Các nhà nghiên cứu ở Standford đã phát triển một microchip cảm biến sinh học mới có thể thúc đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc điều trị. Các microchip này được gói trong các “cảm biến nano – nanosensor ” độ nhạy cao để phân tích cách thức các protein gắn vào một protein khác, một bước quan trọng ...
Các nhà nghiên cứu ở Standford đã phát triển một microchip cảm biến sinh học mới có thể thúc đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc điều trị. Các microchip này được gói trong các “cảm biến nano – nanosensor” độ nhạy cao để phân tích cách thức các protein gắn vào một protein khác, một bước quan trọng để xác định tính hiệu quả và những ảnh hưởng có thể của một dược phẩm tiềm năng.
Một array đơn kích thước centimet gắn các cảm biến nano có thể điều khiển đồng thời và liên tục sự kiện gắn protein nhiều gấp hàng nghìn lần các cảm biến hiện nay. Cảm biến mới này có thể nhận biết các tương tác với độ nhạy cao hơn và vận chuyển các chất phản ứng nhanh hơn nhiều so với phương pháp “tiêu chuẩn vàng – gold standard” hiện nay.
“Bạn có thể thực hiện hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn các protein quan tâm khác nhau trên chip và chạy các thử nghiệm gắn protein trong một lần hoạt động,” Gs. Shan Wang nói.
“Theo lý thuyết, trong một lần test, bạn có thể thấy áp lực của thuốc với mỗi protein trong cơ thể người,” Ts. Richard Gaster nói, và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu này được đưa lên tạp chí Nature Nanotechnology.
Một microchip với một array cảm biến nano (ô màu cam). Bốn protein đích (chữ Y) của thuốc có gắn nanotag (hạt màu nâu).
Tiện ích của array cảm biến nano nằm ở hai sự cải tiến. Đầu tiên là, việc sử dụng “chất đính kèm nano – nanotag” từ tính gắn với protein kiểm tra – như một dược phẩm – làm tăng cao tính nhạy phản ứng. Thứ hai là, một mô hình phân tích mà các nhà nghiên cứu phát triển cho phép họ phán đoán chính xác kết quả cuối cùng của một tương tác dựa trên chỉ một lượng nhỏ thông tin điều khiển. Các kỹ thuật hiện tại điều khiển không nhiều hơn 4 tương tác đồng thời và quá trình này có thể mất nhiều giờ.
“Tôi nghĩ kỹ thuật này có tiềm năng cách mạng hóa cách thức chúng ta làm các thử nghiệm sinh học,” Gs.P.J.Utz ở Trung tâm Y học Đại học Standford cho biết.
Các thành viên nhóm nghiên cứu của Wang đá phát triển một kỹ thuật cảm biến nano từ tính một vài năm trước và giải thích tính nhạy của nó trong nhiều thí nghiệm, trong đó họ cho thấy nó có thể nhận biết các biomarker của protein liên quan với bệnh ung thư máu của chuột ở mức một phần một nghìn nồng độ mà các kỹ thuật hiện thời có thể nhận biết. Nghiên cứu này đã được đăng trên tạp chí Nature Medicine.
Các nhà nghiên cứu đã gắn các nanotag vào protein nghiên cứu. Khi các protein mang nanotag gắn với protein khác đã được đính vào một cảm biến nano, nanotag từ tính làm thay đổi từ trường xung quanh cảm biến nano ở mức thấp nhưng theo một cách khác biệt được xác nhận bởi detector (thiết bị nhận biết).
Gs. Gaster nói “chúng tôi đang thí nghiệm với thuốc điều trị ung thư vú. Nhiệm vụ của loại thuốc này là gắn với protein mục tiêu trên các tế bào ung thư vú một cách chặt chẽ nhất có thể. Nhưng chúng tôi cũng muốn biết: loại thuốc đó gắn kết như thế nào với các protein không liên quan trong cơ thể?”
Để xác định điều này, các nhà nghiên cứu sẽ đặt các protein ung thư vú lên các array cảm biến nano, cùng với các protein lấy từ gan, phổi, thận, và bất kỳ loại mô quan tâm nào. Họ sẽ đưa thuốc có mang các nanotag từ tính và quan sát xem protein nào mà thuốc sẽ gắn vào – và mức gắn kết như thế nào.
“Chúng tôi có thể biết mức độ gắn kết của thuốc với tế bào ung thư vú và sau đó là với các tế bào khác ở mô, cơ quan trong cơ thể,” Gs. Gaster cho biết. “Vì vậy chúng tôi có thể bắt đầu phán đoán những ảnh hưởng đa dạng của thuốc này mà không cần đưa nó vào cơ thể bệnh nhân.”
Độ nhạy gia tăng trong quá trình nhận biết cùng với các nanotag từ tính cho phép Gaster và Wang xác định không chỉ thời điểm một liên kết hình thành mà còn xem chúng mạnh ra sao.
“Tốc độ protein khi gắn và giải phóng cho biết độ mạnh của liên kết”. Đó có thể là một yếu tố quan trọng với nhiều loại dược phẩm.
“Tôi rất ngạc nhiên về độ nhạy đạt được. Các nhà nghiên cứu này sẽ xác định được từ 10 đến 1000 phân tử và điều đó là khá bất ngờ với tôi,” Gs. Utz nói. “Việc chế tạo Cảm biến nano dựa trên loại cảm biến tương tự có trong ổ cứng máy tính,” Wang nói. “Do chip của chúng tội hoàn toàn dựa trên kỹ thuật vi điện tử và các phương thức hiện có, số lượng cảm biển trên một diện tích có thể xếp lên nhau với giá thành cao hơn một chút,” ông nói.
Mặc dù các chip sử dụng trong nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Nature Nanotechnology có nhiều hơn 1000 cảm biến trên một centimet vuông, Gs. Wang cho biết, nó không là vấn đề gì khi đặt 10 nghìn cảm biến trên thiết bị dò mẫu (footprint) tương tự.
“Nó có thể được xếp chồng với hơn 100,000 cảm biến trên một centimet vuông, nhưng vẫn chưa đạt đến giới hạn của kỹ thuật trong ngành công nghiệp vi điện tử. Chúng tôi có thể thấy một tương lai tươi sáng cho những array cảm biến nano có tính năng vượt trội, giống như kỹ thuật nền tảng đã làm ra các array cảm biến nano hiện nay,” Gs. Wang chia sẻ.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển một microchip cảm biến sinh học mới, hứa hẹn rút ngắn đáng kể quá trình tìm kiếm và đánh giá những loại thuốc điều trị tiềm năng. Công nghệ này sử dụng các cảm biến nano có độ nhạy cao, giúp theo dõi cách một protein gắn vào protein khác, thông tin then chốt để xác định hiệu quả cũng như tác động ngoài dự kiến của thuốc. Trên một array chỉ rộng khoảng một centimet, hàng loạt cảm biến nano có thể đồng thời kiểm soát liên tục các sự kiện gắn protein, với số lượng lớn hơn hàng nghìn lần những cảm biến đang được sử dụng hiện nay.
So với phương pháp được xem là “tiêu chuẩn vàng”, thiết bị mới nhận biết tương tác nhạy hơn, đồng thời vận chuyển các chất phản ứng nhanh hơn nhiều. Giáo sư Shan Wang cho biết một chip có thể mang hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn protein khác nhau, rồi thực hiện các thử nghiệm gắn kết trong cùng một lần vận hành. Theo Tiến sĩ Richard Gaster, về lý thuyết, một lần kiểm tra còn có thể cho thấy thuốc tương tác với từng protein trong cơ thể người như thế nào.
Nghiên cứu do Richard Gaster là tác giả đầu tiên đã được đưa lên tạp chí Nature Nanotechnology, đồng thời mở ra cách tiếp cận mới cho việc khảo sát dược phẩm trước khi thử nghiệm trên người. Trong hình dung của nhóm nghiên cứu, microchip chứa một array cảm biến nano với các ô màu cam, còn bốn protein mục tiêu của thuốc có dạng chữ Y và mang theo các nanotag màu nâu. Giá trị nổi bật của array cảm biến nano đến từ hai cải tiến chính, gồm tăng độ nhạy phản ứng và cải thiện cách phân tích dữ liệu thu được.
Cải tiến đầu tiên nằm ở việc gắn các nanotag từ tính vào những protein được kiểm tra, chẳng hạn phân tử thuốc, qua đó khuếch đại tín hiệu xuất hiện trong quá trình tương tác. Cải tiến thứ hai là một mô hình phân tích do nhóm nghiên cứu xây dựng, cho phép dự đoán chính xác kết quả cuối cùng của liên kết chỉ từ một lượng nhỏ thông tin điều khiển. Trong khi các kỹ thuật hiện tại thường chỉ xử lý đồng thời không quá bốn tương tác và có thể mất nhiều giờ, hệ thống mới thực hiện nhiều phép đo cùng lúc hơn.
Giáo sư P.J. Utz tại Trung tâm Y học Đại học Stanford nhận định kỹ thuật này có tiềm năng làm thay đổi căn bản cách các nhà khoa học tiến hành những thử nghiệm sinh học. Nhóm của Shan Wang từng phát triển kỹ thuật cảm biến nano từ tính vài năm trước, sau đó chứng minh độ nhạy của nó qua nhiều thí nghiệm khác nhau. Trong một nghiên cứu đăng trên Nature Medicine, họ cho thấy công nghệ có thể nhận biết các biomarker protein liên quan đến bệnh ung thư máu ở chuột, tại mức chỉ bằng một phần một nghìn nồng độ mà kỹ thuật hiện thời phát hiện được.
Để tạo tín hiệu đo, các nhà nghiên cứu trước hết gắn nanotag vào những protein cần khảo sát, rồi đưa chúng tiếp xúc với các protein khác đã được cố định trên cảm biến nano. Khi xảy ra liên kết, nanotag từ tính làm thay đổi từ trường xung quanh cảm biến nano ở mức rất thấp, nhưng theo một kiểu riêng biệt mà detector có thể nhận biết. Nhờ vậy, hệ thống không chỉ xác định một liên kết có hình thành hay không, mà còn theo dõi được quá trình liên kết diễn ra và biến mất như thế nào.
Gaster cho biết nhóm đang thử nghiệm với một loại thuốc điều trị ung thư vú, trong đó mục tiêu là giúp thuốc gắn thật chặt vào protein trên tế bào ung thư. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng cần biết thuốc có bám vào những protein không liên quan trong cơ thể hay không, vì những tương tác đó có thể tạo ra tác động ngoài mong muốn. Họ dự kiến đặt protein ung thư vú cùng protein lấy từ gan, phổi, thận và các mô quan tâm khác lên array, sau đó đưa thuốc mang nanotag từ tính vào để quan sát vị trí cùng mức độ gắn kết.
Cách làm này cho phép so sánh mức độ thuốc bám vào tế bào ung thư vú với mức độ bám vào các tế bào thuộc mô và cơ quan khác, trước khi thuốc được đưa vào cơ thể bệnh nhân. Độ nhạy tăng cường nhờ nanotag từ tính còn giúp Gaster và Wang đo được không chỉ thời điểm liên kết hình thành, mà cả độ mạnh của liên kết đó. Tốc độ protein gắn vào rồi giải phóng khỏi nhau cung cấp manh mối về độ bền liên kết, một yếu tố có thể quyết định hiệu quả của nhiều loại dược phẩm.
Giáo sư Utz nói ông bất ngờ trước độ nhạy mà hệ thống đạt được, bởi các nhà nghiên cứu có thể nhận biết từ 10 đến 1.000 phân tử trong những phép đo phù hợp. Kết quả này cho thấy một chip nhỏ có khả năng cung cấp lượng thông tin rất lớn về hàng loạt tương tác thuốc protein trong thời gian ngắn. Nếu tiếp tục được hoàn thiện, công nghệ cảm biến nano có thể hỗ trợ sàng lọc thuốc nhanh hơn, đánh giá tác động rộng hơn và giảm nhu cầu thử nghiệm ban đầu trên bệnh nhân.
