Chương 1: TONG QUAN VE VAT LIEU NANO, UNG DUNG TRONGY - SINH HOC Chương này trình bày tổng quan về vật liệu nano kim loại, từ tinh, bán dan, nano composite đa chức năng (là sự kết hợp giữa hạt nano từ tính với hạt nano kim loại quý hoặc với hạt nano bán dẫn) và ứng dụng của các vật liệu nano này trong y - sinh học, khái quát về căn bệnh ung thư, các biểu lộ đặc trưng của tế bào ung thư, cơ chế gắn kết các hạt nano với các thực thé y - sinh học nhằm phát hiện, đánh dấu và phân tách tế bào. GIỚI THIỆU VE CÔNG NGHỆ NANO VÀ UNG DỤNG TRONGY SINH HỌC Công nghệ nano (nanotechnology) là một thuật ngữ được sử dụng rất phô biến trong khoa học, kỹ thuật và cuộc sông ngày nay. Thuật ngữ này xuất hiện lần đầu tiên trong một bài thuyết trình của Feynman tại hội nghị thường niên Vật lý Hoa Kỳ tháng 12 năm 1959 với tiêu đề “There’s Plenty of Room at the bottom” [38]. Bài thuyết trình của Richard Feynman đã mở ra trong lịch sử nghiên cứu vật liệu sang một chương mới, vật liệu có kích thước nano (10° m).
Vật liệu ở kích thước nano thu hút được nhiều nhà nghiên cứu cả trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, bởi lẽ khi vật liệu giảm kích thước từ vật liệu khối thông thường sang vật liệu có kích thước nano đã xảy ra sự thay đối rat lớn các tính chất hóa lý của vật liệu, làm xuất hiện nhiều tính chất mới đặc sắc mà vật liệu khối không có. Nguyên nhân là do khi vật liệu ở kích thước nano không chỉ bị ảnh hưởng mạnh mẽ của hiệu ứng giam giữ lượng tử, mà còn có tỉ lệ diện tích bề mặt trên một đơn vị thể tích của vật liệu lớn và tăng nhanh khi kích thước giảm tới cỡ chục nanomet. Chính các tính chất hóa lý đặc biệt của vật liệu nano đã làm cho vật liệu nano này có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xây dựng [79], môi trường, mỹ phẩm [94, 140],. Và đặc biệt hướng ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực y - sinh học đã và đang được thử nghiệm lâm sàng trên cơ thể sinh vật nhăm tìm ra các phương pháp mới, hiệu quả hơn trong phát hiện, chan đoán sớm và điều trị các bệnh nan y [22, 60, 122, 149].
Hơn nữa, mỗi loại hạt nano khác nhau: kim loại quý, từ tính, bán dẫn,. đều có những đặc điểm, tính chất hóa lý hoàn toàn khác nhau nên có thể mang lại các ứng dụng rất đa dạng trong y - sinh học. Hạt nano từ tính và ứng dụng Các hạt nano từ tính trên nền kim loại chuyền tiếp (Mn, Ni, Co, Fe, Zn) được ứng dụng rất nhiều trong y - sinh học [60], mà đặc biệt là hạt nano ôxit sắt từ (FesOa) với kha năng tương thích sinh học cao, ít độc đối với cơ thê, đã được cơ quan quản lý thực phẩm và được phâm của Hoa Kỳ (FDA) chấp nhận và cho phép được sử dụng vào trong cơ thê sông với liều lượng, kích thước, hình dang phù hợp [64, 134]. Các hạt nano FeạOx thé hiện tính chất siêu thuận từ ở nhiệt độ phòng khi có kích thước dưới 30 nm [64].
Tính chất siêu thuận từ của hệ hạt nano được biéu hiện là: khi có tác động của từ trường nhỏ bên ngoài làm cho tat cả các hạt nano sẽ định hướng rất nhanh theo hướng từ trường ngoài với độ cảm từ lớn và từ độ của hệ hạt nano đạt tới trạng thái bão hòa kỹ thuật (ở nhiệt độ phòng) rất nhanh, với giá trị từ độ bão hòa kỹ thuật (7, ) cao; khi bỏ từ trường ngoài, hệ hạt nano ngay lập tức sắp xếp hỗn độn theo định hướng bat kỳ do năng lượng kích thích nhiệt lớn hơn năng lượng dị hướng từ. Do đó, đường cong từ độ phụ thuộc từ trường ngoài (M - H) không có hiện tượng từ trễ, dẫn đến từ dư cv, và lực kháng từ (zz,.) của hệ hạt nano gần như bằng 0. Các tính chất này mang lại cho hạt nano từ tính khả năng ứng dụng to lớn trong y - sinh học như là: — Phân tách, chọn lọc tế bào, DNA là ứng dụng rat co bản đối với kỹ thuật chan đoán và nghiên cứu về các thực thê y - sinh học cụ thé như chan đoán tế bao ung thư, kỹ thuật gen, miễn dich và cấy ghép tế bào,. Quá trình phân tách, chọn lọc, chân đoán tế bào vẫn được sử dụng phô biến bằng kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang hữu cơ với những hạn chế về chi phí cao, thời gian phân tích kéo dài dẫn đến các tế bào bị thay đôi pham chất do ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy lớn trong thiết bị phân tích và độc tính của các chất huỳnh quang hữu cơ [30].
Điều này đã thúc đây sự phát triển kỹ thuật miễn dịch từ dé phân tách, chọn lọc tế bào: các hạt nano từ tính sẽ được chức năng hóa bề mặt bằng các nhóm chức hóa học phù hợp cho phép bắt cặp với các tế bào cần chọn lọc, cuối cùng sử dung gradient từ trường ngoài dé tách lọc riêng các hạt từ đã bắt cặp các tế bào cần thiết. Kỹ thuật miễn dịch từ giúp tăng nồng độ tế bào, rút ngắn thời gian tách lọc, giảm tác động không mong muốn lên các tế bào giúp quá trình phân tách, chan đoán có độ tin cậy cao, chi phí thấp [10, 106]. — Phát hiện đánh dấu tế bao và phát hiện virus gây bệnh: Dé có thé phát hiện tế bào ung thư, virus gây bệnh thì tính đặc hiệu sinh học của các hạt nano đối với tế bào, virus rất quan trọng. Chính vì vậy, các hạt nano từ tính thông thường được chức năng hóa bề mặt dé có thé phù hợp và đặc hiệu cho phép phát hiện, bắt cặp được với các tế bào, virus đặc trưng [20, 76, 111].
— Vận chuyền thuốc hướng đích: Các hạt nano từ tính như những hạt nano đa tính năng khi được chức năng hóa băng các hợp chất hữu cơ, polime tạo thành các nhóm chức khác nhau trên bề mặt như carboxyl -COOH [40, 76, 110, 160], amin -NH: [98, 110] tạo ra kha năng tương thích sinh học cao hơn, giảm độc tính, dé dang phân tán trong các dung môi. Các hạt nano từ tính chức năng hóa này sẽ gắn kết với các phân tử thuốc khác nhau: Chloramphenicol [3], carboplatin [160], doxorubicin [32, 98], paclitaxel [40], 5- fluorouracil [19], epirubicin [85], sẽ dé dang được định hướng va tập trung đến các khối u, ung thư, cơ quan cần trị liệu nhờ lực từ của gradient từ trường ngoài. Khi đó các phân tử thuốc có thé tan công trực tiếp lên các khối u, ung thư mà không làm ảnh hưởng đến các tế bào lành tính khác. Sử dụng hạt nano từ tinh dé dẫn truyền thuốc không chỉ làm giảm liều lượng thuốc điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ không mong muốn đối với cơ thê theo phương thức uống hoặc tiêm truyền thống, làm tăng hiệu quả điều trị [10, 49, 96, 142].
Tuy nhiên, dé thực hiện được việc vận chuyên trong cơ thể qua được các màng lọc thì điều kiện về hình dạng kích thước hạt vô cùng quan trọng. Trong nghiên cứu của Venturoli D. đã chỉ ra rằng các hạt có kích thước xung quanh 100 nm hoặc nhỏ hơn mới có thé xâm nhập cơ thê nhờ thâm thấu qua các màng lọc sinh học và có thể ra khỏi cơ thể nhờ quá trình bài tiết ở bề thận [138]. — Tăng độ tương phan ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI): MRI là kỹ thuật chan đoán hình ảnh 2 hoặc 3 chiều đối với các mô mềm trong cơ thé.
Sự có mặt của các phân tử nước trong cơ thé đóng vai trò quan trong dé thu được ảnh MRI, các hạt nhân của nguyên tử hydro trong phân tử nước sẽ định hướng song song theo hướng của từ trường ngoài, trong khi một xung sóng vô tuyến đưa vào làm thay đối hướng của các proton trong hạt nhân nguyên tử hydro. Khi đó tần số của sóng vô tuyến được điều chỉnh để xảy ra cộng hưởng với tần số của hạt nhân nguyên tử hydro. Sau đó, các proton này sẽ sắp xép lại thang hàng theo hướng từ trường ngoài - giúp hồi phục lại trạng thái ban đầu. Trong quá trình này, các proton giải phóng một năng lượng dưới dạng sóng vô tuyến thu được bằng đầu dò trong máy MRI.
Tốc độ sắp xếp lại của các proton phụ thuộc vào các loại mô khác nhau trong cơ thé và được đặc trưng bởi thời gian sắp xếp lại các proton gọi là thời gian hồi phục [64, 86, 95, 110]. Cho đến nay, các chất cản quang sử dụng trong chụp MRI phổ biến van là các chất phức hợp có chứa chất thuận từ gadolini (Gd) [16, 67]. Tuy nhiên, các chất phức hợp của Gd dù đã được bao bọc bởi các polime, protein trước khi tiêm vào cơ thé nhưng luôn giải phóng ra các ion Gd** rất độc với cơ thé [16]. Chính vì vậy, các hạt nano siêu thuận từ Fe3O, hứa hẹn sẽ là chat cản quang thay thế hữu hiệu trong chụp MRI trong tương lai gần, nhưng yêu cầu phải có những nghiên cứu độc tính của các chất phức hợp của Fe:Ox đối với cơ thé trước khi đưa vào thử nghiệm lâm sàng [86, 110].
— Bên cạnh những ứng dụng chân đoán bệnh, các hạt nano siêu thuận từ còn hứa hẹn mang lại khả năng tiêu diệt khối u và tế bào ung thư băng phép trị liệu tăng thân nhiệt từ cục bộ (nhiệt từ tri - magnetic hyperthermia therapy). Cơ sở của phép trị liệu tăng thân nhiệt từ cục bộ dựa trên hoạt động trao đối chất của các té bảo ung thư, khối u cao hơn nhiều so với tế bào thường. Điều này dẫn đến các khói u, tế bao ung thư rat dé bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của nhiệt độ trong khoảng từ 42°C - 45°C [6, 64, 99]. Tăng thân nhiệt cục bộ được tạo ra nhờ từ trường xoay chiều bên ngoài tác động lên các hạt nano từ tính đã được khu trú cục bộ quanh khối u cần trị liệu.
Khi đó, các hạt nano từ tính sẽ dao động cưỡng bức hoặc quay các mômen từ bên trong hạt nano dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài làm phát sinh nhiệt cục bộ [86, 110, 134]. Hơn nữa, sự khu trú của các hạt nano từ tính trong cơ thé có thé được theo dõi bang hình ảnh chụp cộng hưởng từ, do đó có thé phối kết hợp giữa chân đoán và điều trị khối u, tế bào ung thư đạt hiệu quả cao hơn [134].