Vật liệu nền ADN nano hình chóp giúp phát hiện và chống nhiễm khuẩn

Nanopyramid ADN được hình thành trong quá trình tự lắp ráp và được biến đổi để mang Actinomycin D và các chùm nano vàng, có tác dụng tìm kiếm và tiêu diệt các tế bào vi khuẩn.

Hiện nay, các ứng dụng y học nano chủ yếu dựa trên nền các vật liệu được chế tạo tổng hợp, hầu hết là các hạt nano gồm các nguyên tố và thành phần khác nhau, yêu cầu các thao tác hóa học phức tạp. Ngoài ra, ở đây còn có một vấn đề tồn tại dai dẳng đó là khả năng gây độc hại đến các tế bào lành mạnh trong quá trình điều trị, xảy ra do bản chất tổng hợp của các vật liệu nano.

Một cách để loại bỏ vấn đề độc hại đó là sử dụng các vật mang tự nhiên thực sự tương thích về mặt sinh học cho những ứng dụng cảm biến và vận chuyển thuốc. Lĩnh vực công nghệ nano ADN mới nổi có thể cung cấp giải pháp cho vấn đề này. Ngoài việc hoạt động như một giàn giáo để vận chuyển các phân tử trị liệu, các cấu trúc nano ADN còn cho phép làm thay đổi chính xác cấu trúc và tác dụng của các thành phần này.

Theo Phó Giáo sư David T. Leong, thuộc Khoa Kỹ thuật hóa và sinh học phân tử, Đại học Quốc gia Singapore (NUS) cho biết, ngoài sự tương thích sinh học ADN, vật liệu này còn mang đến sự đơn giản trong việc thao tác, khả năng kiểm soát cao kích thước và hình dạng của sản phẩm cuối, và cho phép linh hoạt sửa đổi. Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn còn có rất ít các công trình nghiên cứu việc sử dụng các cấu trúc nano ADN như những vật vận chuyển thuốc và hầu hết đều tập trung trong các ứng dụng chống ung thư.

Trong công trình nghiên cứu mới này, nhóm nghiên cứu David Leong và Jianping Xie đã đồng phát triển một cơ sở chẩn đoán trị liệu (theranostic) mới được thực hiện bằng việc sử dụng một cấu trúc ADN nano hình chóp (ADN nanopyramid - DP) để làm nền tảng cho sự kết hợp của hai hợp phần: phát hiện và điều trị trong chống nhiễm khuẩn. Trong công trình được công bố trên Tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ADN làm các khối đơn nguyên để phát triển các hạt nano có khả năng chẩn đoán trị liệu, trong đó các hạt nano có khả năng phát hiện ra sự nhiễm khuẩn và đồng thời tiêu diệt các vi khuẩn lây nhiễm.

Theo các nhà nghiên cứu cho biết, là nơi chứa những thông tin di truyền, ADN vốn đã là một polime có khả năng điều khiển cao vì vậy có thể điều chỉnh để có được kích thước và hình dạng chính xác thông qua việc thay đổi trình tự ADN. Phương pháp này còn được gọi là kỹ thuật di truyền thay đổi hình dạng/kích thước. Trong công trình nghiên cứu của mình, nhóm NUS đã khai thác tính dễ điều khiển của ADN để tạo ra các cấu trúc hạt nano ADN hình chóp có khả năng tự lắp ráp. Sau đó họ tải lên một tác nhân kháng khuẩn mang tên actinomycin D (AMD) bằng cách cài xen vào giữa các bazơ ADN, những tác nhân này tạo thành các thanh chống trong các chóp ADN. Dựa trên một số các bazơ trên mỗi thanh chống, các chóp nano có kích thước khoảng 10 nm.

Như được minh họa ở hình trên, các nhà khoa học còn kết cặp các đỉnh ADN với các chùm nano vàng huỳnh quang ký hiệu là DPAu/AMD, điều này cho phép họ phát hiện ra các vi khuẩn bị tiêu diệt bới AMD mà họ đã cung cấp cùng với cấu trúc này.

Vì vậy, ADN hình chóp chính là một cấu trúc nền đơn giản, dễ kiểm soát và tương thích sinh học có thể sử dụng để chống sự nhiễm vi khuẩn, Leong kết luận. Ông lưu ý rằng nghiên cứu này mở ra nhiều khả năng mới trong lĩnh vực y học nano. Do ADN về tự nhiên hiện diện ở mọi sinh vật sống, các hạt nano được tạo ra từ ADN để làm vật liệu nền thực sự tương thích về sinh học, điều này có thể loại trừ được khả năng nhiễm độc, là vấn đề khó khăn đối với nhiều chất nền y học nano khác, đặc biệt là các vật liệu nền vô cơ hay thậm chí là các chất có chứa kim loại nặng như cadmi.

Ngoài ra, bằng cách khai thác sự kết đôi bazơ Watson-Crick, trên lý thuyết có thể hiện thực hóa hạt cấu trúc nano với hình dạng và kích thước bất kỳ. Theo các nhà nghiên cứu, mức độ điều khiển này là độc nhất trong số các vật liệu polime. Khả năng điều khiển này cho phép thiết kế các hạt nano đủ nhỏ (6-2- nm) để bám vào các tế bào vi khuẩn, các tế bào này nhỏ hơn đáng kể (khoảng 1 µm) so với tế bào động vật có vú, điều đó đảm bảo cho sự cung cấp thuốc hiệu quả đến vi khuẩn truyền nhiễm nhằm mục đích tiêu diệt chúng.

Ngoài ra, các bazơ ADN còn cung cấp nhiều liên kết hóa học, cho phép bổ sung thêm vào các hạt ADN nano các loại thuốc, protein, các phối tử, kháng thể, các đoạn oligonucleotide ngắn hay các hợp chất chức năng nhỏ khác. Để đánh giá khả năng vận chuyển thuốc của các nano ADN hình chóp, được tải bằng actinomycin D, các nhà nghiên cứu đã chọn hai chủng vi khuẩn E. coli và S. aureus, đại diện cho các nhóm vi khuẩn Gam âm và Gam dương. Kết qủa thử nghiệm cho thấy cả hai loại cấu trúc hình chóp nano đứng riêng hay cắp đôi với các chùm nano vàng đều không gây ra bất kỳ ảnh hưởng hủy diệt nào đến các chủng vi khuẩn thử nghiệm. Ngoài ra, các kết quả cũng cho thấy AMD được bao gói trong DPAu cho thấy có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn mạnh đáng kể khi so sánh với phép trị liệu không sử dụng AMD.

Phương pháp này có thể áp dụng để vận chuyển thuốc chống nhiễm khuẩn và điều trị các bệnh khác, do ADN cấu trúc hình chóp đủ linh hoạt để vận chuyển các loại thuốc khác nhau, ví dụ như thông qua sự đan xen như trong trường hợp actinomycin D hay theo trình tự các thuốc ràng buộc cụ thể. Các hình dáng hình học cũng cho phép nhúng các vật liệu chẩn đoán có thể sử dụng để phát hiện các tế bào hay vi khuẩn chết, hoặc để dùng các chất đánh dấu sinh học cụ thể phán đoán phát hiện bệnh cần điều trị.

ADN được đánh giá có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng làm vật liệu nền cho các hệ thống y học nano tiếp theo với mức độ kiểm soát có thể đạt được qua các thông số chính chi phối hiệu suất của các hạt nano. ADN dựa trên nền tảng y học nano có hiệu quả trong việc tải và vận chuyển thuốc cũng như với các tác dụng phụ ít hơn. Ngoài ra, có nhiều cách thức biến đổi dựa trên nền tảng y học nano cho phép đặc trưng hóa mục tiêu và phát hiện chẩn đoán bệnh cao hơn. 

Theo Vista.vn