Thử nghiệm thuốc và theo dõi tế bào ung thư di căn nhờ graphene với hạt nano vàng

Graphene và vàng, hai vật liệu kì diệu tiếp tục chứng tỏ những tiềm năng y tế cực kỳ lớn. Cụ thế, trong 3 nghiên cứu được công bố gần đây, các nhà khoa học đã phát triển được nhiều loại vật liệu tiên tiến dựa trên vàng và graphene, có thể giúp chúng ta thử nghiệm các loại thuốc mới, cung cấp thuốc chính xác hơn và thậm chí theo dõi sự di chuyển của tế bào ung thư di căn trong máu.

Thử nghiệm thuốc và theo dõi tế bào ung thư di căn nhờ graphene với hạt nano vàng

Trong một nghiên cứu đột phá công bố hôm nay trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học đã tìm ra cách kiểm soát nhịp đập của các tế bào tim người chỉ bằng ánh sáng và graphene. Câu hỏi là tại sao đó là một điều kỳ diệu?

Trước hết, phải nói đến thực tế trong ngành dược hiện nay, tất cả các loại thuốc trước khi bán ra đều phải được thử nghiệm trên tế bào tim, để chắc chắn nó không gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng cho cơ quan quan trọng bậc nhất cơ thể này.

Các tế bào tim được nuôi cấy trong các đĩa thí nghiệm bằng nhựa hoặc thủy tinh. Vấn đề là môi trường thí nghiệm như vậy không mô phỏng lại chính xác những gì diễn ra trong trái tim thật. Điển nhìn nhất là nhựa và thủy tinh không dẫn điện, còn trái tim thật thì có.

Điều này có nghĩa là các thử nghiệm thuốc với tế bào tim trong đĩa thí nghiệm chưa cho độ chính xác mong muốn. Bây giờ, graphene có thể thay đổi điều đó, bởi nó là một vật liệu an toàn với mô sinh học, dẫn điện và còn hơn thế.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã tìm ra cách điều khiển chính xác lượng điện graphene sinh ra bằng cách thay đổi lượng ánh sáng chiếu vào vật liệu. Khi nuôi tế bào tim trên graphene, họ có thể thao tác các tế bào, theo đồng tác giả nghiên cứu Alex Savtchenko, một nhà vật lý tại Đại học California, San Diego.

Với đế graphen, các nhà khoa học có thể làm cho nó đạp nhanh hơn gấp 1,5 lần, gấp 3 lần, gấp 10 lần, hoặc theo bất cứ mô hình nào họ muốn. Điều này có nghĩa là họ có thể dùng graphene mô hỏng lại mô hình điện tương tự như các loại bệnh tim khác nhau, nhờ vậy, cải thiện các thử nghiệm thuốc.

Ngoài ra, Savtchenko hy vọng phương pháp này còn có thể được ứng dụng để tạo ra một thế hệ máy điều hòa nhịp tim tốt hơn.

Hiện tại, các loại máy kiểm soát nhịp đập của tim thường được làm từ điện cực kim loại, nhiều khả năng để lại sẹo khi chúng được cấy vào bên trong tim. Bây giờ, Savtchenko tưởng tượng thay vì dùng điện cực kim loại, chúng ta có thể dùng một mảnh graphene nhỏ gắn liền với cơ tim. (Graphene sẽ được kiểm soát bởi một nguồn ánh sáng nhỏ được cấy gần đó và không gây sẹo).

Chưa hết, mô hình graphene trong nghiên cứu còn có thể được sử dụng để kiểm soát tín hiệu điện trong não bộ và giúp điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh như Parkinson.

Mô hình đế graphene của Savtchenko và đồng nghiệp

Một vật liệu khác có nhiều tiềm năng trong y học là vàng. Hạt nano vàng an toàn cho cơ thể và ổn định về mặt hóa học. Các nhà khoa học có thể phủ hoặc gắn một số phân tử thuốc lên những hạt nano này. Ưu điểm từ kích thước siêu nhỏ giúp chúng có thể di chuyển dễ dàng qua cơ thể và đi thẳng tới nơi cần thuốc.

Một kịch bản lý tưởng là vậy, nhưng khi bạn tiêm một hạt nano vàng vào cơ thể, nó ngay lập tức bị bao phủ bởi các protein trong máu được gọi là protein huyết thanh, Enrico Ferrari, một nhà công nghệ nano tại Đại học Lincoln cho biết.

Protein huyết thanh cảnh báo hệ miễn dịch của cơ thể, sẽ tấn công hạt nano vàng giống như cách nó chiến đấu với tất cả những kẻ xâm lược cơ thể khác, chẳng hạn như vi khuẩn hoặc virus. Cơ thể của chúng ta sẽ muốn giữ cho hạt vàng không bị phát tán, theo Ferrari, và nếu nó thành công, hiệu lực của thuốc phủ nano vàng sẽ suy giảm. Hệ miễn dịch gom hết vàng về lá lách thay vì nơi bị bệnh và cần chúng.

Vì vậy, Ferrari đã phát triển một cách mới để tạo ra các hạt nano và kết quả của ông gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.

Ý tưởng khá đơn giản, ông bổ sung một lớp protein giúp ngăn chặn protein huyết thanh tấn công hạt nano vàng. Hãy tưởng tượng protein này như một giắc chuyển đổi, Ferrari nói.

Một đầu của nó gắn chặt vào hạt nano vàng và giữ cho các protein huyết thanh không làm việc. Đầu còn lại được thiết kế để đi tìm mục tiêu cụ thể, những địa điểm trong cơ thể mà thuốc cần tiếp cận. Về lý thuyết, phương pháp mới này có thể được thử với bất kỳ loại hạt nano và thuốc nào, và Ferrari muốn hợp tác với các nhà khoa học khác để đưa nó vượt ra ngoài phòng thí nghiệm của ông để ứng dụng tại các bệnh viện.

Mô hình hạt vàng nano gắn protein

Các hạt nano vàng cũng có thể được sử dụng để theo dõi ung thư, Matt Trau, một nhà hóa học tại Đại học Queensland cho biết. Trau là tác giả của một nghiên cứu khác, cũng mới được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Chúng ta biết rằng các khối u thường phát tán tế bào ung thư vào dòng máu. Các tế bào này được gọi là tế bào khối u tuần hoàn (circulating tumor cells- CTC) có thể đi đến một cơ quan khác của cơ thể, “làm tổ” ở đó và tạo ra khối u di căn. Vì vậy, theo dõi được các tế bào này là một mục tiêu quan trọng.

Hiện nay, các nhà khoa học có thể phát hiện được một số manh mối về vị trí của CTC nhờ vào những loại protein đặc biệt của chúng. Nhưng về cơ bản, phát hiện và theo dõi được CTC vẫn rất khó. Hãy tưởng tượng nó giống như việc bạn phải một mình theo dõi và bắt 10 tên tội phạm trong phạm vi thành phố New York rộng lớn, Trau nói.

Khi “tội phạm” là tế bào ung thư, bạn phải chắc chắn rằng bạn bắt được đúng vì nếu không, bạn sẽ đưa ra quyết định điều trị sai, gây hại cho bệnh nhân bởi các tác dụng phụ khắc nghiệt của chúng.

Với nghiên cứu mới, Trau và nhóm của ông đã chế tạo được các hạt nano vàng khác nhau để theo dõi 4 loại CTC. "Bạn chuẩn bị tất cả các hạt, bạn trộn chúng với nhau, và bạn ném các hạt vào mẫu máu", ông nói.

Về cơ bản, các hạt nano này được huấn luyện để tìm ra và gắn vào những loại protein cụ thể đánh dấu CTC. Khi bạn chiếu một vạch huỳnh quang lên các hạt, chúng phát ra một “mã vạch” duy nhất. Nếu hạt nano tìm thấy và gắn với mục tiêu protein, mã vạch thay đổi để bạn biết CTC nào được tìm thấy và bao nhiêu. Mỗi hạt nano được thiết kế để tìm các CTC khác nhau.

Sử dụng hạt vàng nano để theo dõi tế bào ung thư di căn

Trong nghiên cứu này, Trau đã thử nghiệm kỹ thuật mới trên các mẫu máu được lấy từ các bệnh nhân u ác tính đã qua đời trước, trong và sau khi điều trị. Các hạt nano cho thấy các loại tế bào khối u khác nhau trong mỗi mẫu, hệ miễn dịch phản ứng như thế nào và liệu có tác dụng phụ hay không.

Bây giờ, nhóm của ông muốn sử dụng phương pháp này để xét nghiệm nhiều mẫu máu hơn với các loại CTC khác. Mặc dù chỉ nhắm đến 4 loại tế bào CTC trong lần này, tương lai nhóm nghiên cứu có thể tăng số lượng này lên nữa.

Và họ còn muốn thử nghiệm những hạt nano vàng được gắn protein trong thời gian thực. "Nếu chúng ta thấy điều này [sự di chuyển của các tế bào ung thư vào máu] trong thời gian thực, chúng ta có thể đưa ra quyết định về việc thay đổi liều điều trị cho bệnh nhân", Trau nói. "Đây là những hiểu biết sâu sắc về ung thư mà chúng ta chưa từng thấy trước đây".

Tham khảo Theverge