Cảm biến sinh học - tiềm năng trong hỗ trợ điều trị bệnh

Một loạt các cảm biến sinh học đã được phát triển, hứa hẹn đem lại một loạt các ứng dụng lâm sàng. Ví dụ, họ có thể theo dõi tình trạng viêm bằng cách cảm nhận nồng độ oxit nitric tăng hoặc cung cấp dữ liệu dược động học cá nhân để chỉ định liều thuốc kháng sinh và thuốc trị ung thư phù hợp. “Hãy tưởng tượng sức mạnh của việc chỉ cần mời bệnh nhân ngồi vào ghế và khi truyền thuốc, chúng ta sẽ có một thiết bị cảm nhận các loại thuốc khác nhau và điều chỉnh liều lượng phù hợp với đáp ứng của cơ thể bệnh nhân.

Tham vọng cho các công nghệ như vậy là rất cao, nhưng sự phát triển chưa hoàn toàn ở đó. Các nhà khoa học vẫn đang làm việc để sản xuất các cảm biến chọn lọc, nhạy hơn, có thể đảo ngược và tương thích sinh học.

Các hệ thống cảm biến in vivo tiên tiến nhất đã được sử dụng để theo dõi glucose liên tục (CGM) từ năm 2017 đối với một số người mắc bệnh đái tháo đường týp 1 và các thử nghiệm đã cho thấy các thiết bị thành công trong việc giảm tỷ lệ hạ đường huyết. Các thiết bị này sử dụng các cảm biến điện hóa được chèn ngay dưới da; chúng hoạt động trong khoảng 14 ngày, đo nồng độ glucose trong dịch kẽ. Các cảm biến sử dụng enzyme glucose oxyase để oxy hóa glucose, tạo thành hydro peroxide phản ứng với platinum bên trong cảm biến, tạo ra tín hiệu điện thay đổi theo nồng độ glucose có thể được gửi không dây đến một thiết bị khác, như điện thoại thông minh hoặc cảm biến khác.

Các phát triển của cảm biến sinh học

Cảm biến ionophore: Kevin Cash, một kỹ sư hóa học tại Trường Mỏ Colorado ở Golden, Colorado và các đồng nghiệp đã thiết kế một số cảm biến đo tín hiệu quang hoặc huỳnh quang. Cash đã bắt đầu phát triển các cảm biến quang học tại phòng thí nghiệm của Heather Clark tại Đại học Đông Bắc, Boston, Massachusetts. Tín hiệu quang được phát hiện đơn giản bằng cách chụp ảnh bề mặt của da để ghi lại hình ảnh của ánh sáng trong cơ thể được tạo ra và có thể biết được những gì đang diễn ra trong cơ thể. Cash gọi các cảm biến quang học dựa trên ionophore của mình là 'hình xăm hạt nano' vì chúng nằm dưới các lớp da. “Chúng có rất nhiều, nhỏ hơn nhiều so với tóc người và chúng ta có thể làm cho mỗi một hạt trong số chúng thay đổi màu sắc khi nồng độ của thuốc hoặc ion hoặc chất chuyển hóa thay đổi. Chúng tôi đặt chúng vào một vị trí tiêm nhỏ để nó trông giống như một hình xăm, giống như - một vòng tròn nhỏ - và khi nó thay đổi màu sắc hoặc các thuộc tính quang học khác, chúng tôi có thể báo lại những gì đang diễn ra bên trong cơ thể” - Cash giải thích.

Clark, một nhà hoá sinh học tại Đại học Đông Bắc (Hoa Kỳ), và nhóm của cô đã phát triển một dòng mô-đun cảm biến có kích thước khoảng 100nm, nằm trong một lớp phủ polymer tương thích sinh học. Một trong những thành công sớm nhất của nhóm trong lĩnh vực này là một cảm biến được chế tạo theo dõi nồng độ histamine trong cơ thể bằng cách sử dụng enzyme diamine oxidease và một cảm biến nano oxy huỳnh quang. Các histamine bị phá vỡ bởi diamine oxyase, làm giảm nồng độ oxy cục bộ, do đó, làm tăng sự phát quang của chất huỳnh quang nhạy cảm với oxy.

Những cảm biến này có thể phát hiện các ion như lithium, kali, natri và canxi - tất cả chúng thường được xác định trong sàng lọc chuyển hóa máu tiêu chuẩn. Mặc dù các cảm biến đo nồng độ xen kẽ của các ion này và các phân tử nhỏ khác, thay vì nồng độ của chúng trong máu, nhưng hai giá trị này tỷ lệ thuận với nhau.

Cảm biến ống nano carbon: Michael Strano, kỹ sư hóa học tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge, Massachusetts và nhiều thành viên trong nhóm cũ của ông hiện đang độc lập thiết kế các thiết bị ống nano carbon. Để tạo ra cảm biến, Strano đã tạo ra phân tử pha corona, trong đó ống nano được bọc bằng một loại polymer có chức năng. “Cấu trúc cụ thể mà polymer sử dụng khi bọc quanh ống nano carbon là thứ cho phép phát hiện chất phân tích quan tâm, bởi vì nó tạo thành cấu trúc 3D độc đáo cho phép chất phân tích liên kết cụ thể và chọn lọc với bề mặt của ống nano. Từ sự thay đổi cường độ hoặc bước sóng của huỳnh quang, bạn có thể suy ra nồng độ cục bộ của chất phân tích.

Cũng như các cảm biến quang học khác, thiết bị được cấy dưới da. Lớp vỏ đầu tiên trong một lớp hydrogel không làm gián đoạn khả năng phản ứng của cảm biến. Các thiết bị đã được chứng minh là hoạt động thành công trên chuột trong tối đa 300 ngày, mang lại hy vọng cho các hệ thống cảm biến dài hạn không cần phải thay thế liên tục. Các cảm biến đã được thiết kế để theo dõi oxit nitric, cung cấp dấu hiệu của viêm trong cơ thể và các phân tử khác cũng có thể được phát hiện, bao gồm insulin, dopamine, axit L-ascorbic, riboflavin, L-thyroxine và oestradiol. Bisker cũng đã phát hiện các phân tử protein lớn hơn và tạo ra một hệ thống có thể theo dõi fibrinogen – yếu tố góp phần tạo nên protein được sử dụng trong tạo cục máu đông.

Nhưng một trong những nhược điểm chính của phương pháp này là mối lo ngại về độc tính của ống nano carbon ở người. Khi nghiên cứu chỉ ra rằng hình dạng thon dài của ống nano carbon và bản chất kỵ nước của chúng có thể gây ra phản ứng độc hại tương tự với các hạt do amiăng gây ra khi hít vào.

Những cảm biến Opto-acoustic: Opto-acoustics có thể cung cấp khả năng hình ảnh tương tự như siêu âm, nhưng thay vì âm thanh đưa vào và âm thanh phát ra, tín hiệu ánh sáng được sử dụng để tạo ra các sóng âm thanh rất nhỏ nhưng có thể phát hiện được. Vì âm thanh không được hấp thụ dễ dàng như ánh sáng, thông tin từ các mô sâu hơn có thể được thu nhận.

Jesse Jokerst, một nhà nghiên cứu nano tại Đại học California San Diego, đã tạo ra các cảm biến dựa trên âm học. Jesse giải thích: Khi ánh sáng truyền qua cơ thể và được mô đích hấp thụ, có một quá trình làm nóng rất ngắn và nhanh, sự kiện đó gây ra giãn nở. Sóng tạo áp xuất hiện khi mô đích mở rộng có thể được phát hiện dưới dạng âm thanh. Các xung ngắn, 5ns có thể được phát hiện bởi cùng một loại đầu dò được sử dụng trong siêu âm thông thường, nhưng độ tương phản trong cách các mô khác nhau phản ứng lớn hơn nhiều, làm cho nó có thể thu được thông tin hóa học ở tốc độ khung hình khoảng năm hình ảnh mỗi giây. Ví dụ kinh điển là hemoglobin, tạo ra phản ứng quang âm khác nhau khi được oxy hóa, tiết lộ các khu vực của cơ thể bị thiếu oxy.

Jokerst đã tạo ra một ống thông thông minh để theo dõi mức độ heparin chống đông máu trong bệnh nhân. Khoảng 500 triệu liều heparin được tiêu thụ trên toàn cầu mỗi năm, nhưng việc quản lí gặp rất nhiều khó khăn vì liệu điều trị hẹp, đặc biệt là trẻ em. Liều lượng không chính xác dẫn đến xuất huyết hoặc đông máu. Jokerst đã bọc một ống thông kết hợp với phân tử xanhmetylen được liên kết với heparin và làm tăng đáng kể tín hiệu quang điện của nó. Ý tưởng là đặt ống thông này vào tĩnh mạch của bệnh nhân. “Bệnh nhân sẽ đeo một đầu dò siêu âm linh hoạt ở phía trên cánh tay nơi đặt và sử dụng nó để theo dõi liên tục heparin thay vì chỉ đo mỗi 12 đến 24 giờ.

Cảm biến Aptamer: Đối với hầu hết các hệ thống, cần có một quá trình phát triển dài cho mỗi cảm biến. Nhưng mấu chốt sẽ là một hệ thống với cách sử dụng đơn giản chỉ cần “cắm và chạy”, hệ thống có thể được sửa đổi để cảm nhận các loại thuốc hoặc phân tử sinh học khác nhau mà không cần thêm thuốc thử.

Kevin Plaxco, một nhà hóa học từ Đại học California Santa Barbara, tự tin rằng có thể tạo ra một hệ thống như vậy, dựa trên các aptamer - các chuỗi DNA hoặc RNA đơn, thường có chiều dài 30-80nucleotide với một vùng 40 nucleotide thay đổi - được thiết kế để liên kết mục tiêu cụ thể. Những cảm biến­­ này trông giống như những sợi dây được làm bằng vàng, các nhà khoa học sửa đổi một chuỗi DNA với một chất oxy hóa khử. Khi liên kết với chất phân tích, aptamer tự tổ chức lại để bọc xung quanh chất phân tích quan tâm”.

Phân tử chất oxy hóa khử cho phép các electron di chuyển hiệu quả đến điện cực của cảm biến, nhưng sự thay đổi về hình dạng lớn trong phân tử aptamer ảnh hưởng đến khoảng cách giữa chất oxy hoá khử và điện cực, và do đó kích thước của tín hiệu này có thể được sử dụng để tính nồng độ chất cần phân tích, và không xảy ra các phản ứng hóa học liên quan khác.

Cảm biến aptamer và các điện cực đi kèm tạo ra một thiết bị có kích thước tương đương với tóc người và dễ dàng được cấy trong cơ thể, nhưng cũng đủ nhỏ để được tiêm vào ống thông trong tĩnh mạch. Điều này cho phép khả năng ghi lại các thông số dược động học đầy đủ trong nhiều giờ, với tốc độ lấy mẫu hai giây một lần.

Cho đến nay các cảm biến chỉ được thử nghiệm trên chuột. Nhưng với các công nghệ khác nhau được cung cấp cho cảm biến trong cơ thể, chúng ta sẽ sớm thấy các thiết bị này được sử dụng trong lâm sàng - cả trong chẩn đoán và là một phần của các phác đồ điều trị.

Tham khảo thêm thông tin tại bài viết: Tác động của công nghệ 4.0 tới chăm sóc sức khỏe