Giáo trình Công nghệ sinh học Nano

3 Tổng hợp trong pha khí Tổng hợp trong khí trơ là một trong các phương pháp được sử dụng đầu tiên để tạo vật liệu nano. Khí trơ hạn chế nguyên tử khuếch tán ra khỏi vùng quanh cơ chất [94]. Có nhiều cách tạo vật liệu nano trong khí trơ. Có thể tập hợp hạt nano từ một vị trí trong buồng gần nơi tạo ra chúng. Thiết bị sử dụng trong phương pháp này này gồm nguồn hơi trong buồng chứa khí trơ (argon hoặc heli). Trong đó xảy ra sự quá bão hòa trên nguồn hơi và các hạt nano được tạo thành. Bên trên nguồn hơi là bề mặt kết tụ được làm lạnh bằng Nitơ lỏng. Hình 22 là sơ đồ thiết bị dạng này [94], cho phép tạo ra vài gram vật liệu nano trong một lần chạy tùy thuộc năng suất. Có thể tạo hạt nano của rất nhiều loại vật liệu khác nhau (bao gồm các oxit) với kích thước 1-100 nm bằng cách này, nhưng nhược điểm là biến thiên kích thước hạt lớn [38, 94]. Một cách khác là tạo ra chùm hạt nano nhờ dòng khí áp lực. Nếu có một dòng khí áp lực, có thể tập hợp các hạt theo phương ngang một đoạn khá xa từ nơi xuất phát. Ưu điểm của phương pháp này là có thể tạo ra một phổ lớn các hạt nano phân bố kích thước hẹp [94]. Hình 22. Sơ đồ thiết bị tạo ra, tập hợp và nén các hạt nano trong khí trơ. 3.2.4 Hồ quang điện Hồ quang điện là phương pháp tạo ống nano carbon đầu tiên được công bố và cũng là phương pháp sản xuất ở quy mô công nghiệp đầu tiên [38]. Để sản xuất MWNT, sử dụng hai điện cực graphite siêu tinh sạch. Khi phun hồ quang điện giữa hai điện cực chứa vật liệu trong khí trơ sẽ làm vật liệu chuyển sang trạng thái siêu bão hòa [94]. Trong quá trình phát triển, các ống nano được tạo thành và lắng trên cathode; anode xảy ra quá trình ăn mòn liên tục [38]. Phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra fullerene (C60) và ống nano carbon. Nhiệt độ cao trong hồ quang làm thăng hoa vật liệu [94]. Hình 23. (a) Thiết bị tạo ống nano carbon bằng phương pháp hồ quang điện. Mô hình này tạo ra các ống nano carbon nhiều thành khi các que nano tinh sạch được sử dụng tại các điện cực và tạo ra các ống nano đơn thành khi chất xúc tác kim loại được trộn với lõi của anode. (b) Ảnh định vị trên cathode; (c) Ảnh TEM của MWNT [Theo 38]. Phương pháp khác gắn các hạt kim loại xúc tác vào điện cực carbon tạo ra SWNT. Để thực hiện thí nghiệm này, sử dụng mô hình tương tự của MWNT nhưng lỗ đường kính nhỏ hơn được khoan trong anode và bao gói với một hỗn hợp của chất xúc tác kim loại và bột graphide (Hình 23). Sau thời gian tổng hợp ngắn (thường vài phút) có thể tập hợp một mạng lưới vật liệu giống như mạng chứa SWNT từ bề phản ứng [38]. Nhược điểm của phương pháp này là mẫu chứa một lượng đang kể tạp chất không phải ống nano và chất xúc tác; cần tiến hành tinh sạch sau tổng hợp để thu mẫu tinh sạch [38]. 3.3 Các phương pháp sinh học 3.3.1 Tự lắp ráp phân tử Tự lắp ráp (TLR) là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều thành phần thành một khối lớn thông qua các liên kết đồng và/hoặc phi đồng hóa trị [97]. TLR phân tử (MSA) là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các cấu trúc siêu phân tử. MSA được tạo thành bởi các liên kết phi đồng hóa trị yếu- đáng chú ý là liên kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, van der Waals và liên kết H qua nước. Mặc dù khi đứng riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh học và ảnh hưởng đến tương tác của chúng với các phân tử khác. Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm peptide và protein, tương tác và tự tổ chức thành các cấu trúc xác định, có chức năng. Bằng cách quan sát quá trình các cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong tự nhiên, chúng ta có thể bắt đầu khai thác sự TLR để tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn mới. DNA, peptide và protein là các khối cấu trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu. Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ khung để tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau (collagen, keratin ) [98]. Chế tạo sợi nano Một loại sợi nano được tạo thành từ các peptide ion hóa tự lắp ráp bổ sung [99], chúng tạo thành trong dung dịch lỏng với hai bề mặt: một ưa nước, một kỵ nước. Các gốcbphiến kỵ nước tự bảo vệ chúng khỏi nước và TLR trong nước theo cách tương tự trong gấp nếp protein in vivo. Đặc trưng cấu trúc độc nhất vô nhị của các peptide “Lego phân tử” này là chúng tạo thành các liên kết ion bổ sung với sự lặp lại đều đặn trên bề mặt ưa nước (hình 24a). Có thể định hướng điện tích theo chiều ngược lại, để tạo ra các phân tử hoàn toàn khác. Trình tự được thiết kế tốt cho phép các peptide TLR theo trật tự, trong một quá trình giống như sự lắp ráp polymer đã được nghiên cứu kỹ [98]. Chế tạo NT Phospholipid dễ dàng TLR trong dung dịch nước, tạo thành các cấu trúc khác nhau bao gồm micelle, túi và ống. Schnur và cộng sự đi tiên phong trong công nghệ tự lắp ghép ống lipid để tạo ra các vật liệu dùng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu mới sử dụng các khối cấu trúc đơn giản [98] (hình 24b). Bao gói các bề mặt với độ dày nm Zhang và cộng sự tập trung thiết kế các peptide TLR thành một lớp đơn trên các bề mặt, cho phép các phân tử dính với nhau để tương tác với tế bào và dính trên bề mặt [100]. Các peptide này có ba vùng chung dọc theo chiều dài của nó: một phối tử nhận biết và gắn tế bào đặc biệt, một thể liên kết để phân tách vật lý với bề mặt và neo để gắn cộng hóa trị với bề mặt [98]. Gần đây, Zang và đồng sự đã tiến một bước xa hơn: sử dụng các peptide và protein như một loại mực, họ in trực tiếp các ký hiệu đặc biệt trên bề mặt polyethylene glycol không bám dính để nhanh chóng lắp ráp các mô hình tùy thích mà không cần mặt nạ hay con dấu (hình 24c). Bộ khung sợi nano peptide và protein Có thể lắp ráp các bộ khung peptide ba chiều bằng cách nhúng peptide TLR vào dung dịch muối hoặc môi trường sinh lý để tạo ra các cấu trúc đại phân tử [101]. Nếu thay alanine bằng các gốc kỵ nước hơn như valine, leucine, isoleucine, phenylalanine hay tyrosine, các phân tử có khuynh hướng TLR lớn hơn và tạo thành các chất nền peptide [102]. Chế tạo các dây nano sử dụng bộ khung sinh học Có thể dùng NT peptide TLR làm khuôn cho quá trình kim loại hóa. Khi bộ khung hữu cơ bị loại bỏ, lưu lại dây dẫn điện tinh sạch trên bề mặt. Có rất nhiều phương pháp gắn tinh thể nano kim loại dẫn điện vào peptide [98]. Matsui và cộng sự đã chế tạo thành công NT peptide thành dây nano. Họ không chỉ bao gói NT peptide với đồng và niken mà còn bọc NT của họ trong avidin, làm chúng có thể gắn đặc hiệu với các bề mặt vàng [103]. Hình 25. Khám phá và chọn các vật liệu điện sử dụng hệ thống trình diện bacteriophage. Một thư viện phage tái tổ hợp được sử dụng để gắn chọn lọc với vật GaAs. Đường đỏ (đường kính 1 µm) tương ứng với GaAs và vùng đen (đường kính 4 µm) là SiO2. Sự gắn đặc hiệu peptide này cũng có thể được sử dụng để phân phối các tinh thể nano tới các vị trí đặc biệt [Theo 104]. Belcher và cộng sự tiến hành một cách tiếp cận rất khác để không chỉ khám phá mà còn chế tạo các vật liệu điện và từ rất khác so với các vật liệu truyền thống. Họ tạo ra bacteriophage TLR đã biến đổi di truyền sao cho có thể dùng chúng để chọn các vật liệu từ, bán dẫn hoặc dẫn điện (hình 25) [104]. Hình 24. Lắp ráp các vật liệu peptide. (a) Peptide tự bổ sung ion hóa có 16 axit amin, kích thước ~5 nm. Chúng TLR tạo thành sợi nano với các gốc không phân cực nằm trong (xanh lá cây), và các gốc tích điện – (đỏ) và + (xanh da trời) tạo thành các tương tác ion bổ sung giống như bàn cờ vua. Các sợi nano này tạo thành các chất nền đan xen sau đó tạo thành scaffold hydrogel với trên 99.5% là nước. (b) Một loại peptide giống chất hoạt động bề mặt, kích thước ~2nm, TLR thành NT hoặc túi nano (nanovesicle) với đường kính 30–50 nm. (c) Peptide bao gói nano bề mặt với ba phân đoạn riêng biệt, có thể sử dụng như mực để in trực tiếp trên bề mặt. (d) Peptide công tắc phân tử, với tính lưỡng cực mạnh, biến đổi hình dạng mạnh giữa α-helix và β-strand hoặc β-sheet dưới kích thích ngoại lai. Các tinh thể nano có thể được gắn với các peptide lưỡng cực này để chế tạo chúng thành các công tắc nhỏ [Theo 98]. Các hạt keo vàng có thể TLR thành một cấu trúc tập trung bằng cách gắn với các hạt 13nm không bổ sung với các oligonucleotide DNA có hai đầu gắn với nhóm thiol và sau đó kết tụ với một phức hệ oligonucleotide với các đầu dính và bổ sung với hai trình tự ghép [105]. Quá trình lắp ráp hoàn toàn thuận nghịch thông qua các chu kỳ lai và biến tính bởi nhiệt thông thường. 3.3.2 Vi chế tác dựa trên khuôn sinh học Về mặt nguyên lý, các đặc trưng có tính lặp lại và các motif khả nhận diện của các đại phân tử sinh học có thể được khai thác để chế tạo các cấu trúc và thiết bị nano [106]. Một trong các ví dụ tiêu biểu là chế tạo tấm hoặc các dây nano dẫn điện. Dây nano bạc dẫn điện đã được chế tạo bằng cách lắp ráp trên khuôn DNA [107]. Nhiều motif DNA không thông dụng cũng có thể được sử dụng để tạo nên các khối cấu trúc phân tử bởi khả năng kết hợp của DNA thông qua đầu dính có tính đặc hiệu rất cao. Các phân tử DNA phân nhánh có các đầu dính đầy hứa hẹn cho các cấu trúc tuần hoàn. Các phân tử DNA 8 µm, TLR trong dung dịch để tạo thành các tinh thể một miền có kích thước 2 x với độ dày đồng nhất từ 1 đến 2 nm. Hơn nữa, sử dụng oligonucleotide tổng hợp mang các base biến đổi cho phép điều khiển cấu trúc của khối tuần hoàn bằng cách gắn thêm các nhóm chức năng như chất xúc tác, enzyme, và protein, các cụm kim loại hoặc các cấu trúc nano DNA khác như polyhedra [108] hoặc vòng Borromean [50]. Mao và cộng sự đã tạo ra các virus có khả năng kết tinh các hạt tinh thể nano ZnS hoặc CdS bằng kỹ thuật phage display. Các virus này được cho vào dung dịch chứa chất bán dẫn và các hạt tinh thể nano tạo thành dọc theo khuôn virus tạo thành dây nano (hình 26) [50]. Hình 26. (A) Sơ đồ chế tạo dây nano trên nền tảng kỹ thuật phage display và (B) dây nano ZnS-virus [Theo 50]. 3.3.3 Phỏng sinh học Trong tương lai, các hệ thống vật liệu chức năng được phát triển cho công nghệ sinh học nano hoặc công nghệ nano có thể gồm protein (hình 27). Chúng tham gia vào quá trình lắp ráp, chế tác và chắc chắn, trong cấu trúc sản phẩm cuối cùng, mang lại các chức năng đặc biệt, có thể điều khiển tương tự các cấu trúc trong mô xốp và rắn sinh học. Trong lĩnh vực phỏng sinh học phân tử (molecular biomimetic, MB)- trong đó kết hợp hài hòa các lĩnh vực sinh học và vật lý truyền thống- có thể tạo ra các vật liệu lai được lắp ráp từ mức phân tử sử dụng các tính chất nhận biết và gắn đặc biệt của protein với các chất vô cơ. MB mang lại ba giải pháp giúp điều khiển và chế tác cấu trúc nano quy mô lớn cũng như lắp ráp các vật liệu hai, ba chiều một cách có trật tự (hình 27). Giải pháp thứ nhất là chọn lọc là thiết kế ở mức phân tử và di truyền các peptide, protein gắn chất vô cơ. Điều này cho phép đạt được khả năng điều khiển ở những mô thức nhỏ nhất. Thứ hai, có thể sử dụng các protein này làm chất kết nối hay các tập hợp lắp ráp phân tử để liên kết thực thể phân tử, bao gồm hạt nano, polymer chức năng hoặc các cấu trúc khác trên khuôn phân tử. Hình 27. Khả năng sử dụng của các protein gắn chất vô cơ: (a) thể liên kết để cố định hạt nano. (b) các phân tử chức năng lắp ráp trên cơ chất đặc biệt. (c) thể kết nối đa năng gồm 2 protein tiếp giáp với các đơn vị vô cơ nano. NSL, thể kết nối không đặc hiệu [Theo 109]. Giải pháp thứ ba là tự lắp ráp và/hoặc đồng lắp ráp các phân tử sinh học thành cấu trúc nano có trật tự. Điều này đảm bảo một quá trình lắp ráp tinh vi để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp, và có thể là các cấu trúc có thứ bậc, tương tự trong tự nhiên. Hình 28. Tiềm năng ứng dụng của MB trong công nghệ nano và công nghệ sinh học nano sử dụng các polypeptide biến đổi di truyền gắn chất vô cơ [Theo 38]. Chỉ một vài polypeptide đã được xác định là gắn đặc hiệu với các chất vô cơ. Chúng hầu hết là các protein khoáng hóa sinh học, tiết ra từ mô rắn (hard tissue) sau khi được phân tách, tinh chế và tách dòng. Mặc dù cách tiếp cận này khó, tốn thời gian và có nhiều giới hạn lớn, một số protein tách theo cách này đã được sử dụng như enzyme để tổng hợp các chất vô cơ nhất định. Cách tiếp cận phổ biến hơn là thu polypeptide gắn chất hữu cơ nhờ các kỹ thuật sinh học. Trong cách tiếp cận này, một lượng lớn, thư viện ngẫu nhiên được sàng lọc để xác định các trình tự đặc hiệu gắn tốt với vật liệu hữu dùng trong thực nghiệm. Đạt được điều này sẽ là một nhảy vọt phi thường, với khả năng tạo ra các khối cấu trúc nano trong đó protein và tính chất gắn của nó được tạo ra nhờ kỹ thuật DNA trong khi thành phần vô cơ mang các chức năng đặc biệt (như điện, quang, từ). Các polypeptide gắn này (hay các protein nhỏ) được gọi là các protein kỹ thuật di truyền cho chất vô cơ [38]. 3.3.4 Sinh học phân tử Một phần không thể thiếu trong CNSH nano là sinh học phân tử. Sinh học phân tử phát triển mang lại một nền tảng công nghệ cho CNSH nano. Các kỹ thuật lai, dung hợp protein, tạo đột biến được dùng thường nhật trong CNSH nano để tạo ra các khối cấu trúc sinh học, các kỹ thuật nhạy mới. Các hệ thống sinh học có khả năng độc nhất vô nhị trong việc điều khiển cấu trúc, pha, chiều hướng và topo học cấu trúc nano của các tinh thể vô cơ. Các nghiên cứu gần đây đã lợi dụng các nguyên lý nhận biết sinh học để phát triển các kỹ thuật mới nhằm bố trí các vật liệu từ tính, bán dẫn và dẫn điện. Các kỹ thuật trình diện phage (phage display) tái tổ hợp đã được sử dụng để xác định các peptide gắn chất bán dẫn thuộc nhóm III–V và II–VI như ZnSe và GaAs, với các vật liệu từ tính và với calcium carbonate, phosphate. Các peptide có tính đặc hiệu bề mặt tinh thể, có thể phân biệt giữa các hợp kim bán dẫn tương tự như GaAs và AlGaAs, và được sử dụng để tạo ra các hạt nano và các dị cấu trúc. Các phương pháp tổ hợp tương tự đã được sử dụng để tạo ra các cụm nano CdS gói peptide và các protein gắn vàng [96]. Hơn nữa, một số chủng vi khuẩn có khả năng kháng kim loại đáng ngạc nhiên, như bạc và một số thậm chí tích lũy bạc tại thành tế bào với một lượng lên đến 25% trong lượng sinh khối khô. Chủng Pseudomonas stutzeri AG259, phân lập từ mỏ bạc tích lũy các tinh thể đơn bạc với hình dạng và thành phần xác định, như các hinhhf tam giác và lục giác đều, với kích thước dưới 200nm trong không gian ngoại biên [110]. Như vậy, có thể nói, sinh học phân tử là một công cụ không thể thiếu, là kỹ thuật nền của công nghệ sinh học nano. 4. ỨNG DỤNG CNSH nano phản ánh tầm quan trọng ngày càng tăng của khoa học nano và công cụ nano trong việc tạo ra các loại vật liệu sinh học mới để sử dụng trong kỹ thuật mô (tissue engineering) và sắp xếp tế bào (cell patterning), điện cực dùng trong chuẩn đoán, lỗ nano để giải trình tự DNA, vật liệu nano để hiện hình đơn phân tử hoặc tế bào và các thiết bị/vật liệu/hạt nano sử dụng trong phân phối thuốc hoặc liệu pháp y học [4]. Các sản phẩm CNSH nano đầu tiên là kính hiển vi và microfluidic để thao tác ở quy mô nm. Sau đó thị trường đưa ra các hệ thống sử dụng vật liệu nano như điểm lượng tử, vật liệu composite (cơ cấu peptide-lipid) và cảm biến sinh học (mảng ống nano carbon). Mặc dù sau vài năm thương mại hóa, các sản phẩm sử dụng vật liệu cấu trúc nano để phân phối thuốc và kỹ thuật mô đang tiếp cận pha thử nghiệm y học. Xa nhất với khả năng thương mại hóa là các thiết bị điện nano tích hợp, đầy hứa hẹn với những ứng dụng chăm sóc sức khỏe như các điện cực cấy dưới da với khả năng quản lý và đáp ứng theo tình trạng sức khỏe [12]. Mihail Roco, chủ tịch của Nanoscale Science, Engineering and Technology Subcommittee tại NNI, tiên đoán vào năm 2015, ít nhất 1 nửa các loại thuốc được tạo ra sẽ dựa trên CNNN [8]. Hình 29. Các ví dụ về các mức độ can thiệp của CNSH nano với con người [Theo 111] 4.1 Khám phá, phân phối thuốc và các phân tử liệu pháp Trong lĩnh vực CNSH nano, nghiên cứu cũng như ứng dụng nổi bật nhất thuộc lĩnh vực chuẩn đoán và khám phá thuốc, điều này được thể hiện qua nguồn tài chính nổi trội dành cho hai lĩnh vực này (hình 30). Các hệ thống phân phối thuốc siêu nhỏ in vivo là đích đến quan trọng nhất trong nghiên cứu CNSH nano [9]. Hình 30. Nguồn tài chính. (a) Thống kê quỹ đầu tư mạo hiểm tập trung trong CNSH nano từ năm 1998 đến nay. (b) Phân bổ quỹ đầu tư mạo hiểm trong CNNN từ năm 1998 tới nay [Theo 9]. Một trong các khối cấu trúc nano được sử dụng phổ biến nhất trong chiến lược phân phối thuốc là dendrimer (hình 7) bởi tính chất hướng đích và phát hiện của nó. Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức năng cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc hướng đích và điều chị ung thư in vitro và in vivo [112-114], giúp tăng hoạt lực của thuốc và tạo đáp ứng dược học nhanh chóng. Tháng 7 năm 2003, thuốc điều trị HIV có bản chất dendrimer đầu tiên do công ty StarPharma (Melbourne, Australia) phát triển cho thấy hiệu quả điều trị rõ rệt trong thử nghiệm pha I. Thuốc này là một loại gel chứa anionic polyamidoamine dendrimer có khả năng gây nhiễu quá trình xâm nhiễm và dung hợp của virus HIV [12]. Polymer dendrimer là thiết bị nano đa năng với khả năng hướng đích tới tế bào KB trong canh trường, phân phối chọn lọc thuốc chống ung thư methotrexate nội bào và cung cấp tín hiệu hình ảnh quang học thông qua chất phát huỳnh quang gắn với vector nano [115]. Một chiến lược hướng đích nữa sử dụng độ nhạy pH in vivo để giải phóng thuốc chống ung thư paclitaxel nằm trong chất mang polymer nano phân hủy sinh học [116]. Chiến lược này có khả năng đáp ứng với điều kiện riêng biệt tại các vị trí khối u [117]. Các loại hạt nano khác cũng đang được phát triển để phân phối thuốc. Công ty C Sixty (Houston, TX, USA) đang nghiên cứu fullerene ứng dụng trong liệu pháp phân phối và công ty Nanospectra Biosciences (Houston, Texas, USA) đang phát triển vỏ nano (hình cho phép phân phối đúng liều lượng, đúng vị trí hoặc cắt bỏ mô theo cơ chế thứ hai (như quang hoạt) [12]. Một số ứng dụng thú vị của các hạt nano trong khả năng loại bỏ cholesterol đang được các công ty BioSante Pharmaceuticals (Lincolnshire, IL, USA) và NanoBio Corporation (Ann Arbor, MI, USA) theo đuổi [12]. Prasad và cộng sự đã dùng hạt nano từ tính gói trong silica để ly giải từ tính (magnetocytolysis) chọn lọc tế bào ung thư [118]. Nang nano sinh học (BNC) có kích thước trung bình 130nm, lớp ngoài là kháng nguyên bề mặt của vi khuẩn viêm gan B là một bộ máy nano hiệu quả với khả năng phân phối gene, thuốc và protein huỳnh quang đặc hiệu tới tế bào gan người [119]. Ủ hạt nano không có protein chứa aptamer gắn thụ thể hoặc phối tử tạo ra sự gắn và xâm nhập của các hạt liệu pháp hóa trị ba vào tế bào, sau đó điều biến apoptosis của các tế bào ung thư và tế bào lympho trong bệnh bạch cầu [120]. Kam Leong và đồng sự tại Johns Hopkins University và School of Medicine đã sử dụng que nano (hình 12) kim loại chứa nhiều phân đoạn Au và Ni gắn với các phân tử sinh học khác nhau để phân phối vật liệu di truyền vào tế bào [57]. Một nhóm nghiên cứu gồm các nhà khoa học Ý, Pháp, Anh đã dùng NT carbon để chuyển thành công DNA vào tế bào động vật có vú [121]. Gần đây, Benenson và cộng sự cho thấy có thể sử dụng bộ máy tự động có bản chất DNA trong các hệ thống chuẩn đoán và phân phối thuốc [122, 123]. Sự chuyển tiếp phân tử của một bộ máy tự động với nền tảng là enzyme giới hạn FokI được thiết kế để có hoạt tính khi có mRNA. Với các phân tử chuyển tiếp này, có thể chế tạo một máy tính phân tử để xác định hàm lượng phân tử mRNA cao hay thấp. Qua đó, phân phối “thuốc” có bản chất là một đoạn DNA mạch đơn, ngắn, có khả năng gắn với mRNA thích hợp, giúp kìm hãm tổng hợp protein liên quan đến ung thư. Cách tiếp cận này có thể dùng in vivo với các cảm biến hóa sinh hoặc trong chuẩn đoán và điều trị y học [123]. Các phương pháp hướng đích khác sử dụng năng lượng ngoài để hoạt hóa tại chỗ hoạt tính gây độc tế bào, đã được chứng minh trong các mô hình động vật. Các ví dụ là dùng siêu âm tập trung để phá vỡ lipid bao quanh các vi bong bóng (lipid encapsulated ‘microbubbles’) [124]; liệu pháp quang động (photodynamic) với chất mang có bản chất silica [125, 126]; cắt bỏ đúng chỗ bởi nhiệt các tổn thương ung thư bằng cách sử dụng kết hợp vỏ nano và sự hoạt hóa quang học tại bước sóng gần hồng ngoại, để xâm nhập sâu vào mô [33, 36, 37]. Các hệ thống trong tương lai có thể được lập trình trước để có tốc độ phân phối biến đổi theo thời gian hoặc tự điều hòa đáp ứng với các kích thích môi trường (những kích thích này có thể phát hiện bằng cảm biến sinh học tại vị trí cấy). Dựa trên công nghệ kênh nano, các hệ thống điều khiển hoạt hóa mới đang được phát triển cho các thiết bị cấy ghép để thực thi chương trình, điều khiển từ xa và tự điều hòa [117]. 4.2 Chẩn đoán và điều trị Chẩn đoán là lĩnh vực được đầu tư kinh phí nhiều thứ hai sau phân phối thuốc (hình 30). Hiện tại đa có khá nhiều thành công. Các cảm biến sinh học nano được sử dụng thành công trong các đo đạc nội bào. Điện cực PEBBLE có thể xác định pH, Mg+, Cl-, K+, Ca2+, oxy và glucose nội bào khá chính xác [84]. Các cảm biến nano sợi quang của Vo-Dinh và cộng sự [127] được chế tạo thành công để đo nồng độ benzo-a-pyrenetetrol (BPT) trong bào tương của tế bào ung thư vú của người và tế bào biểu mô gan chuột. Điện cực sinh học nano dùng enzyme để phát hiện gián tiếp glutamate (chất truyền dẫn nơron quan trọng trong hệ thần kinh trung ương) một cách liên tục đã được chế tạo thành công, trong đó thụ thể sinh học là glutamate dehydrogenase [128]. Hình 31. Hướng đích và hiện ảnh in vivo dùng QD. (A) Thí nghiệm mô ex vivo của tế bào ung thư đánh dấu QD trong phổi chuột. (B) Hiện ảnh in vivo các vi hạt QD đa màu trong chuột sống. (C) Hướng đích phân tử và hiện ảnh in vivo khối u tiền liệt tuyến ở chuột dùng kháng thể kết hợp với QD [Theo 129]. Thanh và Rosenzweig đã phát triển một thí nghiệm trong đó nồng độ kháng thể được xác định thông qua hàm kết tụ của các hạt vàng gói trong kháng nguyên [130]. Hirsch và đồng sự đã phát triển thí nghiệm kết tụ để phát hiện immunoglobin trong máu sử dụng vỏ nano [36]. Gần đây, Gao và cộng sự sử dụng thành công QD để chụp ảnh và hướng đích ung thư in vivo. Họ gắn QD với kháng thể đặc hiệu tế bào ung thư tiền liệt tuyến. Sau khi tiêm vào chuột (đã chuyển tế bào ung thư tiền liệt tuyến của người), có thể nhận biết và chụp ảnh kháng thể PSMA đánh dấu QD gắn với vị trí khối u in vivo (hình 31) [129]. Wu và đồng sự phát triển các mẫu dò QD đặc hiệu và đáng tin cậy để định vị chỉ thị bề mặt tế bào ung thư vú (Her2), sợi cytoskeleton, và kháng nguyên trong tế bào cố định, tế bào sống và phân đoạn mô [131]. Công ty iMEDD (Columbus, OH, USA) tạo ra lỗ nano trên các thiết bị phân phối thuốc cấy dưới da để điều khiển quá trình giải phóng thuốc. Các chương trình hợp tác giữa National Aeronautics và Space Agency Ames Research Center (Moffet Field, CA, USA) và Stanford University (Stanford, CA, USA) đang cố gắn kết hợp các điện cực lỗ nano cấy vào võng mạc nhằm tạo ra giao tiếp chức năng giữa dây thần kinh và võng mạc (hình 32) [12]. Hình 32. Neurons (neurons) thâm nhập vào mạng lưới lập thể của các sợi nano tự lắp ghép [Theo 12]. Weissleder và đồng sự gần đây đã chứng minh rằng các hạt nano có tính chât từ, ưa béo (lymphotropic paramagnetic nanoparticle) cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ kích thước nano (MRI) trong người bệnh ung thư tiền liệt tuyến, cái không thể phát hiện bằng bất cứ cách không cấy ghép nào khác (non-invasive) [132]. Các hạt nano oxit sắt từ siêu nhỏ, gói trong dextran cho phép chụp ảnh và phát hiện trong phẫu thuật u não tại từ lực thấp [40]. Đánh giá định lượng đáp ứng của tế bào với hợp chất m-dinitrobenzene, hạt nano phát huỳnh quang đã được sử dụng để xác định nồng độ Ca2+ nội bào, tiền chất gây chết tế bào trong các tế bào tu thần kinh đệm C6 và nguyên bào thần kinh (neuroblastoma) SY5Y của người [133, 134]. Các kênh nano cũng cho thấy khả năng cung cấp sự phát hiện miễn dịch của các mảnh ghép tế bào (cell xenograft) trong điều trị bệnh tiểu đường [135, 136]. Các vật liệu nano cũng đang tăng vai trò trong các vật liệu và thiết bị thao tác mô. Công ty AngstroMedica (Newton, MA, USA) đang sử dụng các vật liệu được cấu trúc ở quy mô nano để ổn định và tái tạo xương từ canxi và phosphate. Công ty pSiMedica (The Malverns, UK) đang sử dụng silicon phân hủy sinh học để cấy vào xương. Các loại kiến trúc quy mô nano khác đang được phát triển để tái tạo thần kinh ở công ty NanoMateria (Chicago, IL, hình 3) [12]. Các nhà khoa học tại Northwestern University đã phát triển mã vạch nano (bio-barcode) siêu nhạy có bản chất là hạt vàng nano và DNA để phát hiện phân tử DNA đích (kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến, PSA) ở nồng độ thấp trong máu [137]. PSA được sử dụng để phát hiện ung thư phổi và ung thư tiền liệt tuyến, hai trong số các loại ung thư thường thấy nhất. Cũng trên nguyên lý mã vạch nano, PSA được phát hiện thông qua các vi hạt có từ tính nằm trong kháng thể đơn dòng PSA. PSA bị bắt giữ bởi vi hạt có từ tính và phản ứng với vỏ của hạt vàng nano với một kháng thể PSA đa dòng và barcode DNA hybrid. Phức hệ kẹp PSA bị bắt giữ bởi từ tính và giải phóng barcode DNA. Sau đó barcode DNA được phát hiện trên mảng sau khi gắn với các yếu tố gắn và p