công nghệ sinh học nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị ung thư

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
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
2.2 Vật liệu dùng trong CNSH Nano
2.2.1 Vật liệu Nano
Vật liệu nano là vật liệu có ít nhất một chiều có kích thước nm. Hình 2.1 cho thấy
một số vật liệu nano tiêu biểu và kích thước của chúng.
Đặc trưng của vật liệu nano.
Các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu đều bị giới hạn bởi kích thước, gọi là kích
thước tới hạn. Các tính chất như điện, từ, 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 thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Tính chất
đặc biệt của vật liệu nano được đem lại do kích thước của nó nhỏ hơn kích thước tới hạn
của vật liệu.

Bảng 3. Kích thước của một số cấu tử nano
Hình 2.1. Kích thước vật liệu nano và tế bào
Nhóm 7 12
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn 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 thước nano), ví dụ, đám
nano, hạt nano
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, ví dụ,
dây nano, ống nano (NT),
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước 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 thước 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.
2.2.1.1 Dạng cầu
Điểm lượng tử (QD)
QD là một hạt vật chất được tạo nên từ các vật liệu nhóm II–VI (CdSe) hoặc III-V
(InP) trong bảng hệ thống tuần hoàn, có kích thuớc nhỏ (< 10 nm) tới mức khi thêm hay
lấy đi một điện tử sẽ làm thay đổi tính chất của nó. Khi ta kích thích một QD càng nhỏ thì
năng luợng và cuờng độ phát sáng của nó càng tăng, mang lại bước sóng phát xạ khả điều
hướng và đa hình phổ phát xạ của QD (hình 2.2). Vì vậy nó là cửa ngõ cho hàng loạt
những áp dụng kỹ thuật mới.
Nhóm 7 13
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Hình 2.2. Vi hạt gắn với QD mang lại màu khác nhau các phân tử sinh học. Mười màu

khác nhau hát ra từ QD (CdSe gắn với ZnS) dưới tia UV.
Trong số các vật liệu nano, QD hiện được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất. Có thể
nói, với những ưu điểm vượt trội của mình, QD sẽ dần thay thế các chất phát huỳnh
quang trong những ứng dụng trước đây như lai in situ, FRET, xác định khả năng di động
của tế bào….
Dendrimer
Dendrimer là các phân tử được chế tạo bằng cách thêm liên tiếp các đơn vị nhánh tỏa
ra ngoài từ điểm khởi đầu (hình 2.3).
Hình 2.3. Cấu trúc hai và ba chiều của dendrimer. Ba thành phần cấu trúc: lõi (vàng),
vùng bên trong chứa các đơn vị nhánh lặp lại (xanh da trời) và bề mặt ngoài (đỏ).
Nhóm 7 14
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Chất khơi mào (initiator): Có thể tạo dendrimer từ phân tử gốc là nguyên tố đa trị. Có
thể gắn thêm các nhóm chức để tạo dendrimer đa chức năng.
Đơn vị nhánh: đơn vị nhánh bên trong có thể toàn bộ là amin (DAB-Am = PPI =
Astromol), hỗn hợp amine/amide (PAMAM), toàn bộ amide (L-lysine dendrimers),
gallate hoặc resorcinolate. Nếu muốn dùng dendrimer làm thuốc, cần dùng đơn vị nhánh
phù hợp với các ứng dụng dược học (không độc, hiệu quả cao, có khả năng giám sát….).
Thể liên kết và bề mặt: Tính đa dạng của các cấu trúc dendrimer được tạo nên chủ yếu
nhất bởi nhóm bề mặt và loại thể liên kết được dùng.
Lỗ nano (nanopore)
Lỗ nano được tạo nên từ các vật liệu rắn (như silicon nitride) bằng kỹ thuật khắc bởi tia
ion (ion-beam sculpting technique) theo hai cách: tạo lỗ bằng cách khắc trên màng, hoặc
lấp các lỗ lớn 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 cầu silica rỗng với các hạt vàng bao quanh (hình 8b). Có thể gắn
kháng thể lên bề mặt nhằm tạo ra khối cầu hướng đích.
Hạt nano (Nanoparticle)
Hạt kim loại nano thường được định nghĩa là các hạt tách biệt có kích thước 1 - 50 nm
được ngăn cản sự kết tụ bằng vỏ bảo vệ. Phụ thuộc vào vỏ bảo vệ được sử dụng, chúng
được tái phân tán trong nước (“hydrosols”) hoặc dung môi hữu cơ (“organosols”) (hình
2.4c). Lõi của hạt nano có thể là hạt C, hạt kim loại, hạt từ, hạt hữu cơ, hạt silica
2.2.1.2 Dạng thanh
Ống nano
Được khám phá lần đầu tiên bởi Dr. Sumio Lijima tại NEC, Nhật (1991), NT carbon là
mạng lưới lục giác của các nguyên tử C thông qua liên kết C sp2 trên graphite, có đường
kính ~1nm và chiều dài 1-100 µm. NT carbon có các tính chất hết sức ưu việt như kích
thước và khối lượng nhỏ, độ dẫn điện, dẫn nhiệt, độ bền cao…. Có hai loại NT là NT một
vách và NT đa vách (hình 2.5.1)…
Có thể gắn các cấu tử sinh học với NT carbon (hình 9.3), cho phép sử dụng hệ thống
lai như các thiết bị cảm biến sinh học hoặc transistor với phổ hoạt động rất hiệu quả, tạo
ra các cấu trúc nano phức hợp và mạch nano (nanocircuit) với các tính chất và chức năng
được điều khiển.
Ngoài NT carbon, cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay người ta còn
tạo ra NT peptide.
Nhóm 7 16
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Hình 2.5. NT carbon nguyên chất và gắn với các cấu tử sinh học. (1) NT carbon 1 vách,
(2) nhiều vách (3) Ống nano carbon gắn với các cấu tử khác nhau: a) gắn nucleotide; b)
gắn đường; c) gắn chất hoạt động bề mặt; d) gắn peptide; e) gắn C60.
Dây nano
Các dây nano kim loại khác nhau gồm bạc, vàng, platinum, palladium, ZnS, đồng,
silicon được tạo ra nhờ khuôn DNA hoặc tổng hợp hóa học. Có thể tạo sợi vàng nano
bằng cách sử dụng protein dẫn hướng (RecA). Patolsky và cộng sự polymer từng bước

các đơn vị monomer G-actin gắn hạt vàng nano và các đơn vị G-actin không đánh dấu để
tạo ra các sợi protein gắn kim loại sau khi xúc tác sự kim loại hóa các hạt nano (hình 10a).
Hình 10b minh họa dây nano silica quấn quanh một sợi tóc, nó nhỏ bằng một phần năm
virus, nhưng bền gấp 5 lần tơ nhện.
Nhóm 7 17
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Hình 2.6. Cấu trúc sợi vàng trên lõi actin. Dây nano quấn quanh sợi tóc
Mã vạch nano (Nanobarcode, NBC)
Mã vạch nano được hiểu là vật liệu nano có khả năng mã hóa khác nhau tương ứng
với từng loại phân tử đích. Chúng có thể là các hạt nano hình trụ có vạch phân bố tự do,
rộng 12 - 15 µm và dài 1 - 50 µm. Các mô hình sọc làm chúng tách biệt (giống như mã
vạch truyền thống) dưới ánh sáng, kính hiển vi huỳnh quang hoặc khối phổ (hình 2.8).
Nanobarcode tạo thành vừa có khả năng mã hóa vừa có khả năng dò.
Gần đây, que nano đa kim loại với sọc barcode đã được chế tạo thành công. Người ta
có thể nhận diện chúng bằng cách đo hệ số phản xạ.
Hình 2.8. Ảnh phát huỳnh quang của hai hạt barcode A và B (trong hình iii) sử dụng thí
nghiệm lai DNA đánh dấu Cy3. (i) Ảnh đen trắng; (ii) Ảnh kênh Cy3; (iii) hảnh đất hiếm
thu được sử dụng bộ lọc ánh sáng dài 420 nm.
Nhóm 7 18
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Ngoài ra người ta còn tạo ra các NBC có bản chất là phân tử DNA lai có nhiều đầu,
mỗi đầu gắn với một loại mẫu dò và tín hiệu phát huỳnh quang màu khác nhau để tạo ra
phân tử có khả năng mã hóa.
Que nano (Nanorod)
Trong CNNN, que nano được sử dụng khá phổ biến. Chúng được tạo thành từ kim
loại, phi kim hoặc muối như Co, CuO, Au, CdSe, BaCrO4, BaWO4, gắn với các nhóm
chức nhằm mang lại khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc hai hoặc ba chiều. Hiện tại,
trong CNSH, các que nano đa thành phần như que nano Au/Ni (phần vàng gắn với yếu tố
hướng đích, phần Ni gắn với plasmid tạo ra một vector chuyển gene rất hiệu quả), Au-Ni-
Au đã cho thấy các ứng dụng to lớn trong chuyển gene và phân tách chọn lọc các cấu tử

sinh học.
Hình 2.9. Các loại que nano và cấu trúc nano được tạo nên từ chúng. (A) Que nano 3
thành phần Au-Ni-Au. (B) Que nano 2 thành phần Au-Ni. (C) Que nano 2 thành phần Au-
Ppy 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 học đóng vai trò vô cùng quan trọng trong
CHSH nano. Cho đến nay, người ta mới chỉ lợi dụng được một phần rất nhỏ của các cấu
tử, cấu trúc và nguyên lý sinh học trong CNSH nano.
2.2.2 Vật liệu phân tử sinh học trong CNSH Nano
Tế bào là tập hợp của hàng ngàn bộ máy nano (nanomachine, nanodevice), chúng có
thể được thu nhận và biến đổi để thực hiện các nhiệm vụ CNNN tùy theo chủ định của
chúng ta. Hiện tại, trên 10.000 bộ máy nano đang làm việc trong cơ thể mỗi người. Đáng
chú ý là sau khi tách và tinh chế, các bộ máy nano này vẫn giữ chức năng ở kích thước
phân tử. Chúng là những bộ máy phân tử độc lập, được lợi dụng để phục vụ con người.
Các phân tử sinh học có thể đóng vai trò như các thành phần thu nhận, vận chuyển ánh
sáng, chuyển hóa tín hiệu, xúc tác, bơm hoặc đông cơ trong các bộ máy nano để tạo ra
năng lượng hoặc các sản phẩm đặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát hay lưu giữ dữ
liệu. Các cấu trúc thiết yếu trong trao đổi chất tế bào (ty thể, túi vận chuyển, ribosome…)
có thể trở thành các “bộ 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, có thể nọi mọi cấu tử sinh học đều đã và đang là đối tượng nghiên cứu của
CNSH nano.
2.2.2.1 Protein

Trong CNSH nano, protein được sử dụng rất phổ biến. Chúng có thể đóng vai trò mẫu
dò trong kỹ thuật protein chip, trợ giúp quá trình tự lắp ráp theo cơ chế kháng nguyên-
kháng thể, được bao gói trong các vật liệu nano khác như một phân tử liệu pháp (kháng
thể) và đặc biệt nhất là vai trò động cơ nano.
Nhóm 7 20
CNSH Nano 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 thực hiện các chức năng đặc biệt với hiệu quả cao. Các protein vận động
như myosin và kinesin đóng vai trò vận chuyển và truyền động, các động cơ có bản chất
RNA làm virus dễ dàng bao gói axit nucleic , RNA polymerase chuyển động dọc theo
DNA khi phiên mã và động cơ tiên mao đẩy vi khuẩn đi. Một số enzyme như kinesin,
RNA polymerase, myosin, và adenosine triphosphate (ATP) synthase có chức năng như
các động cơ sinh học quay hoặc tịnh tiến ở kích thước nano.
Hình 2.10. Các protein vận động: kinesin chạy dọc theo microtubule, dynein chạy dọc
microtubule theo chiều ngược lại với kinesin, myosin chạy dọc theo sợi filament, F1-
ATPase là một động cơ quay, cuống trung tâm của nó quay khi các dưới đơn vị bên ngoài
thủy phân ATP.
Nhóm 7 21
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Kết hợp các động cơ phân tử sinh học với các hệ thống được chế tạo ở kích thước
nano cho phép phát triển các thiết bị lai hữu cơ-vô cơ có khả năng sử dụng ATP như
nguồn năng lượng. Cách tiếp cận này có thể cho phép tạo ra các cảm biến, biến năng cơ
học và cơ cấu truyền động mới. Các cơ chế bởi đó các động cơ sinh học tạo ra lực là một
lĩnh vực nghiên cứu thú vị trong đó các quá trình đáng kể được tạo thành.
2.2.2.2 DNA
Có thể nói, chưa một cấu tử sinh học nào được nghiên cứu kỹ như DNA. Tuy nhiên,
có lẽ không ai có thể ngờ rằng DNA lại có thể có những ứng dụng bước ngoặt, đột phá

đến như vậy khi CNSH nano ra đời.
Có thể sử dụng tính chất nhận biết phân tử kết hợp với các tính chất cơ học khác nhau
của DNA mạch đơn và kép để tạo các thiết bị nano thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn với các
ứng dụng từ chế tạo nano đến phân phối thuốc thông minh. Có thể dùng DNA để tạo ra
các bộ máy với khả năng chuyển động quay, đẩy và giãn dài, hoặc thậm chí vận động
đẳng hướng. Có thể phát minh các thiết bị nano tự sinh để bắt giữ và giải phóng các phân
tử, thực hiện các nhiệm vụ xử lý thông tin đơn giản.
Một mảng ứng dụng rất lớn nữa của DNA là làm mẫu dò trong gene chip, một kỹ thuật
chỉ mới được phát minh vào đầu những năm 1990 và tiềm năng phát triển có thể so với
PCR. Ngoài ra, với các tính chất tự lắp ráp (TLR), bắt cặp bổ sung…, với khả năng tổng
hợp nhân tạo chính xác phân tử DNA đến từng base (cả mạch đơn lẫn mạch kép), khi gắn
DNA với các cấu tử sinh học hoặc cấu trúc, phần tử nano khác sẽ cho ta những ứng dụng
hết sức phong phú và đa dạng. Có thể nói, CNSH nano mới chỉ lợi dụng được một phần
rất nhỏ bé so với tiềm năng vốn có của DNA.
2.2.2.3 Các cấu trúc khác
Nhóm 7 22
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
Ngoài protein và DNA, một số cấu trúc sinh học khác cũng cho thấy tiềm năng ứng
dụng to lớn trong CNSH nano. Các lớp bề mặt tế bào vi khuẩn gọi là S-layer, S-layer
neoglycoprotein tích hợp có thể sử dụng trong thiết kế vaccine, phân phối thuốc sử dụng
sự nhận biết carbohydrate. Ngoài ra, có thể sử dụng glycoprotein, polysaccharide, mono
hay oligosaccharide làm mẫu dò trong glycan array hoặc chính bản 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 thước 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 một nhiệm vụ máy tính đơn giản. Khi CNSH nano phát triển, chúng ta sẽ tái thiết kế
các bộ máy phân tử của tế bào để thực hiện những nhiệm công nghệ và sức khỏe con

người ở quy mô lớn hơn. Các cấu trúc lớn sẽ được xây dựng với độ chính xác nguyên tử
với các máy lắp ghép phân tử sinh học hoặc bằng cách sử dụng các mô hình sinh học để
lắp ghép. Nhìn vào tế bào, chúng ta có thể tìm thấy các động cơ tự động chính xác, bộ
nhớ truy cập ngẫu nhiên, cảm biến… tất cả chúng đều ở quy mô phân tử, sẵn sàng để thu
nhận bởi CNSH nano.
2.3.1 Microarray
Trong kỹ thuật DNA array, người ta cố định axit nucleic có trình tự xác định (mẫu dò)
trên giá thể (mảng) thích hợp theo thứ tự. Axit nucleic cần nghiên cứu (đích) được đánh
dấu sau đó lai với mẫu dò trên mảng. Ở những điều kiện lý tưởng, các axit nucleic có
trình tự bổ sung sẽ bắt cặp chính xác với nhau. Hơn nữa dưới các điều kiện này, cường độ
phát hiện tín hiệu tỷ lệ trực tiếp với lượng mẫu dò nên có thể định lượng các loại axit
nucleic trong mẫu ban đầu. Trên cơ sở DNA array, các mẫu dò các mẫu dò có bản chất
khác nhau đã được phát triển để tạo ra protein array, PNA array, peptide array, glycan
Nhóm 7 23
CNSH Nano và ứng dụng chuẩn đoán, điều trị Ung Thư
array, nanowire array, cantilever array … mang lại những ứng dụng hiệu năng cao hết sức
đa dạng.
Hình 2.11. Một số loại microarray điển hình. (A) DNA array. (B) Nanowire array. (C)
Cantilever array. (D) Protein array.
2.3.2 Microfluidic
Một số thiết bị điều khiển lợi dụng ưu thế của các thiết bị kích thước nhỏ (cỡ µm) so
với các thiết bị lớn: giảm lượng mẫu và hóa chất tiêu tốn, thời gian phân tích ngắn hơn, độ
nhạy cao hơn, mang lại các phân tích in situ thời gian thực và tiện lợi. Có thể hình dung là
tương tự với các vi mạch tích hợp sử dụng transitor thu nhỏ trong tính toán tự động,
microfluidic chip có thể được tự động hóa quy mô lớn trong quá trình sinh học sử dụng
các thể tích nl. Ngày nay, chúng ta đang thấy các hệ thống microfluidic thật 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 chuyển đổi có
khả năng chuyển hóa những thông tin 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 thước dưới lĩnh
vực cách mạng hóa trong phân tích sinh học và hóa học, cho phép phân tích nhanh nhiều
cơ chất cùng lúc in vivo.
Một trong các điện cực nano đang được ưu tiên phát triển hàng đầu là PEBBLE.
Chúng có kích thước 20-100nm, được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các môi trường
sinh học. Do có kích thước nhỏ nên điện cực này tối thiểu hóa các tác hại vật lý đối với tế
bào. Hơn nữa do thuốc nhuộm được nang hóa trong chất nền trơ nên PEBBLE tạo ra pha
cảm biến tách biệt với tế bào, do đó tránh được khả năng gây nhiễu hóa học.
Nhóm 7 25