Kỹ thuật protein huỳnh quang giúp chụp ảnh các mô sống

Không gây độc cho cơ thể

Các đầu dò huỳnh quang NIR hiện nay là các điểm chấm lượng tử, các hệ thống sử dụng hạt nano, phân tử nhỏ hữu cơ và các polymer. Điểm đặc trưng là các yếu tố này thường có độc tính lâu dài, không phân hủy sinh học và không ổn định cấu trúc vật chất khiến những ứng dụng của các đầu dò huỳnh quang trong môi trường điều trị y tế có rất nhiều hạn chế.

Để giải quyết thách thức này, nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học RWTH Aachen, Viện Vật liệu tương tác DWI, Leibniz, Đại học Groningen, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Thanh Hoa công bố một báo cáo nghiên cứu khoa học, sử dụng protein huỳnh quang không gây hại cho cơ thể để đánh dấu (label) cho ảnh chụp toàn thân.

Những protein huỳnh quang này có thể dễ dàng chế tạo, có rất ít nhiễu xạ nền chụp ảnh nên cho kết quả chính xác hơn và tương thích sinh học với cơ thể người. Phát hiện đặc biệt quan trọng gần đây được công bố trên tạp chí Vật liệu Tiên tiến (Advanced Materials).

GS Kai Liu, một trong những tác giả chính của bản báo cáo khoa học cho biết, so với các đầu dò huỳnh quang khác như vật liệu nano vô cơ và polymer, các hạt nano protein hiện có tính an toàn sinh học tự nhiên, rất phù hợp cho những ứng dụng điều trị y tế sâu trong tương lai.

Do đó, protein huỳnh quang rất hứa hẹn đối với chụp ảnh y sinh nhưng hiện tại không thể sử dụng trực tiếp trên động vật, ví dụ, bằng phương pháp tiêm ngoại sinh vào cơ thể.

Khi các protein này được tiêm vào cơ thể, sẽ xuất hiện sự thoái hóa và phản ứng quang hóa trong máu, (do bị cảm ứng quang học khiến phân tử huỳnh quang bay hơi) khiến huỳnh quang mất đi nhanh chóng. Do đó, nhiệm vụ đầu tiên là tạo ra các protein huỳnh quang ổn định trong lĩnh vực ảnh y sinh này.

GS Liu cho biết, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra một loại protein huỳnh quang NIR ổn định mới bằng giải pháp sử dụng vi khuẩn và một phương án tinh chế nhằm cải thiện sự ổn định của protein huỳnh quanh trong cơ thể.

Vi khuẩn như E. coli thường được sử dụng để sản xuất protein ngoại lai bằng phương pháp sử dụng bộ máy sản xuất gene của chính nó.

So với các đầu dò huỳnh quang không tự nhiên, đôi khi phải thực hiện các giao thức tổng hợp phức tạp để tạo lên và có thể độc hại đối với cơ thể, vi khuẩn có thể dễ dàng sản xuất một lượng lớn protein huỳnh quang mong muốn rất an toàn và hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu thiết kế một loại protein huỳnh quang tích điện dương, sau đó trộn với poly (ethylene glycol) tích điện âm.

Nhờ có lực tĩnh điện giữa hai thành phần, một phức hợp protein lưỡng tính được hình thành. Phương thức này cho phép tổng hợp các phức hợp protein và tách ra khỏi dung dịch nước, hình thành các hạt nano protein.

Sơ đồ chế tạo các nano protein huỳnh quang

Ảnh chụp huỳnh quang cận hồng ngoại (NIR)

Các hạt nano protein có thể tải thuốc

Các hạt nano protein thu được có tính năng phát xạ NIR rất ấn tượng (700, 1700nm) phù hợp cho phát hiện mô sâu, tính thấm thấu vào tế bào cao, khả năng tương thích sinh học tốt và thời gian lưu thông trong máu được nâng cao đáng kể.

Một trong những đặc tính quan trọng nhất là nhóm nghiên cứu có thể chứng minh được, các đầu dò mới có thể phát hiện và theo dõi những khối u nằm sâu trong mô thời gian thực.

Các nhà khoa học cho biết, bằng một mũi tiêm vào tĩnh mạch, đầu dò protein huỳnh quang mới cung cấp những bức ảnh có đặc điểm ổn định và lâu dài tại vị trí các khối u, có ưu thế vượt trội hơn nhiều so với các protein huỳnh quang khác được sử dụng từ trước đến nay.

GS Liu chỉ ra một lợi thế ứng dụng khác trong nano protein huỳnh quang, đó là sự tồn tại thể tích rỗng trong các hạt nano protein, rất hữu ích để tải thuốc kỵ nước trong quá trình chụp ảnh y sinh và xử lý y tế đồng thời các khối u.

Ngoài protein huỳnh quang, giải pháp này còn cho phép dễ dàng chế tạo ra nhiều vật liệu nano protein bằng cách hợp nhất các protein chức năng khác nhau cho những ứng dụng điều trị y tế khác sâu trong cơ thể con người.