Thiết bị mới phát hiện dấu hiệu sinh học của người bệnh Alzheimer và Parkinson

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị này trên các mẫu bệnh phẩm trong ống nghiệm lấy từ bệnh nhân. Kết quả cho thấy thiết bị này có độ chính xác giống như các thiết bị tối tân nhất hiện nay. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu dự định kiểm tra mẫu nước bọt và nước tiểu bằng cảm biến sinh học. Thiết bị này còn có thể chỉnh sửa để phát hiện các dấu hiệu sinh học của những căn bệnh khác.

Các nhà nghiên cứu đã trình bày công trình nghiên cứu của họ trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ra ngày 13/11/2023.

Giáo sư khoa học vật liệu, kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật sinh học Ratnesh Lal tại Trường UC San Diego Jacobs, và một tác giả của bài báo, cho biết: “Hệ thống chẩn đoán di động này sẽ cho phép người dùng xét nghiệm các bệnh thoái hóa thần kinh tại nhà và tại các điểm chăm sóc sức khỏe trên toàn cầu, như phòng khám và viện dưỡng lão”. 

Theo dự đoán, cho đến năm 2060, riêng ở Mỹ sẽ có khoảng 14 triệu người mắc bệnh Alzheimer. Các căn bệnh thoái hóa thần kinh khác, chẳng hạn như bệnh Parkinson, cũng đang trên đà gia tăng. Các phương pháp xét nghiệm hiện đại nhất hiện nay đối với bệnh Alzherimer và Parkinson đòi hỏi phải chọc dò tủy sống và xét nghiệm hình ảnh, bao gồm cả chụp cộng hưởng từ. Mà người bệnh thường chần chừ thực hiện các xét nghiệm xâm lấn, vì thế mà các bác sĩ rất khó phát hiện ra bệnh sớm. Chưa kể, những bệnh nhân đã thể hiện triệu chứng bệnh và gặp khó khăn trong việc di chuyển cũng khó được xét nghiệm để chẩn đoán. Điều tương tự cũng xảy ra với những người không thể sớm tới khám tại bệnh viện hoặc cơ sở y tế địa phương.

Giáo sư Lal tập trung một trong những giả thuyết phổ biến ở lĩnh vực này để phát triển thiết bị của mình, đó là: bệnh Alzheimer xuất hiện là do các peptide amyloid hòa tan kết hợp với nhau tạo thành các phân tử lớn hơn, từ đó tạo thành các kênh ion trong não.

Giáo sư muốn phát triển một xét nghiệm có thể phát hiện amyloid beta và peptide tau – dấu ấn sinh học cho bệnh Alzheimer – và protein alpha synuclein – dấu ấn sinh học cho bệnh Parkinson – mà không xâm lấn. Đặc biệt là thiết bị này chỉ cần sử dụng nước bọt và nước tiểu của bệnh nhân. Giáo sư Lal muốn dựa vào cách phát hiện điện hơn là phát hiện hóa học, vì ông tin rằng nó sẽ dễ thực hiện hơn và có chính xác cao hơn. Ngoài ra, ông cũng muốn chế tạo một thiết bị có thể truyền kết quả xét nghiệm qua mạng không dây đến gia đình bệnh nhân và bác sĩ.

Thiết bị này là kết quả của ba thập kỷ nghiên cứu chuyên môn của ông cũng như quá trình hợp tác với các nhà nghiên cứu trên toàn cầu, trong đó gồm các đồng tác giả của công trình này đến từ Texas (Hoa Kỳ) và Trung Quốc.

Để thực hiện tầm nhìn của mình, giáo sư Lal và đồng nghiệp đã chỉnh sửa một thiết bị mà nhóm phát triển trong đại dịch COVID để phát hiện protein gai và protein nucleoprotein trong virus SARS-CoV-2 sống, mà họ đã mô tả trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia năm 2022. Bước đột phá đó được thực hiện nhờ việc thu nhỏ chip và tự động hóa sản xuất cảm biến sinh học trên quy mô lớn.

Thiết bị này được làm ra thế nào và nó hoạt động ra sao

Thiết bị này gồm một con chip với transistor có độ nhạy cao, thường được gọi là transistor hiệu ứng trường (FET). Trong thiết bị này, mỗi transistor được làm bằng một lớp graphene mỏng hơn một triệu lần so với sợi tóc của người và ba điện cực – cực nguồn và cực máng, nối với cực dương và cực âm của pin, để dòng điện chạy qua, và một điện cực cổng để kiểm soát lượng dòng điện. 

Nối với điện cực cổng là một sợi DNA đơn, đóng vai trò là đầu dò gắn kết đặc thù với protein beta amyloid, protein tau hoặc protein synuclein. Sự gắn kết của các amyloid này với đầu dò DNA đặc thù của chúng được gọi là một aptamer. Nó thay đổi lượng dòng điện giữa các cực nguồn và cực máng. Sự thay đổi về dòng điện hay điện áp này là tín hiệu được dùng để phát hiện các dấu hiệu sinh học cụ thể, như protein amyloid và protein COVID-19.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị này với các protein amyloid lấy từ não bộ của các bệnh nhân Alzheimer và Parkinson đã qua đời. Thí nghiệm cho thấy các cảm biến sinh học có khả năng phát hiện những dấu ấn sinh học cụ thể đối với cả hai căn bệnh trên với độ chính xác tuyệt vời, ngang bằng với các phương pháp tối tân nhất hiện này. Thiết bị này hoạt động ở nồng độ cực thấp, nghĩa là nó chỉ cần một lượng mẫu nhỏ vài microlit.

Ngoài ra, các xét nghiệm cho thấy thiết bị này hoạt động tốt ngay cả khi các mẫu đem phân tích chứa những protein khác. Với protein tau thì thiết bị này khó phát hiện hơn. Nhưng vì thiết bị xem xét ba dấu ấn sinh học khác nhau nên nó có thể kết hợp kết quả từ cả ba dấu ấn này để đem lại kết quả tổng hợp đáng tin cậy.

Công nghệ này đã được trường UC San Diego cấp phép cho Công ty Khởi nghiệp Công nghệ sinh học Ampera Life. Chủ tịch của công ty là giáo sư Ratnesh Lal, nhưng ông không nhận hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu từ công ty này.

Các bước tiếp theo sẽ là dùng thiết bị này để xét nghiệm huyết tương và dịch não tủy, cuối cùng là các mẫu nước bọt và nước tiểu. Những xét nghiệm này sẽ được thực hiện tại bệnh viện và nhà dưỡng lão. Nếu những xét nghiệm kể trên đạt được kết quả tốt, Công ty Ampera Life dự định sẽ nộp đơn để Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm cấp phép cho thiết bị, hy vọng là trong vòng năm tới sáu tháng sau thiết bị này sẽ được phê duyệt. Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu là đưa thiết bị ra thị trường trong một năm.

Hiếu Ngân – Minh Tú

Nguồn: medicalxpress.com

(Bài đăng ở Báo KH&PT số 46)