Tổng quan nghiên cứu

Serotonin là một chất dẫn truyền thần kinh quan trọng trong hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng đến nhiều chức năng sinh lý như điều hòa tâm trạng, giấc ngủ, chuyển hóa xương và đông máu. Theo ước tính, khoảng 80% serotonin trong cơ thể được tìm thấy trong các tế bào enterochromaffin của ruột, phần còn lại phân bố ở hệ thần kinh trung ương và tiểu cầu. Mức độ serotonin bất thường liên quan đến nhiều bệnh lý như trầm cảm, rối loạn lo âu, và các rối loạn tiêu hóa. Việc phát hiện và định lượng chính xác serotonin trong mẫu sinh học là cần thiết để đánh giá tình trạng bệnh lý và hiệu quả điều trị.

Hiện nay, các phương pháp phân tích serotonin phổ biến như sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), điện hóa và điện di mao quản đòi hỏi thiết bị phức tạp, thời gian phân tích dài và chi phí cao, gây khó khăn trong ứng dụng rộng rãi tại các cơ sở y tế cấp cơ sở. Trong khi đó, cảm biến sinh học dựa trên sự kết hợp giữa hạt nano vàng (AuNPs) và aptamer đặc hiệu hứa hẹn mang lại giải pháp nhanh chóng, chính xác và chi phí thấp. Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển phương pháp phát hiện chọn lọc và chính xác serotonin trong mẫu sinh học bằng phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis sử dụng tổ hợp AuNPs và aptamer, nhằm cung cấp công cụ hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi điều trị hiệu quả.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp hạt nano vàng bằng phương pháp Turkevich, khảo sát đặc trưng dung dịch aptamer và AuNPs, xây dựng quy trình phân tích serotonin, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến phương pháp và áp dụng xác định serotonin trong mẫu huyết tương. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xét nghiệm lâm sàng tại chỗ, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và cá nhân hóa điều trị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về tính chất quang học của hạt nano vàng và lý thuyết về aptamer trong cảm biến sinh học.

  1. Tính chất quang học của hạt nano vàng (AuNPs): AuNPs có kích thước từ 1 đến 100 nm, thể hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khoảng 450 nm và phản xạ ánh sáng đỏ (~700 nm), tạo màu đỏ đặc trưng. Khi AuNPs kết tụ, màu dung dịch chuyển sang xanh lam/tím do sự thay đổi phổ hấp thụ UV-Vis. Tính chất này được tận dụng để phát hiện sự tương tác giữa AuNPs và các phân tử sinh học.

  2. Aptamer và cơ chế chọn lọc: Aptamer là đoạn oligonucleotide ngắn có khả năng liên kết đặc hiệu và ái lực cao với phân tử đích, trong trường hợp này là serotonin. Aptamer được chọn lọc qua chu trình SELEX, có tính ổn định cao, dễ tổng hợp và biến đổi hóa học để gắn lên bề mặt AuNPs. Khi serotonin liên kết với aptamer, cấu trúc aptamer thay đổi, ảnh hưởng đến sự hấp phụ của aptamer trên bề mặt AuNPs, từ đó thay đổi tín hiệu quang học.

  3. Nguyên lý phát hiện serotonin: Trong dung dịch không có serotonin, aptamer liên kết với đoạn bổ sung tạo thành ADN sợi đôi, ngăn cản sự hấp phụ lên AuNPs, dẫn đến kết tụ hạt nano và chuyển màu dung dịch. Khi có serotonin, aptamer liên kết với serotonin, đoạn bổ sung tồn tại dưới dạng đơn sợi, hấp phụ lên AuNPs, ổn định dung dịch và giữ màu đỏ. Tỷ lệ hấp thụ quang tại 530 nm và 650 nm được dùng để định lượng serotonin.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng mẫu sinh học huyết tương người để xác định serotonin. Hạt nano vàng được tổng hợp theo phương pháp Turkevich, aptamer đặc hiệu serotonin được tổng hợp và chuẩn bị trong phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp tổng hợp: Hạt nano vàng được tổng hợp bằng cách khử muối vàng (HAuCl4) bằng natri citrate, tạo hạt nano có kích thước khoảng 10-20 nm, ổn định nhờ lớp điện kép citrate.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phổ hấp thụ phân tử UV-Vis để đo tín hiệu hấp thụ của phức hợp Apt-AuNPs-serotonin tại các bước sóng 530 nm và 650 nm. Phương pháp phát xạ huỳnh quang (FL) được dùng để khảo sát tín hiệu aptamer gắn nhãn FAM, xác nhận cơ chế bật-tắt huỳnh quang khi tương tác với serotonin và AuNPs. Đo thế zeta được thực hiện để đánh giá tính ổn định và tương tác bề mặt của các phức hợp.

  • Đánh giá phương pháp: Xây dựng đường chuẩn serotonin, xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), đánh giá độ lặp lại (RSD < 5%), độ đúng (sai số tương đối < 5%) và độ chọn lọc bằng cách khảo sát ảnh hưởng của các chất tương tự như dopamine, adenosine, uric acid.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu (2 tháng), khảo sát điều kiện phân tích và xây dựng đường chuẩn (3 tháng), đánh giá phương pháp và ứng dụng xác định serotonin trong mẫu huyết tương (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp và đặc trưng hạt nano vàng: Hạt nano vàng được tổng hợp thành công với kích thước trung bình khoảng 15 nm, dung dịch có màu đỏ đặc trưng, phổ UV-Vis cho thấy đỉnh hấp thụ cực đại tại 520 nm. Thế zeta của AuNPs đo được là khoảng -40 mV, cho thấy dung dịch có tính ổn định tốt.

  2. Khảo sát tương tác Apt-AuNPs-serotonin: Khi thêm serotonin vào dung dịch Apt-AuNPs, tỷ lệ hấp thụ quang tại 530/650 nm tăng tuyến tính theo nồng độ serotonin trong khoảng 0,1 đến 10 µM với hệ số tương quan R² = 0,995. Giới hạn phát hiện (LOD) xác định là khoảng 0,05 µM, giới hạn định lượng (LOQ) là 0,15 µM.

  3. Độ lặp lại và độ đúng: Phương pháp có độ lặp lại cao với RSD dưới 4% khi thực hiện 10 lần đo lặp lại ở nồng độ serotonin 1 µM. Sai số tương đối của đường chuẩn dưới 3%, chứng tỏ độ đúng của phương pháp tốt.

  4. Độ chọn lọc: Phương pháp cho thấy khả năng chọn lọc cao với tín hiệu không bị ảnh hưởng đáng kể khi có mặt các chất tương tự như dopamine, adenosine, uric acid ở nồng độ gấp 10 lần serotonin. Tín hiệu huỳnh quang của aptamer-comp-sero-FAM giảm rõ rệt khi có serotonin, xác nhận cơ chế bật-tắt huỳnh quang.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp kết hợp aptamer và hạt nano vàng sử dụng phổ UV-Vis là một công cụ hiệu quả để phát hiện serotonin với độ nhạy và độ chọn lọc cao. Việc sử dụng aptamer đặc hiệu giúp khắc phục nhược điểm về độ chọn lọc của hạt nano vàng đơn thuần, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của các tạp chất trong mẫu sinh học. So với các phương pháp sắc ký lỏng hoặc điện hóa truyền thống, phương pháp này đơn giản hơn, chi phí thấp hơn và có thể thực hiện nhanh chóng.

Dữ liệu thế zeta hỗ trợ cho giả thuyết về sự tương tác giữa aptamer, AuNPs và serotonin, khi thế zeta thay đổi rõ rệt khi có mặt serotonin, chứng tỏ sự ổn định của phức hợp thay đổi theo nồng độ phân tử đích. Tín hiệu huỳnh quang cũng minh chứng cho sự thay đổi cấu trúc aptamer khi liên kết với serotonin, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về aptasensor.

Phương pháp có thể được trình bày qua biểu đồ đường chuẩn thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa tỷ lệ hấp thụ quang A530/A650 và nồng độ serotonin, cùng với biểu đồ so sánh tín hiệu trong các mẫu có và không có các chất tương tự để minh họa độ chọn lọc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thiết bị cảm biến cầm tay: Xây dựng thiết bị đo phổ UV-Vis mini tích hợp cảm biến aptamer-AuNPs để ứng dụng tại các cơ sở y tế tuyến dưới, giúp xét nghiệm nhanh serotonin tại chỗ, giảm thời gian chờ kết quả.

  2. Mở rộng ứng dụng phân tích các chất dẫn truyền thần kinh khác: Nghiên cứu phát triển aptasensor tương tự cho các chất như dopamine, norepinephrine nhằm tạo bộ công cụ xét nghiệm đa chỉ tiêu phục vụ chẩn đoán bệnh thần kinh.

  3. Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu: Đề xuất quy trình chuẩn hóa xử lý mẫu huyết tương đơn giản, giảm thiểu bước tách chiết phức tạp, tăng tính khả thi trong thực tế lâm sàng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho nhân viên y tế và phòng xét nghiệm về phương pháp mới, đồng thời phối hợp với các đơn vị sản xuất thiết bị để chuyển giao công nghệ, đảm bảo ứng dụng rộng rãi.

Các giải pháp trên cần được triển khai trong vòng 1-2 năm, với sự phối hợp của các viện nghiên cứu, bệnh viện và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Hóa sinh: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng hạt nano vàng và aptamer trong cảm biến sinh học, phương pháp phân tích phổ UV-Vis và kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano.

  2. Chuyên gia y sinh và kỹ thuật viên phòng xét nghiệm: Tham khảo quy trình phát triển và đánh giá phương pháp phân tích serotonin nhanh, chính xác, phù hợp với thực tế xét nghiệm lâm sàng.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và thiết bị y tế: Cơ sở để phát triển sản phẩm cảm biến sinh học cầm tay, thiết bị xét nghiệm tại chỗ, góp phần đa dạng hóa công nghệ xét nghiệm trong nước.

  4. Bác sĩ và nhà quản lý y tế: Hiểu rõ về tầm quan trọng của việc theo dõi serotonin trong điều trị các bệnh thần kinh, từ đó áp dụng kết quả xét nghiệm hỗ trợ chẩn đoán và cá nhân hóa phác đồ điều trị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp này có thể phát hiện serotonin trong mẫu máu người thật không?
    Có, phương pháp đã được áp dụng thành công để xác định serotonin trong mẫu huyết tương với độ nhạy và độ chính xác cao, phù hợp với nồng độ sinh lý.

  2. Giới hạn phát hiện của phương pháp là bao nhiêu?
    Giới hạn phát hiện (LOD) khoảng 0,05 µM, đủ nhạy để phát hiện serotonin trong các mẫu sinh học và hỗ trợ chẩn đoán lâm sàng.

  3. Phương pháp có độ chọn lọc như thế nào khi có các chất tương tự?
    Phương pháp cho độ chọn lọc cao, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các chất tương tự như dopamine, adenosine, uric acid ở nồng độ gấp 10 lần serotonin.

  4. Thời gian phân tích một mẫu mất bao lâu?
    Thời gian ủ aptamer với serotonin và AuNPs tối ưu khoảng 30 phút, tổng thời gian phân tích nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.

  5. Phương pháp có thể áp dụng tại các cơ sở y tế tuyến dưới không?
    Với thiết bị phổ UV-Vis đơn giản và quy trình không phức tạp, phương pháp có tiềm năng ứng dụng tại các cơ sở y tế tuyến dưới sau khi phát triển thiết bị cầm tay và đào tạo kỹ thuật.

Kết luận

  • Phương pháp kết hợp hạt nano vàng và aptamer đặc hiệu phát hiện serotonin bằng phổ UV-Vis đã được phát triển thành công với độ nhạy cao (LOD ~0,05 µM) và độ chọn lọc tốt.
  • Hạt nano vàng tổng hợp bằng phương pháp Turkevich có kích thước ổn định, phù hợp làm nền tảng cho cảm biến sinh học.
  • Phương pháp có độ lặp lại và độ đúng cao, đáp ứng yêu cầu phân tích lâm sàng.
  • Ứng dụng thực tiễn trong xác định serotonin trong mẫu huyết tương người, góp phần hỗ trợ chẩn đoán và theo dõi điều trị các bệnh thần kinh.
  • Đề xuất phát triển thiết bị cảm biến cầm tay và mở rộng ứng dụng cho các chất dẫn truyền thần kinh khác trong vòng 1-2 năm tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực cảm biến sinh học tại Việt Nam, khuyến khích các nhà khoa học và doanh nghiệp tiếp tục phát triển công nghệ xét nghiệm nhanh, chính xác và chi phí hợp lý. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với nhóm tác giả tại Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.