Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà khoa học cho biết họ đã phát triển được hệ thống phòng thí nghiệm thu nhỏ thế hệ mới sử dụng các hạt nano từ để phân lập nhanh các vi khuẩn gây bệnh. Việc sử dụng công nghệ mới này cải thiện cách thức các bác sỹ lâm sàng  phân lập các chủng vi khuẩn kháng thuốc và thể vi sinh khó phát hiện như Ebola và coronavirus, nhóm nghiên cứu đã công bố công trình “Nhanh chóng bẫy và thu nhận Escherichia coli từ chất lỏng cơ thể thông qua thiết bị Nano dạng hạt ba chiều” (Rapid Escherichia coli Trapping and Retrieval from Bodily Fluids via a Three-Dimensional Bead-Stacked Nanodevice) trên tạp chí Vật liệu và giao diện ứng dụng ACS.

Tiến sĩ Ke Du, và Tiến sĩ Blanca Lapizco-Encinas, giảng viên- nghiên cứu tại Trường Cao đẳng Kỹ thuật Kate Gleason của Học viện Công nghệ Rochester, đã hợp tác với một đội ngũ quốc tế thiết kế hệ thống mới này- một thiết bị vi lỏng hay còn gọi là hệ thống lab trên con chip. Các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng thuốc làm hàng trăm ngàn người trên thế giới tử vong mỗi năm, và con số này tiếp tục gia tăng. Dựa trên báo cáo từ Liên Hợp Quốc, số ca tử vong do kháng kháng sinh có thể đạt đến con số 10 triệu ca mỗi năm vào 2050, Tiến sĩ Du trình bày.

“Việc cấp thiết của chúng ta là làm sao để phát hiện, hiểu và điều trị những căn bệnh này tốt hơn. Để có thể phát hiện nhanh và chính xác, việc tinh sạch cũng như chuẩn bị  mẫu rất quan trọng và cần thiết, đó cũng chính là điều mà chúng tôi đang cố gắng xây dựng. Chúng tôi đang đề xuất sử dụng thiết bị mới này để phân lập và phát hiện virus như coronavirus và Ebola”, Tiến sĩ Du, trợ lý giáo sư về kỹ thuật cơ khí có kinh nghiệm trong việc phát triển các công nghệ sinh học mới và công nghệ chỉnh sửa gene phát biểu.

Nhóm nghiên cứu quan tâm đến việc phát hiện bệnh nhiễm khuẩn, đặc biệt là trong dịch cơ thể. Một trong những vấn đề lớn để phát hiện là làm thể nào phân lập được lượng lớn các tác nhân gây bệnh. Thiết bị này là một môi trường thí nghiệm tinh vi có thể được sử dụng trong bệnh viện dã chiến hay phòng khám, có khả năng thu thập và phân tích mẫu nhanh hơn nhiều so với các bộ màng lọc bán trên thị trường. Các kênh của thiết bị sẽ bắt các phân tử vi khuẩn nhỏ thông qua các hạt từ tính xếp chồng với nhau.

Việc kết hợp các kênh sâu hơn trên thiết bị nano này làm tăng tốc độ dòng chảy của dung dịch có vi khuẩn hiện diện, bổ sung các hạt từ dọc các kênh giúp cải thiện quá trình bắt giữ/phân lập mẫu vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã có thể phân lập thành công vi khuẩn từ các chất lỏng khác nhau bằng bộ lọc ma trận dựa trên vi hạt. Bộ lọc bẫy các hạt trong các khoảng trống nhỏ trong thiết bị, cung cấp lượng lớn vi khuẩn cho việc phân tích. Một lợi thế nữa của thiết bị nhỏ như vậy là cho phép kiểm tra nhiều mẫu cùng một lúc.

“Một thiết bị vi mô và nano lỏng mới được xếp chồng lên nhau bằng các hạt từ tính đã được phát triển để bẫy, cô đặc và thu nhận Escherichia coli (E. coli) từ vi khuẩn huyền phù và huyết tương lợn. Các khoảng trống nhỏ giữa các hạt từ được sử dụng để phân lập vật lý vi khuẩn trong thiết bị.  Chúng tôi đã sử dụng động lực học chất lỏng tính toán, công nghệ chụp cắt lớp ba chiều (3D) và công nghệ máy học (machine learning) để thăm dò và giải thích việc xếp hạt trong một không gian 3D nhỏ với tốc độ dòng chảy khác nhau. Một sự kết hợp của các hạt với các kích cỡ khác nhau được sử dụng để đạt được hiệu quả bắt giữ hiệu suất cao (∼86%) với tốc độ dòng chảy 50 μL / phút" các nhà nghiên cứu ghi nhận.

Tận dụng khả năng biến dạng cao của thiết bị này, một mẫu E.coli có thể được hồi phục từ dịch huyền phù vi khuẩn bằng cách áp dụng tốc độ dòng chảy cao, sau đó là tách từ nhanh. Chức năng độc đáo này cũng được sử dụng để thu thập E.coli từ dịch huyền phù vi khuẩn với mức cô đặc ~ 11 lần so với mẫu ban đầu. Quan trọng là thiết bị đa pha, thu nhỏ, rẻ tiền và trong suốt này rất dễ chế tạo và vận hành, làm cho nó trở nên lý tưởng để phân tách mầm bệnh trong phòng thí nghiệm cũng như tại các điểm xét nghiệm tại chỗ.   

”Chúng ta có thể mang thiết bị cầm tay này đến một hồ nước đã bị nhiễm E. coli, lấy một vài ml mẫu nước và cho chạy qua thiết bị để vi khuẩn bị bắt giữ và cô đặc lại.  Chúng ta cũng có thể nhanh chóng phát hiện các vi khuẩn này trong thiết bị hoặc giải phóng chúng vào một số hóa chất nhất định để phân tích chúng ", Du, người trước đây tập trung nghiên cứu vào các thiết bị sử dụng công nghệ chỉnh sửa gene CRISPR và hiểu biết cơ bản về động lực học chất lỏng cho biết.

Hợp tác với Lapizco-Encinas, một kỹ sư y sinh có chuyên môn về điện chuyển (dielectrophoresis), một phương pháp sử dụng dòng điện để tách các phân tử sinh học, sự hợp tác này tăng cường khả năng phát hiện mầm bệnh, đặc biệt là phân lập cô đặc vi khuẩn và vi tảo.

“Mục tiêu của chúng tôi không chỉ phân lập và phát hiện vi khuẩn trong nước và huyết tương người, mà còn trên các mẫu máu toàn phần để hiểu và phát hiện bệnh nhiễm trùng máu, nhiễm trùng huyết. Chúng tôi đã có một kế hoạch cụ thể để thực hiện điều đó. Ý tưởng là sử dụng một cặp thiết bị sàng nano để phân tách tuần tự”, Lapizco-Encinas, phó giáo sư tại khoa kỹ thuật y sinh của RIT cho biết.

Du và Lapizco-Encinas là thành viên của một nhóm bao gồm các kỹ sư cơ khí và y sinh học từ Rutgers, Đại học Alabama, SUNY Binghamton và Viện Tsinghua-Berkeley Thâm Quyến ở Trung Quốc để giải quyết các thách thức toàn cầu về các đại dịch.

Nguồn:https://www.genengnews.com/news/next-generation-miniature-lab-nanodevice-designed-to-detect-bacteria-and-viruses/