Phát hiện ung thư phổi giai đoạn sớm có thể trở nên dễ dàng hơn nhờ vào một phương pháp tiên tiến phân tích hơi thở của con người. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một cảm biến nano siêu nhạy có khả năng phát hiện mức isoprene trong hơi thở – một dấu hiệu sinh học (biomarker) của ung thư phổi. Bằng cách kết hợp các cụm nano dựa trên bạch kim, cảm biến Pt@InNiOx đạt được độ nhạy cao, với ngưỡng phát hiện chỉ ở mức 2 phần tỷ, vượt trội so với các cảm biến trước đây.
Hơi thở như một công cụ chẩn đoán
Hơi thở của con người chứa các manh mối hóa học (chemical clues) có giá trị về sức khỏe của chúng ta, bao gồm các dấu hiệu của bệnh như ung thư phổi. Phát triển các phương pháp để phát hiện những hợp chất này trong hơi thở có thể giúp các bác sĩ chẩn đoán sớm hơn và cải thiện kết quả điều trị cho bệnh nhân.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một cảm biến nano để phát hiện ung thư phổi bằng cách phân tích mức isoprene trong hơi thở, đạt độ nhạy và độ chính xác cao. Cảm biến đã được tích hợp vào một thiết bị di động và chứng minh hiệu quả trong việc phân biệt bệnh nhân ung thư phổi với người khỏe mạnh qua các thử nghiệm nhỏ. Ảnh: SciTechDaily
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay 6-11 trên tạp chí ACS Sensors của Hội Hóa Học Mỹ, các nhà nghiên cứu mô tả việc tạo ra các cảm biến siêu nhạy, quy mô nano mà trong các thử nghiệm sơ bộ đã thành công trong việc xác định sự thay đổi hóa học quan trọng trong hơi thở của những người mắc ung thư phổi. Nghiên cứu này ra mắt kịp thời khi tháng 11 là tháng nâng cao nhận thức về ung thư phổi.
Các khí trong hơi thở và tiềm năng chẩn đoán
Khi chúng ta thở ra, chúng ta giải phóng nhiều loại khí, bao gồm hơi nước, CO2 và các hợp chất khác. Trong số này, các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng mức giảm của một hợp chất cụ thể có tên là isoprene có thể là dấu hiệu của ung thư phổi. Việc phát hiện những thay đổi nhỏ này đòi hỏi cảm biến có độ nhạy cao, có khả năng đo được mức isoprene ở mức phần tỷ (parts-per-billion – ppb). Ngoài ra, những cảm biến này phải phân biệt được isoprene với các hợp chất dễ bay hơi khác trong hơi thở và có khả năng chịu được độ ẩm tự nhiên.
Những nỗ lực trước đây để tạo ra các cảm biến như vậy tập trung vào oxit kim loại, đặc biệt là một hợp chất hứa hẹn làm từ oxit indi. Dựa vào đó, nhóm nghiên cứu do Pingwei Liu và Qingyue Wang dẫn đầu đã tìm cách cải tiến cảm biến dựa trên oxit indi để phát hiện isoprene ở các mức độ tự nhiên trong hơi thở.
Nâng cao độ nhạy cảm biến với oxit indi
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loạt cảm biến dựa trên oxide indium(III) (In2O3). Trong các thí nghiệm, họ đã tìm ra một loại mà họ gọi là Pt@InNiOx, vì nó chứa bạch kim (Pt), indi (In) và niken (Ni), đạt hiệu quả cao nhất. Những cảm biến Pt@InNiOx này có thể phát hiện mức isoprene thấp đến 2 ppb; phản ứng với isoprene tốt hơn các hợp chất dễ bay hơi khác thường có trong hơi thở; và hoạt động ổn định trong chín lần thử nghiệm mô phỏng.
Cuối cùng, để trình diễn tiềm năng ứng dụng y học của các cảm biến này, các nhà nghiên cứu đã tích hợp các tấm nano Pt@InNiOx vào một thiết bị cảm biến di động. Trong thiết bị này, họ đưa vào hơi thở đã thu từ 13 người, trong đó có 5 người mắc ung thư phổi. Thiết bị này phát hiện mức isoprene thấp hơn 40 ppb trong các mẫu từ người mắc ung thư và hơn 60 ppb từ người không mắc bệnh. Các nhà nghiên cứu cho biết công nghệ cảm biến này có thể mang đến một bước đột phá trong việc sàng lọc ung thư phổi không xâm lấn (non-invasive lung cancer screening) và có tiềm năng cải thiện kết quả điều trị cũng như cứu sống bệnh nhân.
Một phương pháp khác xét nghiệm ung thư nhanh chỉ từ một giọt máu
Cũng liên quan đến phát hiện và điều trị ung thư, một nhóm nhà khoa học đã phát triển phương pháp sử dụng các màng siêu mỏng để bắt giữ các gói nhỏ vật chất tế bào gọi là túi ngoại bào (extracellular vesicles).
Tế bào giải phóng hàng tỷ túi ngoại bào (EVs) vào máu, nước bọt, và các dịch cơ thể khác (bodily fluids). Các túi EV này mang thông tin quan trọng, bao gồm protein và vật liệu di truyền từ tế bào, cung cấp thông tin về tình trạng hiện tại của cơ thể. Các nhà khoa học nhận thấy tiềm năng lớn của EVs trong chẩn đoán và trị liệu, nhưng đối mặt với thách thức trong việc phát triển các phương pháp nhanh và tiết kiệm chi phí (cost-effective).
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Small, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester đã trình bày một phương pháp mới sử dụng màng siêu mỏng để dễ dàng nhận diện EVs cho các xét nghiệm sinh thiết (biopsies) lỏng nhanh chóng. Phương pháp này, gọi là bắt và hiển thị cho sinh thiết lỏng (CAD-LB), hứa hẹn khả năng chẩn đoán ung thư một cách nhanh chóng và tiết kiệm, cũng như đánh giá tiến triển của các liệu pháp điều trị bệnh.
Đơn giản hóa sinh thiết lỏng
“Bằng cách tìm kiếm các túi ngoại bào trong các mẫu máu hoặc dịch cơ thể khác và các dấu hiệu sinh học mà chúng mang theo, bạn có thể phát hiện các manh mối quan trọng về những bất thường trong cơ thể,” Giáo sư James McGrath, Trưởng nhóm nghiên cứu và Giáo sư Kỹ thuật Y sinh tại Đại học Rochester, cho biết. “Ý tưởng này đã tồn tại một thời gian, nhưng trước đây cần nhiều bước tinh lọc để tách các EVs khỏi các thành phần khác trong dịch sinh học. Phương pháp mới này đơn giản và nhanh hơn nhiều, tạo tiềm năng sử dụng trong lâm sàng mà các phương pháp phức tạp hơn không có.”
Nhóm nghiên cứu đã phát triển các màng siêu mỏng với các lỗ nhỏ phù hợp để bắt giữ EVs. Sau khi lấy mẫu máu, mẫu này được xử lý nhanh chóng, tiêm vào màng, và phân tích trực tiếp dưới kính hiển vi. Bằng cách đếm số lượng lỗ phát sáng với dấu hiệu sinh học của bệnh đang được kiểm tra, người dùng có thể nhanh chóng ước tính tình trạng bệnh trong cơ thể.
Phát hiện protein miễn dịch và điều chỉnh liệu pháp điều trị
Ngoài việc trình bày phương pháp CAD-LB, nghiên cứu còn chứng minh khả năng nhận diện các protein điều hòa miễn dịch quan trọng trên EVs. Các protein này đóng vai trò quan trọng trong việc giúp cơ thể chống lại khối u và có thể dự đoán mức độ phản ứng của bệnh nhân với các liệu pháp miễn dịch.
“CAD-LB hiện đủ nhạy để phát hiện một số loại ung thư ở giai đoạn có thể chữa trị, cho thấy tiềm năng của công nghệ này trong việc sàng lọc ung thư,” đồng tác giả Jonathan Flax, trợ lý nghiên cứu tại Khoa Niệu học của Trung tâm Y khoa Đại học Rochester, cho biết. “Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để lựa chọn liệu pháp miễn dịch phù hợp cho từng bệnh nhân, xác định phương pháp giúp hệ miễn dịch tấn công và loại bỏ các tế bào ung thư.”
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Rochester đã phát triển các màng siêu mỏng với các lỗ có kích thước hoàn hảo để bắt giữ và hiển thị túi ngoại bào (EVs), có thể cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng của cơ thể. Ảnh: Đại học Rochester
