Phát triển loại kính áp tròng thông minh chẩn đoán và tầm soát ung thư
Các nhà khoa học từ Viện Đổi mới Y sinh Terasaki (TIBI)- Mỹ đã phát triển một loại kính áp tròng có thể chụp và phát hiện exosomes, đây là những túi có kích thước nanomet được tìm thấy trong dịch cơ thể có khả năng trở thành dấu ấn sinh học chẩn đoán ung thư.
Thấu kính được thiết kế với các vi sợi liên kết với những kháng thể có thể thu nhận các exosomes được tìm thấy trong nước mắt. Kính áp tròng siêu nhỏ truyền tín hiệu liên hợp kháng thể (ACSM-CL) này có thể được nhuộm màu với mục đích phát hiện với các kháng thể đặc hiệu được gắn thẻ hạt nano để hình dung chọn lọc. Điều này mang đến nền tảng tiềm năng để sàng lọc trước ung thư và công cụ chẩn đoán hỗ trợ dễ dàng, nhanh chóng, nhạy cảm, tiết kiệm chi phí và không xâm lấn.
Exosomes được hình thành trong hầu hết các tế bào và được tiết thành nhiều chất lỏng của cơ thể, chẳng hạn như huyết tương; nước bọt; nước tiểu và nước mắt.
Phát triển loại kính áp tròng thông minh chẩn đoán và tầm soát ung thư. Ảnh minh họa
Hiện tại, exomes có thể vận chuyển những phân tử sinh học khác nhau giữa các tế bào. Và được chứng minh rằng có rất nhiều protein bề mặt trên exomes – một số loại phổ biến đối với tất cả các exomes và những loại khác thì tăng lên để phản ứng với bệnh ung thư, nhiễm virus hoặc chấn thương. Ngoài ra, một số exsome có nguồn gốc từ khối u có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc điều chỉnh, tiến triển và di căn của khối u.
Do đó, người ta đã quan tâm nhiều đến việc sử dụng exosomes để chẩn đoán ung thư và dự đoán/điều trị. Tuy nhiên, điều này đã bị cản trở bởi khó khăn trong việc phân lập những exosomes đủ số lượng và độ tinh khiết cho mục đích này. Một số phương pháp hiện tại liên quan đến máy siêu ly tâm và gradient mật độ (density gradient) và tốn thời gian, kéo dài ít nhất 10h để hoàn thành. Những khó khăn hơn nữa được đặt ra trong việc phát hiện exosomes biệt lập; các phương pháp thường được sử dụng đòi hỏi thiết bị đắt tiền và tốn diện tích.
Nhóm nghiên cứu ở Viện TIBI đã tận dụng chuyên môn trong việc thiết kế và chế tạo cảm biến sinh học kính áp tròng để loại bỏ sự cần thiết của các phương pháp cách ly này bằng cách phát minh ra ACSM-CL để thu thập exosomes từ nước mắt, là nguồn exosomes tối ưu và sạch hơn so với máu, nước tiểu và nước bọt.
Các tác giả đã tạo điều kiện và tối ưu hóa việc chuẩn bị ACSM-CL bằng cách sử dụng một số phương pháp thay thế. Khi chế tạo những vi mạch cho thấu kính, họ sử dụng phương pháp cắt và khắc trực tiếp bằng laser thay vì đúc thông thường để giữ lại cấu trúc của cả khoang và thấu kính. Ngoài ra, còn giới thiệu thêm phương pháp biến đổi hóa học các bề mặt vi hạt để kích hoạt chúng liên kết với kháng thể. Phương pháp này được sử dụng thay cho phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn, trong đó các vật liệu kim loại hoặc nanocacbon phải được sử dụng ở môi trường sạch.
Sau đó, tối ưu hóa những quy trình để liên kết hai loại kháng thể: kháng thể bắt (capture antibody) với vi sợi ACSM-CL và một kháng thể phát hiện khác (detection antibody) (đối chứng dương tính) lên các hạt nano vàng có thể nhìn thấy được bằng quang phổ. Cả hai kháng thể này đều đặc hiệu cho hai dấu hiệu bề mặt khác nhau được tìm thấy trên tất cả các exsome.
Trong thử nghiệm xác nhận ban đầu, ACSM-CL được thử nghiệm dựa trên các exosomes được tiết thành chất nổi trên bề mặt từ mười dòng tế bào ung thư và mô khác nhau. Khả năng thu nhận và phát hiện exosomes được xác nhận bởi sự thay đổi quang phổ quan sát được trong tất cả những mẫu thử nghiệm, so với đối chứng âm tính. Kết quả tương tự cũng thu được khi ACSM-CL được thử nghiệm trên mười mẫu nước mắt khác nhau được thu thập từ các tình nguyện viên.
Trong những thí nghiệm cuối cùng, các exposome trong chất nổi trên bề mặt thu thập từ ba dòng tế bào khác nhau với một số biểu hiện đánh dấu bề mặt khác nhau đã được thử nghiệm chống lại ACSM-CL, cùng với sự kết hợp khác nhau của một số kháng thể phát hiện dấu hiệu đặc hiệu. Kết quả là những mô hình phát hiện và không phát hiện exosomes từ ba dòng tế bào khác nhau như mong đợi, do đó xác nhận khả năng của ACSM-CL trong việc thu nhận và phát hiện chính xác exosomes với các điểm đánh dấu bề mặt khác nhau.
Giám đốc điều hành TIBI Ali Khademhosseini cho biết: “Exomes là một nguồn phong phú của các chất đánh dấu và phân tử sinh học có thể được nhắm mục tiêu cho một số ứng dụng y sinh. Phương pháp luận mà nhóm nghiên cứu đã phát triển tạo điều kiện rất nhiều cho khả năng khai thác nguồn này”.
Tương tự, trước đó Mojo, theo các nhà nghiên cứu từ Đại học Columbia cũng đã bắt tay thử nghiệm toàn diện kính áp tròng thông minh trên người, sẽ cung cấp cho người đeo một màn hình hiển thị như lơ lửng trước mắt họ. Thấu kính scleral của sản phẩm (một thấu kính lớn hơn mở rộng đến tròng trắng của mắt) điều chỉnh tầm nhìn người dùng, nhưng cũng kết hợp với màn hình microLED siêu nhỏ, cảm biến thông minh và pin thể rắn.
Rebecca Rojas, giảng viên Đại học Columbia, cho biết thấu kính có thể “bao gồm khả năng tự theo dõi nhãn áp, hoặc glucose. Ví dụ, mức đường huyết cần được theo dõi chặt chẽ bởi những người mắc bệnh tiểu đường. Nó cũng có thể cung cấp các tùy chọn phân phối thuốc dạng phóng thích kéo dài, có lợi trong chẩn đoán và điều trị”.
Nghiên cứu đang được tiến hành để chế tạo thấu kính có thể chẩn đoán và điều trị các tình trạng y tế từ bệnh về mắt, đến bệnh tiểu đường hoặc thậm chí ung thư bằng cách theo dõi một số dấu ấn sinh học nhất định như mức độ ánh sáng, các phân tử liên quan đến ung thư hoặc lượng glucose trong nước mắt. Ví dụ, một nhóm nghiên cứu Đại học Surrey (Anh) tạo ra một kính áp tròng thông minh có chứa cảm biến ảnh để nhận thông tin quang học, cảm biến nhiệt độ để chẩn đoán bệnh giác mạc tiềm ẩn và cảm biến glucose theo dõi nồng độ glucose trong dịch nước mắt.
Yunlong Zhao, giảng viên bộ môn lưu trữ năng lượng và điện tử sinh học tại Đại học Surrey, cho biết: “Chúng tôi làm cho nó siêu phẳng, với một lớp lưới rất mỏng, có thể đặt lớp cảm biến trực tiếp lên kính áp tròng để trực tiếp chạm vào mắt và tiếp xúc với dung dịch nước mắt. Bạn sẽ cảm thấy thoải mái hơn khi đeo vì nó linh hoạt hơn và do tiếp xúc trực tiếp với dung dịch nước mắt nên có thể cung cấp kết quả cảm nhận chính xác hơn”.
Mặc dù rất thú vị, nhưng công nghệ lense thông minh vẫn phải vượt qua một số rào cản. Một thách thức là cung cấp năng lượng bằng viên pin phải cực kỳ nhỏ. Mojo vẫn đang thử nghiệm sản phẩm của mình, nhưng muốn khách hàng có thể đeo ống kính của mình cả ngày mà không cần phải sạc lại. Sinclair bình luận: “Thời lượng pin thực tế sẽ phụ thuộc vào cách thức và tần suất nó được sử dụng, giống như điện thoại thông minh hoặc đồng hồ thông minh”.
Ngọc Nga (T/h)