Ứng dụng khoa học công nghệ Nano trong sinh học và y học

1. Công nghệ Nano Sinh học và Y học

Công nghệ Nano sinh học là việc tạo ra các thiết bị cực nhỏ có thể đưa vào mọi nơi trong cơ thể để tiêu diệt virut và các tế bào ung thư, tạo ra hàng trăm các dược phẩm mới từ các vi sinh vật mang ADN tái tổ hợp, tạo ra các protein cảm ứng có thể tiếp nhận các tín hiệu của môi trường sống, tạo ra các động cơ sinh học mà phần di động được chỉ có kích cỡ phân tử protein, tạo ra các chip sinh học và tiến tới khả năng tạo ra các máy tính sinh học với tốc độ truyền đạt thông tin như não bộ . Có thể coi những đơn vị phân tử được tạo ra trong tự nhiên là những cỗ máy cỡ nano phức tạp nhất có chức năng quy định và điều khiển những hệ sinh học. Ví dụ, protein là những cấu trúc phân tử có những chức năng chuyên biệt rõ ràng và tham gia vào tất cả các quá trình trao đổi chất, vận chuyển phân tử, thông tin và tri giác. Khối lượng của một thiết bị nano sinh học phân tử đơn, ví dụ như một protein, bằng từ 1 phần triệu tới 1 phần tỷ khối lượng một tế bào. Vì vậy, thế giới sinh học chính là nguồn cung cấp rất nhiều thiết bị và bộ máy cỡ nano để khoa học và Công nghệ Nano khai thác.

Công nghệ Nano sinh học quan tâm tới những tính chất cỡ phân tử và các ứng dụng của các cấu trúc nano sinh học và do vậy nó có vị trí là giao điểm của các khoa học hóa học, sinh học và vật lý. Công nghệ Nano không quan tâm tới việc sản xuất quy mô lớn các vật liệu sinh học ví dụ như protein hoặc biến đổi gen của thực vật, sinh vật hoặc động vật để tạo ra những tính chất được nâng cao. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật chế tạo nano và quy trình tự lắp ráp phân tử, Công nghệ Nano sinh học cho phép sản xuất ra các vật liệu và thiết bị bao gồm các mô và các cấu trúc giàn được biến đổi tế bào, các cơ vận động phân tử, các phân tử sinh học dùng cho các thiết bị cảm biến, vận chuyển thuốc và các ứng dụng cơ khí. Công nghệ Nano sinh học còn có thể được sử dụng trong y học để tạo ra một phương pháp tổng hợp, thử nghiệm để bào chế dược phẩm, nâng cao các kỹ thuật chẩn đoán, liệu pháp và chiếu, chụp hình ở cấp độ tế bào và nhỏ hơn tế bào, với độ phân giải cao hơn độ phân giải của Chụp hình Cộng hưởng Từ tính (MRI).

Mục đích chủ yếu nhất của đa số nghiên cứu hiện thời là thu được những hiểu biết chi tiết về các cơ chế sinh lý và sinh hóa cơ bản ở cấp độ của từng phân tử. Kiến thức này sẽ cho phép xác định được những quy luật tạo nên các cỗ máy cỡ phân tử, điều này sẽ dẫn tới những ứng dụng công nghệ mới. Một số công cụ đã được phát triển trong những năm gần đây, ví dụ như SPM, AFM và các “nhíp quang học” cho phép quan sát trực tiếp hoạt động của từng phân tử bên trong các hệ sinh vật và sự chuyển động của phân tử ở thời gian thực tế bên trong một động cơ ở cấp phân tử ( molecular motor ).

2. Ứng dụng khoa học công nghệ Nano trong các lĩnh vực sinh học và y học

Công nghệ Nano sinh học được rất nhiều chuyên gia đánh giá là một lĩnh vực có triển vọng lâu dài vì trước hết phải nghiên cứu rất nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản, đồng thời nó cũng hứa hẹn đem lại rất nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực y học. Dự đoán khoảng thời gian để tạo ra những ứng dụng trong lĩnh vực này là 10 năm và xa hơn. Đối với ngắn hạn, có thể sử dụng trực tiếp các protein, ADN và những polime sinh học khác ở các ứng dụng linh kiện điện tử nano và thiết bị cảm biến sinh học. Nói cách khác, các cấu trúc mô phỏng sinh học ( bio-mimetic ) sẽ được phát minh ra nhờ vào việc mô phỏng hoạt động của các cấu trúc tự nhiên, ví dụ như catenane và rotaxane là những hợp chất hoạt động giống như những động cơ phân tử tuyến tính và quay vòng.

Các ứng dụng trong lĩnh vực y học đặc biệt hứa hẹn. Những lĩnh vực như chẩn đoán bệnh, cung cấp dược phẩm theo mục tiêu và chiếu, chụp hình phân tử đang được tăng cường nghiên cứu. Các sản phẩm chứa các hạt nano liên quan tới y học hiện nay đã có trên thị trường Mỹ. Ví dụ Công nghệ Nano đã khai thác tính chất chống vi trùng nổi tiếng của bạc nhằm chế tạo ra đồ băng bó vết thương có chứa bạc tinh thể nano cung cấp ion bạc trong một khoảng thời gian liên tục để tạo ra một loạt phương pháp chống vi khuẩn cho 150 nguồn bệnh khác nhau. - Công nghệ phân tích cấu trúc dữ liệu sinh học theo dãy ( array technology ).

Các công nghệ phân tích cấu trúc dữ liệu sinh học theo dãy sử dụng các mẫu vật sinh học tương đối lớn ở cỡ micromet, đang tiếp tục được nâng cao về độ nhạy, kích thước và khả năng phân tích dữ liệu. Phương pháp chip ADN, mang một dãy phân tử trên một chất trơ, hiện nay thường được sử dụng trong phân tích gen và protein. Xu hướng nghiên cứu khối lượng mẫu vật nhỏ hơn đòi hỏi độ phân giải cao hơn đã biến công nghệ này thành một công nghệ nổi trội. Các công nghệ “Lab on chip” ( Phòng thí nghiệm trên con chip ), đang được sử dụng để phán đoán và hỗ trợ cho việc chẩn đoán bệnh, mặc dù hiện thời mới ở phạm vi micromet, nhưng những tiến bộ trong việc phát triển các hệ nano lỏng sẽ có tiềm năng dẫn tới việc cho ra những hệ tích hợp cỡ nano. Chúng sẽ có rất nhiều ứng dụng ví dụ như sử dụng trong các thiết bị tiên tiến để dò ra các tác nhân hóa chất và sinh học.

- Tích hợp công nghệ sinh học nano với điện tử học và công nghệ thông tin và truyền thông.

Một trong những lĩnh vực nghiên cứu Công nghệ Nano sinh học quan trọng nhất là tích hợp chức năng của protein vào các thiết bị ví dụ như các cảm biến phân tử. Trong lĩnh vực này, nhiệm vụ lớn nhất là hiểu được những tính chất điện tử cơ bản của những cơ chế và phân tử mà nhờ đó dòng điện được truyền giữa chúng, giữa các kim loại, các chất bán dẫn và các composit nano điện tử mới lạ, ví dụ như các ống CNT. Những tiến bộ trong lĩnh vực này sẽ cho phép tích hợp những phân tử “thông minh” vào các thiết bị và các hệ thống để tạo ra các ứng dụng cho ICT. Ví dụ, tạo ra một transitor dựa trên protein sẽ là một nhiệm vụ lớn của Công nghệ Nano sinh học. ADN sẽ trở thành một vật liệu điện tử hữu ích, mặc dù có nhiều thử nghiệm cho thấy nó không phải là một chất dẫn điện tốt, nhưng nó sẽ được sử dụng làm khuôn để sản xuất ra các dây nano ADN bọc vàng hay bạc và các mạch tích hợp sử dụng các liên kết ADN.

Các màng mỏng và các tinh thể của protein màng bacteriorhodopsin đã được chứng minh có những ứng dụng quang học như trong các bộ điều biến quang học, các thiết bị cảm biến và bộ nhớ chụp ảnh giao thoa quang học. Trung tâm phản ứng quang hợp nằm trong protein này, chỉ có kích thước 5 nm, hoạt động với vai trò là một điốt nm, vì vậy có thể sử dụng nó trong các thiết bị quang điện phân tử đơn. Ví dụ, tích hợp nó với các ống CNT dẫn điện và các điện cực cỡ nm sẽ tạo ra những thiết bị mạch lôgic, các bộ chuyển đổi, các pin quang điện, các bộ nhớ và thiết bị cảm biến.

- Công nghệ Nano sinh học với phương pháp tự lắp ráp

Phương pháp chế tạo nano từ trên xuống có lợi thế là sản xuất được hầu như bất cứ một cấu trúc tiền xác định nào. Tuy nhiên, phần lớn nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào những quy trình liên quan tới tự lắp ráp phân tử. Trong lĩnh vực này, các vật liệu sinh học có lợi thế lớn hơn các vật liệu vô cơ do tính đa dạng của các cấu trúc tự lắp ráp mà chúng có thể tạo ra. Sự tiến hóa trong thế giới tự nhiên đã sản sinh ra rất nhiều loại thiết bị sinh học phân tử kỳ diệu. Trong số những ví dụ nổi bật nhất về việc chế tạo các cấu trúc nhân tạo là các cấu trúc hình học dựa trên ADN ( bao gồm các tinh thể nhân tạo ) và các máy nano dựa trên ADN, các máy nano lai ghép giữa vật liệu sinh học với các thành phần vô cơ.

- Cung cấp thuốc theo mục tiêu

Công nghệ Nano có tiềm năng rất lớn để ứng dụng vào liệu pháp gen và cung cấp thuốc theo mục tiêu. Trong phương pháp cung cấp thuốc theo mục tiêu, phương tiện vận chuyển thuốc sẽ là một hạt nano có khả năng hướng tới những tế bào mắc bệnh. Hạt này sẽ mang những loại thuốc để cung cấp vào tế bào và đồng thời mang theo cả một thiết bị cảm biến để điều chỉnh quá trình cung cấp. Các nhà khoa học đã tiến hành thử nghiệm một số giai đoạn của phương pháp này nhưng việc cung cấp thuốc nhằm vào các tế bào mục tiêu còn đòi hỏi cần có những nghiên cứu sâu hơn.

Bên cạnh đó, một hướng tiếp cận khác, có liên quan, đã được đưa vào áp dụng trên thực tế, đó là sử dụng các liệu pháp dược phẩm có nguồn gốc polime. Chúng gồm các dược phẩm polime, các tiếp hợp thuốc polyme, các tiếp hợp protein-polime, các mixen polime, các phức hợp đa thành phần được phát triển làm phương tiện vận chuyển không dùng virut để sử dụng trong liệu pháp gen.

Những loại vật liệu kể trên đã được sử dụng để điều trị một số căn bệnh hiểm nghèo. Liệu pháp gen, trong đó ADN được nén vào trong một hạt cỡ nm, có nhiều hứa hẹn để điều trị các khiếm khuyết di truyền ví dụ như bệnh xơ hoá nang và khiếm khuyết hệ miễn nhiễm. Hiện nay, liệu pháp gen sử dụng vật truyền virut mới chỉ được áp dụng thử nghiệm để chữa trị cho 10 em bé mắc một số khiếm khuyết hệ miễn nhiễm ở Anh. Các cách tiếp cận không sử dụng virut và Công nghệ Nano sinh học cũng đang được nghiên cứu tích cực mặc dù chưa một phương pháp nào được đưa vào điều trị ở các bệnh viện.

- Bào chế dược phẩm

Các kỹ thuật của Công nghệ Nano giúp cho các nhà khoa học có khả năng nghiên cứu các phản ứng của thụ thể tiếp nhận dược phẩm ở mức độ phân tử đơn, như bằng cách sử dụng các nhíp quang học và AFM, nhờ vậy đã mang lại một phương pháp để bào chế dược phẩm trực tiếp hơn. Phương pháp này cũng có thể cho phép, ví dụ, phát hiện ra bệnh tật ở mức độ đơn bào, rất sớm trước khi những triệu trứng của căn bệnh phát ra bên ngoài. Đạt được điều này là nhờ các phương pháp giám sát những thay đổi ở các lực nguyên tử hoặc độ dẫn iôn của một thụ thể tiếp nhận đơn hoặc kênh iôn khi bị một phân tử thuốc gắn vào.

- Chiếu, chụp hình y học

Hiện nay, các kỹ thuật chiếu, chụp hình không xâm phạm giữ vai trò rất quan trọng trong y học. Phương hướng phát triển những kỹ thuật như Chụp hình Cộng hưởng Từ tính (MRI) là tăng cường độ phân giải và các chất tương phản. Các Công nghệ Nano đã có đủ khả năng để chụp hình nội bào nhờ sự gắn kết của các chấm lượng tử hoặc các sắc thể tổng hợp vào các phân tử được lựa chọn, ví dụ như các protein, hoặc bằng việc kết hợp các protein huỳnh quang, nhờ những kỹ thuật quang học ví dụ như kính hiển vi đồng tiêu điểm và chụp hình tương quan, sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu trực tiếp quá trình sinh hoá nội bào.

- Công nghệ Nano với phương pháp điều trị ung thư

Sáng kiến Công nghệ nano Quốc gia của Mỹ đã nhận định rằng Công nghệ Nano có tiềm năng rất lớn trong việc điều trị bệnh ung thư. Theo Sáng kiến này, “Tới năm 2015, khả năng chẩn đoán sớm và chữa trị những khối u mới xuất hiện sẽ góp phần loại trừ hoàn toàn số người chết và mắc căn bệnh hiểm nghèo này”. Trong việc điều trị bệnh ung thư, các thiết bị nano có thể được bọc bên ngoài bằng một vật liệu có khả năng tự tìm mục tiêu, chẳng hạn như kháng thể, để dò tìm tế bào ung thư, hoặc được phủ một lớp thuốc đặc trị để tiêu diệt các tế bào ung thư đồng thời có thể mang các hoạt chất chụp hình giúp chẩn đoán bệnh chính xác hơn. Sử dụng thuốc điều trị thông qua thiết bị nano có thể tiêu diệt chính xác tế bào ung thư mà không ảnh hưởng tới các tế bào khỏe như liệu pháp hóa trị và xạ trị. Tuy nhiên, đây mới chỉ là triển vọng trong tương lai xa. Bên cạnh việc nghiên cứu một số biện pháp chẩn đoán sớm và chữa trị một số dạng bệnh ung thư dựa trên Công nghệ Nano, những nhân tố khác như việc tăng vốn hiểu biết về những nguyên nhân môi trường gây ra bệnh ung thư, các phương pháp chăm sóc sức khoẻ cộng đồng, các tiến bộ trong giải phẫu, dược lý và X quang cũng có vai trò rất quan trọng trong việc giảm tỷ lệ mắc và tử vong của bệnh ung thư.

- Cấy ghép và bộ phận giả

Một số vật liệu nano ví dụ như các ceramic tinh thể nano có những tính chất như độ cứng, chống hao mòn và tương thích sinh học, sẽ làm cho chúng trở thành những vật liệu lý tưởng để làm các mô cấy. Sự phát triển của các hệ thống nano điện tử có mật độ các máy dò lớn và khả năng xử lý dữ liệu cao có thể giúp các nhà khoa học tạo ra một võng mạc nhân tạo hoặc ốc tai nhân tạo. Tương tự như vậy, việc sử dụng các linh kiện điện tử nano sẽ cho phép nghiên cứu quá trình xử lý của dây thần kinh sinh học với độ phân giải cao hơn. Các nhà khoa học đã phát triển dây thần kinh của động vật gặm nhấm trên các bề mặt được chế tạo cỡ nano để hình thành nên những mạng lưới dây thần kinh sơ đẳng, nhờ đó họ có thể đo được tín hiệu điện phát ra. Bằng cách gửi và nhận các xung điện từ hệ thống đó, các nhà khoa học có thể hiểu được các dây thần kinh tạo nên trí nhớ qua những phản ứng của chúng với các mô hình tác nhân kích thích khác nhau như thế nào. Hy vọng rằng các kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho những người bị thương tổn thị giác có thể phục hồi lại khả năng nhìn, hoặc phục hồi lại chức năng của cơ cho những bệnh nhân mắc bệnh Parkinson.