọng nhất của con người như chữa bệnh, nâng cao sức khỏe và kéo dài tuổi thọ Tuy nhiên các nghiên cứu này cũng đặt ra một nhu cầu cấp thiết đó là việc nâng cao độ nhạy của các thiết bị phân tích hiện nay vì chỉ khi đó các thiết bị mới có đủ khả năng phát hiện, nghi nhận các tín hiệu siêu nhỏ của các đơn phân tử Việc nâng cao
độ nhạy của thiết bị phân tích cũng mở ra các khả năng và ứng dụng hoàn toàn mới trong nhiều ngành khoa học và đời sống khác Ví dụ trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh, việc phát hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học ở nồng độ siêu nhỏ (trong khoảng nM-fM), sẽ cho phép chẩn đoán được
bệnh trong thời gian tiền nhiễm bệnh [17, 46-68] Trong thời gian này, các phương pháp y học (cả
truyền thống và hiện đại) đều có thể phát huy hiệu quả trong việc chữa trị, thậm chí với những bệnh hiểm nghèo như ung thư Gần đây, nghiên cứu của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thư tuyến tiền liệt được phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân không cần dùng đến các phương pháp can thiệp của y học hiện đại (tốn kém, nhiều ảnh hưởng phụ) Trong trường hợp này, bệnh nhân chỉ cần uống nhiều nước, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (stress), thì bệnh gần như không phát triển hoặc thậm chí tự khỏi
b Công nghệ nano với những khả năng mới trong đa lĩnh vực
Công nghệ nano là ngành khoa học về nghiên cứu, chế tạo, điều khiển và ứng dụng các vật liệu và linh kiện có kích thước siêu nhỏ, trong khoảng từ 1-100 nm (1 mét = 109 nm) [17-68,70].Như thế nếu 1 hạt nano có đường kính là 1 nm, thì hạt đócó cỡ nhỏ hơn 80 nghìn lần so với độ dày trung bình của sợi tóc người Kích thước và cấu trúc siêu nhỏ dẫn đến các thay đổi lớn về bản chất và tính chất vật lí, hóa học, cũng như tính chất quang, từ v.v của vật liệu và linh kiện Những thay đổi và tính chất mới này khi được khai thác và sử dụng thích hợp (thường) mang lại những ứng dụng mới, với khả năng ưu việt mà vật liệu và linh kiện truyền thống không có được
Ví dụ trong lĩnh vực vật liệu mới, gần đây các nhà nghiên cứu tại ĐH Tel Aviv đã tìm ra cách điều
khiển các hạt nhân và phân tử của một loạt các peptide ngắn, làm cho chúng tạo thành một thảm cỏ
tí hon trên bề mặt Các peptide ngắn này vốn rất sản xuất dễ dàng và tốn ít chi phí đã được sử dụng
để tạo các ống nano tự liên kết dưới điều kiện nhiệt độ cao.Với kích thước 1 phần tỉ mét, những ống nano này có thể chịu được nhiệt độ cực cao và có khả năng chống nước Chính vì thế, vật liệu này
có tiềm năng lớn để chế tạo lớp phủ tự làm sạch lên kính của các tòa nhà chọc trời Ngoài ra, khi phủ lên pin mặt trời, lớp phủ nano này còn giúp tăng hiệu suất làm việc của pin mặt trời, giúp giảm
30 % ảnh hưởng của bụi đối với công suất pin Vật liệu nano này cũng giống như một tụ điện có mật độ điện tích rất cao, nên có thể giúp chế tạo các pin dung lượng lớn Trong khi đó bằng cách kết
hợp các chất độn nano tính năng cao, ví dụ bentonit cỡ nano đã biến đổi bề mặt, cho phép sản
xuất các vật liệu polyme có tính chất hoàn toàn mới Ví dụ nếu sử dụng chất độn bentonit cỡ nano với lượng rất nhỏ thì có thể tăng tính ổn định nhiệt của polyamit thêm khoảng 50 0C, giảm 50 % độ thẩm thấu đối với oxy, CO2 và hơi nước, tạo ra các vật liệu có tính năng chống
Trang 7có kích thước thích hợp (4-250 nm) chui qua (c)[49-56] Lỗ nano có đường kính 2 nm, chỉ cho từng đơn chuỗi DNA (có đường kính tự nhiên là 1.8 nm) chui qua tại một thời điểm, cho phép xây dựng hệ giải mã gen thế hệ mới nhanh hơn nhiều nghìn lần [45-46].(d) sự chuyển động rời rạc của từng đơn ion trong kênh dẫn chất lỏng có đường kính 20 nm [70]
Trang 8cháy Ngoài nano bentonit, những phân tử nano polymer nhẹ, nhưng siêu nhỏ và siêu bền, đang được dùng để chế tạo các đồ thể thao cao cấp, quần áo thế hệ mới Cũng trong lĩnh vực vật liệu nano, các hạt nano TiO2 góp phần tạo nên sơn nano với tính chất tự diệt khuẩn mà sơn truyền thống không có được Trong khi đó hạt nano silic tinh khiết được phủ một lớp vật liệu hoạt tính có thể được sử dụng để để loại bỏ các hóa chất độc hại, vi khuẩn, virut và các chất độc hại khác trong nước một cách hiệu quả và ít tốn kém hơn so với các phương pháp lọc nước truyền thống Chính vì thế chỉ trong mấy năm qua riêng tập đoàn Mitsubishi đã đầu tư hơn 100 triệu Euro cho các vật liệu nano, và công ty này sẽ tạo ra những loại sợi carbone nhỏ nhưng chắc hơn thép 100 lần và nhẹ hơn thép 6 lần [69]
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, công nghệ nano được sử dụng để chế tạo ra các transistor có
chiều dài kênh dẫn xuống đến cỡ 32 nm, tạo ra các máy tính cá nhân có kích thước nhỏ nhưng với tốc độ của bộ vi xử lí lên đến hàng chục GHz Các đĩa nhớ nano chỉ có kích thước vài centimet nhưng có dung lượng lên đến hàng nghìn Gb cũng đã được thương mại hóa Các thành quả này là một việc thậm chí không thể dự đoán trong những năm trước đây trong lĩnh vực này
Công nghệ nano ứng dụng trong chữa trị ung thư (trong phần tổng quan này nhóm tác giả chỉ nêu ngắn gọn về các khả năng ưu việt của công nghệ nano trong chữa trị ung thư, vì phần phát hiện bệnh ung thư- nội dung chính của đề tài này-sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau): Vì phần
lớn các quá trình sinh học, bao gồm cả các quá trình dẫn đến ung thư và phát triển của ung thư đều xảy ra ở qui mô nano, do đó các vật liệu và linh kiện nano với kích thước siêu nhỏ nanomet có khả năng thâm nhập vào bên trong các tế bào sống, mang lại các khả năng chưa từng có trước đây cho
cả hai lĩnh vực lâm sàng cũng như các nghiên cứu tiên tiến nhất trong lĩnh vực điều trị và chẩn đoán ung thư (http://nano.cancer.gov/) Với khả năng chứa thuốc, tải thuốc trị liệu và phát quang tạo ảnh trong mô tế bào sinh vật, các hạt nano đã mở ra một cơ hội lớn cho những ứng dụng mới hay cải thiện những ứng dụng hiện có.Ví dụ trong lĩnh vực chữa trị bệnh ung thư theo phương pháp truyền thống, các hóa chất trị liệu khi được đưa vào cơ thể đều nhằm vào mọi tế bào đang phân chia nhanh, tiêu diệt không hề phân biệt các tế bào bệnh và các tế bào khỏe mạnh, dẫn đến việc phải trị liệu với liều thuốc rất cao, gây nhiều tác dụng phụ Thậm chí có thể nói rằng nhiều bệnh nhân ung thư bị chết nhanh sau khi sử dụng hóa chất hay chạy xạ chính là do các tác dụng phụ của thuốc và tia xạ trị Trong khi đó khi sử dụng các hạt nano có kích thước từ vài nanomet tới hai ba trăm nanomet, các dược chất hoặc các tác nhân chẩn đoán sẽ được đưa vào bên trong, liên kết hoá học hoặc gắn kết vào bề mặt của các hạt nano Hạt vận chuyển thuốc có nhiều triển vọng nhất là dạng thuốc Liposome (Hình 1a) Khi được đưa vào cơ thể, hạt nano tải thuốc sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua mạch máu để đi đến mục tiêu Ở đây, người ta đã lợi dụng sự khác biệt giữa vùng mô bình thường
và khối u ung thư (Hình 1b) Tế bào của vách huyết quản trong vùng mô khoẻ mạnh có sự liên kết rất khít, trong khi đó những kẽ hở khoảng nanomét xuất hiện ở vách huyết quản của khối u ung thư
Phân tử thuốc đưa vào cơ thể theo phương pháp truyền thống có thể đi xuyên vách qua sự thẩm
thấu và khuếch tán tự nhiên, hủy diệt cả các tế bào tốt lẫn tế bào ung thư Ngược lại, khi thuốc bị gói trong hạt tải nano, độ lớn của hạt không cho nó đi qua vách huyết quản nhưng có thể chui lọt qua những kẽ hở nanomet nói trên để đi vào khối u ung thư Sau đó các hạt nano tai thuốc được kích hoạt thông qua các phương pháp như song điện trường, nhiệt để phá vỡ lớp vỏ bọc, nhả thuốc tiêu diệt các tế bào ung thư Kích cỡ của hạt nano là một yếu tố quan trọng cho việc tải thuốc Kích
cỡ này phải trong phạm vi từ 4 đến 400 nm Nếu nhỏ hơn 4 nm, hạt sẽ nhanh chóng bị thải ra theo đường bài tiết Nếu lớn hơn 400 nm, hạt sẽ bị hệ thống miễn nhiễm phát hiện và loại trừ ra khỏi cơ thể Như thế, dược liệu được bao lại trong từng "gói" nhỏ và di chuyển đến mục tiêu để "bắn phá" các tế bào bệnh, đặc biệt hiệu quả trong chữa bệnh ung thư Rất nhiều ứng dụng ưu việt khác của hạt nano như tải thuốc và chữa bệnh, nâng cao độ phân giải của hình ảnh phân tích, phân tách tế bào… được báo cáo trong các tài liệu tham khảo …[49,50, 53,56,64,66]
Công nghệ nano cũng đang góp phần rất lớn để phát triển các thiết bị phân tích thế hệ mới, cho phép phân tích các chất nhanh hơn với độ nhạy đến mức đơn phân tử, một trong các kì vọng và
Trang 9yêu cầu cao nhất của bất kì thiết bị phân tích nào Ví dụ màng nano đơn lỗ với kích thước lỗ từ 2-3
nm (single nanopore membrane), sẽ chỉ cho 1 phân tử DNA (có đường kính 2.3 nm) chạy qua trong một thời điểm, tính chất này tạo ra khả năng chế tạo hệ giải mã DNA mới, có tốc độ nhanh hơn thiết
bị hiện tại vài nghìn lần với chi phí thấp (Hình 1c) [45,46] Gần đây, với việc chế tạo các kênh dẫn chất lỏng nano với đường kính khoảng 20 nm, tức là đường kính bằng 1/4000 lần đường kính sợi tóc, các nhà khoa học đã phân tách (isolate) và nghi nhận được từng ion chạy trong dung dịch, cho phép nghiên cứu các tính chất vật lý cúng như động học của từng ion ở trạng thái riêng biệt, đây là điều không thể thực hiện được nếu không có sự sử dụng các kênh dẫn chất lỏng nano siêu nhỏ như vậy [70]
Cuối cùng chúng tôi muốn đề cập đến các tính chất và ứng dụng mới của vật liệu ở dạng dạng sợi (nanowires) [ 18-32] và thanh nano (nanocantilevers) [33-44] Ví dụ khi vật liệu ở dạng sợi nano,
hệ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của vật liệu lớn hơn rất nhiều khi ở dạng khối, dẫn tới nhiều thay đổi về tính chất điện, cơ, quang… trong đó đặc biệt là tính chất điện trở của vật trở lên siêu nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài, cho phép sử dụng sợi nano để xây dựng lên các cảm biến siêu nhạy thế hệ mới [18-32,52, 56-61,65] Các ưu việt của sợi nano (nanowires) và thanh dao động nano (cantilevers) được khai thác như thế nào để chế tạo ra các bộ kít nano sinh học với
khả năng phát hiện nhanh, siêu nhạy - nội dung nghiên cứu của đề tài này - sẽ được đề cập chi tiết
ở phần dưới đây (phần c)
Về mặt tổng quan, với những tính chất và ứng dụng mới, ưu việt trong tất cả các lĩnh vực quan trọng nhất của đời sống con người, hứa hẹn thay đổi thế giới trong thời gian tới, ngành công nghệ nano được coi là công nghệ của thế kỉ 21, đang thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ mới và dự báo công nghệ này sẽ đem lại 1.000 tỷ USD cho nhân loại vào cuối thập kỷ này Trên toàn cầu, hơn 3.000 bằng phát minh về công nghệ nano đã được bảo hộ bản quyền hàng năm Chính vì vật công nghệ nano đã và đang được các nước trên thế giới quan tâm, đầu tư rất lớn để nghiên cứu, phát triển trong những năm gần đây Ví dụ lĩnh vực này của Mỹ được đầu tư khoảng 3 tỉ USD/năm (1.5 tỉ $ từ chính phủ Mỹ, 1.5 tỉ $ từ các nguồn của tư nhân) Số tiền này gần ngang bằng 75% tổng số tiền đầu
tư hàng năm của châu Âu, Nhật và Hàn Quốc cho công nghệ nano Các nước châu Âu cũng đang đầu tư rất lớn vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano Ví dụ Chương Trình Nghiên Cứu Chung của các nước EU (FP7 program) dành khoảng 6 tỉ Euros cho nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực như công nghệ thông tin và y tế…[71] Ngoài ra, chính phủ các nước châu Âu cũng tự đầu tư thêm rất nhiều cho lĩnh vực này Ví dụ Hà Lan là nước nhỏ với 16 triệu dân, nhưng tổng số tiền đầu tư cho công nghệ nano là 490 triệu Euros (153 € triệu từ Chính Phủ, 337 triệu € từ các nguồn khác) trong năm 2008 [72]
Các nước xung quanh Việt Nam như Thái Lan, Singapore, Malaysia… cũng đang đầu tư lớn để phát triển công nghệ này Ví dụ, Chính Phủ Singapore vừa đầu tư trên 1 tỉ USD để xây dựng Viện nghiên cứu A Star của họ, trong đó các lĩnh vực của công nghệ nano như vật liệu nano, tính toán nano, đặc biệt là nano sinh học được ưu tiên đầu tư hang đầu về cơ sở vật chất, thu hút chuyên gia tầm cỡ thế giới về làm việc để đưa Singapore thành trung tâm nano trong khu vực và Châu Á Gần đây Chính Phủ Thái Lan cũng đầu tư 340 triệu USD cho công nghệ nano nhằm đưa các thành quả mới nhất của công nghệ nano vào phục vụ sản xuất nông nghiệp, hải sản và hàng tiêu dùng [73]
C Bộ kít nano sinh học chế tạo dựa trên cấu trúc sợi nano và thanh nano
Bộ kít sinh học sợi nano (nanowire): sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường
kính sợi trong khoảng 1-100 nm Như thế, chúng ta phải bó ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để
có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100 micron Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ
mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có
Trang 10Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ kít sinh học sợi nano được minh họa trong Hình 2 dưới đây [18-32, 56-61,65]
(d)
Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của cảm bộ kít sinh học sợi nano Bộ kít gồm kênh dẫn
là sợi bán dẫn nano silic loại P có chứa các hạt dẫn mang điện dương Hai đầu sợi nano có các tiếp xúc điện (không mô tả trong hình vẽ) để cho dòng điện chạy qua sợi nano Trên bề mặt sợi được thụ động hóa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các biomarkers cần phát hiện (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi diễn ra khi dung dịch có chứa các biomarkers được cho chảy qua sợi nano (B) Khi các biomarkers có điện tích âm sẽ dẫn đến sự tích tụ các hạt dẫn của sợi lên trên bề mặt, làm tăng dòng điện chạy qua sợi Trong khi nếu các biomarkers có điện tích âm sẽ làm giảm dòng điện chạy qua sợi (c).(d) Bộ kít gồm nhiều sợi nano dùng cho việc phát hiện cùng lúc nhiều biomarkers khác nhau, để nâng cao độ chính xác của phép phân tích, chẩn đoán bệnh dựa trên sự phát hiện các biomarkers [18-32, 56-61,65]
Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt động dựa trên nguyên lí làm việc của transitor hiệu
Trang 11ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh kiện phổ biến và truyền thống nhất của công
nghệ vi điện tử [18-32, 56-61,65] Các khả năng làm việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể được
trình bày vắn tắt dưới đây:
Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc không khí bám lên bề mặt sợi cũng
đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi - tính siêu nhạy của bộ kít
Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện trở, cho phép các phân
tích được phát hiện nhanh (trong khoảng vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano
Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp siêu chọn lọc, cho phép
cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tính chất kì bí,
nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt từng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tử DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất với một DNA khác được thiết kế tương thích Hoặc nếu receptor là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này chỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó
Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano (array of nanowire) mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng Cảm biến như thế cho phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học khác nhau (simultaneous and multiplex detections), điều này nâng cao khả năng làm việc cũng như tính chính xác của phép phân
tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano (Hình 2d)
Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến [23-25]
Trong thời gian qua một nhóm nghiên cứu của Đại học Havard, đã chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic [18-25] Thiết bị của nhóm nghiên cứu này có khả năng phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử sinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai (phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh) [18-25] Hình 3 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ nhất
là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn lần Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, không cần qua bước chuẩn bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích
Trang 12(d) (e)
(f) Hình 4: Nguyên lí hoạt động của bộ kít thanh nano (a-c) Các cấu trúc hay được dùng của thanh dao động nano (d) Các mồi sinh học là các receptors (ví dụ kháng thể) được thụ động hóa trên bề mặt thanh nano cho phép giữ lại các chất cần phân tích tương ứng với mồi sinh học đã được thụ động hóa trên thanh nano (virut đặc hiệu với kháng thể trong hình minh họa) Mỗi thanh nano được thụ động hóa với các receptor khác nhau, cho phép cùng lúc định lượng nhiều biomarkers khác nhau, nâng cao độ chính xác của phép chẩn đoán (e) Sự kết cặp làm tăng khối lượng của thanh, dẫn đến thay đổi tần số dao động của thanh nano và được ghi nhận qua nhiều cách đo khác nhau như cầu điện trở, điện dung, hay phương pháp quang học (f)[33-44]
Trong khi đó trong thời gian rất gần đây, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Yale và Harvard của Mỹ chế tạo bộ kít nano sinh học sợi nano và kết hợp với các kênh dẫn chất lỏng micro (microfluisics), cho phép phát hiện trực tiếp các biomarkers PSA va CA-15.3 để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến và ung thư vú [65] Các ví dụ phong phú và đa dạng của việc sử dụng bộ kít sợi nano sinh học để phát hiện các biomarkers được công bố trong các tài liệu tham khảo [18-32, 56-61,65]
Trang 13Với những ưu việt nêu trên bộ kít nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano đã và đang được tập
trung đầu tư, nghiên cứu ở hầu hết các phòng thí nghiệm hàng đầu trên thế giới, và kì vọng trở thành sản phẩm thương mại trong thời gian vài năm tới
Bộ kít sinh học thanh nano (nanocantilever): Ngoài bộ kít sợi nano, bộ kít sinh học dựa trên cấu
trúc thanh nano với nhiều ưu việt trong phát hiện sinh học sẽ được nghiên cứu và chế tạo trong đề xuất này Công nghệ chế tạo, nguyên lí làm việc và các ứng dụng ưu việt của loại linh kiện thanh nano được trình bày chi tiết trong nhiều bài báo [33-44,54], nhưng điển hình nhất là trong bài báo
tổng hợp của tác giả Philip S Waggoner và Harold G Craighead [39](Micro-and nanomechanical sensors for environmental, chemical, and biological detection; Lab Chip, 2007, 7, 1238–1255).
Nguyên lí làm việc của bộ kít thanh nano được mô tả trong hình minh họa số 4, và có thể được trình bày ngắn gọn như sau:
Thanh dao động nano ( Hình 4a) có tần số dao động được tính theo công thức đơn giản hóa sau
m
k0.32
fres =
Trong đó m=ρ.h.L.w, và k = 3 EI/L3 với ρ là khối lượng riêng của vật liệu chế tạo thanh dao động, h
là độ dày, L là chiều dài, w là chiều rộng, E là suất Young và I là moment với I = w.h3/L3 Mối liên
hệ này chỉ ra rằng tần số dao động tăng khi giảm khối lượng của thanh dao động Vì thế các thanh dao động nano có khối lượng m nhỏ sẽ có tần số dao động nhanh
Khi các mồi sinh học đặc hiệu (bioreceptors) được thụ động hóa lên bề mặt thanh nano, và sau đó bắt cặp đặc hiệu với các chất cần phân tích tương ứng (biomarkers) trong dung dịch Sự thêm vào này (∆m), dẫn đến thay đổi tần số dao động (∆f) của thanh nano Và như thế, thông qua việc đo đạc để xác định (∆f), sẽ cho biết (∆m), và qua đó phát hiện được sự có mặt của biomarkers cần phát hiện hay không (định tính) cũng như nồng độ của chất cần phân tích (định lượng) Sự thay đổi của tần số dao động của thanh phụ thuộc vào khối lượng thanh cũng có thể được tính theo công thức đơn giản hóa sau:
∆f = f res ∆m /2m
Trong đó fres là tần số dao động cơ bản của thanh nano, mo là khối lượng ban đầu của thanh
Phương trình này cho thấy việc sử dụng công nghệ nano để chế tạo các thanh dao động với kích
thước siêu nano (có fres lớn) sẽ cho phép phát hiện các thay đổi khối lượng ∆m siêu nhỏ cỡ khi có
cùng ∆f, tức là nâng cao độ nhạy của bộ kít dựa trên cấu trúc này
Cho đến ngày hôm nay, nhiều thế hệ cảm biến thanh nano đã được chế tạo và sử dụng để phát hiện các chất sinh học quan trọng như DNA, virut, các chất chỉ thị ung thư Nhóm nghiên cứu của giáo
sư Craighead ở ĐH Cornell đã chế tạo các thanh dao dồng nano cho độ nhạy đến mức attô gram (10-15 gam) [35, 39] Gần đây nhóm nghiên cứu của giáo sư Javier Tomayor thuộc viện nghiên cứu
vi điện tử Madrid, Tây Ban Nha (và là một trong các nhóm nghiên cứu sẽ có hợp tác với Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano để thực hiện đề tài này) đã cải tiến cấu trúc của thanh dao động nano, sử dụng trong việc phân tích đột biến gen, và bộ cảm biến thanh nano của nhóm đã có khả năng phát hiện sự khác biệt đến từng cặp phân tử DNA trong đơn chuỗi DNA [42-44] Do có sự kết hợp của
thanh nano với các phần tử sinh học, do đó bộ kít được gọi là bộ kít sinh học thanh nano Ở trong
sự kết hợp này, việc sử dụng thanh nano có kích thước siêu nhỏ do đó có tần số dao động đặc biệt nhạy với sự thay đổi của các phần tử sinh học bám lên nó thông qua kết cặp receptor/biomarker giúp tăng độ nhạy của bộ kít Ngoài ra bộ kít đạt được độ đặc hiệu cao trong phân tích nhờ sự sử dụng các cặp mồi sinh học receptor/biomarkers với tích kết cặp siêu chọn lọc tự nhiên (trang 11) Các kết quả nghiên cứu trong thời gian qua chứng minh rằng hai bộ kít sợi nano và thanh dao động nano có các khả năng phát hiện nhanh, đồng thời các biomarkers ở nồng độ siêu nhỏ Khả năng này
Trang 14các thiết bị phân tích truyền thống hiện nay không có được Các khả năng phân tích của hai bộ kít này mở ra các ứng dụng hoàn toàn mới trong nhiều ngành khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực phát hiện các biomarkers để chẩn đoán chính xác ung thư
Trong nước (Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước thuộc lãnh vực nghiên cứu của
đề tài, đặc biệt phải nêu cụ thể được những kết quả KH&CN liên quan đến đề tài mà các cán bộ tham gia đề tài đã thực hiện Nếu có các đề tài cùng bản chất đã và đang được thực hiện ở cấp khác, nơi khác thì phải giải trình rõ các nội dung kỹ thuật liên quan đến đề tài này; Nếu phát hiện
có đề tài đang tiến hành mà đề tài này có thể phối hợp nghiên cứu được thì cần ghi rõ Tên đề tài, Tên Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì đề tài đó)
Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong nước trong y học, đặc biệt là điều trị và chẩn đoán ung thư: Nhận thức được tiềm năng to lớn và ưu việt mà công nghệ nano hứa hẹn mang lại,
trong vài năm gần đây Chính Phủ đã và đang đầu tư các cơ sở vật chất và con người, tạo điều kiện cho các nhà khoa học Việt Nam tiếp cận, tìm hiểu và triển khai nhiều nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của công nghệ nano Ví dụ các trung tâm nghiên cứu và phòng thí nghiệm trọng điểm về công nghệ nano đã và đang được xây dựng trong toàn quốc như Viện ITIMS (ĐHBK Hà nội), Trung tâm nghiên cứu công nghệ cao Tp.HCM, Viện khoa học vật liệu (Trung Tâm Khoa Học và Công Nghệ Quốc Gia), và gần đây là Phòng thí nghiệm công nghệ nano thuộc ĐHCN, ĐHQG Hà nội, và Viện Tiên Tiến (ĐHBK Hà nội) Ngoài ra các đơn vị Quân đội như Học viện kĩ thuật quân sự, Bệnh viện
108, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng sinh y dược học thuộc Học viện Quân Y … cũng tiến hành các nghiên cứu để áp dụng công nghệ nano trong y sinh Với sự đầu tư của Nhà nước nói trên, các nhóm nghiên cứu và chế tạo nhiều loại vật liệu và linh kiện có cấu trúc nano khác nhau cho các ứng dụng khá đa dạng
Đối với mục đích chế tạo vật liệu nano phục vụ điều trị bệnh, Viện khoa học vật liệu, Viên khoa học và công nghệ Việt Nam đã chế tạo thành công hạt nano từ dùng để đốt từ nhằm tiêu diệt tế bào ung thư Nhóm nghiên cứu ung thư thực nghiệm, Khoa Sinh học , ĐHKHTN Hà Nội trong 20 năm qua đã gây tạo thành công các mô hình UTTN sarcoma 180 dạng lỏng (ascites), dạng đặc (solid) và dạng tế bào ung thư rời nuôi cấy in vitro, đã thử sàng lọc được 50 chế phẩm tự nhiên và tổng hợp của Việt Nam Những kết quả nghiên cứu này đã góp phần cho ra đời 3 loại thuốc hỗ trợ điều trị ung thư là: GACAVIT (VINAGA) của Bệnh viện TW quân đội 108, ASLEM của Trường Đại học Dược Hà nội, và PANACRIN của Viện dược liệu TW, CISPLATIN do Công ty Cổ phần Dược
TW MEDIPLANTEX sản xuất trong năm 2007 Về hiệu ứng đốt từ của chất lỏng từ ứng dụng cho nhiệt trị ung thư được thực hiện bởi tập thể khoa học của GS Nguyễn Xuân Phúc (Viện KH vật liệu) kết hợp với Tập thể KH của PGS Trần Công Yên và PGS Nguyễn thị Quỳ (ĐH KHTN Hà Nội) Nhóm nghiên cứu của GS TSKH Nguyễn Xuân Phúc cũng đang tiến hành chức năng hoá bề mặt các hạt nano từ nhằm chẩn đoán bệnh viêm gan B, chẩn đoán trước sinh và cải thiện độ nhạy
và thời gian của phương pháp ELISA và PCR v.v… Và rất gần đây Công ty cổ phần Dược Danapha đã khởi công xây dựng nhà máy sản xuất thuốc theo công nghệ Nanopharmaceutical, một trong những công nghệ sản xuất dược phẩm tiên tiến nhất hiện nay trên thế giới, được chuyển giao
từ đối tác AQP của Hoa Kỳ Tuy chưa sản xuất thuốc chữa trị ung thư trong giai đoạn đầu, nhưng các sản phẩm thuốc dựa trên cấu trúc hạt nano và liposome của nhà máy này có thể tạo ra một xu hướng mới trong việc sử dụng các sản dược phẩm nano, tạo đà phát triển cho lĩnh vực thực sự còn
rất mới này [74]
Nano ứng dụng trong chẩn đoán bệnh: hướng nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu nano trong y
sinh trong vài năm lại đây cũng đã được một số tập thể nghiên cứu quan tâm Về hạt từ nano ứng dụng đính kháng nguyên kháng thể có nhóm của TS Nguyễn Hoàng Hải, ĐH KHTN Hà Nội và nhóm của TS Nguyễn Chánh Khê, Khu công nghệ cao Tp Hồ Chí Minh Hạt từ nano để nâng cao chất lượng ảnh chụp các tế bào ung thư được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của PGS Trần Hoàng Hải và PGS Lê Quốc Minh Tuy nhiên, chỉ một vài nhóm nghiên cứu (GS Nguyễn Đức Chiến, PGS Nguyễn Văn Hiếu, Tiến sĩ Mai Anh Tuấn) là tập trung nghiên cứu của mình trong việc tổng
Trang 15hợp, chế tạo và ứng dụng của cảm biến sợi nano để phát hiện các phần tử sinh học, ứng dụng trong lĩnh vực y tế Ví dụ trong thời gian gần đây nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Đức Chiến, TS Mai Anh Tuấn và PSG Nguyễn Văn Hiếu (ITIMS, ĐHBK HN) đã tổng hợp được các sợi polymer dẫn,
sử dụng để phát hiện virut và phân tử DNA [75-78] Tuy vậy, theo các cập nhật mới nhất của nhóm
tác giả, do nhiều yếu tố khác nhau, chưa một nhóm nghiên cứu nào ở trong nước triển khai việc chế tạo các bộ kít sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano để phát hiện các chỉ thị sinh học, dùng để chẩn đoán ung thư
Hơn nữa cho đến thời điểm này, có thể do các hạn chế về phương tiện và công nghệ chế tạo, cũng chưa có nhóm nghiên cứu nào triển khai các nghiên cứu về chế tạo và ứng dụng của bộ kít sinh học dựa trên cấu trúc thanh dao động nano Trong lĩnh vực này, các nhóm nghiên cứu mới chỉ dừng ở mức độ mô phỏng và tính toán lí thuyết (PGS Nguyễn Văn Hiếu, ĐHTN, ĐHQG Tp.HCM), hoặc mới chỉ dừng ở mức độ chế tạo các thanh dao động có kích thước lớn cỡ micro (PGS Vũ Ngọc
Hùng, ITIMS, ĐHBK HN) Do đó có thể nói rằng nghiên cứu chế tạo của cả hai bộ kít nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano và thanh nano và ứng dụng của chúng trong y học, đặc biệt là trong phát hiện các biomarkers để chẩn đoán ung thư, gần như chưa được nghiên cứu nhiều ở trong nước
Gần đây, ĐHQG TP HCM đã được nhà nước đầu tư xây dựng Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (PTN CNNN) với kinh phí 4,5 triệu USD Với cơ sở vật chất và trang thiết bị hiện đại, đồng
bộ, Phòng thí nghiệm trọng điểm này cải thiện đáng kể về điều kiện và khả năng nghiên cứu công nghệ nano, cho phép các nhà khoa học trong nước có khả năng nghiên cứu về công nghệ nano một đồng bộ, mở ra khả năng đưa nhanh các ứng dụng ưu việt của công nghệ nano vào phục vụ cuộc sống trong thời gian ngắn
Bộ kít sinh học sợi nano: Từ năm 2006, PTN CNNN đã khởi động giai đoạn 1 của Dự án
“Nghiên cứu quy trình công nghệ, chế tạo cảm biến nano sinh học để phát hiện nhanh lượng glucose trong máu ” (với đề tài NCKH cấp trọng điểm ĐHQG năm 2006 “Nghiên cứu chế tạo sợi Nano Platin dùng cho phân tích thử nghiệm glucoza trong máu”) Tiếp theo đó, PTN CNNN được
Bộ KHCN giao thực hiện đề tài cấp trọng điểm Quốc gia (Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano sinh học đế chẩn đoán và định lượng một số hợp chất sinh học- Mã số: KC.04.12/06-10) Quá trình thực hiện 02 đề tài nói trên là một dịp quí báu để PTN CNNN xây dựng được nhóm nghiên cứu với trên
10 thành viên có chuyên môn trong các chuyên ngành khác nhau như vật lý, hóa học, vật liệu nano, chế tạo nano, điện tử, và y sinh học Sự kết hợp đa dạng các kiến thức chuyên môn này trong một nhóm nghiên cứu, cho phép nhóm làm chủ các công nghệ chế tạo nano chủ chốt, chế tạo thành công các sợi nano kim loại platin (Pt) và bán dẫn silic (Si) ở quy mô cả phiến và với giá thành hợp lí, sử dụng làm bộ kít nano sinh học Các kết quả nghiên cứu đạt được trong thời gian qua là rất khả quan như:
Nghiên cứu, đưa ra được quy trình công nghệ chế tạo mới DEA (Deposition and Etching under Angles) chỉ sử dụng các kĩ thuật truyền thống của công nghệ micro (với chi phí chế
tạo thấp) chế tạo thành công sợi nano Pt và Si có kích thước chiều ngang sợi từ 30 - 40 nm,
có chiều dài lên đến nhiều mm, có tính chất vật lí (tính chất điện và các thông số bề mặt) tốt, các đơn sợi đều có điện cực nối ra mạch ngoài, phù hợp và sẵn sàng cho ứng dụng làm bộ kít nano sinh học (Hình 5a)
Quy trình công nghệ DEA để chế tạo các sợi nano do nhóm nghiên cứu đưa ra là hoàn toàn mới, không lặp lại hay trùng lắp với các công nghệ do các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới đưa ra, và kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế chuyên ngành như Nanoletters (Imfact factor = 10), Applied Physics Letters (Imfact factor = 3.6) [26-32]
Các sợi nano chế tạo ra được sử dụng làm các bộ kít nano sinh học, phát hiện và định lượng thành công được hàm lượng đường trong máu của bệnh nhân tiểu đường, oàn thành nhiệm
Trang 16vụ chính của đề tài KC.04.12/06-10 (Hình 5 b) Hiện nay PTN CNNN đang tập trung để hoàn thành các bước công nghệ cuối cùng, tiến tới chế tạo thiết bị đo tiểu đường trong nước cũng như chuẩn bị công bố các kết quả nghiên cứu trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín cao [30]
(a)
(b)
Hình 5: Các kết quả mà PTN CNNN đạt được trong lĩnh vực chế tạo bộ kít sinh học sợi nano (a) chip chứa nhiều sợi nano Pt, thích hợp cho việc xây dựng bộ kít phát hiện đồng thời nhiều thành phần sinh học Mỗi đơn sợi nano Pt trên chíp có kích thước ngang 40 nm với bề mặt mịn, các đơn sợi đều có các điện cực kết nối ra mạch ngoài (b) Các enzyme GOX được thụ động hóa lên trên
bề mặt sợi nano Pt, tạo ra bộ kít sợi nano Pt, dùng để định lượng hàm lượng glucose trong máu bệnh nhân tiểu đường Đồ thị chỉ mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ glucose trong máu người với dòng điện đo đạc [30-32]
Trang 17
Tuy nhiên do thời gian có hạn của việc thực hiện đề tài KC04.12/06-10, các thí nghiệm để phát hiện các hợp chất sinh học như DNA và nhiều chất sinh học khác có tính ứng dụng cao hơn như protein (phần lớn các biomarkers dùng làm chỉ thị bệnh là các protein), virút, kháng nguyên, kháng thể v.v… chưa được tiến hành Do đó việc thực hiện đề tài này, trước hết giúp PTN CNNN và các đơn
vị phối hợp có điều kiện hoàn thiện trọn vẹn quy trình và công nghệ chế tạo sợi bán dẫn silic, một trong các loại sợi nano có nhiều ứng dụng nhất trong nhiều ngành khoa học, đặc biệt là ngành chế tạo cảm biến nano sinh học Sau đó thực hiện các bước nghiên cứu tiếp theo để chế tạo một bộ kít nano sinh học sợi nano silic hoàn chỉnh, sử dụng trong việc định lượng nhanh 04 biomarkers là Alpha-fetoprotein (AFP), AFP-L3, Des-gamma-carboxyprothrombin (DCP), và Golgi protein (GP73) ở nồng độ siêu nhỏ 50-100 fM trong máu, phục vụ việc chẩn đoán nhanh, chính xác ung
thư gan [1-16] Nghiên cứu, chế tạo bộ kít sinh học sợi nano, dùng để định lượng nhanh, đồng thời, ở nồng độ siêu nhỏ fM các biomarker AFP, AFP-L3, DCP, và GP73, phục vụ chẩn đoán ung thư gan được xác định là trọng tâm nghiên cứu và là sản phẩm chính của đề tài
Bộ kít sinh học thanh dao động nano: Như đã trình bày ở phần trên, bộ kít nano dựa trên cấu
trúc thanh dao động nano cũng cho phép định lượng các phần tử sinh học ở nồng độ siêu nhỏ 44] do đó cũng có khả năng lớn trong việc chẩn đoán các biomarker, phục vụ việc chẩn đoán ung thư gan Hơn nữa vì việc chẩn đoán ung thư gan yêu cầu phân tích định tính và định lượng nhiều biomarker [1-16], do đó việc có thanh dao động nano sẽ làm phong phú thêm khả năng phân tích Ngoài ra, việc sử dụng cả hai bộ kít là sợi nano và thanh dao động nano để cùng phân tích một mẫu máu, sẽ cho phép so sánh, kiểm chứng kết quả phân tích, giúp nâng cao rất nhiều độ chính xác của
[33-phép chẩn đoán ung thư gan, thậm chí cho [33-phép chẩn đoán trong thời kì tiền nhiễm bệnh Do đó nghiên cứu, chế tạo bộ kít nano sinh học dựa trên cấu trúc thanh dao động nano dùng để định lượng nhanh các biomarkers AFP, AFP-L3, DCP, và GP73, phục vụ chẩn đoán ung thư gan sẽ
là trọng tâm nghiên cứu thứ hai của đề tài này
15.2 Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của Đề tài
(Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu có liên quan, những kết quả mới nhất trong lãnh vực nghiên cứu đề tài, đánh giá những khác biệt về trình độ KH&CN trong nước và thế giới, những vấn đề đã được giải quyết, cần nêu rõ những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những hạn chế cụ thể, từ đó nêu được hướng giải quyết mới - luận giải và cụ thể hoá mục tiêu đặt ra của đề tài và những nội dung cần thực hiện trong Đề tài để đạt được mục tiêu )
a Ung thư gan và nhu cầu phát triển bộ kít nano thế hệ mới để
chẩn đoán nhanh, chính xác ung thư gan
Ung thư gan là một trong năm loại ung thư gây tử vong cao nhất trên toàn thế giới với hơn 653.000
ca tử vong mỗi năm (WHO, 2007) Tỷ lệ phát bệnh cao ở vùng Châu Á và Châu Phi, tuổi trung niên
và nam giới thường mắc bệnh cao hơn Ở châu Á, nơi có tỉ lệ mắc viêm gan B khá cao, ung thư gan đặc biệt phổ biến Việt Nam được coi là một trong các quốc gia có tỷ lệ mắc ung thư gan cao nhất thế giới, với trên 10000 ca mắc mới mỗi năm Hiện nay, ung thư gan được chia làm 2 loại dựa vào nơi xuất hiện ung thư đầu tiên của cơ thể: ung thư gan thứ phát hay ung thư tế bào gan nguyên phát
Ung thư gan thứ phát: Là ung thư xuất phát từ tế bào của các phần khác của cơ thể lan đến gan
Ung thư gan thứ phát có thể từ: ung thư đường tiêu hóa, vú, phổi, ung thư tủy… Tùy theo cơ quan nào di căn đến gan mà gọi tên, ví dụ từ ung thư phổi thì gọi là ung thư gan thứ phát do di căn từ ung thư phổi
Ung thư tế bào gan nguyên phát (hepatocellular carcinoma -HCC): Trên 80% ung thư gan là ung
thư tế bào gan nguyên phát Ung thư tế bào gan nguyên phát là ung thư xuất phát từ gan Nó còn
Trang 18được gọi là ung thư gan nguyên phát hoặc ung thư gan Gan được cấu tạo từ nhiều loại tế bào khác nhau (ví dụ tế bào ống mật, mạch máu và những tế bào dự trữ mỡ) Tuy nhiên, 80 % mô gan là do
tế bào gan tạo nên Vì vậy, ung thư gan nguyên phát chủ yếu (>90 – 95 %) xuất phát từ tế bào gan
và được gọi là ung thư tế bào gan hoặc carcinoma Ung thư này xảy ra ở nam gấp đôi nữ và thường gặp ở tuổi trên 50 Hiện nay khoa học chưa biết chính xác nguyên nhân HCC nhưng viêm gan do siêu vi mãn tính và xơ gan là yếu tố nguy cơ HCC, trong đó xơ gan chiếm 80% trường hợp HCC Dạng khác của ung thư gan là ung thư đường mật Đây là ung thư xuất phát từ ống dẫn mật và nguyên nhân là do viêm xơ chai đường mật nguyên phát Ung thư đường mật có thể do nhiễm ký sinh trùng, chẳng hạn như sán lá nhỏ Ung thư này phát triển theo đường dẫn mật, rất khó thấy trên phim X quang
Nguyên nhân chính gây ung thư gan: Cho đến nay “nguyên nhân chính gây ra ung thư gan” vẫn
còn là câu hỏi chưa được trả lời rõ ràng và nhiều nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tìm ra câu trả lời chính xác trong thời gian tới Hiện nay các nhà khoa học chỉ có thể xác định một số nguy cơ sau đây có thể dẫn đến HCC là: viêm gan siêu vi B, viêm gan siêu vi C, uống rượu kéo dài dẫn tới
xơ gan (sau đó là HCC), do Aflatoxin B1, thuốc và hóa chất, bệnh ứ sắt và xơ gan v.v… Tỷ lệ nhiễm HBV (siêu vi B) trên thế giới là 2 tỷ người (WHO, 2008) trong đó 350 triệu người mắc bệnh mãn tính và 25% trong số người mắc bệnh mãn tính ngay từ nhỏ sẽ chết vì ung thư gan hay xơ gan Việt Nam có tỷ lệ người nhiễm HBV cao thứ 2 trên thế giới Theo các nghiên cứu của Bộ Y Tế, ước tính tỷ lệ người mang HBsAg mãn tính vào khoảng 15 % - 20 % dân số (12 - 16 triệu người)
Trong khi đó ước tính 3 % dân số toàn thế giới nhiễm HCV (siêu vi C) Tại Việt Nam, tỷ lệ người nhiễm HCV vào khoảng 1,8 – 4 % dân số, khoảng 193.100 người đã chết do siêu vi C trong 10 năm gần đây, trong đó có 165.900 người chết do viêm gan mãn tính, và các biến chứng của viêm gan, và 27.000 người chết do ung thư gan
Các phương pháp hiện đang dùng để phát hiện ung thư gan hiện nay: Mặc dù có nhiều tiến bộ
của y học và kĩ thuật phân tích nhưng cho đến nay chưa có 1 kỹ thuật nào hoàn hảo để có thể chẩn đoán được sớm và đúng của 1 trường hợp u gan, hay ung thư tế bào gan Đôi khi phải vận dụng uyển chuyển, kết hợp nhiều kỹ thuật vào từng tình huống cụ thể mới có thể chẩn đoán được [3-15] Các kỹ thuật riêng lẻ càng có độ nhạy và đặc hiệu càng cao sẽ giúp cho việc phối hợp chẩn đoán ngày càng hiệu quả
Hiện nay, có nhiều phương pháp để chẩn đoán 1 trường hợp ung thư gan và có thể chia thành 2 nhóm:
Nhóm 1: Nhóm chẩn đoán hình ảnh như: siêu âm, CT, MRI, giải phẩu bệnh…
Nhóm 2: Nhóm các xét nghiệm để chẩn đoán 1 u gan như: nhóm xét nghiệm chức năng gan, nhóm xét nghiệm nguyên nhân gây bệnh gan và nhóm xét nghiệm máu để tìm dấu ấn ung thư (cancer biomarkers) Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các dấu ấn ung thư trong máu đang rất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phương pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền như CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật giải phẫu bệnh
Với số lượng bệnh nhân rất lớn đang cần phải phân tích mẫu phẩm thường xuyên để phục vụ công đoạn điều trị, cộng với khoảng trên 10000 ca mắc mới mỗi năm, thêm vào đó là số lượng khổng lồ trên 10 triệu người bị nhiễm siêu vi B và siêu vi C (là những đối tượng có khả năng bị ung thư gan
cao, cần được đi khám định kì) đang tạo ra một nhu cầu rất lớn về phân tích kiểm tra các chỉ thị
ung thư gan trong máu để chẩn đoán sớm và điều trị ung thư gan Nhưng đến thời điểm này, có thể nói rằng tất cả các cơ sở khám và chữa bệnh trong nước hiện đang phải sử dụng các thiết bị, máy móc và công nghệ nhập ngoại để thực thi các công việc này Việc không làm chủ được công nghệ nguồn, không chế tạo được các bộ KÍT để phân tích định tính và định lượng các chỉ thị sinh học của
ung thư gan đã và đang hạn chế rất nhiều đến khả năng chẩn đoán sớm và điều trị ung thư gan Do
đó, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ, chế tạo thành công hai bộ kít nano sinh học phục vụ cho
Trang 19việc phát hiện với độ nhạy cao các chỉ thị ung thư gan, phục vụ chẩn đoán ung thư gan với độ chính xác cao là hết sức cần thiết , và vì thế được xác định là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài nghiên cứu này
b Các biomarker and receptor được chọn để sử dụng cho việc
chẩn đoán ung thư gan trong đề tài này
Hiện nay, có trên 60 biomarker được dùng cho việc phát hiện ung thư gan Các marker này được chia làm 4 nhóm chính: markers đối với mô (Tissue markers), markers đối với huyết thanh (Serum markers), markers đối với tế bào ung bướu (Tumor cell markers) và markers đối với những yếu tố
do di truyền (Genetic markers) Tuy nhiên, cách phân nhóm này chỉ mang tính tương đối vì một vài marker có thể thuộc nhiều nhóm khá nhau [15] Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các biomarkers là một hướng đang rất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phương pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền như CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật phức tạp của giải phẫu bệnh, nhưng vẫn cho kết quả chẩn đoán với độ chính xác cao Do đó
nhóm tác giả sẽ sử dụng hai bộ kít nano chế tạo ra để phát hiện các biomarkers trong huyết thanh,
phục vụ chẩn đoán ung thư trong đề tài này
Các biomarkers cần phát hiện trong huyết thanh để chẩn đoán ung thư gan: Nhóm này có trên
40 marker, gồm các marker như AFP, AFP-L3, DCP, GP73, Iso-γGTP, α1-Antitrypsin, α1-Acid glycoprotein, Osteopontin, Aldolase A, CK18, CK19, TPA, TPS, α-Fucosyl-transferase, α-L-fucosidase, Transforming growth factor β1, Anti-p53 antibody, Interleukin 8, Interleukin 6, Neurotensin v.v…[1-16] Trong đó, AFP là marker được sử dụng phổ biến trong việc phát hiện ung thư gan, và các marker khác thường phải kết hợp với marker AFP để nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích và chẩn đoán Trong nhóm này, đáng chú ý là 4 biomarker AFP, AFP-L3, DCP và GP73 [15] Các thông tin cơ bản về các biomarker này cùng với các receptor tương ứng của chúng
sẽ được trình bày ngắn gọn trong phần dưới dây:
(1) Biomarker Alpha-fetoprotein (AFP) [5,7, 11, 15, 16]: AFP là một glycoprotein gồm 591 aa
và một nửa hydrocarbon, được mã hóa bởi AFP gene Trong cấu trúc của protein AFP có một vùng peptide hoạt động mang tính chất như một kháng nguyên ung thư (anti-cancer), viết tắt là AFPep AFPep gồm 9 aa (từ aa 472- 479 được ký hiệu là EKTOVNOGN ) với trong lượng 969 Daltons AFPep có khả năng liên kết với một protein sốc nhiệt Hsp72 (heat
shock protein Hsp72), do đó, có thể sử dụng protein Hsp72 làm receptor để phát hiện biomarker AFP
(2) Biomarker AFP-L3: AFP-L3 là một đồng phân của AFP (AFP có 3 isoform: L1, L2 và L3)
AFP-L3 còn là một marker chuyên biệt cho việc xác định ung thư ác tính (di căn) và được xem như một marker đánh giá ung thư gan phổ biến ở khu vực Bắc Mỹ. AFP-L3 liên kết mạnh với lectin Lens culinaris agglutinin (LCA) thông qua liên kết α1-6 fucose tại đầu cuối của N-acetylglucosamine [13] Protein LCA được dùng làm receptor cho biomarker AFP- L3
(3) Biomarker des-gamma-carboxyprothrombin (DCP), hay còn gọi là PIVKA II-protein induced by vitamin K absence/antagonist-II): Marker DCP được đánh giá khá cao trong
việc phát hiện ung thư gan, theo Kim và các đồng nghiệp của ông marker DCP có độ nhạy
và tính chuyên biệt cao hơn marker AFP, cụ thể là độ nhạy 75,1 % so với 48,6 % và tính chuyên biệt 94,8 % so với 81,3 % [2] Ngoài ra, những nghiên cứu khác cho thấy DCP là marker rất có tiềm năng với độ nhạy 78 % và tính chuyên biệt là 80 % [1].Tuy nhiên, nếu kết hợp với các biomarker khác thì độ nhạy và tính chuyên biệt đều tăng Đặc biệt là sự kết hợp 2 marker AFP và DCP thì độ nhạy khoảng 94 % và tính chuyên biệt là 85 % [13], độ nhạy 83.3 % và tính chuyên biệt 77.2 % [4]
Trang 20Receptor cho biomarker DCP là kháng thể đơn dòng của DCP [15].
(4) Biomarker Golgi protein (GP73) [9,11]: GP73 là một protein màng của bộ máy Golgi GP73 hiện diện với mức độ cao khi bệnh ung thư gan Receptor cho GP73 là kháng thể
đơn dòng (monoclonal anti-GP73 antibodies), và nguồn thu nhận GP73 là từ huyết thanh Ung thư thường có tính di căn, nên khi mắc bệnh ung thư ở các giai đoạn sau thường là ung thư của nhiều cơ quan (vú, phổi, gan,…) do sự di căn gây ra Do đó, có một vài biomarker là marker thông dụng, chỉ định cho nhiều loại ung thư Đồng thời, chưa có một marker nào là hoàn toàn đặc trưng cho 1 loại ung thư Do đó, việc sử dụng nhiều marker để phát hiện một loại ung thư là cần thiết Đối với ung thư gan, marker đặc trưng và thông dụng nhất là AFP, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy những marker như AFP-L3, DCP, GP73, có ưu thế hơn bởi độ nhạy và tính chuyên biệt cao Do đó sau khi đã trao đổi với các chuyên gia trong nước và quốc tế về lĩnh vực này, nhóm tác
giả sẽ sử dụng hai bộ kít nano sinh học để phát hiện đồng thời 04 biomarker là AFP, AFP-L3, DCP, GP73 (Bảng 1), ứng dụng kết quả thu được vào việc phát hiện sớm ung thư gan
Đặc điểm chung của các biomarker được chọn nói trên là chúng đều là các protein (kháng thể đơn dòng) Do các protein đều có nhóm chức NH2 , yếu tố này cho phép thực hiện các kĩ thuật xử lí
bề mặt để tạo các nhóm hóa học chức năng (functional groups) trên bề mặt của sợi và thanh nano Các nhóm hóa học chức năng này sẽ liên kết với nhóm chức NH2 để giữ các các receptor này ở trên
bề mặt sợi nano và thanh nano
Bảng 1: Các biomarker và các receptor tương ứng của ung thư gan
Receptor
kháng thể đơn dòng của DCP
kháng thể đơn dòng của GP73
Đề tài này tập trung nghiên cứu sử dụng các thiết bị hiện đại, trong môi trường phòng sạch của Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano - ĐHQG TP.HCM (PTN CNNN), để chế tạo các bộ kít nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano và thanh dao động nano Tiếp theo đó PTN CNNN phối hợp cùng Bệnh Viện Ung Bướu Tp.HCM (BVUB) tiến hành các thực nghiệm và nghiên cứu để đưa ra các quy trình sử dụng và đánh giá chất lượng của các bộ kít trong việc phân tích và định lượng các biomarker trong huyết thanh phục vụ việc chẩn đoán nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao ung thư gan BVUB là một trong các đơn vị lớn nhất trong nước trong lĩnh vực điều trị và chẩn đoán ung thư, với đội ngũ bác sĩ đông đảo có chuyên môn sâu và được trang bị các thiết bị có thể nói là hiện đại nhất trong lĩnh vực điều trị và chẩn đoán ung thư hiện nay ở Việt nam Ngoài sự tư vấn chuyên môn Y học và lâm sàng về ung thư gan, BVUB sẽ là nơi cung cấp các mẫu phẩm cần thiết cho
nghiên cứu đề ra ở đây Ngoài ra một mẫu phẩm sẽ được phân tích bằng cả hai thiết bị: các thiết bị phân tích ung thư tiêu chuẩn của BVUB và các bộ kít nano sinh học phát triển trong dự án này Các kết quả thu được bằng hai cách sau đó được tổng hợp, so sánh và phân tích tạo cơ sở khoa học vững chắc để kết luận về độ chính xác và đặc hiệu của các bộ kít nano sinh học chế tạo ra Có thể nói rằng việc tham gia trực tiếp của BVUB trong đề tài này góp phần rất quan trọng trong cả chuyên môn và phương tiện nghiên cứu để nhóm tác giả có thể hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra ở mức độ tốt nhất
Tín hiệu cần được ghi nhận và xử lí trong quá trình phân tích và định lượng các biomarker (chủ yếu
Trang 21là các protein tích điện âm với lượng điện tích nhỏ) phục vụ chẩn đoán ung thư gan sử dụng các bộ
kit nano là rất nhỏ Vì thế các thiết bị điện tử sử dụng để ghi nhận và xử lí tín hiệu phải có độ chính
xác rất cao, khả năng lọc các loại nhiễu tốt Ví dụ các dòng điện chạy qua sợi nano thường có giá trị
thấp trong khoảng 50-100 nA, và hơn thế nữa phải ghi nhận được sự thay đổi khoảng 10 nA của
dòng điện khi có sự kết cặp receptor/biomarker Ngoài ra, để đáp ứng được yêu cầu phân tích 04
biomaker cùng một lúc, các tín hiệu phải được xử lí đồng thời và đa kênh Nhiệm vụ nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo các thiết bị điều khiển và xử lí tín hiệu cho hai bộ kit nano sinh học trong đề tài
này sẽ được thực hiện bởi Khoa Điện Tử Viễn Thông của Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên,
ĐHQG Tp.HCM (ĐTVT) KHoa ĐTVT là khoa có truyền thống lâu đời, với đội ngũ giảng viên và
nghiên cứu viên có trình độ chuyên môn cao, nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế và chế tạo các
thiết bị điện tử y sinh, do đó Khoa có đầy đủ khả năng để thực hiện các nhiệm vụ đề ra trong đề tài
này
Với sự tham gia kết hợp trực tiếp, chuyên sâu của ba đơn vị nghiên cứu và ứng dụng hàng đầu trong
các lĩnh vực vật liệu và chế tạo linh kiện nano ( PTN CNNN), Điện tử và điều khiển (ĐTVT), và y
học (BVUB), đề tài này tập trung nghiên cứu công nghệ để chế tạo 02 bộ kít nano sinh học dựa trên
cấu trúc sợi nano và thanh dao động nano , sau đó tiến hành các thực nghiệm và nghiên cứu để đưa
ra các quy trình sử dụng và đánh giá chất lượng của các bộ kít trong việc phân tích và định lượng
các biomarker trong huyết thanh phục vụ việc chẩn đoán nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao ung
thư gan
16 Liệt kê danh mục các công trình nghiên cứu, tài liệu có liên quan đến đề tài đã trích dẫn khi đánh giá tổng quan
(Tên công trình, tác giả, nơi và năm công bố, chỉ nêu những danh mục đã được trích dẫn để luận giải cho
sự cần thiết nghiên cứu đề tài)
1 Axel Schumacher et al., 2006 Microarray-based DNA methylation profiling: technology and applications Nucleic Acids Research, 34(2):528-542
2 Chihiro Sekiya et al., 2005 Characteristics of the PIVKA-II found in hepatocellular carcinoma, investigation using monoclonal antibodies MU-3 and 19B7 International Hepatology Communications Volume 2, Issue 5, Pages 277-284
3 Di Tommaso et al., 2009 The application of markers (HSP70 GPC3 and GS) in liver biopsies is useful for detection of hepatocellular carcinoma PubMed, 50(4):659-61
4 Do Young Kim et al., PIVKA-II Is a Useful Tumor Marker for Recurrent Hepatocellular Carcinoma after Surgical Resection Oncology Vol 72, Suppl 1, 2007
5 Gary Beale et al., 2008 AFP, PIVKAII, GP3, SCCA-1 and follisatin as surveillance biomarkers for hepatocellular cancer in non-alcoholic and alcoholic fatty liver disease BMC Cancer, 8:200
6 Limin Liu et al., 2002 Frequent hypermethylation of the RASSF1A gene in prostate cancer Oncogene, Volume 21, Number 44, Pages 6835-6840
7 Man Fung Yuen and Ching-Lung Lai 2005 Serological markers of liver cancer Clinical Gastroenterology, Volume 19, Issue 1, Pages 91-99
8 Mark Veugelers et al., 2000 Mutational analysis of the GPC3/GPC4 glypican gene cluster on Xq26 in
Trang 22patients with Simpson-Golabi-Behmel syndrome: identification of loss-of-function mutations in the GPC3 gene Human Molecular Genetics, Vol 9, No 9 1321-1328
9 JA 2005 GP73, a resident Golgi glycoprotein, is a novel serum marker for hepatocellular carcinoma Hepatol 43(6):1007-12
10 Mingzhao Xing et al., 2004 Early Occurrence of RASSF1A Hypermethylation and Its Mutual Exclusion with BRAF Mutation in Thyroid Tumorigenesis American Association for Cancer Research
11 Steve Benowitz 2007 Liver Cancer Biomarkers Struggling to Succeed JNCI Journal of the National Cancer Institute, 99(8):590-591
12 Timothy M Block et al., 2004 Use of targeted glycoproteomics to identify serum glycoproteins that correlate with liver cancer in woodchucks and humans PNAS, vol 102, no 3, 779–784
13 Ritsu Yamamoto et al., 2001 Lens culinaris agglutinin-reactive -fetoprotein, an alternative variant to -fetoprotein in prenatal screening for Down's syndrome Human Reproduction, Vol 16, No 11, 2438
17 P Alivisatos, The use of nanocrystals in biological detection, Nat Biotechnol., 22, 47, 2004
18 L Hood, J R Heath, M E Phelps, B Lin, Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine, Science, 306, 640, 2004
19 C M Lieber, Nanoscale Science and Technology: Building a Big Future from Small Things, MRS Bull., 28 (7), 486, 2003
20 Q Qing et al., Nanowire transistor arrays for mapping neural circuits in acute brain slices," Proc Natl Acad Sci USA 107, 1882-1887 (2010)
21 Y Cui, C M Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks, Science, 291, 851, 2001
22 F Patolsky, G Zheng, O Hayden, M Lakadamyali, X Zhuang, C M Lieber, Electrical detection
of single viruses, Proc Natl Acad Sci., 101, 14017, 2004
23 Gengfeng Zheng et al., Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays, Nature Biotechnology 23, 1294 - 1301 (2005)
24 Patolsky, B.P Timko, G Zheng and C.M Lieber, Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Sciences, MRS Bull 32, 142-149, 2007
25 F Patolsky et al., Fabrication of silicon nanowire devices for ultrasensitive, label-free, real-time
Trang 23detection of biological and chemical species, Nat Protocols 1, 1711-1724, 2006
26 Hien Duy Tong et al., Simple technique for direct patterning of nanowires using a nanoslit mask, Transducers 2007, 191-194, 2007
shadow-27 Hien Duy Tong et al., Novel Top-Down Wafer-Scale Fabrication of Single Crystal Silicon
Nanowires, Nanoletter , vol 9, No.3, pp.1015-1022, March, 2009
28 P Offermans and Hien Duy Tong et al., Ultra-low Power Hydrogen Sensing With Single Palladium Nanowires, Apply Physic Letter, 2009
29 V.J Gadgil , Hien Duy Tong, Y Cesa, M.L Bennink, Fabrication of nano structures in thin
membranes with focused ion beam technology, Vol.203, No 17-18, 2009, pp 2436-2441
30 Hien Duy Tong et al., Direct measurement of glucose concentrations in blood samples of diabetic patients, submitted to Nature nanotechnology, June, 2010
31 Pham Xuan Thanh Tung et al., Oxidation of platinum microwires surface applied in glucose detection, accepted and to be published in Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 1 (2010)
32 Le Thi Thanh Tuyen et al., Glucose oxidase immobilization on different modified surfaces of platinum nanowire for an application in the glucose detection, to be published in Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 1 (2010)
33 H G Craighead, Nanoelectromechanical systems, Science 290, 1532 (2000)
34 Alvarez et al., Development of nanomechanical biosensors for detection of the pesticide DDT, Biosensors and Bioelectronics, Vol 18, pp 649-653 (2003)
35 B Ilic et al., Attogram Detection Using Nanoelectromechanical Oscillators, Journal of Applied Physics, 95, 3694-3703 (2004)
36 B Ilic, Y Yang, and H G Craighead, Virus Detection Using Nanoelectromechanical Devices", Applied Physics Letters, 85, 2604-2606 (2004)
37 Rashid Bashir et al., Anomalous resonance in a nanomechanical biosensor, PNAS, Vol.5; 103(36): 13362–13367 (2006)
38 J.Tamayo, Nanomechanical systems: Inside track weighs in with solution, Nature Nanotechnology
Trang 24hydration-induced tension in nucleic acid films, Nature Nanotechnology, Vol.3, pp 301 – 307 (2008)
43 Javier Tomayor, Hien Duy Tong et al., Array of dual nanomechanical resonators for selective biological detection, Anal Chem., 2009, 81 (6), pp 2274–2279
44 P.M Kosaka and Hien Duy Tong et al., Three-dimensional optical readout of hundreds of cantilevers, submitted to Nanotechnology, May, 2010
52 Niranjan S Ramgir et al., Voltammetric Detection of Cancer Biomarkers Exemplified by
Interleukin-10 and Osteopontin with Silica Nanowires, J Phys Chem C 2007, 111, 13981-13987
53 Amy Pope-Harman et al., Biomedical Nanotechnology for Cancer, Med Clin N Am 91 (2007) 899–
57 Gang Peng et al., Diagnosing lung cancer in exhaled breath using gold nanoparticles, Nature
nanotechnology, Vol 4, October 2009, pp 669-673
58 Hyun-Seung Lee et al., Electrical detection of VEGFs for cancer diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamer-modified Si nanowire FETs,, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 1801–1805
59 Chi-Chang Wu et al., Label-free biosensing of a gene mutation using a silicon nanowire effect transistor, Biosensors and Bioelectronics 25 (2009) 820–825
Trang 25field-60 Guo-Jun Zhang et al., Label-free direct detection of MiRNAs with silicon nanowire biosensors, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2504–2508
61 Guo-Jun Zhang et al., Silicon nanowire biosensor for highly sensitive and rapid detection of Dengue virus, Sensors and Actuators B 146 (2010) 138–144
62 Mark E Davis et al., Evidence of RNAi in humans from systemically administered siRNA via targeted nanoparticles, Nature 464, 1067-1070 (15 April 2010
63 Young-Eun Choi et al., Nanotechnology for Early Cancer Detection, Sensors 2010, 10, 428-455
64 Sung You Hong et al., Filled and glycosylated carbon nanotubes for in vivo radioemitter localization and imaging, Nature Materials 9, 485-490, 16 may, 2010
65 Eric Stern et al., Label-free biomarker detection from whole blood, Nature Nanotechnology, Volume
73 http://www.nanovip.com/node/54038
74 http://www.baodanang.vn/vn/suckhoe/24833/index.html
75 Phuong Dinh Tam et al., A facile prepartion of DNA sensor for rapid detection of herpes virus”, Materials Science and Engineering C, (2010) In press
76. Phuong Dinh Tam et al., Impact parameters on hybridization process in detecting Influenza Virus (type A)
using Contuctimetric based on DNA sensor”, Physica E 41 (2009) 1567
77. Tuan Mai Anh et al Detection of toxic compounds in real water samples using a conductometric tyrosinase
biosensor, Materials Science and Engineering: C, Volume 26, Issues 2-3, March 2006, Pages 453-456
78.T Mai Anh et al., Conductometric tyrosinase biosensor for the detection of diuron, atrazine and its main
metabolites, Talanta 63 (2004) 36–370
17 Nội dung nghiên cứu khoa học và triển khai thực nghiệm của Đề tài và phương án thực hiện
(Liệt kê và mô tả chi tiết những nội dung nghiên cứu khoa học và triển khai thực nghiệm phù hợp cần thực hiện để giải quyết vấn đề đặt ra kèm theo các nhu cầu về nhân lực, tài chính và nguyên vật liệu trong đó chỉ rõ những nội dung mới, những nội dung kế thừa kết quả nghiên cứu của các đề tài trước đó; những hoạt động để chuyển giao kết quả nghiên cứu đến người sử dụng, dự kiến những nội dung có tính rủi ro và
Trang 26giải pháp khắc phục - nếu có)
Nội dung 1: Biomarker /receptor cho chẩn đoán ung thư gan
- Nghiên cứu, tham khảo các tài liệu, bài báo về các biomarker của ung thư gan AFP, AFP-L3, DCP, GP73
- Nghiên cứu, tham khảo các tài liệu, bài báo về các phương pháp gắn kết, cố định hiệu suất cao các receptor ( Bảng 1) của các biomarker AFP, AFP-L3, DCP, GP73 lên bề mặt sợi nano silicon và thanh nano ( vật liệu chủ yếu là SiN và vàng (Au)
Nội dung 2: chế tạo sợi nano silic trên phiến silic loại SOI
- Thiết lập qui trình công nghệ chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của Việt Nam để chế tạo sợi nano silicon trên phiến silic loại SOI (semiconductor on insulator)
- Nghiên cứu chế tạo sợi nano silic từ đế SOI có kích thước và tính chất thích hợp cho việc chế tạo cảm biến nano sinh học Các protein tích điện âm với lượng điện tích rất nhỏ và hay thay đồi, do đó khó phát hiện hơn việc phát hiện các phần tử sinh học khác như DNA hay virut Vì vây sợi cần được chế tạo với các thông số tối ưu để bộ kít có độ nhạy cao nhất Phần lớn các bước công nghệ để chế tạo sợi nano silic sẽ dựa trên các kết quả nghiên cứu đã được tiến hành trong thời gian qua tại PTN CNNN [26-32] Tuy nhiên một
số bước cần được cải tiến, nâng cao để chế tạo được các sợi nano silic có kích thước nhỏ hơn (đường kính tối ưu khoảng 20-30 nm), tính chất bề mặt và đặc biệt là tính chất điện phù hợp cho mục đính phát hiện các biomarker là các protein Dưới đây là mô tả chi tiết cho các bước quan trọng, thiết yếu của quy trình chế tạo sợi nano silicon:
Hiệu chỉnh các thông số của thiết bị lò oxi hóa ướt và oxi hóa khô silic tạo màng SiO2 cách điện
Khảo sát thử nghiệm tốc độ oxi hóa silic ở các nhiệt độ từ 900 - 11000C
Nghiên cứu chế tạo màng SiO2 bằng phương pháp oxi hóa ướt với độ dày thích hợp (50-100 nm)
Hiệu chỉnh các thông số của thiết bị lắng đọng hơi plasma hóa học (PECVD), để phủ màng silicon nitride (SiN)
Thử nghiệm tốc độ lắng đọng hơi hóa học, để chế tạo màng SiN với độ dày thích hợp (30-50 nm)
Nghiên cứu định vị các vị trí của sợi nano bằng quá trình quang khắc (lithography)
Nghiên cứu quy trình công nghệ ăn mòn (khắc) thẳng đứng (dry, vertical etching), với độ chọn lọc cao các lớp màng mỏng để ăn mòn lớp SiN
Ăn mòn ướt SiO2, tạo khe hở có kích thước nanomet [26-32]
Kiểm tra đánh giá chiều cao và chất lượng khe hở nano bằng kính hiển vi điện tử quét có độ phân giải cao (high resolution SEM), và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Nghiên cứu phủ màng kim loại Cr/Pt dưới góc nghiêng trên đế silic có các khe nano tạo ra ở bước trên