Chip vi lưu xét nghiệm máu phát hiện sớm ung thư phổi

Kết quả nghiên cứu góp phần mở ra triển vọng phát triển những thiết bị xét nghiệm nhỏ gọn tại nhà.

Các nhà khoa học của trường ĐH Công nghệ kiểm tra chip trong phòng thí nghiệm. Ảnh: NVCC

Có kích thước tương đương một chiếc USB thông thường, phòng thí nghiệm trên con chip (Lab-on-a-chip) này sử dụng công nghệ vi lưu để bơm một lượng mẫu xét nghiệm nhỏ vào các kênh dẫn tới buồng phản ứng có đường kính 500 micromet (tương đương gấp 5 lần đường kính sợi tóc), chứa các chế phẩm sinh học đặc hiệu để bắt cặp với các tế bào ung thư phổi có trong máu. Sử dụng nguyên lý đo điện dung vi sai giữa các điện cực, cảm biến trở kháng của hệ thống sẽ đo xem trong buồng phản ứng có bao nhiêu liên kết bắt cặp, từ đó xác định được lượng tế bào A549 có trong mẫu xét nghiệm – PGS. TS. Bùi Thanh Tùng, Khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, chia sẻ về thiết bị họ đã phát triển từ năm 2016.

Ung thư phổi là căn bệnh ngày càng phổ biến ở cả Việt Nam và thế giới, với hơn 1,5 triệu ca mắc mới mỗi năm, chiếm khoảng 13% tổng số ca chẩn đoán ung thư toàn cầu. Ở giai đoạn ban đầu, nếu phát hiện sớm và áp dụng các biện pháp điều trị thích hợp thì tỷ lệ chữa khỏi (tức sống thêm từ 5 năm) có thể lên tới 80-90%, trong khi để bệnh phát triển đến giai đoạn cuối thì tỷ lệ chữa khỏi chỉ còn khoảng 15-25% hoặc thấp hơn, và gánh nặng chi phí điều trị vô cùng lớn.

“Chúng tôi muốn phát triển một thiết bị có thể giúp chẩn đoán sớm ung thư,” Chủ nhiệm đề tài GS.TS. Chử Đức Trình, trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, cho biết. “Để càng nhiều người - đặc biệt là ở các bệnh viện tuyến dưới - có thể tiếp cận được với việc sàng lọc và chẩn đoán sớm ung thư, thì những phương pháp xét nghiệm phải càng đơn giản, thuận tiện và ít tốn kém”.

Trong thập kỷ qua, phương pháp ‘sinh thiết lỏng’ (liquid biopsy) - tức xét nghiệm máu để phát hiện ung thư – đã trở thành một hướng đi mới được các phòng thí nghiệm và nhiều công ty thiết bị y tế lớn trên thế giới quan tâm. Các chỉ dấu sinh học do khối u tiết vào máu là dấu hiệu quan trọng giúp phát hiện bệnh ngay cả khi chúng chưa tiến triển. Phương pháp này tỏ ra đơn giản và nhạy tương đương so với những phương pháp xét nghiệm ung thư chuẩn hóa như lấy mô sinh thiết, siêu âm hoặc chụp cắt lớp.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học tập trung vào một dạng tế bào ung thư phổi là A549. Dựa trên nguyên lý bắt cặp ổ khóa-chìa khóa, họ chế tạo ra các đầu dò sinh học (aptamer) khớp được với tế bào bệnh A549 nhưng không nhận biết nhầm tế bào phổi lành. Kết quả thử nghiệm với các mẫu chuẩn in vitro cho thấy thiết bị có độ đặc hiệu 95% và độ nhạy 500 tế bào/ml. Thời gian xét nghiệm khoảng 10 -12 phút, chưa kể các bước tiền xử lý có thể lên tới 1 giờ.

“Dựa trên nguyên lý hoạt động của con chip cảm biến, chúng tôi hoàn toàn có thể mở rộng phạm vi phát hiện ra các đối tượng ung thư khác, chỉ cần thay đổi các tác nhân sinh học đặc hiệu” – PGS. TS. Bùi Thanh Tùng nói. Dĩ nhiên, để làm được điều này, các chuyên gia kỹ thuật điện tử và cơ-lý của trường Đại học Công nghệ đã phải hợp tác chặt chẽ với những nhà nghiên cứu chuyên sâu về sinh học tế bào của trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH Quốc gia Hà Nội). Họ cũng đang nghiên cứu một hệ thống tương tự để phát hiện 2 loại tế bào miễn dịch CD4 và CD8 nhằm theo dõi các ca bệnh HIV.

Hệ thống vi dòng phát hiện tế bào ung thư phổi A549 do nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghệ phát triển. Ảnh: NVCC

Các hệ thống vi lưu như vậy có nhiều lợi thế: sử dụng ít mẫu và thuốc thử, thời gian xử lý ngắn hơn, độ nhạy cao và có khả năng tự động hóa. Trong khuôn khổ chương trình Nghị định thư do Bộ Khoa học và Công nghệ tài trợ, các nhà nghiên cứu Việt Nam cũng đã học hỏi được nhiều kinh nghiệm chế tạo chip sinh học vi cơ điện tử từ các đồng nghiệp ở Đại học Quốc gia Chung Cheng (Đài Loan), cũng như tận dụng được cơ sở vật chất đồng bộ ở đó để thử nghiệm ý tưởng. Hai bên đã đồng công bố bốn bài báo quốc tế ISI và sáu bài tham luận tại hội thảo quốc tế liên quan đến kỹ thuật điện tử và sinh học. Đồng thời, họ đã đào tạo được 14 nhân lực Việt bao gồm các kỹ sư, cử nhân, thạc sĩ, và tiến sĩ.

Dựa trên nguyên lý hoạt động của con chip cảm biến, chúng tôi hoàn toàn có thể mở rộng phạm vi phát hiện ra các đối tượng ung thư khác, chỉ cần thay đổi các tác nhân sinh học đặc hiệu.

PGS. TS. Bùi Thanh Tùng

“Hiện tại, chúng tôi đã làm chủ được quy trình công nghệ để có thể triển khai được trên hệ thống trong nước. Các thiết kế hệ thống Lab-on-a-chip này cũng tận dụng được thế mạnh của Việt Nam trong việc kết hợp công nghệ tính toán với những trang thiết bị không quá đắt tiền để có thể đo được những đối tượng ở kích cỡ rất nhỏ như tế bào [khoảng 15-20 micromet]” GS.TS. Chử Đức Trình cho biết.

Tuy nhiên, đây mới chỉ là những nghiên cứu cơ bản bước đầu nhằm chứng minh nguyên lý. Để đi từ phòng thí nghiệm đến thương mại hóa, vẫn cần các nghiên cứu phát triển sâu hơn nhằm tối ưu hóa sản phẩm. GS.TS. Chử Đức Trình cho biết nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm đối tác tài trợ cho pha nghiên cứu tiếp theo. Nhóm nghiên cứu muốn “thử thách bản thân” khi hướng tới phát triển một thiết bị khám sàng lọc tại nhà, thuận tiện như các thiết bị xét nghiệm đường huyết cầm tay hiện nay.

Thị trường sinh thiết lỏng toàn cầu có giá trị khoảng 700 triệu USD năm 2017 và ước tính sẽ đạt trên 6,000 triệu USD năm 2025. Với tốc độ tăng trưởng chóng mặt như vậy, việc phát triển các thiết bị vi lưu sử dụng dấu hiệu sinh học để chẩn đoán bệnh tật đang là xu hướng cạnh tranh mạnh mẽ trong ngành. Nó cung cấp giải pháp không xâm lấn trong việc xét nghiệm và quản lý bệnh tật, và có tiềm năng thay đổi hoàn toàn cách chúng ta chẩn đoán ung thư.

Nhưng giống như các công nghệ mới khác, các thiết bị này sẽ cần thử nghiệm trên rất nhiều bệnh phẩm để có thể được công nhận. Thách thức ở nhiều nơi trên thế giới bây giờ là đưa sinh thiết lỏng trở thành một công cụ lâm sàng tiêu chuẩn. Việc thiếu các tiêu chuẩn hóa lâm sàng và tiền lâm sàng đến nay đã khiến số lượng thử nghiệm ung thư thực tế rất ít ỏi.