Tổng quan nghiên cứu

Ung thư là một trong những vấn đề y tế nghiêm trọng toàn cầu với khoảng 14 triệu ca mắc mới và 8,2 triệu ca tử vong vào năm 2012 theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Dự báo số ca ung thư mới sẽ tăng lên 22 triệu trong vòng hai thập kỷ tới, trong đó hơn 60% xảy ra tại các khu vực Châu Phi, Châu Á, Trung và Nam Mỹ. Tại Việt Nam, năm 2012 ghi nhận 91.600 ca tử vong do ung thư, với các loại phổ biến như ung thư gan, phổi, dạ dày, đại trực tràng, ung thư vú và cổ tử cung. Việc phát hiện sớm tế bào ung thư đóng vai trò then chốt trong nâng cao hiệu quả điều trị.

Trong bối cảnh đó, công nghệ nano, đặc biệt là vật liệu nano đa chức năng, đã trở thành hướng nghiên cứu trọng điểm trong y sinh học. Hạt nano Fe3O4 với tính siêu thuận từ và hạt nano bạc (Ag) với hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt được kết hợp để tạo thành hạt nano composite đa chức năng Fe3O4/Ag-NH2. Vật liệu này vừa có khả năng tập trung bằng từ trường ngoài, vừa cung cấp tín hiệu Raman tăng cường bề mặt (SERS) để đánh dấu tế bào mang bệnh. Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và ứng dụng hạt nano composite Fe3O4/Ag-NH2 trong đánh dấu tế bào ung thư da SK-Mel 28 và tế bào da bình thường HaCaT, nhằm khảo sát mức độ biểu hiện thụ thể EGFR qua phương pháp SERS và kính hiển vi trường tối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Tính siêu thuận từ của hạt nano Fe3O4: Khi kích thước hạt giảm dưới giới hạn đơn domain (~9 nm), năng lượng nhiệt phá vỡ sự định hướng mô men từ, tạo ra tính chất siêu thuận từ với lực kháng từ Hc = 0 và từ độ dư Mr = 0, giúp hạt dễ dàng điều khiển bằng từ trường ngoài.

  • Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance - SPR) của hạt nano bạc: Dao động tập thể của điện tử tự do trên bề mặt hạt nano kim loại tạo ra tín hiệu quang học đặc trưng, tăng cường phổ Raman (SERS), hỗ trợ đánh dấu tế bào.

  • Phương pháp tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS): Tăng cường tín hiệu Raman nhờ plasmon bề mặt, cho phép phát hiện các phân tử sinh học gắn gần bề mặt hạt nano với độ nhạy cao.

  • Kháng thể anti-EGFR: Kháng thể đặc hiệu nhận diện thụ thể EGFR trên màng tế bào, được gắn lên hạt nano Fe3O4/Ag-NH2 qua liên kết cộng hóa trị, giúp đánh dấu tế bào ung thư biểu hiện EGFR cao.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Hạt nano Fe3O4 được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa, chức năng hóa với APTES để tạo nhóm amine (-NH2). Hạt nano composite Fe3O4/Ag được chế tạo bằng cách hấp phụ ion Ag+ trên bề mặt Fe3O4-NH2 và khử bằng NaBH4. Bề mặt composite được chức năng hóa bằng 4-aminothiophenol (4-ATP) để tạo cầu nối gắn kháng thể anti-EGFR.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật vật lý và hóa học gồm:

    • Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) khảo sát hình thái và kích thước hạt.
    • Máy quang phổ UV-Vis đo phổ hấp thụ quang học.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố.
    • Đường cong từ hóa bằng từ kế mẫu rung (VSM) đánh giá tính siêu thuận từ.
    • Phổ Raman tăng cường bề mặt (SERS) đánh dấu tế bào.
    • Kính hiển vi trường tối (Dark Field Microscopy) quan sát tế bào gắn hạt nano.
    • Phần mềm Image J phân tích cường độ sáng ảnh hiển vi.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình tổng hợp, chức năng hóa hạt nano và thử nghiệm đánh dấu tế bào được thực hiện trong khoảng thời gian nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, năm 2015.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hạt nano Fe3O4 kích thước trung bình 9±2 nm, hạt nano composite Fe3O4/Ag kích thước 30-60 nm. Thử nghiệm trên hai dòng tế bào HaCaT (tế bào da bình thường) và SK-Mel 28 (tế bào ung thư da) với mật độ 500.000 tế bào/ml.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công hạt nano Fe3O4 và composite Fe3O4/Ag:

    • Kích thước hạt Fe3O4 khoảng 9±2 nm (XRD, TEM).
    • Hạt nano composite Fe3O4/Ag có kích thước 30-60 nm, thành phần Ag chiếm 16,3% theo EDS.
    • Cấu trúc tinh thể Fe3O4 thuộc nhóm lập phương tâm mặt xếp chặt (F3dm), Ag có các mặt tinh thể (111), (200), (220).

  2. Tính chất siêu thuận từ và quang học:

    • Đường cong từ trễ cho thấy lực kháng từ Hc ≈ 0 và từ độ dư Mr ≈ 0, khẳng định tính siêu thuận từ của Fe3O4 và composite Fe3O4/Ag.
    • Từ độ bão hòa Ms của Fe3O4 là 50,37 emu/g, composite Fe3O4/Ag giảm còn 37,74 emu/g do lớp phủ Ag và APTES.
    • Phổ UV-Vis của composite có đỉnh hấp thụ tại 438 nm, dịch chuyển so với hạt Ag đơn lẻ (400-415 nm) do ảnh hưởng từ tính Fe3O4 và kích thước hạt lớn hơn.

  3. Hiệu quả gắn kết kháng thể anti-EGFR và đánh dấu tế bào:

    • Hạt nano composite Fe3O4/Ag-NH2 gắn thành công kháng thể anti-EGFR qua liên kết cộng hóa trị.
    • Thử nghiệm trên tế bào HaCaT và SK-Mel 28 cho thấy cường độ sáng trung bình của tế bào tăng rõ rệt sau khi gắn hạt nano composite, đặc biệt ở SK-Mel 28 với mức tăng khoảng 30-40% so với tế bào không gắn hạt.
    • Phổ SERS ghi nhận các đỉnh đặc trưng của protein và kháng thể, phân biệt rõ tế bào ung thư SK-Mel 28 có biểu hiện EGFR cao hơn tế bào HaCaT.

  4. Hiệu suất tách chiết tế bào bằng từ trường ngoài:

    • Các tế bào gắn hạt nano composite có thể được thu hồi hiệu quả bằng từ trường ngoài nhờ tính siêu thuận từ của Fe3O4, hỗ trợ phân tách tế bào mang bệnh.
    • Tỷ lệ gắn kết hạt nano với tế bào đạt khoảng 70-85% tùy theo nồng độ hạt nano sử dụng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc kết hợp hạt nano Fe3O4 và Ag tạo ra vật liệu composite đa chức năng vừa có tính siêu thuận từ, vừa có khả năng phát tín hiệu SERS mạnh mẽ. Sự dịch chuyển đỉnh hấp thụ UV-Vis và giảm từ độ bão hòa so với hạt Fe3O4 đơn lẻ là phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của lớp phủ và kích thước hạt nano composite. Việc chức năng hóa bề mặt bằng 4-ATP và gắn kháng thể anti-EGFR giúp tăng tính tương thích sinh học và đặc hiệu đánh dấu tế bào ung thư biểu hiện EGFR cao.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, vật liệu composite Fe3O4/Ag-NH2 thể hiện ưu điểm về chi phí sản xuất và quy trình đơn giản hơn so với các phương pháp tổng hợp phức tạp khác. Phương pháp SERS kết hợp kính hiển vi trường tối cung cấp công cụ đánh dấu tế bào nhạy và chính xác, có thể ứng dụng trong chẩn đoán sớm ung thư da và các loại ung thư khác biểu hiện EGFR.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong từ hóa, phổ UV-Vis, phổ Raman và đồ thị cường độ sáng trung bình của tế bào trước và sau khi gắn hạt nano, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của vật liệu trong đánh dấu và tách chiết tế bào.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất hạt nano composite Fe3O4/Ag-NH2 quy mô lớn

    • Mục tiêu: Tăng sản lượng và ổn định chất lượng hạt nano để ứng dụng rộng rãi trong y sinh.
    • Thời gian: 1-2 năm.
    • Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu vật liệu nano, các viện công nghệ.

  2. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng đánh dấu tế bào ung thư khác biểu hiện EGFR

    • Mục tiêu: Khảo sát hiệu quả trên các dòng tế bào ung thư phổi, vú, đại trực tràng.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Các phòng thí nghiệm y sinh, bệnh viện nghiên cứu.

  3. Tối ưu hóa chức năng hóa bề mặt hạt nano để tăng độ đặc hiệu và giảm độc tính

    • Mục tiêu: Sử dụng các nhóm chức khác như biotin, streptavidin để nâng cao hiệu quả gắn kết.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu.

  4. Phát triển thiết bị chẩn đoán dựa trên phổ SERS tích hợp hạt nano composite

    • Mục tiêu: Thiết kế thiết bị cầm tay, dễ sử dụng cho chẩn đoán lâm sàng.
    • Thời gian: 2 năm.
    • Chủ thể: Công ty công nghệ y sinh, viện nghiên cứu thiết bị y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và y sinh học

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp, chức năng hóa và ứng dụng hạt nano composite đa chức năng trong đánh dấu tế bào.
    • Use case: Phát triển vật liệu nano mới cho chẩn đoán và điều trị ung thư.

  2. Bác sĩ và chuyên gia chẩn đoán ung thư

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ đánh dấu tế bào bằng SERS, hỗ trợ phát hiện sớm tế bào ung thư biểu hiện EGFR.
    • Use case: Áp dụng kỹ thuật mới trong phòng thí nghiệm lâm sàng.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Vật lý chất rắn, Hóa học, Sinh học phân tử

    • Lợi ích: Học tập phương pháp nghiên cứu liên ngành, kỹ thuật phân tích vật liệu nano và ứng dụng y sinh.
    • Use case: Tham khảo làm luận văn, đề tài nghiên cứu.

  4. Doanh nghiệp công nghệ y sinh và thiết bị y tế

    • Lợi ích: Tìm hiểu công nghệ nano ứng dụng trong chẩn đoán, phát triển sản phẩm mới.
    • Use case: Đầu tư, hợp tác nghiên cứu và thương mại hóa thiết bị chẩn đoán dựa trên SERS.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hạt nano composite Fe3O4/Ag-NH2 có ưu điểm gì so với hạt nano đơn lẻ?
    Hạt nano composite kết hợp tính siêu thuận từ của Fe3O4 và hiệu ứng plasmon bề mặt của Ag, vừa cho phép điều khiển bằng từ trường, vừa tăng cường tín hiệu Raman để đánh dấu tế bào chính xác hơn.

  2. Phương pháp SERS giúp phát hiện tế bào ung thư như thế nào?
    SERS tăng cường tín hiệu Raman của các phân tử gắn gần bề mặt hạt nano, giúp nhận diện đặc trưng sinh học của tế bào ung thư như protein EGFR với độ nhạy cao, hỗ trợ chẩn đoán sớm.

  3. Tại sao chọn hai dòng tế bào HaCaT và SK-Mel 28 để thử nghiệm?
    HaCaT là tế bào da bình thường, SK-Mel 28 là tế bào ung thư da biểu hiện EGFR cao, giúp so sánh mức độ đánh dấu và hiệu quả nhận biết tế bào bệnh so với tế bào khỏe mạnh.

  4. Làm thế nào để hạt nano gắn được kháng thể anti-EGFR?
    Hạt nano composite được chức năng hóa bằng nhóm amin (-NH2) qua 4-aminothiophenol, tạo cầu nối liên kết cộng hóa trị với kháng thể anti-EGFR, giữ nguyên hoạt tính nhận diện thụ thể.

  5. Ứng dụng thực tế của hạt nano composite này trong y học là gì?
    Vật liệu có thể dùng để đánh dấu, phân tách tế bào ung thư trong mẫu sinh học, hỗ trợ chẩn đoán sớm và theo dõi điều trị, đồng thời có tiềm năng ứng dụng trong dẫn truyền thuốc và điều trị nhắm mục tiêu.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công hạt nano composite đa chức năng Fe3O4/Ag-NH2 với kích thước hạt đồng đều và cấu trúc tinh thể rõ ràng.
  • Vật liệu mang tính siêu thuận từ và hiệu ứng plasmon bề mặt, phù hợp cho ứng dụng đánh dấu tế bào bằng phương pháp SERS.
  • Hạt nano composite gắn hiệu quả kháng thể anti-EGFR, phân biệt rõ tế bào ung thư SK-Mel 28 và tế bào bình thường HaCaT qua phổ Raman và kính hiển vi trường tối.
  • Hiệu suất tách chiết tế bào bằng từ trường ngoài cao, mở ra triển vọng ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư.
  • Đề xuất phát triển quy trình sản xuất, mở rộng ứng dụng và thiết kế thiết bị chẩn đoán dựa trên vật liệu nano composite này trong tương lai gần.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng vật liệu nano đa chức năng trong y sinh học, góp phần nâng cao hiệu quả phát hiện và điều trị bệnh ung thư. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia y tế được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ này trong thực tiễn.