BIOCHIP DNA ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

1


2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM - ĐHĐN
KHOA SINH-MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN
MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC DƯỢC LIỆU

BIOCHIP DNA TIỀM NĂNG CHO Y HỌC

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:

TS. Võ Châu Tuấn
Lê Văn Kiêm
13 CNSH

Đà Nẵng, Tháng 12 năm 2016


3

MỤC LỤC


4

I. Đặt vấn đề
Hiện nay, việc lạm dụng các hóa chất độc hại cũng như phương
thức sản xuất mang tính chất phá hại môi trường của một số cá
nhân, tổ chức đã trở thành mối nguy cơ tiềm ẩn ngày càng lan rộng
và có thể trở thành thảm họa trong tương lai làm cho biến đổi vấn
đề sinh học diễn ra không thể kiểm soát được làm ảnh hưởng đến
cuộc sống, sức khỏe của con người. Cụ thể nhất là số lượng người
mắc các bệnh thời đại như đột quỵ, tim mạch nhất là căn bệnh để lại
nhiều đau đớn và lo lắng nhất cho nhân loại đó là ung thư ngày càng
nhiều và không từ một ai như hiện nay. Và đặc biệt nghiêm trọng
hơn là co nhiều đại dịch bệnh tật ngày càng bùng nôt nhiều với mức
độ ngày càng nghiêm trọng
Theo dự báo của nhiều tổ chức y tế thế giới, tương lai của những
bệnh không lây nhiễm, đặc biệt là ung thư sẽ có nguy cơ hàng đầu
cho nhân loại. Mỗi năm trên thế giới có khoảng 13 triệu người mắc
bệnh ung thư mới. Theo GS-TS Nguyễn Bá Đức - Phó Chủ tịch Hội
Ung thư Việt Nam, tỉ lệ mắc mới ung thư ở Việt Nam đang tăng
nhanh. Chỉ riêng tại Bệnh viện K, từ năm 2005 - 2009 có 71.610
bệnh nhân ung thư, so với giai đoạn 2001-2004,số bệnh nhân tăng
2,5 lần. Năm 2010, tỉ lệ mắc mới chung của mọi loại ung thư ở nam
giới là 181,3/100.000 người, cao hơn nhiều so với năm 2000
(141/100.000 người). Ở nữ giới, con số này là 134,9/100.000 người,
cũng cao hơn nhiều so với 10 năm trước đây (101,6/100.000 người.
Và với kỹ thuật cũ hiện này sẽ không thể áp ứng được việc chẩn đóa
chữa trị cho ngành y học hiên nay.
Để góp phần phát hiện sớm và ngăn chặn, phát hiện kịp thời các
tác nhân gây bênh cũng như tìm đúng phương pháp, loại thuốc để
chữa bệnh thì các nhà khoa học nghiên cứu sử dụng những thành
tựu của ngành công nghê sinh học để ứng dụng công nghệ sản xuát
chip sinh học (Biochip). Biochip được xem là ứng dụng thông minh

5

trong nghiên cứu phát hiện các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện
trong thức ăn, nước uống và trong cơ thể con người; Trong đó, nổi
bật là sử dụng biochip trong chẩn đoán và điều trị bệnh, phát triển
thuốc mới. Biochip cho phép phát hiện nhanh những căn bệnh nguy
hiểm và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà những phương
pháp chụp, chiếu thông thường không thể phát hiện được; theo dõi
được các tác động của protein đối với các tế bào, protein khác và
DNA,… trong cơ thể con người, từ đó tìm ra nguyên nhân dẫn tới
bệnh tật và cách điều trị bệnh cho con người [9], [6].
Từ vấn đề trên, tiểu luận Biochip DNA được thực hiện tìm hiểu để có
cái nhìn tổng quá tiền nay của Biochip DNA trong lĩnh vực Y học.
Được xem là đầy thách thức sẽ thay đổi toàn bộ các phương pháp
nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực tìm kiếm các loại thuốc trị bệnh
do thời gian nghiên cứu được rút ngắn và giảm chi phí, đặc biệt là
các phương pháp chữa trị thích hợp cho từng bệnh nhân.
2. Nôi dung
2.1. giới thiệu chung về Biochip
Hướng phát triển của thế giới hiện nay là nhằm vào những
thiết bị phân tích thu nhỏ. Thường được gọi là thiết bị dò mới mang
kích thước micromet này là hệ thông phân tích vi tổng phòng thí
nghiệm trên một con chip, chip sinh học Biochip

và tên gọi của

chúng được vào đặc điểm thuộc tính cấu trúc của chung như PCR
chíp, gene chip.... Đặc trưng của tất cả những thiết bị dò là vi thu

nhỏ một quy trình phân tích hay một phần của quá trình phân tích
trên một thiết bị dò xay dựng trrn mảnh nhỏ thủy tinh, plastic hay
silicon. Chống là sản phẩm ứng dụng bởi các công trình ngiên cứu
của các ngành như: Công nghệ gen, Công nghệ protein, Ngành dược
và cả ngành Sinh học điện toán, Công nghệ điện tử siêu bán dẫn [5],
[9], [6].


6

Biochip có nhiều loại như chip gene, chip protein, chip tế bào,
chip mô,… Gần giống như chip máy tính có các mạch điện tử,
biochip có các phân tử sinh học được phân bố trên giá đỡ không lớn
hơn cái móng tay bằng thủy tinh, hay nhựa hoặc silicon. Cũng giống
như chip máy tính có thể thực hiện hàng triệu phép tính trong một
giây, một biochip có thể thực hiện hàng ngàn phản ứng sinh học (ví
dụ như giải mã gene) chỉ trong vài giây [13].
2.2 Biochip DNA
Công nghệ chế tạo biochip đòi hỏi công cụ tinh vi và chính xác.
Biochip DNA và microfluidic là các công nghệ nền tảng trong sản
xuất biochip hiện nay.
Một thiết bị siêu nhỏ, chứa các đoạn DNA hoặc các vật liệu sinh
học khác (protein, tế bào) cho phép thực hiện song song hàng chục
nghìn phản ứng phân tử trên cùng một miếng vật liệu có diện tích
khoảng 1cm [7].
Biochip DNA còn gọi là chip gene hay chip microarray, là loại
chip rất phổ biến, bao gồm rất nhiều các DNA (gọi là dò) được phân
bố trên giá đỡ rất nhỏ (thường là lam kính). Các chuỗi cần phát hiện
như mRNA, virus (gọi là mục tiêu) được gán nhãn với chất phát
huỳnh quang [9].

Cấu trúc
Thiết bị thu nhỏ gồm một bề mặt chất rắn (đế) có cấu trúc &
thành phần hóa học xác định, trên đó được gắn các mẫu dò DNA
(probe) là các sợi đơn (single strand) bằng các liên kết hoá học
(cộng hóa trị) hoặc vật lý (hấp phụ, đơn phân tự lắp ráp - Self
Asembly Monolayer - SAM). Đây là phần thụ thể sinh học của chip
DNA (còn được gọi là DNA probe arrays) [7].
Chip Biochip DNA đã được ứng dụng rất rộng rãi trên thị trường.
Biochip DNA (vi lưu) là công nghệ mới đang từng bước trở thành


7

công nghệ mũi nhọn, cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng
những vi thể tích chất lỏng. Một hệ thống vi lưu (được gọi là “lab-ona-chip” - phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip) gồm
có: bơm, khoang chứa, khoang trộn, các van đóng mở có khả năng
điều khiển được,… ; có thể có một hoặc nhiều kênh dẫn với ít nhất
một kích thước nhỏ hơn 1 mm. Chất lỏng thường được sử dụng trong
các thiết bị vi lưu bao gồm các mẫu máu, tế bào vi khuẩn, protein,
DNA, hóa chất dùng cho các phản ứng sinh hóa [7].
Hệ thống này có nhiều ứng dụng khác nhau như dẫn thuốc, in
ấn và đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực sinh học phân tử như phân
tích DNA, phân tích enzyme, và proteomic (phân tích, nghiên cứu
protein, thuật ngữ proteomic nay còn bao gồm luôn cả việc phân
tích chức năng của các sản phẩm gene) [4].
2.3. Cơ chế tác động của Biochip DNA
Các mẫu dò DNA
Gene hoặc một trình tự xác định ngắn và với số lượng từ hàng
trăm đến hàng nghìn tùy thuộc vào mục đích sử dụng của chip và là
thông số quyết định độ phức tạp (complexity) của chip [11].

Nguyên lý hoạt động


8

Dựa trên khả năng nhận dạng (sensing) chọn lọc và tức thời các
DNA đích (target) khi các DNA mẫu dò và đích kết hợp với nhau tạo

thành sợi kép nhờ sự ghép cặp bổ sung giữa các base A, T, G, C
trong quá trình lai phân tử [4].
–

A-T và G-C.

–

Nếu phân tử DNA đích liên kết với mẫu dò có trình tự là ATCGGC
thì có thể suy ra trình tự bổ sung của phân tử DNA đích này.

–

RNA cũng tuân theo nguyên tắc ghép cặp base nghiêm ngặt khi
kết hợp với DNA.

Do vậy rất dễ dàng suy luận trình tự của bất kỳ sợi RNA nào bắt cặp
với DNA trên microarray để lai hóa với đầu dò
Sau khi được lai hóa với dò, các chuỗi mục tiêu được phát hiện và
lượng hóa nhờ huỳnh quang được phát xạ bởi tia laser [8], [3].
3. Tiềm năng của Biochip DNA
Các phương pháp chụp chiếu và phòng xét nghiệm sẽ... hết thời!

Nhờ những con chip sinh học siêu nhỏ, các bác sĩ sẽ có được
những chẩn đoán chính xác trong thời gian nhanh kỷ lục các căn
bệnh nguy hiểm và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà


9

những phương pháp chụp, chiếu thông thường không thể cho kết
quả ngay được. Bác sĩ sẽ sử dụng những con chíp có chứa các đoạn
gen của các loại căn bệnh nguy hiểm như một thiết bị thử. Khi nhỏ
một giọt mẫu máu của bệnh nhân lên con chip, các đoạn gen bệnh
tiếp xúc với gen tương ứng trong mẫu máu.
Nếu có sự trùng hợp thì con chip sẽ phát ra thông điệp huỳnh
quang và truyền đến máy tính. Đó là lúc căn bệnh được phát hiện
đúng. Theo các chuyên gia về chip sinh học, một con chip dùng để
phát hiện bệnh có thể thay thế vài phòng thí nghiệm chuyên xét
nghiệm máu. Nó giúp xác định tất cả những căn bệnh đang có của
bệnh nhân chỉ trong một giọt máu [12].

Ngoài ra, cũng thuộc lĩnh vực này, hiện đã ra đời loại biochip
được dùng để phát hiện các loại vi khuẩn gây bệnh trong cơ thể
người. Thông thường, muốn tìm vi khuẩn gây bệnh, người ta lấy
nước tiểu, phân hay máu của bệnh nhân và gửi đến các phòng xét


10

nghiệm. Với biochip, chỉ một giọt máu của người bệnh, bác sĩ chỉ
mất vài giờ đồng hồ là có thể xác định được tới 55 loại vi khuẩn gây
bệnh, từ đó đề ra những phương pháp điều trị thích hợp mà không

cần phải làm các xét nghiệm phức tạp, mất nhiều thời gian [14]
Thay thế hồ sơ bệnh án giấy:
Các chuyên gia của Khoa Sinh học Phân tử thuộc Đại học Duke
(Bắc Carolina, Hoa Kỳ) cho biết, trong vòng 5 năm nữa, khi các hồ sơ
gen của mỗi cá nhân được lập phổ biến thì chỉ với một con chip sinh
học khi cho tiếp xúc với mẫu máu của một bệnh nhân cũng đủ để
bác sĩ đọc được toàn bộ hồ sơ gen của bệnh nhân đó ngay lập tức.
Con chíp này không chỉ giúp các bác sĩ truy cập hồ sơ gen cá nhân
của mỗi bệnh nhân mà cả các hồ sơ bệnh án điện tử đang được lưu
giữ trên hệ thống y tế. Từ đó xác định nguyên nhân dẫn tới bệnh tật
và có thể quyết định nhanh chóng phương pháp điều trị [12].
Thuốc điều trị sẽ được kê đơn đúng người, đúng bệnh hơn:
Khi sử dụng công nghệ biochip phân tích ADN của bệnh nhân,
phần mềm máy tính sẽ quét bộ gen tìm sự đa hình hay dị biệt trong
các thông tin di truyền của bệnh nhân đó. Dựa vào những thông tin
tìm được, các bác sĩ sẽ so sánh với các nghiên cứu y dược mới nhất
để kê đơn thuốc cho bệnh nhân dựa trên những đặc tính gen của
người đó. Đây là tiền đề giúp nền y học hiện đại tiến tới phát triển
cái gọi là “giải pháp y tế cá nhân” (personalized medicine) trong
tương lai. Tức là, thay vì áp dụng một phác đồ điều trị cho tất cả
những ai mắc cùng một căn bệnh, các bác sĩ sẽ dựa vào đặc tính bộ
mã gen di truyền của từng người để đưa ra các liệu pháp chữa trị cụ
thể cho mỗi cá nhân, từ đó giúp nâng cao kết quả điều trị [10].
Thay thế nhân viên y tế kiểm tra sức khỏe từ xa và giám sát y tế
cộng đồng:


11

Với những biochip siêu nhỏ được cấy sẵn dưới da, người ta có

thể dễ dàng theo dõi các hoạt động sinh hóa, quá trình tác động của
protein trong cơ thể người. Tại Nhật Bản, thay vì cấy dưới da, các
nhà khoa học đã cài biochip vào điện thoại di động. Những chiếc
điện thoại di động supper 3G mang nhãn hiệu DoCoMo do được
trang bị thêm một biochip siêu nhỏ nên có thể truyền tải thông tin
về các điều kiện sinh hóa, môi trường, khí hậu, thời tiết, đồng thời
phân tích và chiết xuất các phân tử đơn từ mồ hôi, hơi thở của người
dùng. Sau khi phân tích, các dữ liệu có thể cảnh báo người sử dụng
một loạt các bệnh tật, hoặc đơn giản là sự căng thẳng, lo âu, hứng
thú... Dữ liệu cũng sẽ được chuyển đến chuyên gia y tế qua mạng di
động để kiểm soát sức khỏe từ xa hoặc dùng cho y tế dự phòng.
Điều đó sẽ rất có ích cho nhiều người, đặc biệt là những người ở xa
bệnh viện, xa thầy thuốc và sự vất vả, mệt nhọc của các bác sĩ sẽ
được giảm đi nhiều [16].
4. thành tưu của Biochip DNA
Chip sinh học DNA thu nhỏ có thể kiểm nghiệm hiệu quả điều trị
của thuốc chống ung thư trên các tế bào gốc ung thư do viện nghiên
cứu công nghệ nano và kỹ thuật sin học Singapore. Loại có tên gọi
Droplet array, nó có thể tiến hành cuộc kiểm nghiệm nói trên với
một lượng mẫu rất hạn chế, chỉ cần phải sàng lọc 500 tế bào.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Droplet array với mục đích
nghiên cứu hiệu quả của thuốc chống ung thư trên các tế bào gốc
ung thư được lấy từ các tế bào ung thư vú, ung thư gan và ung thư
ruột kết hợp.Thành công mang tính đột phá của công trình nghiên
cứu này sẽ giúp sàng lọc và phát triển các loại thuốc chống ung thư
trong tương lai.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu trường Đại học Washington, Mỹ
vừa chế tạo thành công một con chip sinh học mà có thể giúp thiết

12

lập các mối liên kết thần kinh mới ở phần não điều khiển sự vận
động của con người.
kết quả chứng minh rằng con chip sinh học này khi được gấy vào
não khỉ thì có thể kích thích các tế bào thần kinh thay đổi. Họ cho
rằng việc khôi phục lại các mối liên lạc trong não bằng cơ chế này sẽ
đem lại hy vọng cho việc chữa trị cho những người bị tổn thương
não, bị đột qụy hay bị liệt. Ngoài ra con chip sinh học này có khả
năng ghi lại các hoạt động của vỏ não. Nó có thể chuyển đổi các
hoạt động này thành một tín hiệu mà có thể truyền tới não, tủy sống
hoặc cơ. Do đó, nó có thể tạo ra một mối liên lạc nhân tạo và hoạt
động bình thường như trước. Nhờ vào mối liên lạc nhân tạo này mà
não có thể “học” cách sử dụng nó để thay thế cho mối liên lạc đã bị
suy yếu [1].
Biochip DNA

phát hiện các proten ung

thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn. Cảm biến
sinh học này được chế tạo bằng cách dùng kỹ
thuật tương tự con quay hồi chuyển như hệ
thống định vị và các túi khí. Nó sẽ được chế
tạo thành một thiết bị cầm tay giúp phân tích
nhanh hơn và dễ dàng hơn các mẫu mô. Nó được hy vọng có thể
giúp các bác sĩ chẩn đoán và kiểm soát các dạng ung thư thường
gặp và đưa ra liệu pháp điều trị thích hợp nhất. Thiết bị có hình đĩa
với đường kính chỉ bằng 1/10 mm, được phủ bằng các kiểu đặc biệt
của ADN hay các protein khiến các tác nhân gây ung thư bị “trói” ở
bề mặt. Về cơ chế hoạt động của biochip là bằng cách nhận dạng

các tác nhân gây ung thư các protein hay các phân tử khác do các tế
bào ung thư sản sinh [2].
Và một nhận định của giáo sư Calum McNeil, trưởng nhóm nghiên
cứu cho biết: “Việc chẩn đoán sớm và kiểm soát hiệu quả ung thư


13

được xem là chìa khóa để điều trị căn bệnh này, và chúng tôi tin
rằng kỹ thuật mới này sẽ giúp thực hiện điều đó”.
Điều quan trọng là thiết bị Biochip DNA này có thể dể dàng được
kết nối đến các nguồn thông tin như hệ thống máy tính bệnh viện,
Internet hay điện thoại di động. Và có thể được phát triển để ứng
dụng cho các loại bệnh khác, bao gồm các bệnh do vi khuẩn gây ra.

Biochip được cài vào điện thoại di động để giám sát sức khỏe người
sử dụng.
Biochip DNA còn sử dụng phục vụ để thiết lập và quản lý hồ sơ
sinh trắc học cho mỗi cá nhân, giúp phát hiện các loại bệnh tật,
nhận biết thực phẩm không an toàn, thay thế nhân viên y tế trong
khám và điều trị bệnh từ xa... Sự kết hợp diệu kỳ của công nghệ điện
tử và sinh học trong một con chíp đang bắt đầu làm biến đổi bộ mặt
y học trên toàn thế giới và hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng
đa ngành trong tương lai [15].


14

5. Kết luận và hướng nghiên cứu
Chip sinh học Công nghệ sinh học sẽ làm thay đổi đời sống con

người, tương tự như cách mạng công nghệ thông tin. Một trong
những kỹ thuật hàng đầu trong lĩnh vực này, được dự báo sẽ có tác
động mạnh mẽ là chip sinh học, hay biochip
Biochip được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, phổ biến nhất là
trong nghiên cứu về gene, dùng để nghiên cứu về độc chất, protein,
hóa sinh; phát hiện các loại vi trùng gây bệnh, xuất hiện trong thức
ăn, nước uống và trong cơ thể con người; hay phát hiện nhanh các
tác nhân trong chiến tranh hóa, sinh học.
Biochip cho phép phát hiện nhanh những căn bệnh nguy hiểm
và các chứng viêm nhiễm bên trong cơ thể mà những phương pháp
chụp, chiếu thông thường không thể phát hiện được; theo dõi được
các tác động của protein đối với các tế bào, protein khác và DNA,…
Xu hướng phát triển cũng như ưu thế của biochip đã thúc đẩy
rất nhiều quốc gia cũng như các đơn vị đầu tư vào nghiên cứu và sản
xuất biochip.
Thúc đẩy công nghệ khác như sản xuất tế bào nhân tạo, kháng
thể nhân tạo giúp nhận diện vào tiêu diệt mầm bệnh một cách chính
sát.
Tài liệu tham khảo

1.

Christoph Englert, Anne-Kristin Trützschler, Martin Raasch,
Tanja Bus, Philipp Borchers (2016), Crossing the blood-brain
barrier: Glutathione-conjugated poly(ethylene imine) for gene
delivery, pp. 1 - 14.

2.

Elzbieta Jastrzebska, Ewelina Tomecka, Iwona Jesion (2016),

Heart-on-a-chip based on stem cell biology, pp. 67 - 81.


15

3.

F. J. Steemers, J. A. Ferguson, D. R. Walt (2000), Screening
unlabeled DNA targets with randomly-ordered fiber-optic gene
arrays, pp. 91 - 94.

4.

G. Petrucci, D. Caputoa, N. Lovecchio, F. Costantinib, I. Legnini,
I. Bozzoni, A. Nascettic, G. de Cesare., (2016), Multifunctional
System-on-Glass for Lab-on-Chip applications.

5.

J. S. Schultz., R. F. Taylor. (1996), Introduction to Chemical and
Biological Sensors, pp. 1 -10

6.

K. Baryeh, S. Takalkar, M. Lund, G. Liu (2016), 1 – Introduction
to medical biosensors for point of care applications, pp. 3 -5

7.

Katla Sai Krishna, Yuehao Li, Shuning Li, Challa S.S.R. Kumar

(2013), Lab-on-a-chip synthesis of inorganic nanomaterials and
quantum dots for biomedical application, pp. 470 - 495.

8.

L. M. Smith, J. Z. Sanders, R. J. Kaiser, P. Hughes, C. Dodd, C. R.
Connell, C. Heiner, S. B. H. Kent, and L. E. Hood, (1986),
Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis,
pp. 61 - 67.

9.

M.I. Haque Ansari, Shabir Hassan, Ahsanulhaq Qurashi., (2016),
Biosensors and Bioelectronics, pp. 247 - 260.

10.

Na-Li Huang, Lei Ye, Marion E. Schneider, Yi-Xin Du, Yuan-Hong
Xu, Li-Bin Fan, Wei-Dong Du., (2016), Development of a novel
protein biochip enabling validation of immunological assays
and detection of serum IgG and IgM antibodies against
Treponema pallidum pathogens in the patients with syphilis,
pp. 465 - 471.

11.

P. Fortina, D. Graves, C. Stoeckert, Jr., S. McKenzie (2001),
Technology Options and Applications of DNA Microarrays, pp.
185 - 216.

12.

Rosalind Martin, Mark Latten, Padraig Hart, Helena Murray,
Deborah A. Bailie, Martin Crockard, John Lamont, Peter
Fitzgerald, Colin A. Graham (2016), Genetic diagnosis of


16

familial hypercholesterolaemia using a rapid biochip array
assay for 40 common LDLR, APOB and PCSK9 mutations, pp. 8
- 13.
13.

Sharmili Roy, Ibrahim Abd Rahman, Jose Hernandez Santos,
Minhaz Uddin Ahmed., (2016), Meat species identification
using DNA-redox electrostatic interactions and non-specific
adsorption on graphene biochips, pp. 70 - 78.

14.

Talha Jamshaid, Ernandes Taveira Tenório Neto., Mohamed M.
Eissa, Nadia Zine., et., (2016), Magnetic particles: From
preparation to lab-on-a-chip, biosensors, microsystems and
microfluidics applications, pp. 344 - 392.

15.

Wei SUN, Yu-Qing CHEN, Guo-An LUO, c, Min ZHANG, HongYang ZHANG, Yue-Rong WANG., (2016), Organs-on-chips and Its
Applications, pp. 533 - 541.

16.

Yongqiang Wang, Jiuxin Qu, Qi Ba, Jiuhong Dong, Liang Zhang,
(2016), Detection and typing of human-infecting influenza
viruses in China by using a multiplex DNA biochip assay, pp.
178 - 185.