Biochip - một công nghệ mới được áp dụng thành công trong phòng xét nghiệm sinh y

Nghiên cứu này đã chỉ ra cách lai tạo theo nguyên tắc bổ sung của sợi đơn oligonucleotide, điều này cũng đã được sử dụng làm cơ sở cho DNA cảm ứng.

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HÌNH THÀNH

Biochip

Sự ra đời của Biochip gắn với một lịch sử lâu

dài, có thể phải kể đến tác phẩm đầu tiên dựa trên

cơ sở công nghệ cảm biến Đó là điện cực thủy tinh

đo pH - dựa trên cảm biến hóa học do Hughes phát

minh năm 1922 Việc đo pH được thực hiện trên một

màng mỏng thủy tinh có tính chọn lọc bằng cách

trao đổi giữa các ion H + và các SiO Các khái niệm

cơ bản đã được sử dụng để phát triển các bộ cảm biến ion trong những năm tiếp theo: bộ cảm biến ion

K+ được sản xuất bằng cách kết hợp valinomycin thành một màng mỏng (Schultz, 1926) Năm 1956, Leland Clark phát minh bộ cảm biến điện cực oxy, thiết bị này đã trở thành cơ sở cho một bộ cảm biến sáng chế năm 1962 của Clark và Lyons, trong đó sử dụng các phân tử enzym glucose oxydase gắn vào một màng lọc máu

Với sự có mặt của glucosse trong máu, các enzyme này có khả năng làm giảm lượng ôxy sẵn có

Biochip - MỘT CÔNG NGHỆ MỚI ĐƯỢC ÁP DỤNG THÀNH CÔNG TRONG PHÒNG XÉT NGHIỆM SINH Y (Biochip - a new successful technology

in medical laboratory)

Bùi Tuấn Anh*

TÓM TẮT

Sự ra đời của vi mạch sinh học (Biochip) là thành quả phát triển nhanh chóng của công nghiệp công nghệ sinh học, trong đó bao gồm một phạm vi rất đa dạng các nghiên cứu về gen, proteomic, sinh học điện toán và ngành dược Kế tiếp là các công nghệ nano, công nghiệp bán dẫn phát triển đã được hoàn thiện có khả năng thu nhỏ các vi mạch Việc hội tụ các lĩnh vực nói trên trong những năm gần đây đã cho phép công nghệ sinh học chuyển từ “đóng gói” truyền thống cồng kềnh thành các công cụ cảm biến trong một không gian nhỏ hơn - cái được gọi là Biochip Nhờ các công nghệ mới này đã sáng tạo ra phương pháp mới giúp cho các nhà khoa học làm sáng tỏ những phản ứng và quá trình hóa sinh phức tạp diễn ra bên trong các tế bào, từ đó có những hiểu biết giúp ích trong quá điều trị các bệnh Những con chip cơ bản là hình ảnh thu nhỏ phòng xét nghiệm y sinh nói chung và hóa sinh nói riêng Giống như một con chip máy tính có thể thực hiện hàng triệu phép tính trong một giây, một Biochip có thể thực hiện hàng trăm hoặc hàng ngàn phản ứng hóa sinh đồng thời trong cùng một thời gian ngắn, chẳng hạn như giải mã gen có thể trong vòng một vài giây

Sự xuất hiện công nghệ Biochip trong một vài năm gần đây có thể ứng dụng: sàng lọc, chẩn đoán, theo dõi tiến triển bệnh và đáp ứng bệnh trong quá trình điều trị

* Khoa Hóa sinh, Bệnh viện Bạch Mai

ở điện cực oxy, do vậy làm thay đổi mức oxy từ đó có

thể xác định được nồng độ glucose có trong máu Bộ

cảm biến sinh học này được gọi là điện cực enzyme,

vẫn đang sử dụng hiện nay, ví dụ một số máy đo khí

máu có kèm thông số glucose Năm 1953, Watson

và Crick công bố phát hiện cấu trúc chuỗi xoắn kép

của phân tử DNA Phát hiện này đã thiết lập ra một

hướng mới cho di truyền học nghiên cứu tiếp tục

và phát triển cho đến ngày nay (Nelson, 2000) Sự

phát triển kĩ thuật giải trình tự gen năm 1977 bởi

Gilbert và Sanger cho phép các nhà nghiên cứu có

thể trực tiếp đọc các mã di truyền cung cấp cho tổng

hợp protein Nghiên cứu này đã chỉ ra cách lai tạo

theo nguyên tắc bổ sung của sợi đơn oligonucleotide,

điều này cũng đã được sử dụng làm cơ sở cho DNA cảm ứng Năm 1983 Kary Mullis phát minh ra phản ứng chuỗi polymerase (PCR), một phương pháp để khuếch đại nồng độ DNA Phát minh này đã giúp phát hiện một lượng cực kì nhỏ của DNA trong các mẫu Năm 1986, Hood và đồng nghiệp tìm ra phương pháp đánh dấu phân tử DNA bằng một chất huỳnh quang thay cho đánh dấu bằng chất phóng xạ, tạo cho các thí nghiệm có thể quan sát được bằng quang học Các công nghệ trong lĩnh vực hóa sinh và chất bán dẫn nhanh chóng phát triển trong thập niên 1980

đã dẫn đến việc phát triển của Biochip trong thập niên 1990 Và rõ ràng Biochip là một công nghệ “nền tảng” bao gồm nhiều lĩnh vực tích hợp mà thành

Trên phương diện hóa sinh miễn dịch, người ta

sử dụng kĩ thuật ELISA với 2 phương pháp:

- Phương pháp “sandwich”, ví dụ: trong định

lượng các chỉ điểm ung thư (tumor marker), các

Cytokine, các hocmon tuyến giáp

- Phương pháp cạnh tranh, ví dụ: trong định

lượng các chất ma túy

Với phương thức gắn đặc hiệu (sandwich

ELISA): kháng nguyên (KN) được gắn với một

kháng thể (KT) đặc hiệu cho cùng KN cần định

lượng KT đặc hiệu sẽ được thêm vào, phản ứng tạo phức hợp KT-KN sẽ xảy ra Nếu KT được gắn trực tiếp với enzyme, tín hiệu quang học do enzyme làm biến đổi cơ chất sẽ giúp định lượng được KN cần phân tích bằng việc đo cường độ ánh sáng phát quang ở đây người ta sử dụng KT thứ cấp (secondary antibody) được gắn với enzyme thông qua các liên kết đồng hóa trị giữa các phân tử sinh học Trên bề mặt Biochip các vùng phản ứng có thể được gắn các (KN) hoặc kháng thể (KT)

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA Biochip

1 Cấu tạo

Dưới đây là mô hình cấu tạo của Biochip và sự phóng đại của 1 Biochip với các KT được gắn trên vùng phản ứng ở trên bề mặt của Biochip

Hình 1 Mô hình cấu tạo của Biochip và sự phóng đại của 1 Biochip

Hình 2 Hình ảnh thực tế của Biochip

Biochip là một tập hợp các xét nghiệm thu

nhỏ sắp xếp trên một bề của 1 Biochip với diện tích

khoảng 9mm2, cho phép nhiều xét nghiệm chuyên

biệt có thể được thực hiện cùng một lúc Trên bề

mặt của Biochip, tại vùng diễn ra phản ứng có gắn

các chất đồng hoá trị được sắp xếp định vị theo thứ

tự dãy hàng Dựa trên kĩ thuật ELISA giúp xác định

sự có mặt hay không cũng như nồng độ KN có trong

mẫu cần phân tích Trong công nghệ này người ta sử

dụng phương pháp ELISA phát quang, làm tăng tính

đặc hiệu và độ chính xác Ánh sáng sẽ được phát ra

từ phức hợp chứa KN-KT Sự hiện diện của phức

hợp KN-KT sẽ quyết định cường độ sáng phát ra

Trên bề mặt của các Biochip có phân bố thành nhiều

vùng phản ứng, mỗi vùng sẽ phân tích một thông số

2 Nguyên lí

Trong quá trình phân tích các chất sẽ diễn ra

phản ứng, xuất hiện sự gắn kết KN-KT- một phản

ứng phát quang diễn ra sẽ phát ra ánh sáng Ánh

sáng được thu nhận bởi một thiết bị quan trọng là

CCD (charge-coupled device CCD camera) có độ

phân giải và nhạy cảm cao có thể phát hiện chính

xác các các vùng phản ứng và đo được cường độ tín

hiệu ánh sáng của các phản ứng phát quang có mức

độ rất thấp Các tín hiệu phát quang từ mỗi khu vực

thử nghiệm (khi thu nhận) được phân tích bằng phần

mềm và được xử lí nhanh chóng để cho kết quả dựa

trên việc xác định cường độ ánh sáng tại các vùng tương ứng dựa trên đường cong chuẩn Và nồng độ chất cần phân tích (KN) trong mẫu đã hoàn thành (là tỉ lệ thuận với đường chuẩn nếu là phản ứng kiểu sandwich và tỉ lệ nghịch nếu phản ứng kiểu cạnh tranh - nghĩa là lượng KN gốc càng cao, tín hiệu sản sinh càng yếu) Các hình ảnh và dữ liệu được lưu trữ cùng với đường chuẩn và các mẫu kiểm tra (QC)

III ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA Biochip

1 Ưu điểm của kĩ thuật

- Nhiều xét nghiệm (bộ xét nghiệm) hóa sinh chuyên biệt được thực hiện cùng một thời điểm có thể hỗ trợ rất tốt cho chẩn đoán bệnh

- Sử dụng mẫu xét nghiệm với thể tích rất nhỏ (từ 07 - 100 µl)

- Độ chính xác cao

- Giảm chi phí cho mỗi xét nghiệm

- Có thể làm cơ sở cho công nghệ phát triển các máy xét nghiệm trong thời gian tới

2 Ứng dụng

Đến nay việc ứng dụng Biochip trong xét nghiệm hóa sinh có thể giúp ích định lượng một số chất gây nghiện, các cytokin, các chỉ điểm sinh học

và các chỉ điểm ung thư… Dưới đây là danh sách các có thể phân tích được bằng công nghệ Biochip

Các chất gây nghiện Amphetamine, methamphetamine, cocaine, barbiturate, cannabinoid, opiate, methadone, benzodiazepine

Các Cytokine

Interleukin 1 alpha (IL-1α) Interleukin 1 beta (IL-1β) Interleukin 2 (IL-2) Interleukin 4 (IL-4) Interleukin 6 (IL-6) Interleukin 8 (IL- 8) Interleukin 10 (IL-10) Interleukin 12 (IL-12) Tumour necrosis factor –alpha (TNFα) Interferon gamma (IFN γ)

Epidermal growth factor (EGF) Monocyte chemotactic protein -1 (MCP-1) Các hocmon sinh sản

(Fertility hocmon) Follicle stimulating hormone (FSH); Prolactin; Lutenising hormon (LH); Oestradiol; progesterone; testosterone Các tumour marker Carcinoembryonic antigen (CEA); α-fetoprotein (AFP); Human

chorionic gonadotrophin (hCG);

Gastrointestinal tumour antigen; Ovarian tumour antigen; Breast cancer antigen; total prostate specific antigen (tPSA); Free prostate specific antigen (fPSA) Các hocmon tuyến giáp Total tri-iodothyronine (TT3); Total thyroxine (TT4); Free tri-iodothyronine

(FT3); free thyroxine (FT4); Thyroid stimulating hormone (TSH) Các chỉ điểm sinh học tim mạch Troponin I; Myoglobin; CK-MB

Các phân tử kết dính

(adhesion molecules) I-CAM ; V-CAM

VI KẾT LUẬN

Biochip là một thành tựu khoa học - kĩ thuật của

thế giới trong việc ứng dụng công nghệ nano vào lĩnh

vực chẩn đoán y khoa Nó thể hiện và mang tính đa

ngành, cho ta thấy các ngành không còn mang tính tách

biệt riêng rẽ như trước mà chúng có sự đan xen vào

nhau Việc áp dụng Biochip trong phòng xét nghiệm

sinh y là bước tiến mới đánh dấu sự phát triển và tích

hợp các chuyên ngành khoa học với nhau Biochip có

thể giúp phòng ngừa, chẩn đoán, điều trị bệnh và có thể nghiên cứu đề ra các phương pháp mới trong chẩn đoán

và điều trị bệnh Các cấu trúc nano nhân tạo trong tương lai có thể sẽ có vai trò trong việc thay thế hoặc chỉnh lí cấu trúc một số tổ chức và có thể giúp tái tạo những bộ phận nội tạng phức tạp Một trong những thành tựu ứng dụng của công nghệ nano đã triển khai và được áp dụng trong phòng xét nghiệm đó là Biochip - một phòng xét nghiệm thu nhỏ, một hướng mới giúp ích trong y học

1 Đào Khắc An (2009): “Công nghệ micro

và nano điện tử”, trang 603-626, NXB giáo dục

Việt Nam

2 Randox Biochip Array Technology

revolutionizes clinical testing

3 h t t p : / / w w w b i v d a c o u k / N e w s /

PressReleases/tabid/73/articleType/ArticleView/

articleId/202/Default.aspx

4 http://www.prlog.org/10020879-third-award-of-the-year-for-randox-laboratories.html

5 http://www.belfasttelegraph.co.uk/business/ top-100-companies/company-list/60 randox-laboratories-14273462.html

6 http://www.mediafire.com/?w9k2qp92fdrlzil

7 http://www.laboratorytalk.com/news/ran/ ran164.html

TÀI LIỆU THAM KHẢO