Tổng quan nghiên cứu

Ung thư là một trong những nguyên nhân gây tử vong hàng đầu trên thế giới và tại Việt Nam, với khoảng 150.000 ca mắc mới và 75.000 ca tử vong mỗi năm. Quá trình di căn của tế bào ung thư, đặc biệt là tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs), đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và tái phát của bệnh. Việc phát hiện sớm các tế bào ung thư sống trong máu có ý nghĩa thiết yếu để nâng cao hiệu quả điều trị và giảm tỷ lệ tử vong. Tuy nhiên, các phương pháp hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế về độ nhạy và khả năng phát hiện tế bào sống với số lượng nhỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu và phát triển cảm biến điện dung vi lỏng nhằm phát hiện tế bào ung thư phổi A549 sống, một dòng tế bào ung thư phổ biến và có kích thước lớn (khoảng 20 µm), phục vụ cho mục đích tầm soát bệnh. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, với các thí nghiệm mô phỏng và thực nghiệm trên tế bào A549. Mục tiêu chính là thiết kế, mô phỏng và chế tạo hệ thống cảm biến điện dung vi lỏng có khả năng phát hiện tế bào sống với độ nhạy cao, đồng thời xây dựng quy trình nuôi cấy và tập trung tế bào bằng hiệu ứng điện điện môi (DEP).

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả phát hiện sớm tế bào ung thư sống, mở ra hướng ứng dụng công nghệ vi lỏng và cảm biến điện dung trong chẩn đoán y học, đặc biệt là trong lĩnh vực ung thư học. Các chỉ số như độ nhạy phát hiện tế bào, tỷ lệ tập trung tế bào và độ chính xác đo đạc được đánh giá chi tiết, làm cơ sở cho việc phát triển các thiết bị chẩn đoán sớm trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cảm biến điện dung và hiệu ứng điện điện môi (DEP).

  • Cảm biến điện dung: Dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện khi có sự xuất hiện của tế bào sống trong môi trường vi lỏng. Điện dung được xác định bởi các thông số như khoảng cách giữa điện cực, diện tích bề mặt điện cực và hằng số điện môi của môi trường. Sự thay đổi điện dung phản ánh sự hiện diện và mật độ tế bào trong vùng cảm biến.

  • Hiệu ứng điện điện môi (DEP): Là hiện tượng dịch chuyển của các hạt phân cực trong môi trường điện trường không đều. DEP được sử dụng để tập trung và phân loại tế bào dựa trên đặc tính điện môi và kích thước tế bào. Lực DEP tỷ lệ với thể tích tế bào, cường độ điện trường và hệ số Clausius-Mossotti, cho phép điều khiển tế bào di chuyển đến vùng cảm biến.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện dung (Farad), hằng số điện môi tương đối, lực DEP, hằng số Clausius-Mossotti, tế bào ung thư A549, cảm biến vi lỏng tích hợp, và kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là tế bào ung thư phổi A549 được nuôi cấy trong môi trường MT F12K có bổ sung 10% FBS và 1% kháng sinh. Quy trình nuôi cấy và chuẩn bị tế bào được thực hiện theo tiêu chuẩn phòng thí nghiệm, bao gồm rã đông, làm ấm môi trường, tách tế bào bằng Trypsin-EDTA, và kiểm tra tỷ lệ tế bào sống bằng phương pháp nhuộm Trypan Blue.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế và mô phỏng cảm biến điện dung vi lỏng sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng trường điện và phân bố điện dung.

  • Chế tạo cảm biến bằng vật liệu PDMS sinh học tương thích, với cấu trúc kênh vi lỏng tích hợp điện cực đồng phẳng được tạo bằng kỹ thuật quang khắc SU-8 và hàn gắn chip chính xác.

  • Thí nghiệm tập trung tế bào A549 sử dụng hiệu ứng DEP với điện áp xoay chiều 16V, tần số 1 MHz để điều khiển tế bào di chuyển vào vùng cảm biến.

  • Đo điện dung thay đổi bằng kỹ thuật đo vỉ sai (visai) để xác định sự hiện diện và mật độ tế bào trong kênh vi lỏng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2016, tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và mô phỏng cảm biến điện dung vi lỏng: Mô phỏng FEM cho thấy cấu trúc cảm biến với ba điện cực tạo thành hai cặp tụ điện (tụ so sánh và tụ cảm nhận) có khả năng phát hiện sự thay đổi điện dung khi tế bào A549 xuất hiện. Điện dung thay đổi tăng lên đến 3,4 fF khi có 25 tế bào trong vùng cảm biến, chứng tỏ độ nhạy cao của thiết bị.

  2. Hiệu ứng DEP tập trung tế bào A549: Thí nghiệm thực tế cho thấy tế bào A549 được tập trung hiệu quả vào vùng trung tâm cảm biến dưới tác động của lực DEP với điện áp 16V và tần số 1 MHz. Mật độ tế bào trong vùng cảm biến đạt khoảng 3,5×10^5 tế bào/mL, tương ứng tỷ lệ tế bào ung thư/tế bào hồng cầu là 1/13.

  3. Đo điện dung thay đổi theo mật độ tế bào: Điện dung cảm biến tăng tỷ lệ thuận với số lượng tế bào A549 trong kênh vi lỏng. Sự khác biệt điện dung giữa các mẫu có số lượng tế bào khác nhau được đo chính xác, cho phép phân biệt các mức độ tập trung tế bào.

  4. Độ chính xác và khả năng phát hiện tế bào sống: Thiết bị có thể phát hiện tế bào sống với độ chính xác cao, nhờ kết hợp hiệu ứng DEP và cảm biến điện dung. Mô hình và thực nghiệm cho thấy khả năng phát hiện tế bào sống với sai số điện dung dưới 3,4 fF cho 25 tế bào, đủ để ứng dụng trong tầm soát ung thư.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thành công là do thiết kế cảm biến điện dung vi lỏng tích hợp với hiệu ứng DEP, giúp tập trung tế bào sống vào vùng đo đạc, tăng tín hiệu điện dung và giảm nhiễu từ tế bào không mục tiêu. So với các nghiên cứu trước đây, thiết bị này có ưu điểm về độ nhạy cao, khả năng phát hiện tế bào sống nhỏ gọn và tự động hóa cao.

Kết quả mô phỏng FEM phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, thể hiện qua biểu đồ điện dung thay đổi theo số lượng tế bào. Bảng số liệu kích thước tế bào và đặc tính điện môi được sử dụng làm tham số đầu vào cho mô phỏng, đảm bảo tính chính xác của mô hình.

Ý nghĩa của nghiên cứu là mở rộng ứng dụng công nghệ vi lỏng và cảm biến điện dung trong y học, đặc biệt trong phát hiện sớm ung thư, giúp cải thiện hiệu quả điều trị và giảm chi phí xét nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường tích hợp hệ thống tự động hóa: Phát triển hệ thống điều khiển tự động cho cảm biến và DEP nhằm nâng cao độ chính xác và giảm sai số trong quá trình đo đạc. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển; thời gian: 6-12 tháng.

  2. Mở rộng thử nghiệm với các dòng tế bào ung thư khác: Áp dụng cảm biến cho các loại tế bào ung thư phổ biến khác như MCF-7 (ung thư vú), HeLa (ung thư cổ tử cung) để đánh giá tính đa dụng. Chủ thể: phòng thí nghiệm sinh học; thời gian: 12 tháng.

  3. Nâng cao độ nhạy và giảm kích thước thiết bị: Tối ưu hóa cấu trúc điện cực và vật liệu PDMS để tăng độ nhạy và thu nhỏ kích thước thiết bị, thuận tiện cho ứng dụng lâm sàng. Chủ thể: kỹ sư vật liệu và thiết kế; thời gian: 9 tháng.

  4. Phát triển phần mềm phân tích dữ liệu: Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu điện dung và hình ảnh tế bào để tự động phân tích và báo cáo kết quả nhanh chóng. Chủ thể: nhóm công nghệ thông tin; thời gian: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ vi lỏng và cảm biến: Nắm bắt kiến thức về thiết kế cảm biến điện dung tích hợp vi lỏng và ứng dụng DEP trong sinh học.

  2. Bác sĩ và chuyên gia ung thư học: Hiểu rõ công nghệ phát hiện tế bào ung thư sống sớm, hỗ trợ trong chẩn đoán và điều trị bệnh.

  3. Kỹ sư y sinh và phát triển thiết bị y tế: Áp dụng các phương pháp chế tạo cảm biến và mô phỏng FEM để phát triển thiết bị chẩn đoán mới.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông và y sinh: Học tập quy trình nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm cảm biến điện dung vi lỏng trong lĩnh vực y học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến điện dung vi lỏng hoạt động như thế nào trong phát hiện tế bào ung thư?
    Cảm biến đo sự thay đổi điện dung khi tế bào sống xuất hiện trong vùng kênh vi lỏng. Tế bào có hằng số điện môi khác môi trường nên làm thay đổi điện dung cảm biến, từ đó xác định sự hiện diện và mật độ tế bào.

  2. Hiệu ứng điện điện môi (DEP) giúp gì cho việc phát hiện tế bào?
    DEP tạo lực dịch chuyển tế bào trong điện trường không đều, giúp tập trung tế bào mục tiêu vào vùng cảm biến, tăng tín hiệu và giảm nhiễu từ tế bào không mong muốn.

  3. Tại sao chọn tế bào A549 làm đối tượng nghiên cứu?
    A549 là dòng tế bào ung thư phổ biến, kích thước lớn (~20 µm), dễ nuôi cấy và có đặc tính điện môi phù hợp để nghiên cứu cảm biến điện dung và DEP.

  4. Độ nhạy của cảm biến đạt được là bao nhiêu?
    Thiết bị có thể phát hiện sự thay đổi điện dung khoảng 3,4 fF khi có 25 tế bào A549, cho thấy độ nhạy cao đủ để phát hiện tế bào sống với mật độ thấp.

  5. Ứng dụng thực tế của hệ thống cảm biến này là gì?
    Hệ thống có thể dùng để tầm soát sớm ung thư bằng cách phát hiện tế bào ung thư sống trong máu, hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi điều trị hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Đã thiết kế và mô phỏng thành công cảm biến điện dung vi lỏng tích hợp với hiệu ứng DEP để phát hiện tế bào ung thư A549 sống.
  • Mô hình FEM và thí nghiệm thực tế cho thấy độ nhạy cao với sự thay đổi điện dung rõ rệt khi tế bào xuất hiện.
  • Quy trình nuôi cấy và tập trung tế bào bằng DEP được xây dựng và vận hành hiệu quả.
  • Hệ thống có tiềm năng ứng dụng trong tầm soát sớm ung thư và phát triển thiết bị y tế chẩn đoán.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tự động hóa, mở rộng thử nghiệm và phát triển phần mềm phân tích dữ liệu.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư y sinh tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tế lâm sàng để nâng cao hiệu quả chẩn đoán và điều trị ung thư.