Những tiến bộ trong lĩnh vực cảm biến sinh học Nano để theo dõi không xâm lấn quá trình biệt hóa tế bào gốc

Ngoài ra, các vật liệu nano và vi mô khác nhau có đặc tính thân thiện với tế bào có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các cảm biến hiện có. Đánh giá này tập trung trên vật liệu nano và vi mô để cải thiện khả năng cảm biến, bao gồm độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến sinh học đối với các chất phân tích mục tiêu liên quan đến tế bào gốc. Thông tin được trình bày nhằm mục đích thúc đẩy nghiên cứu về vật liệu nano và vi mô với các đặc tính thuận lợi để phát triển hoặc cải thiện các cảm biến sinh học nano hiện có để đạt được đánh giá thực tế về sự biệt hóa tế bào gốc và các liệu pháp dựa trên tế bào gốc.

Việc phát triển liệu pháp tế bào gốc đi kèm với nhiều thách thức: hiệu quả biệt hóa thấp, biệt hóa thành các tế bào không mong muốn, sinh ung thư hay gây ra phản ứng viêm sau ghép. Do đó, nhu cầu cần có phương pháp đo lường cụ thể về sự biệt hóa tế bào gốc đã phát triển như: kỹ thuật phản ứng chuỗi polymerase, tế bào dòng chảy hay miễn dịch màng lai đã được sử dụng rộng rãi với các dấu ấn sinh học [2]. Tuy nhiên, các phương pháp này tốn nhiều công sức, chi phí cao nên không phù hợp để phân tích định lượng và định tính các tế bào biệt hóa trong cấy ghép điều trị. Vì vậy, nhiều phương pháp cảm biến sinh học và công nghệ nano đã được đề xuất để theo dõi không xâm lấn quá trình biệt hóa tế bào gốc. Nhiều vật liệu nano và vi mô khác nhau đã được sử dụng để sửa đổi bề mặt cảm biến nhằm cải thiện hiệu suất cảm biến. 

Tổng quan này nêu rõ các điểm nổi và so sánh các nghiên cứu gần đây về theo dõi sự không xâm lấn cũng như thời gian thực quá trình biệt hóa tế bào gốc. Ngoài ra, bài tổng quan này giới thiệu và so sánh các bộ cảm biến sinh học khác nhau kết hợp với công nghệ phân tích cụ thể như điện hóa học và cảm biến quang học; cũng như đánh giá các vật liệu nano và vi mô khác nhau.

1. Cảm biến điện hóa

1.2. Cảm biến điện hóa dựa trên hạt nano vàng

Độ dẫn điện của vàng là 4,11 × 107 S/m, rất thuận lợi cho các cảm biến điện hóa [5]. Đã có báo cáo rằng AuNP là vật liệu không gây độc, thân thiện với tế bào, có tiềm năng lớn để cảm nhận các phân tử sinh học trong môi trường dựa trên tế bào và cho các nền tảng nuôi cấy tế bào.

Suhito et al. đã phát triển bộ cảm biến nano sinh học điện hóa dựa trên AuNP để xác định sự khác biệt của các tế bào gốc phôi (ESC). Kết quả phát hiện tế bào của nghiên cứu bằng phép đo điện áp xung vi sai (DPV) cho thấy rằng ESC không phân biệt tạo ra các tín hiệu điện quang tương đối mạnh so với các tế bào nội mô có nguồn gốc từ ESC khác biệt.

Nhìn chung, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng AuNP có thể được áp dụng để phát triển các cảm biến điện hóa giúp phát hiện nhạy các chất phân tích liên quan đến quá trình biệt hóa tế bào gốc do tính dẫn điện tốt, tính linh hoạt và dễ thao tác tổng hợp của AuNP với các phân tử sinh học và vật liệu nano khác nhau.

1.3. Cảm biến điện hóa dựa trên acid nucleic

Các đặc tính của acid nucleic có tiềm năng làm vật liệu nano cho cảm biến sinh học, vì chúng mang lại tính chọn lọc cao về khả năng phát hiện các phân tử mục tiêu. Ngoài ra, vật liệu acid nucleic có thể được liên hợp hóa học với đầu dò huỳnh quang hoặc điện hóa, tạo ra tín hiệu mạnh hơn và ái lực cao hơn đối với chất phân tích.

Trong một nghiên cứu, một cảm biến điện hóa dựa trên aptamer được phát triển để đánh giá chức năng tế bào thần kinh ở cấp độ tế bào đơn lẻ. Cảm biến gồm các giếng vi mô, aptamer DA và các chấm polymer phản ứng đồng (Pdots). Cảm biến này thể hiện khả năng tồn tại ổn định của tế bào như một nền tảng nuôi cấy và biệt hóa tế bào với độc tính tế bào thấp.

1.4. Cảm biến điện hóa dựa trên vật liệu nano carbon

Vật liệu nano carbon (CNP) như graphene, fullerene, ống nano carbon (CNT) và sợi nano. Do đặc điểm cấu trúc, chúng có tính điện tốt, độ linh động của điện tử và độ dẫn điện. Hơn nữa, CNP có thể được tổng hợp thành các cấu trúc 3D cụ thể. Ngoài ra, CNP tương thích sinh học, thúc đẩy sự liên kết tế bào, tang khả năng tăng sinh, phù hợp với nuôi cấy tế bào gốc và có thể cải thiện các chức năng của tế bào.

Các nghiên cứu trước đó chứng minh rằng các vật liệu nano carbon có thể được sử dụng để xây dựng các nền tảng cảm biến tuyệt vời với các đặc tính điện cao.

1.5. Cảm biến điện hóa dựa trên hệ thống vi lỏng

Các hệ thống vi lỏng là các hệ thống trong đó chất lỏng có thể chảy qua các kênh có kích thước siêu nhỏ được chế tạo trên đế [3], có ưu điểm có thể thực hiện nhiều thử nghiệm trên một con chip đơn lẻ bằng cách sử dụng một lượng nhỏ thuốc thử, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian. Do đó, hệ thống này phù hợp với cảm biến điện hóa vì các kênh siêu nhỏ chứa các chất phân tích được tiếp xúc gần các điện cực, giúp cải thiện hiệu suất cảm biến.

1.6. Cảm biến điện hóa dựa trên mảng vi điện cực

Mảng vi điện cực đề cập đến các vi vật liệu trong đó nhiều điện cực có kích thước siêu nhỏ được sắp xếp trên một đế đơn [1]. Dãy vi điện cực dựa trên cấu trúc 3D giúp cải thiện và tăng vùng hoạt động điện hóa mà chất phân tích tham gia vào phản ứng oxy hóa khử, mang lại hiệu suất cảm biến cao. 

Các tài liệu báo cáo rằng các cảm biến điện hóa dựa trên mảng vi điện cực có thể được sử dụng như một nền tảng nuôi cấy tế bào gốc, có khả năng phân tích tế bào ở các vị trí riêng biệt, cung cấp các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào. 

2. Cảm biến quang học

2.1. Cảm biến quang dựa trên hạt nano vàng và bạc

Các vật liệu nano như hạt nano vàng (AuNP) và hạt nano bạc (AgNP), có các đặc tính quang học tùy thuộc vào kích thước của chúng [4]. Dựa trên tài liệu đã được xem xét, AuNP và AgNP có đặc tính quang học tuyệt vời và lợi thế là dễ dàng chuyển đổi thành các cấu trúc nano 3D khác nhau.

Năm 2021, bài báo của Hua et al. đã mô tả sự phát triển của đầu dò bao gồm các sao nano vàng (AuStar) và các chấm lượng tử bạc sulphide để đánh dấu và theo dõi chính xác các MSC trong mô hình nhồi máu cơ tim với sự thâm nhập mô sâu.

Lee và cộng sự đã chế tạo thanh nano từ plasmon phát hiện mức độ biểu hiện của miRNA-124 và mô tả quá trình hình thành tế bào thần kinh của các hNSC có nguồn gốc iPSC ở người theo cách không phá hủy và hiệu quả.

2.2. Cảm biến quang học dựa trên hạt nano đảo ngược  

Các tài liệu đã xác định một số UCNP có đặc tính quang học cao và độc tính tế bào thấp. Hơn nữa, các cảm biến dựa trên UCNP có thể theo dõi sự khác biệt của tế bào gốc trong thời gian thực, không xâm lấn.

2.3. Cảm biến quang học dựa trên huỳnh quang tự động

Các vật liệu sinh học khác nhau có nguồn gốc từ các sinh vật tế bào có đặc tính tự phát huỳnh quang, cho phép chúng có tiềm năng được sử dụng trong cảm biến sinh học để thu thập thông tin về tế bào và mô. Các kỹ thuật tự phát huỳnh quang không yêu cầu xử lý hoặc cố định mẫu vật và có thể được thực hiện trong thời gian thực. Ngoài ra, các cảm biến dựa trên huỳnh quang tự động có thể được áp dụng để theo dõi sự khác biệt của tế bào gốc bằng các phương pháp cảm biến quang xâm lấn như quang phổ Raman và NIR.

Bài tổng quan này đã tóm tắt những tiến bộ trong cảm biến sinh học nano để theo dõi sự không xâm lấn trong quá trình biệt hóa tế bào gốc cũng như đánh giá và so sánh các vật liệu nano và vi mô khác nhau. Việc thực hiện nghiên cứu đánh giá và so sánh ưu điểm của các vật liệu nano để cải thiện hiệu suất của cảm biến sinh học, bao gồm độ nhạy và độ chọn lọc trong theo dõi sự biệt hóa tế bào gốc. Các tài liệu được xem xét kỹ lưỡng đã ủng hộ rằng nhiều vật liệu nano đã được áp dụng trong cảm biến quang học để tăng cường cường độ tín hiệu quang học nhằm phân tích cụ thể giúp quá trình phân tích đơn giản và nhanh hơn. Ngoài khả năng cảm biến, các cảm biến sinh học nano khác nhau đã hoạt động như các nền tảng nuôi cấy tế bào gốc bằng cách cung cấp các bề mặt thân thiện với tế bào. Tóm lại, các cảm biến sinh học nano điện hóa hoặc quang học có khả năng theo dõi sự không xâm lấn trong quá trình biệt hóa tế bào gốc.

Tài liệu tham khảo 

1. Haiss, W.; Thanh, N.T.; Aveyard, J.; Fernig, D.G. Determination of size and concentration of gold nanoparticles from UV−Vis spectra. Anal. Chem. 2007, 79, 4215–4221
2. VanGuilder, H.D.; Vrana, K.E.; Freeman, W.M. Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis. Biotechniques 2008, 44, 619–626
3. Whitesides, G.M. The origins and the future of microfluidics. Nature 2006, 442, 368–373
4. Widmann, K.; Ao, T.; Foord, M.E.; Price, D.F.; Ellis, A.D.; Springer, P.T.; Ng, A. Single-state measurement of electrical conductivity of warm dense gold. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 125002

0