Phương pháp ứng dụng công nghệ nano phát hiện virus viêm đường hô hấp

RSV đã khiến cho 120000 trẻ em ở Mỹ nhập viện mỗi năm. Mặc dù nó chỉ đe doạ sự sống của 1 trong 100 ca nhiễm nhưng nó thật sự nhiễm vào tất cả các trẻ em khi lên năm. Một vài trẻ ở Mỹ chết do RSV; và nó cũng tấn công vào những người lớn tuổi, gây 17.000 – 18.000 ca thử vong mỗi năm. Những người có hệ miễn dịch suy yếu sẽ có nguy cơ nhiễm bệnh cao. Trên thế giới, bệnh do virus gây ra hàng triệu ca tử vong mỗi năm.

Những phương pháp hiện nay phát hiện virus mất 2 – 6 ngày làm trì hoãn hiệu quả điều trị. Một phương pháp mới, sử dụng công nghệ cao là việc sử dụng đa màu sắc, các vi hạt phát huỳnh quang gọi là các hạt lượng tử (quantum dot) gắn với các phân tử cấu trúc duy nhất trên vỏ virus và tế bào mà nó xâm nhiễm. Trong một bài báo đăng trên tờ Nanoletter phát hành tháng 6 (2005), các nhà nghiên cứu ờ Vanderbilt báo cáo rằng hệ các hạt lượng tử không chỉ phát hiện sự tồn tại của của RSV trong vài giờ, so với những test mất 2 đến 5 ngày như hiện nay, mà còn nhạy hơn và cho phép phát hiện virus sớm hơn trong quá trình nhiễm.

Khi một virus RSV nhiễm vào phổi, nó phóng thích một phần vỏ trên bề mặt tế bào. Những phần đó sẽ bám vào các kháng thể then chốt cấu trúc nên vỏ RSV. Kết quả là những phần tử đó liên kết với không chỉ các phần tử virus khác mà còn gây nhiễm vào tế bào que trên bề mặt.

“Vấn đề của những kỹ thuật phát hiện hiện nay là sự kéo dài thời gian”, GS James E. Crowe, Jr. thuộc khoa nhi, người cộng tác với Phó Giáo sư hóa học David W. Wright phát biểu. “Khi một bệnh nhân bị bệnh hô hấp tới gặp Bác sĩ, phòng cấp cứu hay phòng khám, đôi khi các triệu chứng của họ do vi khuẩn và đôi khi do virus. Có những thuốc đặc trị điều trị một số bệnh do nhiễm virus và các kháng sinh đặc hiệu trị bệnh vi khuẩn. Các test phát hiện bệnh hiện nay phải mất tới 5 ngày mới cho biết có hay không sự nhiễm virus hoặc cho biết nhiễm loại virus nào.”

Crowe đã liệt kê 3 lợi ích của hệ thống phát hiện sớm bệnh là: 1) Tăng sự chính xác khi dùng các thuốc kháng virus. Mặc dù một vài loại thuốc đã phát triển cho virus hô hấp nhưng nó không thông dụng bằng các liệu pháp chữa bệnh do chúng chỉ ảnh hưởng đến giai đoạn sớm của quá trình nhiễm. Những test phát hiện trước nay nhận diện virus khá muộn sau khi bị nhiễm. 2) Giảm việc dùng kháng sinh không thích hợp: hiện nay, các bác sĩ thường kê đơn có kháng sinh cho bệnh hô hấp. Tuy nhiên, các kháng sinh chống lại các bệnh hô hấp do vi khuẩn lại không có liệu lực đới với bệnh do virus. Các phương pháp phát hiện sớm virus sẽ giúp các bác sĩ giảm tần số sử dụng kháng sinh không hiệu quả, bằng cách giảm các tác dụng phụ không cần thiết của kháng sinh và giảm thiểu sự kháng kháng sinh của vi khuẩn. 3) Giúp tách ly các bệnh nhân nhiễm RSV. RSV cực kỳ dễ lây nhiễm do đó nếu phát hiện sớm sẽ cho phép các nhân viên bệnh viện chuyển các bệnh nhân nhiễm RSV vào nơi tách biệt với các bệnh nhân khác, những người đặc biệt nhạy cảm với sự lây nhiễm, chẳng hạn như những bệnh nhân cấy ghép tuỷ xương.

Phương pháp kiểm tra mới dễ nhận được sự chấp thuận hơn là thuốc mới. Do đó các nhà nghiên cứu đã tiên đoán rằng phương pháp chuẩn đoán mới sẽ chỉ mất khoảng 2 đến 3 năm để phát triển và được phê chuẩn chính thức. “Tất cả các thành phần luôn sẵn có”, PGS. Wright phát biểu, “vậy nên mọi người có thể kết hợp một trong những hệ thống phát hiện này nếu họ muốn”.

Phương pháp này cũng rất rẻ tiền. Thành phần đắt tiền nhất trong phương pháp này là các hạt lượng tử: một lọ nhỏ đủ chứa khoảng 200 test, giá khoảng US$ 300. Do vậy, phương pháp này có thể là một trong những ứng dụng sớm nhất của công nghệ nano vào y học.

Bước tiếp theo các nhà khoa học sẽ phát triển một hệ các hạt lượng tử có khả năng phát hiện cùng lúc sự hiện diện của ít nhất 5 virus hô hấp chính: cúm type A và B parainfluenza (gây bệnh khó thở ở trẻ em) và metapneumovirus (virus gây biến dạng phổi), ngoài RSV virus. “Điều này hoàn toàn có khả năng”, Wright nói. Trong các bài báo gần nay, Wright và Crowe đã chứng minh rằng họ có thể sử dụng đồng thời 2 màu khác nhau của các hạt lượng tử đã được liên kết với 2 phân tử “linker” gắn với 2 cấu trúc bề mặt RSV khác nhau. 

“Không có gì quá ngạc nhiên khi phát hiện từ 2 đến 5 virus”, Wright nói. Hạt lượng tử đã sẵn có cho hàng tá màu sắc khác nhau, và các kháng thể chuyên biệt để xác định 4 loại virus hô hấp khác nhau đã được xác định và có thể được dùng như những phân tử linker. Một lần test có thể chẩn đoán hơn 90% các ca nhiễm virus hô hấp, ông ta nói. 

Sự có mặt của phương pháp này có thể thúc đẩy sự phát triển của các liệu pháp chữa bệnh đã được cải tiến cho virus hô hấp, Crowe nói. Nếu không có một phương pháp chẩn đoán nào cho các bệnh nhiễm virus chuyên biệt, các công ty sản xuất thuốc sẽ không có nhiều động cơ thúc đẩy việc tăng hiệu quả điều trị vì các bác sĩ không dùng chúng để kê toa thường xuyên. 

Hiện nay, có 3 phương pháp chẩn đoán để xác định virus hô hấp tương tự như RSV. Tiêu chuẩn vàng liên quan tới việc ủ và gây nhiễm mẫu trên mô nuôi cấy trong 5 ngày sau đó dùng cách nhuộm màu huỳnh quang để kiểm tra sự có mặt của virus. Vần đề chính của kỹ thuật này là virus nhân trong cơ thể bệnh nhân cùng thời điểm với nhân trong môi trường nuôi cấy. 

Đây là nguyên nhân nhiều bệnh viện chuyển sang kỹ thuật real time PCR, kỹ thuật cực nhạy nhưng vẫn phải mất 36 – 48 giờ bởi vì cần đội ngũ nhà sinh học phân tử được huấn luyện tốt để thực hiện các test trong phòng thí nghiệm. Cũng có phương pháp thứ 3, gọi là kiểm tra kháng nguyên, chỉ mất khoảng 30 phút. Tuy nhiên, nó không đủ nhạy để phát hiện sự hiện diện của virus trong giai đoạn tiền nhiễm. 

Một lợi thế khác của các hạt lượng tử quantum khi đem so sánh với các phương pháp phát hiện khác là dựa vào các protein huỳnh quang, là protein mất màu trong vài phút trong khi các hạt lượng tử có thể giữ màu trong vài giờ.  

Bằng cách so sánh, phương pháp hạt lượng tử mới mất 2 giờ và thậm chí nhạy hơn phương pháp định lượng bằng realtime PCR. “Nó có thể phát hiện sự có mặt của RSV trong 1 giờ sau khi nuôi cấy”, PGS. Wright cho biết. 

“Có sự cường điệu hoá về công nghệ nano,” Crowe nói, “nhưng phương pháp này là có thực và có ý nghĩa áp dụng thiết thực hiện nay”.