ứng dụng vàng trong y khoa

ỨNG DỤNG VÀNG TRONG Y KHOA

Trần-Đăng Hồng, PhD

Vàng là một kim loại quí, con người biết xử dụng làm đồ trang sức, trang trí, dát tượng, làm tiền tệ từ mấy ngàn năm nay. Có màu vàng và chiếu sáng, không bị rỉ sét do oxit hóa, không phản ứng với hầu hết các hoá chất ngoại trừ HCl hay dung dịch cyanure. Vàng dễ dát mỏng, 1 g vàng có thể được dập mỏng thành tấm 1 m², dùng để dát tượng hay trang trí nghệ thuật. Vàng nguyên chất 24 k (kara) rất mềm, dễ uốn, nên thường tạo hợp kim với các kim loại khác để làm cho nó cứng thêm; hợp kim với đồng cho màu đỏ hơn, với sắt màu xanh lá cây, với nhôm cho màu tía, với bạch kim cho màu trắng, với bismuth và bạc cho màu đen.

Một lượng vàng nguyên chất (99.99%) nặng 37,50 g. Một chỉ bằng 1/10 lượng vàng.Trên thị trường thế giới, vàng thường được đo lường theo hệ thống khối lượng troy, trong đó 1 troy ounce (ozt) tương đương 31,1034768 g.Vàng tâytức vàng dùng làm trang sức thường là vàng 18 k.

Vàng có tính dẫn nhiệt và điện tốt, kháng ăn mòn,có lý tính và hóa tính thỏa đáng, vàng trở thành một kim loại công nghiệp cần thiết.Mật độ electron tự do trong vàng kim loại là 5,90×10²² cm⁻³. Vàng có tính dẫn điện rất cao, và đã được dùng làm dây dẫn điện trong một số thiết bị tiêu thụ nhiều điện năng.xử dụng rộng rãi trong ngành điện tử bởi chỉ phủ một lớp vàng mỏng có thể đảm kết nối điện mọi dạng. Ví dụ, vàng được dùng làm thiết bị nối của các dây dẫn điện đắc đỏ, như thiết kế máy âm thanh, video và cáp USB cao cấp.

Bởi vàng là một chất phản xạ tốt với bức xạ điện từ như hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy được cũng như các sóng radio, nó được dùng làm lớp phủ bảo toàn vệ tinh nhân tạo, trong các tấm bảo vệ nhiệt hồng ngoại và mũ của các nhà du hành vũ trụ và trên các máy bay chiến tranh điện tử tàng hình.

Vàng được dùng như lớp phản xạ trên một số đĩa CD công nghệ cao.

Quan trọng hơn cả, gần đây các nhà khoa học đang nghiên cứu áp dụng siêu-vi-thể vàng hay hạt vàng cực nhỏ (Gold nanoparticles) trong ngành công nghiệp và y khoa. Làm sao vàng có thể xử dụng để giết tế bào ung thư, tăng hiệu năng tế bào quang điện mặt trời và làm chất xúc tác phản ứng hóa học?

Bạn có nghĩ rằng trong máy phone di động, máy vi tính và nhiều máy điện tử khác của bạn có chứa siêu-vi-thể vàng không? Ngày nay, có công nghiệp tái tạo vàng (recycle) từ các sa thải máy phone di động, vi tính, v.v. như nhà máy Umicore's plant ở Hoboken, Belgium thực hiện.

Ứng dụng trong y khoa

Trong một phòng thí nghiệm nghiên cứu y khoa tại MIT (Massachusetts Institute of Technology), nhà nghiên cứu dùng ống hút rút dung dịch vàng có màu rượu vang tím sẩm chứa siêu-vi-thể vàng cực nhỏ, có kích thước tới 15 nanometer (15 x 10^-9 m, phần tỷ của mét) từ trong một ống nghiệm để chuyển sang các ống nghiệm nhỏ hơn, rồi cho thêm muối khoáng, lắc nhẹ, các ống nghiệm bây giờ đổi màu khác nhau tùy theo lượng muối (Hình 1). Muối giúp siêu-vi-thể vàng kết tủa thành nhóm có kích thước đồng nhất tùy theo nồng độ muối, và có màu sắc khác nhau. Đây là phương pháp sàng lọc siêu-vi-thể vàng có cùng kích thước đồng nhất, từ lớn đến nhỏ, tùy theo ứng dụng trong y khoa.

Hình 1. Màu sắc biến đổi tùy theo kích thước siêu-vi-thể vàng

Trong số các vi thể kim loại xử dụng trong y khoa để chửa trị ung thư kể từ 1978, siêu-vi-thể vàng được cho là hữu hiệu nhất và được nghiên cứu nhiều nhất trong vòng 5 năm nay. Bởi vì siêu-vi-thể vàng có kích thước thật nhỏ, bằng kích thước của gene trong tế bào, lại rất dễ dàng bao bọc bởi các nguyên tử Sulphur (lưu huỳnh), để sau đó cho chuyên chở mang theo thuốc trị ung thư. Theo dòng máu các siêu-vi-thể vàng mang thuốc này đến thẳng và bị dính chặt với tế bào bướu ung thư, ở đây siêu-vi-thể vàng nhả thuốc và tiêu diệt tế bào ung thư.

Ngày nay, với kỹ thuật siêu-vi-thể vàng, có 4 lãnh vực được nghiên cứu trong y học: định bệnh (diagnosis), chuyên chở thuốc đến mục tiêu (drug delivery), chụp ảnh (medical imaging), và tiêu diệt mục tiêu của tế bào bệnh. Ngoài ra, một nghiên cứu mới được thành hình mang tên “theranostic” phối hợp xử dụng siêu-vi-thể vàng vừa định bệnh vừa chửa trị cùng lúc, như các nghiên cứu thực hiện ở Đại học Tel Aviv Do Thái, áp dụng tính phản xạ của siêu-vi-thể vàng cho phương pháp định bệnh, và tính chuyên chở thuốc đến mục tiêu trong việc chửa bệnh.

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH BỆNH. Trong kỹ thuật cổ điển, mẩu máu lấy từ bệnh nhân được chuyển đến phòng phân tích bệnh học (pathology) để xét nghiệm, mất vài ngày, mau nhất là vài giờ, mới có kết quả, trong khi đó bệnh tình bệnh nhân có thể biến đổi nguy cấp. Vì vậy cần có một phương pháp cho kết quả thật nhanh chóng, có thể thực hiện được ngay tại phòng bác sỉ trước mặt bệnh nhân. Siêu-vi-thể vàng được ưa chuộng vì tính vô hại đối với cơ thể, dể dàng kết hợp với oligonucleotides của RNA hay DNA, và có màu sắc biến đổi rõ ràng để phán đoán kết quả định bệnh chính xác. Một ví dụ điển hình là xử dụng thiết kế phát hiện Verigene để biết loại vi khuẩn nào gây bệnh, giúp bác sỉ ra toa chọn loại thuốc trụ sinh thích ứng. Thiết kế phát hiện Verigene (Verigene detector) được hảng Nanosphere ở Northbrook, Illinois sản xuất và được FDA (US Food and Drug Administration) chấp nhận. Kỹ thuật này xử dụng siêu-vi-thể vàng khoác lớp oligonucleotides để bắt một số loại vi khuẩn, phân tích DNA của vi khuẩn thể hiện qua màu sắc, cho kết quả trong vòng 2-3 giờ thay vì 2-3 ngày theo phương pháp cỗ điển, từ đó bác sỉ biết là loại vi khuẩn nào gây bệnh.

Một ví dụ khác là xử dụng Verigene để chẩn bệnh xem bệnh nhân có mẫn cảm với thuốc Warfarin (thuốc làm loảng máu, chống đóng cục) hay không, hay bệnh tiêu chảy là do vi trùng Clostridium difficile hay do vikhuẩn nào khác, v.v.

Một chiếc nhẫn cưới xử dụng sản xuất được 35 triệu thử nghiệm chẩn đoán bệnh, như vậy cũng không đắc lắm.

CHUYÊN CHỞ THUỐC ĐẾN MỤC TIÊU GÂY BỆNH. Vàng có đặc tính hấp dẩn vật liệu dính vào, nên là dụng cụ rất hữu hiệu để chuyên chở thuốc (drug) đến mục tiêu mầm bệnh, nhất là các ung bướu ung thư.

Ung bướu ung thư thường phát triển rất nhanh, và các mạch máu dẫn đến ung bướu này thường có những lỗ rất nhỏ, nên siêu-vi-thể vàng chứa thuốc bị mắc kẹt ở các lỗ nhỏ nằm chung quanh ung bướu.

Mới đây, đại công ty điều chế thuốc AstraZeneca ở Anh hợp tác với công ty CytImmune of Rockville ở Maryland chuyên về vi thể y khoa để phát triển thuốc trị ung thư bằng cách đính phân tử TNF (Tumour necrosis factor) lên mặt siêu-vi-thể vàng. Phân tử TNF trên siêu-vi-thể vàng theo dòng máu, khi đến ung bướu thì tách rời siêu-vi-thể vàng và dính vào tế bào của ung bướu rồi giết tế bào ung bướu. Thuốc TNF đính trên siêu-vi-thể vàng hiện còn đang thử nghiệm, được đặt tên CYT-6091, chứng tỏ rất hiệu quả và an toàn. Hiện nay, công ty CytImmune hợp tác với AstraZeneca đính các loại thuốc hóa trị (chemotherapeutic drugs) lên siêu-vi-thể vàng để chửa trị nhiều loại ung thư khác.

Một kỹ thuật vi y khoa khác là sấp xếp dây xoắn đơn hay kép DNA hay RNA lên siêu-vi-thể vàng được gọi là vi cầu SNA (spherical nucleic acids) (Hình 2).

Vi cầu SNA có thể đi xuyên qua da, nên có thể phối hợp với dầu thơm (lotion) để trị bệnh ung thư da (melanoma), hay một số bệnh ngoài da khác.

Vi cầu SNA cũng có khả năng đi qua các mạch máu li ti trong màng óc để đến mục tiêu tế bào ung bướu nảo (glioblastoma).

Vi cầu SNA cũng có khả năng chuyên chở oligonucleotides để điều hòa hoạt động của gene, chẳng hạn SNA chuyên chở kháng thể đến mục tiêu HER2 của ung thư vú (breast cancer).

1. Siêu-vi-thể vàng được bao phủ bởi vòng xoắn nucleic acids tạo thành vi khối cầu Spherical Nucleic Acids (SNA)

2. Vi khối cầu SNA xâm nhập vào tế bào virus

3. Vì vàng không bị hệ thống miễn nhiểm đào thải nên nằm an toàn trong tế bào virus

4. Vòng xoắn nucleic acids trên SNA hoạt động làm vô hiệu gene của virus, virus không hoạt động

Hình 2. Cách thức xử dụng siêu-vi-thể vàng làm virus gây bệnh không hoạt động.

HOÀN THIỆN KỸ THUẬT LASER TIÊU DIỆT TẾ BÀO UNG THƯ. Một phương pháp trị ung thư khác là xử dụng tia laser để giết tế bào ung thư. Một yếu điểm của kỹ thuật dùng tia laser là khó xác định vị trí của tế bào ung thư, và tia laser cũng giết một số tế bào lành mạnh chung quanh. Xử dụng siêu-vi-thể vàng giảm thiểu cả 2 khuyết điểm này.

Các nghiên cứu ở Đại học Rice Houston, Texas cho biết siêu-vi-thể vàng có nhiều kích thước khác nhau hấp thụ được tia hồng ngoại (near-infrared). Bức xạ này đi xuyên qua tế bào mà không làm hư hại tế bào lành mạnh. Siêu-vi-thể vàng được đưa vào ung bướu, và khi tia sáng được rọi vào, siêu-vi-thể vàng được đun nóng tạo nhiệt giết tế bào ung bướu, trong khi tế bào lành mạnh không hề hấn gì.

Các nghiên cứu khác thuộc Georgia Institute of Technology ở Atlanta và Đại học California ở San Francisco chứng minh rằng siêu-vi-thể vàng có khả năng tỏa nhiệt tối đa khi gặp tia laser. Một công ty đã áp dụng kỹ thuật tạo ra máy để chửa trị ung thư cổ và đầu, cũng như ung thư phổi. Cũng công ty này dùng siêu-vi-thể thủy tinh được bao phủ bởi siêu-vi-thể vàng, và một lớp polyethylene glycol (PEG). Siêu-vi-thể này khi được tiêm vào dòng máu một ngày trước khi trị bằng laser. Thời gian này vừa đủ để siêu-vi-thể thủy tinh/vàng tích tụ ở ung bướu nhưng chưa đủ thời gian bị tống khứ ra khỏi cơ thể, vì nhờ ảnh hưởng của PEG ngăn hệ thống miễn nhiễm của cơ thể. Thông thường, nếu không có PEG, siêu-vi-thể vàng bị gan và thận tống khứ ra khỏi cơ thể. Máy bắn tia laser vào cơ thể, tế bào ung thư trở nên chiếu sáng, vừa giúp định bệnh, vừa tiêu diệt tế bào ung thư.

CHỤP ẢNH PHÂN BIỆT TẾ BÀO

Hình 3. Siêu-vi-thể vàng giúp chụp ảnh tế bào

Phòng nghiên cứu thuốc y khoa thuộc đại học California University ở San Francisco thiết kế một máy để điều trị ung thư. Với thiết kế trước đây xử dụng kỹ thuật protein phát quang màu xanh, tế bào phát quang trong chớp nhoáng rồi tắt lịm nên chưa kịp xác định được vị trí tế bào ung thư để tiêu diệt.

Ngược lại, với máy thiết kế xử dụng siêu-vi-thể vàng, khi tia sáng gặp 2 vi-thể vàng kế cận, điện tử của cả hai vi-thể ảnh hưởng với nhau tạo cộng hưởng, gọi là “plasmonic resonance” làm gia tăng cường độ của tia sáng được phản xạ và làm biến đổi màu (Hình 3). Chính nhờ hiện tương thay đổi màu sắc ở tế bào ung thư chết mà nhà khoa học biết tế bào ung thư nào còn sống (không đổi màu vì tế bào sống có peptides) còn tế bào chết thì đổi màu. Phương pháp này giúp bác sỉ biết là bệnh nhân được chửa trị hết ung thư hay chưa bằng tia laser hay hóa trị, và cần tiếp tục chửa trị nữa hay không.

Mời xem: https://www.youtube.com/embed/QorK2X7GsVU

Tài liệu tham khảo.

Nature ngày 28/2/2015: Tiny treasure: The future of nano-gold.

Nature số 495, ngày 14/3/2013: Biomedicine: The new gold standard.

Reading, 3/2015

Trần-Đăng Hồng, PhD