Giới thiệu sơ lược về các thuật ngữ “Nano-”
Công nghệ nano (Nanotechnology) là một công nghệ mang tính khoa học, công nghệ kiến thiết và mang tính thiết kế chuyên sâu tiến hành trên quy mô nano (nanoscale) với cấp độ siêu khoảng 1-100 nanometers. Khoa học nano (Nanoscience) và công nghệ nano (Nanotechnology) là nghiên cứu và ứng dụng các vật rất nhỏ và có thể sử dụng xuyên suốt các ngành khoa học như hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu và công nghệ.
Ý tưởng và khái niệm đằng sau khoa học nano và công nghệ nano được trình bày với một tiêu đề “Nhiều căn phòng ở đáy” (There’s Plenty of Room at the Bottom) bởi nhà khoa học vật lý Richard Feynman đang công tác tại cuộc họp Hội vật lý Mỹ ở Viện công nghệ California (California Institute of Technology-CalTech) vào ngày 29 tháng 12 năm 1959 trước khi thuật ngữ công nghệ nano (nanotechnology). Trong lời phát biểu của ông ta, Feynman mô tả một chu trình mà trong đó các nhà khoa học có thể ddieuf khiển và kiểm soát nguyên tử và phân tử riêng biệt. Qua nhiều thập niên sau đó, khám phá của ông ta về siêu chính xác (ultraprecision), GS. Norio Taniguchi tạo ra một thuật ngữ “công nghệ nano” (nanotechnology). Mãi cho đến năm 1981, với sự phát triển của kính hiển vi của ống quét (scanning tunneling microscope) mà có thể nhìn thấy các nguyên tử riêng biệt và thuật ngữ công nghệ nano hiện đại (modern nanotechnology).
Hình 1. Nhà vật lý Richard Feynman – Cha đẻ của công nghệ nano
Nền tảng khái niệm về khoa học nano và công nghệ nano
Thật là khó có thể hình dung ra là công nghệ nano rất nhỏ như thế nào. Một nanometer là một phần tỷ mét hay 10-9 của mét. Đây là một vài ví dụ minh họa:
- Có đến 25.400.000 nanometers trong 1 inch;
- Một sheet tạp chí dày khoảng 100.000 nanometer;
- Một thang đo so sánh nếu một viên đá cẩm thạch là 1 nanometer thì một mét sẽ có kích thước trái đất.
Nanotechnology
Khoa học nano và công nghệ nano đều liên quan đến khả năng nhìn thấy và kiểm soát các nguyên tử và phân tử riêng biệt. Mọi thứ trên trái đất đều thiết lập từ nguyên tử như thức ăn chúng ta ăn, quần áo, nhà cửa và vât thể sống. NHưng một số nhỏ như nguyên tử không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thực tế, không thể nhìn bằng kính hiển vi như đã từng sử dụng trong trường trung học. Kính hiển vi cần thiết để nhìn thấy các vật ở cấp độ nano được khám phá cách nay 30 năm.
Một khi các nhà khoa học có công cụ đúng như kính hiển vi điện tử quét (scanning tunneling microscope-STM) và kính hiển vi nguyên tử (atomic force microscope-AFM) thì công nghệ nano sinh ra. Mặc dù, khoa học nano và công nghệ nano mới, song vật liệu có tầm nano đã được sử dụng cách nay hàng thế kỷ. Các phân tử bạc và vàng có kích thước thay đổi tạo ra các màu sắc trong công nghiệp nhuộm kính của các nhà thờ cổ xưa cách nay hàng trăm năm. Các họa sỹ đã không hề biết chu trình đó mà họ đã tạo ra các tác phẩm đẹp trong nghệ thuật, dẫn đến các thay đổi thành phần chất liệu mà họ đang làm. Các kỹ sư và các nhà khoa học ngày nay đang tìm ra nhiều cách khác nhau để tạo ra các chất liệu ở tầm nano để nâng cao đặc tính như tăng chiều cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn, phổ kiểm soát ánh sáng và các phản ứng hóa học lớn hơn.
Đặc biệt gần đây trên thế giới cũng như ở Việt Nam có nhiều nhà khoa học đã và đang áp dụng công nghệ nano và khoa học nano vào nghiên cứu và ứng dụng nano để thiết kế, chế tạo dược phẩm và liệu pháp điều trị. Nhân đây, chúng tôi xin tổng hợp các thành tựu đó.
Nanotechnology anti virus
Hạt nano từ: ứng dụng trong việc vận chuyển thuốc đến đích y học
Trong những năm gần đây, công nghệ nano đã có những bước phát triển vượt bậc và đem lại nhiều lợi ích trong chẩn đoán và điều trị. Đặc biệt, hệ nano từ ra đời đã đem đến nhiều tiềm năng trong việc ứng dụng để đưa thuốc đến đích dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Ví dụ như kỹ thuật sử dụng các hạt nano gây tê đã được đưa vào cơ thể bằng từ trường ngoài có thể cung cấp một phương pháp hữu ích thay thế cho việc gây tê cục bộ thần kinh ở bệnh nhân.
Hình 4: Nam châm được sử dụng để thu hút các hạt nano chứa thuốc
Nghiên cứu này được thực nghiệm trên quy mô thí điểm để đánh giá việc sử dụng các hạt nano từ chứa thuốc gây tê cục bộ ropivacaine (MNP/Ropiv) để gây tê cho chi. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các phức hợp nano có chứa ropivacaine và ion sắt từ. Các phức hợp MNP/Ropiv đã được tiêm vào tĩnh mạch của chuột để gây tê.
Các nhà nghiên cứu sau đó đã đặt nam châm quanh mắt cá chân phải trong 15, 30 hoặc 60 phút. Mục đích là sử dụng nam châm để thu hút các hạt nano từ đến mắt cá chân phải. Một khi ở đó, các hạt này sẽ phóng thích thuốc gây tê, làm tê dây thần kinh quanh mắt cá phải. Cảm giác ở chân phải được đánh giá bằng cách so sánh với chân trái mà không có tác động bởi lực từ trường.
Nano detector and fix
Các hạt nano từ cũng có tiềm năng to lớn trong chẩn đoán và điều trị u não. Một trong ưu điểm của các hạt nano từ là làm tăng khả năng thấm và thời gian tích tụ ở khối u não dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Nghiên cứu thực hiện tiêm tĩnh mạch doxorubicine dưới dạng nano từ vào chuột đã được gây khối u.
Sau 1 giờ, dưới tác dụng của từ trường bên ngoài thì mức độ tích lũy của doxorubicin ở các mô não, gan, thận được ghi nhận lại dưới dạng hình ảnh bởi máy Xenogen IVIS-200. Kết quả cho thấy sự tích lũy doxorubicin cao nhất tại não, nên cho thấy tiềm năng trong điều trị khối u này.
Các hạt nano từ cũng được dùng trong việc vận chuyển thuốc đến các chỗ viêm khi có từ trường bên ngoài. Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra những ưu điểm của việc đưa hạt nano từ đến phổi, có thể thực hiện với một hệ thống hướng đích được thiết kế hợp lý.
Ngoài ra, sự tăng nhiệt từ dựa trên ý tưởng là lượng lớn nano sẽ tạo ra nhiệt khi có mặt từ trường bên ngoài và gây chết tế bào ung thư. Cơ chế gia tăng nhiệt này có thể giải thích là các hạt nano từ có thể tạo ra nhiệt ở mức độ nội bào (bên trong lysosome) và hoạt hóa quá trình tự chết (apoptosis) gây chết tế bào ung thư. Phương pháp này được sử dụng để điều trị ung thư ở giai đoạn cuối như u tuyến tiền liệt vì có những ưu điểm như xâm lấn tối thiểu.
Việc sử dụng hạt nano từ tính như một hệ thống phân phối thuốc rất có triển vọng trong chẩn đoán và điều trị bởi tính tương thích sinh học của nó và tính hướng đích chọn lọc đến tế bào và mô theo ý muốn dưới tác dụng của từ trường bên ngoài. Những tiến bộ trong công nghệ hiện tại và sự phát triển của các hạt nanô từ tính như là các hệ thống phân phối thuốc đã được quan tâm trong thập kỷ qua, dẫn đến sự phát triển của nano từ tính khác nhau trong các dạng bào chế liposome, kim loại /phi kim loại và nano polymer. Các hệ thống phân phối thuốc mới này đã làm tăng khả năng phân phối các thuốc mà theo phương pháp trước đây cho thấy hiệu quả hạn chế.
Hình 6. Hiện tượng quá nhiệt do tác động của từ trường lên các hạt nano từ
Những lợi ích tuyệt vời của hệ dẫn truyền thuốc nano
Cùng với sự phát triển của xã hội, công nghệ nano đã được ứng dụng nhiều hơn trong việc nghiên cứu phát triển thuốc mới. Thuốc nano đã dần chứng minh được hiệu quả tuyệt vời của mình về khả năng cải thiện kết quả trị liệu và tăng tính an toàn của sản phẩm so với các dạng bào chế qua ước.
Trên thị trường dược phẩm thế giới đã xuất hiện nhiều sản phẩm nano sử dụng trong phòng và điều trị các bệnh viêm nhiễm nặng, ung thư và liên quan đến liệu pháp gene. Tiểu phân nano với kích thước siêu nhỏ (1-1.000nm) có cấu tạo lõi thân nước hoặc thân dầu bao quanh bởi bề mặt thân nước, dễ dàng phân tán vào môi trường sinh lý bên trong cơ thể. Kích thước tiểu phân nano nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước tế bào (kích thước tế bào bình thường khoảng 10-100μm (1μm = 0,1% mm), tế bào ung thư có thể đạt kích thước đến vài mm).
Hình 7. Kích thức nano của các vật
Chính vì thế, tiểu phân nano được thiết kế phù hợp với đường đi của thuốc bên trong cơ thể có khả năng giúp vận chuyển thuốc đến đúng vị trí cần giải phóng hoạt chất hoặc đích sinh học (mô bệnh, tế bào bệnh hoặc bào quan bên trong tế bào bệnh) cải thiện vượt trội tính an toàn và hiệu quả trị liệu của thuốc.
Hệ dẫn truyền thuốc nano cải thiện vượt trội tính tan và tính thấm dược chất
Theo hệ thống phân loại sinh dược học (Biopharmaceutical classification system) của Cơ quan Quản lý Thuốc và Thực phẩm Mỹ (FDA), trên 75% các hoạt chất nghiên cứu thuốc hiện nay có tính tan kém trong các môi trường dịch sinh lý và trên 25% các dược chất có tính thấm thấp qua thành dạ dày ruột, hạn chế khả năng hấp thu và đưa thuốc vào tuần hoàn máu.
Hình 8. Thuốc nano cải thiện tính tan và tính thấm dược chất một cách vượt trội
Đối với dược chất kém tan, dược chất được đưa vào bên trong giá mang nano lõi thân dầu giúp tăng đáng kể khả năng hòa tan dược chất. Bề mặt tiểu phân nano thân nước nên dễ dàng phân tán trong môi trường nước và cải thiện vượt trội tính tan dược chất. Đối với tính thấm dược chất, biểu mô và màng tế bào là hai hàng rào sinh học rất quan trọng trên đường đến vị trí phóng thích dược chất của tiểu phân nano. Đối với đường đưa thuốc vào cơ thể tại vị trí ngoài lòng mạch, tiểu phân nano cần phải đi qua các biểu mô trước khi vào tuần hoàn máu, rồi đi qua nội mô mới phân bố đến mô bệnh. Đối với thuốc đưa trực tiếp vào lòng mạch thì tiểu phân nano chỉ cần đi qua nội mô để vào mô bệnh.
Hình 9. So sánh giữa liệu pháp cổ điển và công nghệ nano trong điều trị
Còn trường hợp tiểu phân nano phóng thích hoạt chất bên trong tế bào thì phải đi qua màng tế bào. Chính vì thế, tùy theo bản chất cấu tạo từng hàng rào sinh học, thiết kế tiểu phân nano có cấu trúc, hình dạng, kích thước phù hợp sẽ giúp tăng đáng kể tính thấm tiểu phân và tăng sinh khả dụng (tốc độ và mức độ hấp thu của dược chất tới đích tác dụng) của thuốc. Nhiều tài liệu khoa học đã chứng minh công nghệ nano giúp tăng tính thấm thuốc hiệu quả ở các mô khối u, mô viêm nhiễm, những vị trí có hàng rào sinh học nội mô rời rạc và không có màng nền.
Hệ dẫn truyền thuốc nano bảo vệ dược chất kém bền cùng các mô và tế bào lành
Hoạt chất kém bền được bao bọc bên trong tiểu phân nano sẽ tránh bị ảnh hưởng bởi các tác nhân phân hủy trong thí nghiệm trước khi đưa thuốc vào cơ thể như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy, không khí và ánh sáng. Trên đường đi của thuốc đến đích tác dụng sau khi thuốc được đưa vào cơ thể người sử dụng, thuốc nano chứa dược chất bên trong cũng có khả năng tránh được các tác nhân phân hủy trong thí nghiệm như pH, dịch sinh lý, enzyme. Chính vì vậy, thuốc nano bảo vệ tốt các hoạt chất kém ổn định.
Hình 10. Môi trường và dược học trong nghiên cứu nanomedicin
Dược chất được bao bọc bên trong tiểu phân nano chỉ phát huy tác dụng khi giải phóng khỏi tiểu phân tại các đích sinh học. Do đó, những hoạt chất độc tính cao và gây nhiều tác dụng phụ không có nhiều cơ hội phát huy. Mặt khác, thuốc nano được cấu tạo bởi chất phân hủy sinh học (biodegradation), tương thích sinh học (biocompatibility) không độc tính nên không gây tổn hại các cơ quan, mô và tế bào lành trong cơ thể. Thuốc thiết kế hướng đích sinh học (mô bệnh, tế bào bệnh và bào quan bên trong tế bào bệnh), trên đường đi của thuốc sẽ tránh được sự phân bố thuốc đến các mô lành và tế bào lành. Chính vì thế, thuốc nano hướng đích an toàn khi sử dụng.
Hệ dẫn truyền thuốc nano hướng đích tác dụng sinh học
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã cho thấy hệ dẫn truyền thuốc nano hướng đích tác dụng sinh học (mô bệnh, tế bào bệnh và bào quan bên trong tế bào bệnh. Tùy theo vị trí giải phóng dược chất của thuốc nano, khi thiết kế, phát triển thuốc cần thay đổi cấu trúc bề mặt của tiểu phân một cách phù hợp để đáp ứng khả năng hướng đích của thuốc.
Ví dụ, các tiểu phân nano thụ động thường bị opsonin hóa và bắt giữ bởi thực bào, có khả năng hướng đến đích sinh học ở vùng gan, lách là chủ yếu nên được ứng dụng trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn hoặc ung thư gan, các biến chứng ở gan. Các tiểu phân nano bao phủ trên bề mặt bởi lớp PEG linh động thân nước giúp tăng thời gian lưu của tiểu phân nano trong tuần hoàn máu và tăng khả năng hướng đích ở các mô viêm nhiễm hoặc mô khối u.
Tiểu phân nano gắn các phối tử (ligand) đặc hiệu với các thụ thể (receptor) đặc hiệu của tế bào đích giúp thuốc nano hướng đích chủ động. Ví dụ, tiểu phân nano Stealth® gắn folate trên bề mặt có khả năng hướng thuốc hiệu quả đến khối u tử cung.
Hình 11. Một số hướng can thiệp của công nghệ nano trong nghiên cứu dược
Trong điều trị một số bệnh ở người như nhiễm khuẩn nội bào, ung thư hoặc bệnh có nguồn gốc từ gene, cần phải đưa hoạt chất trị liệu vào bên trong tế bào. Các tiểu phân chủ động sẽ đóng vai trò quan trọng trong trường hợp này nhờ nhận biết đặc hiệu của thụ thể (receptor) ở màng tế bào với ligand đính trên bề mặt tiểu phân. Chẳng hạn, các phức hợp nano (phức lipid hoặc phức polymer) có khả năng nội hóa tế bào rất cao nhờ tương tác điện tích với màng tế bào, đưa các DNA, ODN và SiRNA vào bên trong tế bào đến vị trí đích tác dụng.
Cơ chế tác động hướng đích của hệ dẫn thuốc nano
Trong công nghệ dược phẩm, các hệ dẫn thuốc nano đã cho thấy những ưu thế vượt trội so với các hệ dẫn thuốc truyền thống thông qua việc nâng cao hiệu lực chữa trị của các loại thuốc. Vậy hệ dẫn thuốc nano đã mang dược chất tác động vào tế bào bệnh như thế nào và bằng cách nào?
Sự phát triển của công nghệ nano tạo ra rất nhiều bước tiến vượt bậc trong tất cả các lĩnh vực khoa học công nghệ.
Công nghệ nano đã tạo ra hàng loạt vật liệu mới, kích thước từ vài nanomet tới 100 nanomet được sử dụng trong nghiên cứu các dạng thuốc mới có khả năng vận chuyển dược chất đến các bộ phận mong muốn trong cơ thể với liều lượng thích hợp và theo đúng thời gian mong muốn.
Hình 12. Công nghệ nano áp dụng trong nhiều ngành và lĩnh vực đời sống
Đặc biệt, trong việc chữa trị ung thư, những hệ dẫn thuốc nano giúp cải thiện tính tan (đối với các loại thuốc không tan), nâng cao thời gian lưu thông của thuốc trong hệ tuần hoàn, tập trung thuốc tại vùng khối u thông qua hai cơ chế hướng đích: bị động và chủ động.
Khả năng lưu thông của thuốc trong hệ tuần hoàn là một trong những yếu tố quan trọng góp phần tạo ra hiệu lực chữa trị của thuốc. Nếu tốc độ đào thải thuốc lớn hay nói cách khác thời gian lưu thông ngắn thì sẽ phải tăng liều lượng và số lần sử dụng thuốc nhằm duy trì nồng độ hiệu lực của thuốc. Bất kì loại thuốc nào khi đưa vào cơ thể đều trải qua quá trình đào thải gây ra bởi những đại thực bào tồn tại trong hệ lưới nội mô của cơ thể.
So với những hệ dẫn thuốc truyền thống, những hệ dẫn thuốc nano sở hữu kích thước nhỏ có thể thoát khỏi quá trình đào thải này. Kích thước càng nhỏ, tốc độ đào thải sẽ càng chậm. Nghiên cứu trên những hạt nano polystyrene có kích thước nằm trong khoảng từ 50-500 nm đã cho thấy những hạt nano có kích thước nhỏ hơn 100nm tốc độ đào thải thấp hơn 2 lần so với những hạt có kích thước lớn hơn.
Hình 13. Hạt nano (trái) thâm nhập tế bào u não
Hướng đích bị động
Hướng đích bị động dựa trên sự khác biệt trong cấu trúc của các mô, cơ quan thường và các khối u ung thư. Khác với hệ mạch máu chặt khít trong các mô, cơ quan thường, hệ mạch máu của các khối u ung thư có rất nhiều khe nang với kích thước từ 400 – 800nm. Do vậy, những hệ dẫn thuốc có kích thước nhỏ hơn hoặc trong khoảng này có khả năng tập trung cao tại các khối u trong khi giảm thiểu khả năng tập trung tại các mô, cơ quan thường.
Qua đó, nâng cao hiệu lực tác động của thuốc tại vùng khối u, đồng thời hạn chế tác động của thuốc trên những mô, cơ quan thường hay nói cách khác là giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc. Ngoài ra, so với các phân tử thuốc có khối lượng nhỏ, các hạt nano có khối lượng lớn hơn 80kDa (kilo Dalton – đơn vị đo khối lượng phân tử, siêu nhỏ) có khả năng lưu trữ lâu hơn bên trong các khối u so với những hạt có khối lượng nhỏ hơn.
Hướng đích chủ động
Hướng đích chủ động là cơ chế hướng đích dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu giữa các thụ thể biểu hiện đặc trưng trên các tế bào ung thư và các tác nhân hướng đích được gắn trên bề mặt của các hệ mang thuốc nano. Những hệ dẫn thuốc nano được “trang bị” các tác nhân hướng đích sẽ có khả năng “định vị” một cách chính xác vị trí của các tế bào ung thư, thúc đẩy quá trình nhập bào bằng những con đường nhập bào thông qua thụ thể.
Hình 14. Hạt nano vàng sử dụng trong truyền dẫn thuốc.
Một số yếu tố giúp phân biệt các tế bào ung thư và tế bào thường có thể kể đến như các thụ thể trên màng tế bào, thành phần lipid trên màng tế bào hay những kháng nguyên hoặc protein có mặt trên bề mặt tế bào.
Tương ứng với mỗi yếu tố sẽ có những cơ chế nhập bào khác nhau. Ví dụ khi hệ dẫn thuốc được gắn với thành phần lipid có trên màng tế bào sẽ làm thay đổi thành phần lipid của màng tế bào dẫn tới sự thay đổi khả năng thẩm thấu, tính lưu động của lớp màng. Trong trường hợp này, tác nhân hướng đích phải tạo ra những thay đổi có lợi cho việc nhập bào của các hệ dẫn thuốc.
Trong trường hợp yếu tố hướng đích liên kết với thụ thể trên bề mặt màng tế bào, tương tác giữa tác nhân hướng đích và thụ thể sẽ làm thúc đẩy quá trình nhập bào thông qua con đường nhập bào được điều hòa bởi thụ thể.
Ví dụ, tương tác giữa axit folic và thụ thể của axit folic – một thụ thể đóng vai trò rất quan trọng trong việc phát triển của tế bào ung thư và được biểu hiện quá mức trên rất nhiều loại ung thư như ung thư vú, phổi, vòm họng, não, buồng trứng, biểu mô sẽ thúc đẩy quá trình nhập bào thông qua con đường nhập bào được điều hòa bởi thụ thể của axit folic.
Phát triển nanomedicine trị bệnh đường hô hấp
Công nghệ nano đưa ra cách tiếp cận mới trong điều trị các bệnh lý hô hấp. Bên cạnh đó, nghiên cứu các tác động hô hấp của các vật liệu nano giúp hiểu được tác động của khí thải và các hạt bụi siêu mịn tới sức khỏe con người bởi phổi là cửa ngõ quan trọng nhất của các hạt nano để tới các cơ quan trong cơ thể người.
Trong hen phế quản, selectin làm xuất hiện quá trình viêm và tăng phản ứng đường thở. Các nghiên cứu cho thấy vai trò của protein gắn hạt nano đối kháng với selectin có tác dụng chống viêm trong hen phế quản và bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính. Kumar và cộng sự tại Mỹ thấy kết quả tốt khi sử dụng các hạt nano gắn Chitosan IFN-genome-pDNA (CIN) trong chẩn đoán và điều trị hen dị ứng ở mô hình động vật.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy hiệu quả của poly-lactide-co-glycolide (PLGA) dựa trên công nghệ nano để đưa thuốc chọn lọc tới phổi. Các thuốc chống viêm (prednisolon), giãn cơ trơn phế quản đã được chế tạo theo cơ chế đưa thuốc này tới đích ở phổi trong điều trị hen phế quản và bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính.
Hình 15. Áp dụng công nghệ nano vào điều trị bệnh lý hô hấp
Bệnh xơ nang (cystic fibrosis)
Bệnh xơ nang là bệnh lý di truyền do đột biến gen điều hòa vận chuyển màng xơ nang (cystic fobrosis transmembrane regulator). Tổn thương của bệnh ảnh hưởng đến tất cả các tuyến ngoại tiết, trong đó phổi và tụy là rối loạn chính. Liệu pháp thay thế gene là phương pháp điều trị cơ bản trong bệnh xơ nang.
Quá trình sản xuất và thay đổi thành phần cũng như độ quánh của chất nhầy tiết ra trong phổi trong bệnh xơ nang sẽ dẫn đến tắc nghẽn đường thở, phổi dễ bị nhiễm khuẩn tái diễn. Giống như virut, các hạt nano có thể được sử dụng như các vectơ cho gene nhưng chúng ít gây miễn dịch và có khả năng vận chuyển DNA cao hơn. Sử dụng hạt nano nạp DNA đã được ứng dụng điều trị bệnh xơ nang.
Hình 16. Công nghệ nano trong phát triển các thuốc điều trị ung thư phổi.
Bệnh lao phổi
Một số nghiên cứu đã đánh giá hiệu quả tiềm năng của các hạt nano được sử dụng trong kháng sinh chống lao. Pandey và cộng sự ở Ấn Độ đã nghiên cứu tác dụng của khí dung các kháng sinh chống lao (rifampicine, isoniazid, pirazinamid) gắn với công nghệ nano thấy nồng độ thuốc duy trì ở mức cao từ 6 – 8 ngày trong máu và kéo dài đến 11 ngày trong phổi, thời gian bán thải và sinh khả dụng cao hơn so với đường uống. Các nghiên cứu cho thấy sử dụng thuốc lao gắn với công nghệ nano có những ưu điểm sau: Rút ngắn thời gian điều trị; phân phối thuốc tới đích; sử dụng liều lượng thuốc thấp tối thiểu và ngăn ngừa các tác dụng phụ của thuốc.
Hình 17. Công nghệ nano áp dụng trong điều trị xơ nang phổi
Ung thư phổi
Các nghiên cứu trong những năm gần đây đã tập trung vào ứng dụng công nghệ nano trong việc đưa thuốc tới đích để điều trị ung thư phổi. Thế hệ thuốc đầu tiên là hệ thống phân phối thuốc bằng công nghệ nano làm tăng tính thấm và lưu giữ thuốc (enhanced permeability and retention) như hạt nano gắn paclitaxel polumeric (Genoxol-PM).
Thế hệ thuốc thứ hai được cấu tạo đa dạng như kháng thể đơn dòng đặc hiệu khối u (cetucimab) gắn hạt nano; tác nhân đích aptamer có khả năng gắn các cấu trúc đặc hiệu đích bởi kích thước nhỏ, tổng hợp dễ dàng và không gây đáp ứng miễn dịch; các phân tử nhỏ như folate được sử dụng cho đích các tế bào ung thư (các tế bào ung thư có đậm độ cao thụ thể cho folate). Các protein như transferrin cũng là đích cho tế bào ung thư. Một hướng khác là các hạt nano gây hiệu ứng tăng nhiệt độ (hyperthermia) dẫn đến phá hủy các khối u phổi.
Nanocapsule: Đột phá trong công nghệ bào chế dược phẩm
Công nghệ nano ứng dụng trong sản xuất thuốc là bước đột phá mới hiện nay trong nền y dược học, đã được chứng minh khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả trị liệu và tăng tính an toàn của sản phẩm so với các dạng bào chế quy ước. Nhờ ứng dụng công nghệ này, người ta có thể bào chế ra nhiều loại thuốc trên cơ sở cấu trúc nano để có thể tập trung chính xác vào khu vực cơ thể cần dùng đến thuốc.
Hình 18. Viên nang nano
Vi nang nano (nanocapsule-NC) là một loại vi hạt có kích cỡ nanomet được bao bọc bên ngoài bởi những loại polymer không độc tính. Bên trong là một lõi chất lỏng chứa những thành phần quan trọng (như thuốc chẳng hạn). NC có rất nhiều ứng dụng, trong đó triển vọng nhất là trong các hệ thống đưa thuốc đến đích tác động. Khi được nạp vào NC, các độc tính toàn thân có liên quan đến thuốc sẽ giảm đi rất nhiều, đồng thời sự tập trung thuốc ở vị trí trị liệu cũng tăng lên.
Quá trình vi nang hoá sẽ làm tăng hiệu lực, tính đặc hiệu và khả năng hướng đích của thuốc. NC giúp bảo vệ phân tử thuốc khỏi bị phân huỷ quá sớm trong môi trường sinh học nên sẽ làm tăng sinh khả dụng và kéo dài sự hiện diện của thuốc trong máu nhằm tạo điều kiện cho thuốc được hấp thu hiệu quả vào bên trong tế bào. Các NC có thể sẽ nhanh chóng bị thanh thải ra khỏi cơ thể bởi hệ thống thực bào đơn nhân (mononuclear phagocytic system – MPS).
MPS sẽ nhận diện NC là các cấu tử ngoại lai và nhanh chóng loại bỏ chúng ra khỏi hệ tuần hoàn. Tuy nhiên, bề mặt của các NC có thể được biến đổi để ngăn cản quá trình thực bào xảy ra. Ngoài ra, sự biến đổi bề mặt của các NC cũng làm tăng khả năng chọn lọc và phân phối thuốc đến đích tác động. Các bề mặt này có thể được gắn với những phân tử đánh dấu hoặc các polymer thân nước. Việc thiết kế nên các NC có xét đến đích tác động và đường dùng thuốc sẽ giải quyết được những vấn đề mà bản thân phân tử thuốc trị liệu gặp phải.
Có rất nhiều phương pháp tổng hợp NC. Những phương pháp được lựa chọn phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của tác nhân trị liệu, loại ứng dụng và thời gian cần để lưu lại bên trong cơ thể.
Hình 19. Ống nano carbon với những ứng dụng tiềm năng trong bào chế dược phẩm
Một số loại vi nang nano trong công nghệ bào chế dược phẩm
Liposome
Đây là những túi nhỏ hình cầu có lớp màng kép chứa phospholipid bao bọc bên ngoài. Dạng NC này được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống đưa thuốc cũng như phân phối gene trị liệu. Liposome giúp bảo vệ các tác nhân trị liệu tránh phân huỷ và đưa được chúng đến vị trí tác động. Ngoài ra, liposome còn dễ dàng được gắn với các phân tử đánh dấu để có thể phân phối thuốc hướng đích.
Liposome được tổng hợp từ các lipid mang điện hoặc trung tính bằng một số phương pháp vi nang hoá như ép đùn màng polycarbonate, đồng hoá dưới áp suất cao, bốc hơi pha đảo, sử dụng siêu âm hay ép đùn thuỷ hoá màng lipid sử dụng sóng siêu âm. Hiện tại có rất nhiều loại thuốc khác nhau được vi nang hoá tạo ra dạng NC liposome bao gồm các thuốc kháng ung thư như methotrexate, doxorubicin, N-butyldeoxynojirimycin; ciproflaxacin, clotrimazole, tretinoin.
Micelle trùng hợp
Micelle trùng hợp hay micelle polymer (polymeric micelle) được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm tạo ra những chất mang thuốc có cấu trúc nano do chúng có kích thước nhỏ và độ ổn định cao. Các micelle được phân làm 3 loại gồm: thân nước, thân dầu và phức hợp polyion.
Chúng được điều chế bằng một số kỹ thuật thông dụng như tách dung môi, thẩm phân, đúc khuôn dung dịch (solution casting). Một số tác nhân trị liệu đã được vi nang hoá bằng cách này để làm tăng độ tan, tác dụng điều trị, bao gồm doxorubicin (micelle pluronic), paclitaxel, camptothecin, oxaliplatin, β-lapachone, amphotericin B, geldanamycin, andriamycin, cyclosporin A, rapamycin và một số dạng chế phẩm chứa gene vi khuẩn.
Hình 20. Ứng dụng viên nang nano trong điều trị y học
Ống nano carbon
Ống nano carbon (carbon nanotube – CNT) là một loại phiến graphite được cuộn lại thành khối hình trụ có các mạng lưới liên kết đặc trưng. CNT với kích thước cỡ nano được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sử dụng công nghệ nano mà gần đây nhất là công nghệ bào chế dược phẩm. CNT được tổng hợp bởi nhiều phương pháp bao gồm: phóng điện hồ quang, cắt bằng laser, phản ứng tự oxy hoá khử carbon monoxide, ngưng tụ hơi và phương pháp thuỷ nhiệt.
Hiện tại, có nhiều loại thuốc khác nhau có thể được vi nang hoá bên trong cấu trúc rỗng hoặc trong các khoang của CNT để làm tăng hiệu lực tác dụng và tăng độ tan như acid folic, doxorubicin, paclitaxel, 10-hydroxycamptothecin, carboplatin.
Dendrimer
Dendrimer là một loại đại phân tử polymer có nhiều nhánh, đối xứng và dạng cầu 3 chiều với các hạt có cùng kích cỡ và phân tử lượng được xác định rõ. Trong các hệ thống đưa thuốc, dendrimer có thể được sử dụng để vi nang hoá các tác nhân trị liệu vào bên trong cấu trúc hoặc liên hợp với chúng trên bề mặt.
Dendrimer có chứa 3 thành phần cơ bản bao gồm lõi, nhánh và các thành phần bề mặt. Chúng được điều chế bằng hai phương pháp cơ bản là phân kỳ và hội tụ, ngoài ra, còn có thêm một phương pháp khác là phương pháp hội tụ giai đoạn kép. Những loại thuốc được vi nang hoá sử dụng dendrimer bao gồm doxorubicin, paclitaxel, 10-hydroxy camptothecin, 7-butyl-10-aminocamptothecin, flurbiprofen, ibuprofen.
Tiểu phân nano từ tính
Các tiểu phân nano từ tính (magnetic nanoparticles – MNP) đã được các nhà khoa học quan tâm rất nhiều trong 2 thập kỷ qua trong các lĩnh vực lưu trữ dữ liệu và y sinh học. Bề mặt từ tính của các MNP cho phép chúng có thể gắn kết và truyền từ tính cho các phân tử chức năng. Điều này có thể giúp lôi kéo và vận chuyển các phân tử này đến cơ quan đích mong muốn bằng cách điều chỉnh từ trường sinh ra. Mỗi MNP được cấu tạo gồm 3 phần: lõi từ, lớp phủ bề mặt và lớp chức năng bên ngoài. Những tác nhân trị liệu được áp dụng phương pháp này để tạo ra các dạng chế phẩm hướng đích bao gồm doxorubicin, 5-FU, curcumin và methotrexate.
(Xin mời xem tiếp phần II)
Theo: TS.BS. Huỳnh Hồng Quang
(Biên dịch và tổng hợp)
