Nghiên Cứu Cảm Biến Sinh Học Điện Hóa Phát Hiện Kháng Nguyên PSA

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Thị Ngọc Liên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Cảm Biến Sinh Học Điện Hóa Phát Hiện Kháng Nguyên PSA
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Cảm biến sinh học
• 1.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 1.2. Ung thư tiền liệt tuyến
• 1.2.1. Nguyên nhân gây bệnh
• 1.2.2. Phương pháp chẩn đoán
• 1.2.3. Kháng nguyên PSA - chất chỉ điểm khối u
• 1.3. Màng đơn lớp tự lắp ghép (Self-assembly molecular-SAM). Công nghệ polyme in phân tử chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo
• 1.3.1. Nguyên lý in phân tử
• 1.4. Một số kỹ thuật phân tích sử dụng trong nghiên cứu
• 1.4.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn
• 1.4.2. Phương pháp phân tích quang phổ tán xạ Raman
• 1.4.3. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, vật tư và thiết bị
• 2.2. Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng đầu thu sinh học nhân tạo PSA-MIP
• 2.2.1. Tổng hợp hạt nano vàng (AuNPs) trên điện cực SPCE
• 2.2.2. Chế tạo đầu thu PSA-MIP
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng quang phổ Raman
• 3.2. Khảo sát độ nhạy của cảm biến theo bề dày màng polymer
• 3.3. Khảo sát độ chọn lọc của cảm biến
• 3.4. Khảo sát hoạt động của cảm biến PSA-MIP@pp2
• 3.4.1. Khảo sát hoạt động của cảm biến PSA-MIP@pp2a
• 3.4.2. Khảo sát hoạt động của cảm biến PSA-MIP@pp2b
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Cảm Biến Sinh Học Điện Hóa PSA Tổng Quan Tiềm Năng

Cảm biến sinh học điện hóa đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn trong việc phát hiện kháng nguyên PSA, một marker ung thư quan trọng. Phương pháp này kết hợp tính chọn lọc cao của các thành phần sinh học với khả năng khuếch đại tín hiệu của kỹ thuật điện hóa, tạo ra một công cụ chẩn đoán ung thư nhạy bén và chính xác. Theo Hiệp hội Hóa học Quốc tế (IUPAC), cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, sử dụng các chất nhận diện sinh học liên kết trực tiếp với bộ phận chuyển đổi. Nghiên cứu trong lĩnh vực này đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong chăm sóc sức khỏe, kiểm định thực phẩm và giám sát môi trường.

1.1. Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học điện hóa thường bao gồm một đầu thu sinh học (ví dụ, kháng thể, enzyme, DNA), một bộ phận chuyển đổi tín hiệu (thường là điện cực), và một hệ thống xử lý tín hiệu. Đầu thu sinh học có nhiệm vụ nhận diện và liên kết với kháng nguyên PSA mục tiêu. Quá trình liên kết này tạo ra một tín hiệu điện hóa, được bộ phận chuyển đổi tín hiệu ghi nhận và chuyển đổi thành tín hiệu đo lường được. Tín hiệu này sau đó được khuếch đại và xử lý để đưa ra kết quả định lượng nồng độ PSA trong mẫu. Nguyên lý hoạt động này dựa trên sự thay đổi các tín hiệu hóa-sinh, được nhận biết bằng các kỹ thuật khác nhau như quang học, điện hóa, khối lượng, từ trường.

1.2. Ưu điểm và Hạn chế của Cảm biến Điện Hóa trong Chẩn đoán

Ưu điểm của cảm biến sinh học điện hóa bao gồm độ nhạy cao, khả năng phân tích nhanh chóng, chi phí tương đối thấp và tiềm năng thu nhỏ kích thước thiết bị. Tuy nhiên, một số hạn chế cần khắc phục là sự ổn định của đầu thu sinh học, ảnh hưởng của các chất gây nhiễu trong mẫu, và yêu cầu về quy trình chuẩn bị mẫu. Độ đặc hiệu cảm biến cũng là một yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa để tránh kết quả dương tính giả. Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển vật liệu mới và kỹ thuật in phân tử để cải thiện các đặc tính của cảm biến.

II. Thách Thức Phát Hiện PSA Vấn Đề Ung Thư Tuyến Tiền Liệt

Ung thư tuyến tiền liệt (UTTLT) là một trong những loại ung thư phổ biến nhất ở nam giới. Việc phát hiện sớm PSA (Prostate-Specific Antigen), một marker ung thư có trong máu, đóng vai trò then chốt trong việc chẩn đoán và theo dõi bệnh. Tuy nhiên, nồng độ PSA có thể tăng cao do nhiều nguyên nhân khác nhau, không chỉ do ung thư, dẫn đến kết quả dương tính giả. Vì vậy, cần có những phương pháp nghiên cứu mới, chính xác hơn để cải thiện khả năng chẩn đoán ung thư từ các mẫu máu.

2.1. Tầm quan trọng của Chẩn Đoán Sớm Ung thư tuyến tiền liệt

Việc chẩn đoán sớm UTTLT cho phép bệnh nhân được điều trị kịp thời, tăng cơ hội sống sót và giảm thiểu các tác dụng phụ của các phương pháp điều trị xâm lấn. Các phương pháp chẩn đoán hiện tại như kiểm tra trực tràng và xét nghiệm PSA có thể bỏ sót một số trường hợp ung thư hoặc dẫn đến chẩn đoán quá mức (overdiagnosis). Cần có những phương pháp phân tích PSA tiên tiến hơn để phân biệt giữa ung thư tiến triển và các tình trạng lành tính khác.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến Nồng Độ PSA trong máu

Nồng độ PSA trong máu có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tuổi tác, kích thước tuyến tiền liệt, viêm tuyến tiền liệt, và một số thủ thuật y tế. Điều này gây khó khăn trong việc sử dụng PSA như một marker duy nhất để chẩn đoán ung thư. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm kiếm các marker khác hoặc kết hợp PSA với các thông tin lâm sàng khác để cải thiện độ chính xác của chẩn đoán.

III. Phương Pháp Điện Hóa Cải Tiến Phát Hiện PSA Độ Nhạy Cao

Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc cải tiến các phương pháp điện hóa để tăng độ nhạy cảm biến và độ đặc hiệu cảm biến trong việc phát hiện PSA. Sử dụng nanomaterials để tăng diện tích bề mặt điện cực, phát triển các chiến lược khuếch đại tín hiệu, và sử dụng các đầu thu sinh học nhân tạo như MIPs (Molecularly Imprinted Polymers) là những hướng đi đầy triển vọng. Các kỹ thuật điện hóa như điện hóa chu kỳ, điện hóa trở kháng và phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) được sử dụng để đánh giá hoạt động của cảm biến.

3.1. Ứng dụng Vật Liệu Nano để Nâng Cao Độ Nhạy Cảm Biến

Nanomaterials như hạt nano vàng (AuNPs), ống nano carbon và graphene có diện tích bề mặt lớn và tính dẫn điện cao, giúp tăng cường tín hiệu điện hóa khi kháng nguyên PSA liên kết với đầu thu sinh học. Việc sử dụng nanomaterials cũng cho phép chế tạo các cảm biến có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng lâm sàng tại chỗ. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kết hợp AuNPs với điện cực giúp cải thiện đáng kể độ nhạy của cảm biến PSA.

3.2. Kỹ thuật In Phân Tử MIPs cho Đầu Thu Sinh Học Nhân Tạo

MIPs là các polymer được thiết kế để nhận diện và liên kết chọn lọc với phân tử mục tiêu, trong trường hợp này là PSA. Công nghệ này cho phép tạo ra các đầu thu sinh học có độ đặc hiệu cao và ổn định, không cần sử dụng kháng thể. Quá trình in phân tử bao gồm việc tạo khuôn PSA trong polymer, sau đó loại bỏ PSA để lại các vị trí liên kết đặc hiệu. Cảm biến PSA-MIP có tiềm năng thay thế các cảm biến dựa trên kháng thể truyền thống.

3.3. Phương pháp khuếch đại tín hiệu điện hóa để phát hiện nồng độ thấp

Để phát hiện nồng độ PSA rất thấp, các nghiên cứu đã phát triển các phương pháp khuếch đại tín hiệu điện hóa. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng enzyme để khuếch đại tín hiệu, sử dụng các phân tử đánh dấu có hoạt tính điện hóa cao, hoặc sử dụng các chiến lược khuếch đại dựa trên nanomaterials. Độ nhạy cao là yếu tố quan trọng trong việc phát hiện ung thư ở giai đoạn sớm.

IV. Kết quả Nghiên Cứu Đánh Giá Cảm Biến PSA MIP Điện Hóa

Các nghiên cứu đã đánh giá hiệu suất của các cảm biến PSA-MIP điện hóa bằng cách đo độ nhạy, độ đặc hiệu, độ chính xác và độ tin cậy. Kết quả cho thấy rằng các cảm biến PSA-MIP có thể phát hiện PSA ở nồng độ thấp trong mẫu máu, với độ đặc hiệu cao đối với PSA so với các protein khác. Các nghiên cứu in vitro đã chứng minh tiềm năng của cảm biến trong việc chẩn đoán UTTLT. Các đặc trưng dòng - thế và đặc trưng phổ EIS được dùng để đánh giá.

4.1. Độ nhạy và Độ đặc hiệu của Cảm biến PSA MIP

Độ nhạy của cảm biến được xác định bằng giới hạn phát hiện (LOD), là nồng độ PSA thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được một cách đáng tin cậy. Độ đặc hiệu của cảm biến được đánh giá bằng cách đo phản ứng của cảm biến với các protein khác có trong mẫu máu. Kết quả cho thấy rằng các cảm biến PSA-MIP có độ nhạy và độ đặc hiệu cao.

4.2. Ảnh hưởng của Bề Dày Màng Polymer đến Hoạt Tính Cảm Biến

Bề dày của màng polymer MIP có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính của cảm biến. Màng quá mỏng có thể không chứa đủ vị trí liên kết PSA, trong khi màng quá dày có thể cản trở sự khuếch tán của PSA đến các vị trí liên kết. Các nghiên cứu đã tìm ra bề dày màng tối ưu để đạt được độ nhạy cao nhất. Số vòng quét tạo màng polyme cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến.

4.3. So sánh các phương pháp chế tạo cảm biến PSA MIP khác nhau

Các nghiên cứu đã so sánh các phương pháp chế tạo cảm biến PSA-MIP khác nhau, bao gồm việc sử dụng kháng thể đơn dòng PSA và việc in trực tiếp kháng nguyên PSA vào màng polymer. Kết quả cho thấy rằng mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Các phương pháp khác nhau có thể ảnh hưởng đến độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định của cảm biến.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Cảm Biến PSA Cho Chẩn Đoán Lâm Sàng

Cảm biến PSA điện hóa có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán lâm sàng UTTLT, từ việc sàng lọc bệnh nhân có nguy cơ cao đến việc theo dõi hiệu quả điều trị. Các cảm biến này có thể được sử dụng tại các phòng khám, bệnh viện, hoặc thậm chí tại nhà, giúp bệnh nhân theo dõi sức khỏe một cách thuận tiện và tiết kiệm chi phí. Nghiên cứu đang tiếp tục để cải thiện thời gian phản hồi, giá thành và độ tin cậy của cảm biến.

5.1. Phát triển thiết bị cầm tay và tại chỗ để chẩn đoán nhanh

Việc phát triển các thiết bị cầm tay và tại chỗ cho phép chẩn đoán nhanh UTTLT tại các vùng sâu vùng xa hoặc tại nhà. Các thiết bị này cần có kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng và có khả năng cung cấp kết quả chính xác trong thời gian ngắn. Công nghệ cảm biến sinh học mới đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị này.

5.2. Giám sát liên tục nồng độ PSA để theo dõi điều trị

Việc giám sát liên tục nồng độ PSA cho phép bác sĩ theo dõi hiệu quả điều trị UTTLT và điều chỉnh phương pháp điều trị khi cần thiết. Các cảm biến PSA có thể được cấy ghép vào cơ thể hoặc sử dụng bên ngoài cơ thể để cung cấp dữ liệu theo thời gian thực. Điều này giúp cải thiện kết quả điều trị và chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.

VI. Tương Lai Nghiên Cứu Hướng Phát Triển Cảm Biến PSA

Hướng phát triển trong tương lai của nghiên cứu cảm biến PSA tập trung vào việc cải thiện độ nhạy, độ đặc hiệu, độ ổn định và tính khả thi về mặt thương mại. Việc kết hợp các công nghệ cảm biến sinh học khác nhau, sử dụng các vật liệu mới và phát triển các phương pháp khuếch đại tín hiệu tiên tiến là những hướng đi đầy hứa hẹn. Cần có những nghiên cứu in vivo để đánh giá hiệu quả của cảm biến trong môi trường sinh học phức tạp.

6.1. Tích hợp AI và Machine Learning để tăng cường độ chính xác

Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) có thể giúp tăng cường độ chính xác của chẩn đoán UTTLT bằng cách phân tích dữ liệu từ cảm biến và các thông tin lâm sàng khác. AI có thể giúp phát hiện các mẫu phức tạp và đưa ra dự đoán chính xác hơn về nguy cơ ung thư. Điều này sẽ giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị tốt nhất cho bệnh nhân.

6.2. Phát triển cảm biến đa chức năng Phát hiện đồng thời nhiều marker

Việc phát triển các cảm biến đa chức năng có khả năng phát hiện đồng thời nhiều marker ung thư có thể cung cấp thông tin toàn diện hơn về tình trạng bệnh. Các cảm biến này có thể giúp phân biệt giữa ung thư tiến triển và các tình trạng lành tính khác, và dự đoán hiệu quả điều trị. Điều này sẽ giúp cải thiện độ chính xác của chẩn đoán và điều trị UTTLT.