Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Hình trái là hình chụp kính hiển vi điện tử của hạt nano có đường kính 8 nm, vỏ dày 4 nm (scale bar 5 nm). Hình phải là hình chụp kính hiển vi điện tử của hạt nano có kích thước 8 nm, vỏ dày 8 nm (scale bar: 25 nm). Nguồn: Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)

Hạt nano được thiết kế đặc biệt để có thể được kích thích bởi ánh sáng laser có mức năng lượng thấp, với bước sóng cận hồng ngoại - được xem là an toàn đối với con người. Những hạt nano sẽ hấp thụ ánh sáng này và sau đó phát ra ánh sáng khác có thể nhìn thấy được và sẽ được đo nhờ một thiết bị chụp hình tiêu chuẩn.

Sự phát triển và ứng dụng của hạt nano này trong chụp ảnh sinh học được mô tả chi tiết và công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 6/8.

Những nhà nghiên cứu hi vọng rằng có thể phát triển những hạt nano hợp kim cải tiến (alloyed upconverting nanoparticles - aUCNPs) này hơn nữa, ví dụ như gắn những hạt này vào một thành phần xác định của tế bào và quan sát sự phát sáng của thậm chí chỉ một tế bào ung thư. Và ứng dụng này có thể được sử dụng để phẫu thuật và điều trị với độ chính xác cao và cho phép loại trừ những nguy cơ nhỏ nhất dẫn đến ung thư.

Bruce Cohen, thành viên của nhóm nghiên cứu trong phòng thí nghiệm phân tử Barkeley (Berkeley Lab's Molecular Foundry- Phòng thí nghiệm chuyên nghiên cứu về khoa học nano, là một phòng thí nghiệm mở và cho phép tham quan bởi những nhà khoa học trong và ngoài nước), hiện đang làm việc với những nhà nghiên cứu ở UC San Francisco (UCSF) để ứng dụng hạt nano vào lãnh vực y học cho biết: “Với nguồn laser yếu hơn cả nguồn laser xanh lá tiêu chuẩn, chúng tôi vẫn có thể chụp được hình nằm sâu bên trong mô”.

Cohen cũng lưu ý rằng có một vài hệ thống chụp hình hiện hành đang dùng nguồn laser có mức năng lượng cao hơn và có thể gây tổn thương tế bào. Theo Cohen, thách thức là làm thế nào để quan sát được hệ thống sống với độ nhạy cao mà không gây tổn thương chúng? Sự kết hợp của ánh sáng năng lượng thấp và nguồn năng lượng laser đã được nghiên cứu trong một thời gian. Năng lượng laser cần cho aUCNPs thấp hơn hàng triệu lần so với năng lượng cần cho đầu dò cận hồng ngoại truyền thống.

Trong nghiên cứu gần đây, những nhà nghiên cứu mô tả làm cách nào để chụp hình từ aUCNPs trong mô chuột sống ở độ sâu khoảng vài millimeter. Họ đã rất ngạc nhiên vì ánh sáng laser sử dụng để thu tín hiệu yếu đến nỗi không gây ra bất cứ tổn thương nào tới mô.

Những nhà nghiên cứu đã tiêm hạt nano vào mô mỡ tuyến vú của chuột và thu nhận hình ảnh từ ánh sáng phát ra từ những hạt này, và không gây bất cứ tổn thương nào cho tế bào.

Cần những nghiên cứu sâu hơn để biết liệu rằng aUCNPs được sản xuất từ phòng thí nghiệm Berkeley có an toàn với người hay không và làm thế nào để chúng bám đặc hiệu vào tế bào ung thư.

Tiến sĩ Mekhail Anwar, bác sĩ ung thư bức xạ và là phó giáo sư tại UC San Francisco, cũng tham gia vào nghiên cứu gần đây, lưu ý rằng có nhiều công nghệ quét hình ảnh khác nhau trong y học để xác định vị trí ung thư- từ mammograms đến MRIs và PET-CT scans- nhưng những công nghệ này có độ chính xác về vị trí không cao.

“Chúng tôi thật sự cần biết chính xác vị trí của tế bào ung thư là ở đâu. Thông thường, chúng tôi nói rằng bạn quá may mắn khi chúng tôi phát hiện được khối u chỉ khoảng 1 cm- nhưng đó đã là cả tỉ tế bào. Còn những quần thể tế bào ung thư nhỏ hơn 1 cm khác đang nằm ở đâu?”

Ông nói, “Những nghiên cứu đầy hứa hẹn tiếp theo ở Molecular Foundry nhằm phát triển công nghệ chụp hình ung thư sử dụng aUCNPs. Những nhà nghiên cứu đang phát triển một đầu dò phù hợp với hạt nanoparticle để có thể gắn lên các dụng cụ và thậm chí là găng tay phẫu thuật để có thể định vị được chính xác vị trí của tế bào ung thư trong suốt quá trình phẫu thuật.”

Emory Chan, một nhà khoa học ở Molecular Foundry, cũng tham gia nghiên cứu này nói rằng: “Bước tiến quan trọng trong nghiên cứu về UCNPs là tìm ra cách để tăng cường khả năng phát sáng sau khi tiếp nhận ánh sáng hấp thụ.”

Trong hàng thập kỷ, cộng đồng khoa học tin rằng cách tốt nhất để tạo ra được vật liệu mới là cấy chúng với kim loại thuộc nhóm lanthanide ở nồng độ thấp. Nhưng nếu sử dụng quá nhiều kim loại thuộc nhóm này lại làm giảm khả năng phát ra ánh sáng và làm yếu tín hiệu quan sát được.

Tuy nhiên, thí nghiệm của Bining "Bella" Tian và Angel Fernandez-Bravo về việc tạo UCNPs có chứa lanthanide và kiểm tra đặc tính của chúng đã thu được những kết quả giá trị. Kết quả cho thấy erbium, một kim loại thuộc họ lanthanide từng được nghĩ là chỉ có thể là nguồn phát xạ, lại trở thành nguồn sáng hấp thụ và kích thích một lanthanide khác là ytterbium, giúp chúng hấp thụ được nhiều ánh sáng hơn.

UCNPs được sử dụng trong nghiên cứu có kích thước khoảng 12-15 nm, đủ nhỏ để cho phép chúng có thể thâm nhập vào mô. Chan cho biết phần vỏ chúng tạo thành như các lớp của củ hành tây, từng lớp một.

Jim Schuck, người tham gia nghiên cứu, đã từng làm việc ở phòng thí nghiệm Berkeley, và hiện giờ đang làm việc tại Đại học Columbia, cho biết nghiên cứu gần đây dựa trên nỗ lực kéo dài hàng thập kỉ ở Molecular Foundry để hiểu, thiết kế lại và tìm ra hướng nghiên cứu, ứng dụng mới cho UCNPs.

“Đây là thiết kế mới của UCNP, tạo ra những hạt sáng hơn, một thay đổi thực sự cho tất cả các ứng dụng chụp hình sử dụng UCNP”, theo Jim Schuck.

Những nhà nghiên cứu ở Molecular Foundry sẽ tiếp tục nghiên cứu cách để tự động hóa quy trình sản xuất hạt nano này bằng cách sử dụng robot gắn chúng với những marker có khả năng bám đặc hiệu lên tế bào ung thư.

Cohen nói rằng việc hợp tác với UCSF mở ra một con đường phát triển mới cho UCNPs, và ông mong đợi nghiên cứu này sẽ tiếp tục phát triển. Ông nói, “Chúng tôi từng không bao giờ nghĩ đến việc sử dụng chúng để ứng dụng chụp hình trong quá trình phẫu thuật, và việc hợp tác với những nhà nghiên cứu như Mekhail mở ra một con đường phát triển hoàn toàn mới với những ý tưởng khác biệt.”

Anwar nói: “Chúng tôi thật sự biết ơn khi có cơ hội được biết đến những kiến thức và tiềm năng của ứng dụng này.”

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180815130534.htm