Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường (ĐTĐ) là một trong những bệnh rối loạn chuyển hóa phổ biến và có tốc độ gia tăng nhanh trên toàn cầu. Theo ước tính của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), năm 2011 đã có hơn 1 triệu người tử vong do ĐTĐ, và dự báo đến năm 2030, số người mắc bệnh có thể lên tới hơn 336 triệu người. Ở Việt Nam, tỷ lệ mắc bệnh cũng đang tăng nhanh, gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng như suy thận, tai biến mạch máu não, và mù mắt. Việc điều trị ĐTĐ chủ yếu dựa vào tiêm insulin, tuy nhiên phương pháp này gây nhiều bất tiện và rủi ro như đau đớn, nhiễm trùng và tổn thương tại vị trí tiêm.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu và chế tạo hạt nano chitosan gắn Methoxypolyethylene glycol amine (mPEG) bọc insulin nhằm phát triển hệ dẫn thuốc insulin đường uống, góp phần cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu các nhược điểm của phương pháp tiêm truyền truyền thống. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2015, với mục tiêu tạo ra hạt nano có kích thước dưới 500 nm, đồng đều, ổn định và có khả năng bảo vệ insulin khỏi sự phân hủy trong môi trường đường tiêu hóa.

Việc phát triển hệ dẫn thuốc nano chitosan gắn PEG bọc insulin không chỉ có ý nghĩa trong điều trị bệnh tiểu đường mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực dược phẩm, như dẫn truyền các loại thuốc protein và vaccine. Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân ĐTĐ và thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nano dược tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Công nghệ nano dược: Ứng dụng công nghệ nano trong tổng hợp và vận chuyển thuốc nhằm tăng sinh khả dụng, bảo vệ dược chất và kiểm soát phóng thích thuốc. Hạt nano có kích thước từ vài chục đến vài trăm nanomet giúp thuốc thấm sâu và tăng hiệu quả điều trị.

  • Vật liệu chitosan và nano chitosan: Chitosan là polymer tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao, phân hủy sinh học và khả năng kháng khuẩn. Nano chitosan có diện tích bề mặt lớn, điện tích dương giúp tương tác hiệu quả với các phân tử thuốc và tế bào sinh học.

  • Phương pháp gắn PEG (mPEG) lên chitosan: mPEG là polymer trơ, hòa tan trong nước, giúp tăng tính ổn định, kéo dài thời gian lưu hành của hạt nano trong cơ thể và giảm đào thải miễn dịch. Cơ chế gắn PEG phổ biến là phản ứng khử alkyl hóa giữa nhóm aldehyde của mPEG và nhóm amin của chitosan.

  • Tác nhân liên kết ngang Tripolyphosphate (TPP): TPP tích điện âm tương tác tĩnh điện với nhóm amin tích điện dương của chitosan, tạo thành mạng lưới gel ion giúp hình thành hạt nano có cấu trúc lỗ xốp, thuận lợi cho việc bao gói và phóng thích thuốc.

Các khái niệm chính bao gồm: kích thước hạt nano, hiệu suất bao gói thuốc, khả năng phóng thích thuốc, tương tác tĩnh điện, và tính ổn định của hạt nano.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng các hóa chất như chitosan (độ deacetyl hóa >90%), mPEG, insulin, TPP và các dung môi chuẩn.

  • Phương pháp tổng hợp: Quy trình tổng hợp gồm ba giai đoạn chính:

    1. Bảo vệ nhóm amin của chitosan bằng phthalic anhydride trong dung môi DMF/H2O, gia nhiệt 120°C, khí nito, 6 giờ.
    2. Gắn mPEG lên chitosan đã bảo vệ nhóm amin bằng phản ứng với p-Toluenesulfonyl chloride (TsCl) và triethylamine (Et3N) trong dung môi DCM, khuấy ở 0°C qua đêm, sau đó phản ứng với mPEG trong DMF ở nhiệt độ phòng 5 ngày.
    3. Hủy bảo vệ nhóm amin bằng NaBH4 trong 2-propanol và nước, khuấy qua đêm, thêm axit acetic, gia nhiệt 70°C 2 giờ.

  • Chế tạo hạt nano: Hòa tan chitosan gắn PEG trong dung dịch axit acetic 2%, nhỏ giọt dung dịch TPP vào với tỷ lệ khối lượng chitosan gắn PEG:TPP là 1:1, 2:1, 4:1, khuấy mạnh 2 giờ để tạo hạt nano. Ly tâm, rửa và đông khô hạt.

  • Chế tạo hạt bọc insulin: Hòa tan chitosan gắn PEG, nhỏ giọt insulin vào, khuấy, sau đó nhỏ giọt dung dịch TPP (tỷ lệ 1:1) để tạo hạt bọc insulin, khuấy 2 giờ.

  • Phân tích và đánh giá:

    • Kích thước hạt và phân bố kích thước bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS).
    • Cấu trúc hóa học và xác nhận phản ứng bằng phổ hồng ngoại (FTIR).
    • Hình thái và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
    • Hiệu suất bao gói insulin xác định bằng phương pháp thẩm tách cellulose kết hợp đo phổ UV-Vis tại bước sóng 276 nm.
    • Khả năng phóng thích insulin theo thời gian trong môi trường đệm phosphate pH 7.4, 37°C, đo UV-Vis.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong năm 2015, với nhiều mẫu thí nghiệm được chuẩn bị theo các tỷ lệ khác nhau để tối ưu hóa kích thước và hiệu suất bao gói.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phản ứng bảo vệ nhóm amin của chitosan thành công: Phổ FTIR cho thấy sự biến mất của các đỉnh đặc trưng nhóm amin (-NH2) ở 1650 cm⁻¹ và 1560 cm⁻¹, đồng thời xuất hiện các đỉnh mới ở 1782 cm⁻¹ và 1710 cm⁻¹ đặc trưng cho nhóm C=O, chứng tỏ nhóm amin đã được bảo vệ hiệu quả.

  2. Phản ứng gắn PEG lên chitosan thành công: Phổ FTIR ghi nhận các đỉnh đặc trưng của PEG tại 1120 cm⁻¹ (C=O) và 2878 cm⁻¹ (C-H), xác nhận PEG đã được gắn lên chitosan bảo vệ nhóm amin.

  3. Kích thước hạt nano chitosan gắn PEG ổn định và nhỏ hơn 300 nm: Qua phân tích DLS và TEM, hạt nano có kích thước trung bình dưới 300 nm, phân bố đồng đều, phù hợp với yêu cầu ứng dụng dẫn truyền thuốc đường uống. Kích thước hạt thay đổi theo tỷ lệ chitosan gắn PEG:TPP, trong đó tỷ lệ 1:1 cho hạt có kích thước nhỏ và ổn định nhất.

  4. Hiệu suất bao gói insulin đạt khoảng 70-85%: Xác định bằng phương pháp thẩm tách cellulose và đo UV-Vis, cho thấy hệ nano có khả năng bao gói insulin hiệu quả, bảo vệ insulin khỏi phân hủy trong môi trường acid và enzym tiêu hóa.

  5. Khả năng phóng thích insulin kéo dài và ổn định: Đo phổ UV-Vis cho thấy insulin được phóng thích chậm và liên tục trong môi trường đệm pH 7.4 ở 37°C, giúp duy trì nồng độ insulin ổn định trong máu khi sử dụng đường uống.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ FTIR và phân tích kích thước hạt cho thấy quy trình tổng hợp và gắn PEG lên chitosan đã được thực hiện thành công, tạo ra vật liệu nano có tính ổn định cao và khả năng tương thích sinh học tốt. Việc sử dụng TPP làm tác nhân liên kết ngang giúp tạo ra hạt nano có cấu trúc lỗ xốp, thuận lợi cho việc bao gói và phóng thích insulin.

So với các nghiên cứu trước đây, hệ nano chitosan gắn PEG bọc insulin trong nghiên cứu này có kích thước nhỏ hơn 300 nm, phù hợp với yêu cầu tồn tại lâu trong hệ tuần hoàn và tăng khả năng hấp thu qua đường ruột. Hiệu suất bao gói insulin cao hơn so với một số nghiên cứu tương tự, nhờ vào quy trình bảo vệ nhóm amin và gắn PEG tối ưu.

Khả năng phóng thích kéo dài của insulin từ hạt nano giúp giảm tần suất sử dụng thuốc và duy trì nồng độ insulin ổn định, góp phần cải thiện hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phóng thích insulin theo thời gian, thể hiện sự ổn định và kiểm soát tốt của hệ nano.

Những kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của hạt nano chitosan gắn PEG bọc insulin trong phát triển thuốc đường uống, góp phần giảm thiểu các nhược điểm của phương pháp tiêm insulin truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp hạt nano nhằm nâng cao hiệu suất bao gói insulin và kiểm soát kích thước hạt trong khoảng 100-200 nm để tăng khả năng hấp thu qua ruột non. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu công nghệ nano.

  2. Nghiên cứu in vivo trên mô hình động vật để đánh giá hiệu quả điều trị và độ an toàn của hệ nano chitosan gắn PEG bọc insulin khi sử dụng đường uống. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm dược lý và y sinh.

  3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô pilot đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của hạt nano, phục vụ cho các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng tiếp theo. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ nano và đối tác công nghiệp.

  4. Mở rộng ứng dụng hệ nano chitosan gắn PEG cho các loại thuốc protein khác và vaccine, nhằm đa dạng hóa sản phẩm dược phẩm đường uống. Thời gian: 18-24 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu đa ngành.

  5. Xây dựng cơ sở dữ liệu và tài liệu kỹ thuật phục vụ cho việc đăng ký cấp phép và thương mại hóa sản phẩm thuốc insulin đường uống. Thời gian: song song với các bước trên. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và bộ phận pháp lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ nano và dược học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng hạt nano chitosan gắn PEG trong dẫn truyền thuốc, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu mới.

  2. Chuyên gia phát triển thuốc và công nghiệp dược phẩm: Thông tin về quy trình chế tạo, phân tích và đánh giá hạt nano có thể hỗ trợ trong việc thiết kế và sản xuất thuốc đường uống protein, đặc biệt là insulin.

  3. Bác sĩ và chuyên gia y tế điều trị bệnh tiểu đường: Hiểu rõ về công nghệ mới trong điều trị ĐTĐ giúp cập nhật phương pháp điều trị tiên tiến, giảm thiểu tác dụng phụ và nâng cao chất lượng chăm sóc bệnh nhân.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách y tế: Cơ sở dữ liệu và kết quả nghiên cứu giúp đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ nano trong y tế, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ dược phẩm hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hạt nano chitosan gắn PEG bọc insulin có ưu điểm gì so với insulin tiêm truyền?
    Hệ nano giúp bảo vệ insulin khỏi phân hủy trong đường tiêu hóa, cho phép sử dụng đường uống thay vì tiêm, giảm đau đớn và nguy cơ nhiễm trùng. Ngoài ra, phóng thích insulin chậm giúp duy trì nồng độ ổn định trong máu.

  2. Kích thước hạt nano ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả điều trị?
    Kích thước hạt nano dưới 300 nm giúp tăng khả năng thấm qua màng ruột, tồn tại lâu trong hệ tuần hoàn và giảm đào thải, từ đó nâng cao hiệu quả hấp thu và điều trị.

  3. Phương pháp tổng hợp hạt nano trong nghiên cứu có ưu điểm gì?
    Phương pháp sử dụng tương tác tĩnh điện giữa chitosan gắn PEG và TPP đơn giản, không dùng dung môi hữu cơ độc hại, tạo hạt nano ổn định, đồng đều và có khả năng bao gói thuốc cao.

  4. Hiệu suất bao gói insulin được xác định như thế nào?
    Hiệu suất bao gói được xác định bằng phương pháp thẩm tách cellulose kết hợp đo phổ UV-Vis, đo lượng insulin tự do không gắn trong dung dịch, từ đó tính toán phần trăm insulin được bao gói trong hạt nano.

  5. Khả năng phóng thích insulin của hạt nano có ổn định không?
    Kết quả đo UV-Vis cho thấy insulin được phóng thích chậm và liên tục trong môi trường đệm pH 7.4 ở 37°C, giúp duy trì nồng độ insulin ổn định, phù hợp cho điều trị lâu dài.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp hạt nano chitosan gắn PEG có kích thước dưới 300 nm, đồng đều và ổn định theo thời gian.
  • Phản ứng bảo vệ nhóm amin và gắn PEG lên chitosan được xác nhận qua phổ FTIR với các đỉnh đặc trưng rõ ràng.
  • Hệ nano có hiệu suất bao gói insulin cao, khoảng 70-85%, bảo vệ insulin khỏi phân hủy trong môi trường acid và enzym tiêu hóa.
  • Khả năng phóng thích insulin kéo dài và ổn định, phù hợp cho ứng dụng thuốc đường uống điều trị bệnh tiểu đường.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển thuốc insulin đường uống và các ứng dụng nano dược phẩm khác, góp phần nâng cao chất lượng điều trị và sức khỏe cộng đồng.

Next steps: Tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nghiên cứu in vivo, phát triển quy mô sản xuất pilot và mở rộng ứng dụng cho các loại thuốc protein khác.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực dược phẩm công nghệ cao nên hợp tác để phát triển và thương mại hóa hệ dẫn thuốc nano chitosan gắn PEG bọc insulin, góp phần cải thiện điều trị bệnh tiểu đường tại Việt Nam và trên thế giới.