CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM MÔN: NHỮNG VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIỆN ĐẠI TIỂU LUẬN GVHD: TS. Hoàng Nghĩa Sơn Mã HP: 210518501 Nhóm: 7 Tp.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 5 năm 2013 Nhóm 7 1 CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANNO ỨNG DỤNG TRONG CHUẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ BỆNH UNG THU CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM MÔN: NHỮNG VẤN ĐỀ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC HIỆN ĐẠI TIỂU LUẬN Sinh viên thực hiện MSSV 1. Lê Sỹ Hùng 09230081 2. Trần Nhựt Trường 09225641 GVHD: TS. Hoàng Nghĩa Sơn Mã HP: 210518501 Nhóm: 7 Tp.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 5 năm 2013 Nhóm 7 2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC NANNO ỨNG DỤNG TRONG CHUẨN ĐOÁN VÀ ĐIỀU TRỊ CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và Viện Công Nghệ Sinh Học và Thực Phẩm nói riêng đã tạo điều kiện cho chúng tôi làm bài tiểu luận. GVHD: TS. Hoàng Nghĩa Sơn đã tận tình dạy dỗ, giúp đỡ, hướng dẫn chúng tôi tìm hiểu rõ bộ môn Những Vấn Đề Trong Công Nghệ Sinh Học Hiện Đại. Thư viện trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho chúng tôi tra cứu tài liệu liên quan. Phòng đa phương tiện trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh với hệ thống máy tính hoạt động liên tục giúp chúng tôi cập nhật thông tin nhanh chóng. Đồng cảm ơn sự góp ý của tất cả các bạn cùng lớp đã tận tình góp ý, tham gia đóng góp ý kiến để nhóm hoàn thành tốt bài tiểu luận. Vì thời gian có hạn nên nhóm không thể trình bài tiểu luận một cách tốt nhất, sai sót là điều không thể tránh khỏi. Nhóm xin chân thành cám ơn ý kiến đóng góp của cô cùng tất cả các bạn để hoàn thành tốt hơn trong lần sau. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! Nhóm 7 3 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nhóm 7 4 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư MỤC LỤC Nhóm 7 5 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ sinh học từ lâu đã được biết đến với các thành tựu to lớn đối với đời sống của con người và đáp ứng những nhu cầu cấp thiết của xã hội. Có thể kể tên các thành tựu như nhân bản vô tính, các phương pháp thụ tinh nhân tạo, chuyển gen. Ngày nay công nghệ sinh học hiện đại đã và đang tập trung nghiên cứu các quá trình cơ chế ở mức phân tử. Sinh học phân tử càng phát triển, càng cần các công cụ, vật liệu mới nhằm thâm nhập sâu hơn vào thế giới hiển vi của những quá trình cấu trúc sinh hoc nhằm tìm ra những hướng đi mới trong việc điều trị và chuẩn đoán nhiều căn bệnh nguy hiểm Ngay từ khi con người tìm ra những sinh vật có đường kính rất nhỏ 200nm. Thì thuật ngữ nano (nhỏ xíu) đã bắt đầu xuất hiện trong tài liệu khoa hoc. Kéo theo đó là sự liên kết các vật liệu kỹ thuật chính xác trong tương lai mà người sử dụng với một thuật ngữ nanotechnology . Cụ thể hơn, CNNN là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của CNNN bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano Khi các nhà khoa học tìm cách kết hợp nhằm tạo một hướng đi mới mở đường cho những kỹ thuật hiện đại giữa các vật liệu và tổ chức sinh học kích thước nano. Sự giao thoa ấy mang lại cho sinh học những công cụ mới trong khi sinh học cho phép CNNN đạt được các hệ thống có chức năng mới. Và từ đó,CNSH nano là tập con của CNNN, nó cũng gần với CNSH nhưng thêm khả năng thiết kế và biến đổi các chi tiết sinh học ở mức độ nguyên tử. Điều đó đã đem lại những bước tiến thần kỳ trong y hoc, nông nghiệp, công nghiệp, sinh học phân tử,v,v Thông qua bài tiểu luận này, nhóm chúng em có cơ hội tìm hiểu một vài thành tựu của công nghệ sinh học nano. Ứng dụng của CNSHNN trong đời sống và các giải pháp Nhóm 7 6 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư đạt được nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống, điều trị bệnh… Trong đó, một trong những kỹ thuật hiện đại nhất mang tính toàn cầu là ứng dụng CNSHNN vào việc chuẩn đoán bệnh ung thư. Đó cũng là đề tài “Ứng dụng công nghệ sinh học nano vào việc chuẩn đoán bệnh ung thư” mà nhóm chúng em sẽ tìm hiểu trình bày trong bài báo cáo này. Nhóm 7 7 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư 2. NỘI DUNG 2.1 Giới thiệu Công Nghệ Sinh Học Nano 2.1.1 Khái niệm Nano theo tiếng Latinh (νανοσ) nghĩa là nhỏ xíu, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là chú lùn. Hiện tại trong khoa học, tiền tố Nano biểu thị con số 10 - 9 tức kích thước 1 phần tỷ m .Tiền tố nano xuất hiện trong tài liệu khoa học lần đầu tiên vào năm 1908, khi Lohmann sử dụng nó để chỉ các sinh vật rất nhỏ với đường kính 200 nm. Vào năm 1974, Tanigushi lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology) hàm ý sự liên kết các vật liệu cho kỹ thuật chính xác trong tương lai. Công nghệ Nano (nano technology) chỉ việc nghiên cứu, học tập, tổng hợp và sử dụng các loại vật liệu, thiết bị hay kể cả các hệ thống có kích thước cỡ nano (1 phần tỷ mét). Công nghệ nano có ứng dụng rất lớn trong cuộc sống và là một công nghệ triển vọng ngay tại thời điểm hiện tại lẫn tương lai. Thử tưởng tượng có những thiết bị nhỏ cỡ nano có thể đi vào trong con người, tìm ra các bộ phận bị “ốm” và tuyệt hơn là góp phần làm bộ phận đó “khỏe” trở lại. Công nghệ này cũng được đánh giá là sạch (ít gây ô nhiễm) và hiệu quả hơn các công nghệ hiện tại. Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chính phủ Mỹ định nghĩa công nghệ Nano là “bất cứ thứ gì liên quan đến các cấu trúc có kích thước nhỏ hơn 100nm”. Định nghĩa này đã loại bỏ một cách độc đoán chủ thể của các nghiên cứu liên quan khác tập trung vào các thiết bị vi lỏng (microfluidic) và các vật liệu đang được tiến hành ở quy mô µm. Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa công nghệ Nano là “thao tác và chế tạo ở quy mô nano với độ chính xác nguyên tử”. Cụ thể hơn, công nghệ Nano là khoa học, kỹ thuật và thao thác liên quan tới các hệ thống có kích thước nano, ở đó các hệ thống này thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hóa hoặc tính toán đặc biệt. Nền tảng của công nghệ này là hiện tượng “các cấu trúc, thiết bị và hệ thống có tính chất và chức năng mới khi ở kích thước siêu nhỏ”. Cấu trúc cơ bản của công nghệ Nano bao gồm các hạt hay tinh thể nano, lớp nano và ống nano. Các cấu trúc nano này Nhóm 7 8 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư khác nhau ở chỗ chúng được tạo thành như thế nào và các nguyên tử, phân tử của chúng được sắp xếp ra sao. Công nghệ sinh học nano (CNSH nano) là phạm trù khoa học mới xuất hiện gần đây dựa trên cơ sở kết hợp của công nghệ nano và sinh học. Một mặt CNSH nano nghiên cứu sử dụng “bộ máy sinh học” để hoàn thiện hoặc sáng tạo công nghệ nano mới. Mặt khác nó nghiên cứu sử dụng công cụ công nghệ nano để nghiên cứu hệ sinh học. Nói một cách văn vẻ hơn, CNSH nano là một sự thu nhỏ quá trình và thiết bị CNSH về mức độ nano. Thí dụ công nghệ DNA nano hay bộ máy họat động của tế bào có thể coi là CNSH nano, vì cả hai đều dựa vào họat động của các phân tử sinh học ở mức độ nano. Mặt khác, hạt nano sử dụng làm phương tiện vận chuyển thuốc chữa bệnh hướng đích hoặc làm cảm biến sinh học cũng là thí dụ CNSH nano, vì trong trường hợp này, công cụ của công nghệ nano được sử dụng cho mục đích sinh học .Hiểu biết về hóa sinh học là cơ sở khoa học của CNSH nano. Vì CNSH nano nghiên cứu các quá trình biến đổi sinh học ở mức độ tế bào và mô liên quan đến: Biến đổi hình dạng, độ bám dính ; Sự kích thích cơ-điện, độ chứa điện, chứa năng lượng, pin sinh học ; Sự hấp phụ, phát huỳnh quang, hiện tượng quang- hóa; Độ giữ nhiệt, điều biến nhiệt ; Cách thức tế bào tương tác với vật liệu nano, các phân tử khuyết tật, hệ cơ-sinh học; Bệnh di truyền, ung thư, khuyết tật mô hoặc tạng, cũng như xây dựng hệ máy tính DNA. Công nghệ Sinh Học nano là bất cứ ứng dụng nào của công nghệ Nano trong nghiên cứu sinh học bao gồm: khám phá thuốc, thiết bị phối thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới. Theo NIH, Công nghệ Sinh Học nano là: • Áp dụng công cụ ở kích thước nano vào hệ thống sinh học • Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để phát triển các sản phẩm mới cỡ nano. Ở đây, cần phân biệt giữa ‘Nano&Bio’ (sử dụng công nghệ Nano để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học), và ‘Bio&Nano’ (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo các hệ thống kỹ thuật). Nhóm 7 9 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư 2.1.2. Hướng nghiên cứu chính Cùng với sự nở rộ của CNNN, CNSH nano cũng đang có những bước tiến thành kỳ. Một số ví dụ của CNSH nano trong nghiên cứu và phát triển: • Chụp ảnh và nghiên cứu tương tác giữa các đơn phân tử sinh học. • Màng chức năng tự lắp ráp với các tính chất như xúc tác, quang hoạt, dẫn điện, điện hóa và lọc nước, lọc khí, vi sinh vật. • Động cơ DNA (DNA motor) dựa trên lực tạo ra khi lai các trình tự bổ sung với nhau. • Chụp ảnh quá trình vận động của virus, protein, prion và thuốc trong tế bào sống. • Chuyển gene và đột biến điểm chính xác. • Các bộ phận phân tử mới hướng đích và tăng phản ứng miễn dịch • Công nghệ phân phối thuốc hướng đích • Khai thác các động cơ sinh học như cơ và các protein vận động khác, để tạo năng lượng điện hoặc cơ. Hiện tại trên thị trường đã có những sản phẩm thương mại của CNSH nano. Bảng 2.1 liệt kê một số công ty thành công trong lĩnh vực CNSH nano theo ba hướng nghiên cứu chính là • Phân tích sinh học • Phân phối thuốc và liệu pháp • Thiết bị y học và cảm biến sinh học Rõ ràng, có sự chồng lấp giữa các lĩnh vực này, và một lĩnh vực phát triển sẽ xúc tác sự phát triển của lĩnh vực khác. Như một tất yếu trong các lĩnh vực công nghệ cao và mới, Mỹ luôn là nước dẫn đầu thể hiện ở số công ty vượt trội. Tuy nhiên, một số nước khác như Úc Nhật, Canada, Nhật, Anh cũng đã có những công ty tham gia vào thị trường đầy tiềm năng này. Nhóm 7 10 [...]... thân tế bào cũng được lợi dụng làm khuôn để chế tạo dây nano Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ hiện nay, có thể nói, mọi cấu tử sinh học ở kích thư c nano đều có tiềm năng ứng dụng trong CNSH nano 2.3 Cấu trúc nano tích hợp Ngày nay, người ta thiết kế và chế tạo các bộ máy sinh học nano để thực hiện các nhiệm vụ đặc biệt ở quy mô nano, như hướng đích tới các tế bào ung thư hoặc giải quyết một... phận” của bộ máy sinh học- nano Và với các tiến bộ công nghệ, chúng ta có thể mở rộng chức năng của các bộ máy này theo mục đích của mình, biến đổi các bộ máy nano phân tử sinh học sẵn có hoặc thiết kế những cái hoàn toàn mới Theo xu thế hiện nay, người ta không ngừng tìm hiểu, khám phá các cơ chế sinh học, tận dụng tối đa mọi tiềm năng sẵn có trong các hệ thống sinh học để ứng dụng vào CNSH nano Bởi thế,... AuPpy và các cấu trúc nano được tạo nên từ chúng Ngoài những vật liệu nano kể trên, với các phương pháp tổng hợp hóa học, người ta còn tạo ra các cấu trúc đĩa nano (nanodisks), hạt nano đa vỏ, cách tử nano tam giác và các cấu trúc nano nhánh, mang lại những ứng dụng hết sức đa dạng trong CNSH nano Nhóm 7 19 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư Bên cạnh vật liệu nano, các phần tử sinh. .. đặc biệt thành các hiệu ứng có thể đo đạc (như tín hiệu điện) Vì tính đặc hiệu cao của các thụ thể sinh học (DNA, kháng thể), so với điện cực hóa học, điện cực sinh học nhạy hơn nhiều trong các đánh giá sinh học Dùng vật liệu nano trong điện cực sinh học cho phép sử dụng một số kỹ thuật truyền tín hiệu mới Vì m, các điện cực nano, mẫu dò nano và các hệ thống khác là những µ kích thư c dưới lĩnh vực cách... và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư Động cơ sinh học nano là protein và phức hệ protein thực hiện các chức năng khác nhau thiết yếu cho sự sống như tái bản và biệt hóa của tế bào Chúng sử dụng năng lượng hóa học, điện hóa hoặc điện thế và chuyển năng lượng này thành lực cơ học Tự nhiên luôn cung cấp cho chúng ta một dải rộng các động cơ sinh học nano (hình 2.10), chúng được tiến hóa để... quang và hóa học đều có độ dài tới hạn cỡ nm Nhóm 7 11 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư Nếu vật liệu nhỏ hơn kích thư c này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Tính chất đặc biệt của vật liệu nano được đem lại do kích thư c của nó nhỏ hơn kích thư c tới hạn của vật liệu Bảng 3 Kích thư c của một số cấu tử nano Hình 2.1 Kích thư c vật liệu nano và tế bào Nhóm 7 12 CNSH Nano. .. sự nổi lên để điều khiển các vật liệu ở mức nl, chúng được gọi là các hệ thống nanofluidic Nhóm 7 24 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư Hình 2.12 Ảnh hệ thống nanofluidic thực hiện 3 quá trình song song đồng thời sử dụng các thể tích mẫu 1,6 nl, 1,0 nl và 0,4 nl để tách DNA 2.3.3 Điện cực nano (nanosensor) Điện cực sinh học là một thiết bị gồm thụ thể sinh học và một yếu tố... đoán, điều trị Ung Thư Phân loại vật liệu nano Theo trạng thái, người ta phân chia vật liệu nano thành trạng thái rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta chia vật liệu nano thành: • Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thư c nano) , ví dụ, đám nano, hạt nano • Vật liệu nano một chiều... có kích thư c nano, ví dụ, dây nano, ống nano (NT), • Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thư c nano, ví dụ, màng mỏng, • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thư c nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau 2.2.1 Vật liệu nano dùng trong công nghệ sinh học... hơn dưới những điều kiện ở đó quá trình chuyển khối biên là chủ đạo Chiều sâu của lỗ nano trên màng là 5-10 nm và đường kĩnh lỗ là 3nm Chúng nhỏ đến mức chỉ cho một mạch đơn DNA đi qua (hình 2.4a) Hình 2.4 Một số cấu trúc nano dạng cầu (a) Lỗ nano [Theo 34], (b) vỏ nano và (c) hạt nano có từ tính Nhóm 7 15 CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư Vỏ nano (Nanoshell) Vỏ nano là khối . thuốc, công cụ chuẩn đoán, liệu pháp và vật liệu sinh học mới. Theo NIH, Công nghệ Sinh Học nano là: • Áp dụng công cụ ở kích thư c nano vào hệ thống sinh học • Sử dụng hệ thống sinh học làm. điều trị bệnh… Trong đó, một trong những kỹ thuật hiện đại nhất mang tính toàn cầu là ứng dụng CNSHNN vào việc chuẩn đoán bệnh ung thư. Đó cũng là đề tài Ứng dụng công nghệ sinh học nano vào. phẩm mới cỡ nano. Ở đây, cần phân biệt giữa Nano& amp;Bio’ (sử dụng công nghệ Nano để phân tích và tạo ra các hệ thống sinh học) , và ‘Bio& ;Nano (sử dụng vât liệu và cấu trúc sinh học để tạo