Vật liệu nano trong y học:
hiền mẫu hay tử thần?

Trương Văn Tân

1. Khi thai nhi biết mỉm cười

Vài năm trước, nhật báo "The Age" tại thành phố Melbourne (Úc) đăng một bức ảnh rất to trên trang nhất với cái tít "Thai nhi biết cười trong bụng mẹ". Không ít người có thành kiến với báo chí nghĩ ngay đây chỉ là cái tin giựt gân của mấy ông nhà báo "nói láo" ăn tiền! Nhưng khi nhìn kỹ bức ảnh thì có oan cho ông nhà báo, vì quả thật là thai nhi đang nhoẻn miệng cười trong bụng mẹ giống như nụ cười thiên thần của các trẻ sơ sinh trong giấc ngủ. Bài báo tường thuật một cách thú vị về nền tảng khoa học của việc dùng siêu âm (ultrasound) tạo ảnh những bộ phận trong cơ thể. Đến ngày hôm nay, kỹ thuật tạo ảnh siêu âm trở thành một thiết bị không thể thiếu để theo dõi sự phát triển, sức khoẻ và xác định giới tính của thai nhi. Trong hơn nửa thế kỷ qua từ khi tạo ảnh siêu âm được áp dụng vào y học, kỹ thuật này không ngừng cải thiện và phát triển. Từ những bức ảnh lem nhem của hai mươi năm trước cho đến ảnh 3 chiều rõ nét hiện tại, thiết bị siêu âm còn cho thấy thai nhi cử động trên màn hình tivi trước sự ngạc nhiên và vui mừng của những người sắp chuẩn bị làm cha mẹ lần đầu.

Một phương pháp tạo ảnh thông dụng khác cho cấu trúc và các bộ phận của cơ thể con người là sử dụng từ trường để tạo ảnh qua hiệu ứng cộng hưởng từ hạch (magnetic resonance imaging, MRI). Hai thí dụ trên cho thấy việc tạo ảnh trở nên một thao tác cần thiết cho y học hiện đại trong việc chẩn bệnh, trị liệu và phẫu thuật. Trong khi hóa học đóng góp vào y học qua các phương pháp tổng hợp chế tạo các loại dược liệu từ những viên aspirin khiêm tốn đến thuốc kháng sinh, kháng ung thư và thậm chí thuốc Viagara "thần kỳ" (người viết chỉ nghe vậy), thì những phát triển trong vật lý đã mang đến cho y học nhiều dụng cụ chẩn bệnh tinh vi, gia tăng sự chính xác trong các liệu pháp và phẫu thuật.

Việc ra đời những sản phẩm nano hay sản phẩm dựa trên công nghệ nano không phải là một hiện tượng đột khởi mà là những thành quả nghiên cứu cơ bản của các nhà khoa học trên thế giới được tích lũy trong một khoảng thời gian dài. Thuật ngữ "nano" mang ý nghĩa mù mờ trước kia, giờ đây dần dần trở nên một từ ngữ quen thuộc đời thường. Vài thập niên trước, quan điểm của công luận chỉ là những hoài nghi về công nghệ nano, đó chẳng qua là những nghiên cứu hàn lâm tạo ra những bài báo cáo khoa học mông lung được đóng khung trong khuôn viên tháp ngà đại học hay ở các học viện nghiên cứu kính cổng cao tường. Nhưng đến ngày hôm nay niềm tự tin của doanh nghiệp dành cho sự phát triển của công nghệ nano đã phản ánh tính sáng tạo thực dụng của các nhà nghiên cứu và sự trưởng thành của lĩnh vực này.

Vật liệu nano trong 20 năm gần đây tưởng chừng như chỉ quanh quẩn xung quanh những ứng dụng trong quang học, điện học, quang điện tử, nhưng sự phát triển của nó đã âm thầm vươn tầm tay đến y sinh học, mở ra một cơ hội cho những ứng dụng mới hay cải thiện những ứng dụng hiện có trong việc phụng sự sức khoẻ và hạnh phúc con người. Trong ý nghĩa này, cũng như hóa học và vật lý, vật liệu học (materials science) đang có một đóng góp to lớn trong lĩnh vực y sinh học qua các loại vật liệu nano với khả năng chứa thuốc, tải thuốc trị liệu và phát quang tạo ảnh trong mô tế bào sinh vật. Việc tải thuốc và nhả thuốc ở một "địa chỉ" nhất định trong cơ thể để công phá tế bào bệnh và tránh xa tế bào bình thường khoẻ mạnh là một trong những nghiên cứu hàng đầu của vật liệu y học. Vật liệu tải thuốc nano còn được thiết kế có khả năng phát quang. Khác với việc tạo ảnh một bộ phận vĩ mô trong cơ thể sử dụng siêu âm hay từ tính, việc tạo ảnh quan sát ở mức tế bào cần sự phát quang để phân biệt tế bào bệnh và tế bào bình thường cũng là một nghiên cứu quan trọng. Sự kiện trao giải Nobel Hóa học năm 2008 cho việc khám phá và nghiên cứu của protein phát quang đã nói lên tầm quan trọng của sự phát quang ở thứ nguyên vi mô của tế bào và phân tử.

Quả thật, sức mạnh liên ngành của vật lý, hóa học và vật liệu học đã gia tăng hiệu quả và độ chính xác của các liệu pháp y khoa và sẽ tiếp tục mang lại những thành quả ngoạn mục cho y học trong việc duy trì sức khoẻ và hạnh phúc của con người. Những thành quả này chắc chắn không phải là liệu pháp, dược liệu làm cho ta có thể "cải lão hoàn đồng" hay tham lam hơn trở nên "trường sinh bất tử", nhưng nó sẽ giúp con người kéo dài cuộc sống hạnh phúc đến tuổi xế chiều. Rồi đây, những hình ảnh lãng mạn chiều tà "bà già lấy le ông già, chiều chiều dắt ra bờ sông…" sẽ không còn là bài hát nhại lời dí dỏm mà là những chuyện rất thực, rất tình tứ của những cặp bạn đời "thất thập cổ lai hi"!

Tuy nhiên, ta không nên quá lãng mạn mà quên đi thực tại không chỉ phũ phàng mà còn lắm khi nguy hiểm. Song song với những tiềm năng ứng dụng đầy tính sáng tạo, ta cần nhìn thực tế một cách lạnh lùng, đề cao cảnh giác trước các nguy cơ ẩn tàng của vật liệu nano. Việc gì sẽ xảy ra khi những hạt nano cực nhỏ đi vào "ngũ tạng lục phủ"? Chưa biết. Độc tính của vật liệu nano trong cơ thể sinh vật kể cả con người chưa hoàn toàn được hiểu rõ, và vẫn còn là một vùng mây đen mù mịt. Dường như, cái gì đẹp thường có cái bẫy chết người. Lịch sử đã ghi lại những bi hùng ca của các bậc anh hùng cái thế uy vũ bao trùm thiên hạ, cuối cùng phải chết chỉ vì giai nhân khuynh quốc… Vật liệu y học nano mang đến hạnh phúc cho nhân loại cũng là một hình ảnh đẹp. Nhưng bề trái của hình ảnh đẹp này có thể là khuôn mặt của tử thần. Như vậy, vật liệu nano trong y học là bàn tay hiền mẫu hay lưỡi hái tử thần? Để có một cái nhìn công bằng khách quan, chúng ta hãy tiếp tục đi vào những phần kế tiếp.

2. Hạt tải thuốc nano

Y học nano (nanomedicine) là một áp dụng của công nghệ nano vào y học cho việc phòng bệnh, chẩn đoán và trị liệu bằng cách dùng vật liệu nano để thao tác các hệ thống sinh học ở mức tế bào hay xuống thấp hơn nữa ở cấp phân tử. Những nghiên cứu trong y học nano phần lớn liên quan đến việc tải thuốc đến các tế bào bệnh và chẩn bệnh ở mức phân tử. Việc tận dụng hạt nano làm "vật tải" (carrier) trong việc tải thuốc và nhả thuốc đúng "địa chỉ" trở nên một đề tài nghiên cứu nóng vì nó liên quan đến việc phát triển dược liệu chống ung thư và khả năng doanh thu lớn cho các công ty y dược. Điều này có thể nhìn thấy qua số lượng các bài báo cáo liên quan gia tăng 15 lần trong 8 năm, từ 100 bài (năm 1999) đến 1500 bài (năm 2007). 

Hiệu lực của các loại dược liệu thường bị giới hạn bởi tính không phân biệt giữa tế bào bình thường và tế bào bệnh, ít hoà tan, dễ bị thải ra khỏi cơ thể và gây tác dụng phụ. Tải thuốc đến các tế bào ung thư trong hóa trị liệu (chemotherapy) là một đề tài được nghiên cứu nhiều nhất. Thuốc đề kháng ung thư hiện nay không những diệt tế bào ung thư mà còn tiêu hủy cả tế bào tốt. Sự hủy diệt bừa bãi theo cơ chế "bom rải thảm" không những phải trị liệu với liều thuốc rất cao mà còn đem đến những tác dụng phụ rất tai hại đến cơ thể bệnh nhân. Để khắc phục khuyết điểm này và lợi dụng sự khác biệt về lý tính, hoá tính giữa tế bào bình thường và tế bào ung thư, hạt tải thuốc nano được thiết kế ở một kích cỡ tối ưu vừa có "bộ cảm ứng" biết cảm nhận, phân biệt tế bào, vừa có "bộ phận đóng mở" biết giữ và nhả thuốc khi ở trong môi trường có pH hay nhiệt độ thích hợp. Hai yếu tố nổi bật của tế bào ung thư là có nhiệt độ cao hơn và pH biểu thị nhiều tính acid hơn tế bào bình thường.  

Hạt tải thuốc nano được kết hợp với phân tử thuốc ở vỏ hoặc được chứa bên trong hạt (Hình 1). Các vật tải thuốc nano đã được khảo sát và chế tạo từ nhiều năm nay trong đó liposome, polymer, hạt nano xốp ceramic, hạt nano kim loại và gần đây ống than nano.

Liposome là một loại hạt có vỏ kép được thiết kế có tính thân nước (hydrophilic) ở bề mặt trong và ngoài để có thể di chuyển trong môi trường sinh học và chứa phân tử thuốc trong trạng thái dung dịch nước (Hình 2). Giữa hai bề mặt này là vùng chứa chất béo như phospholipid và cholesterol ghét nước (hydrophobic), có khả năng hòa tan dược liệu thích béo (lipophilic). Ngoài ra, bề mặt vỏ liposome được thiết kế với thành phần hóa học thích hợp sao cho hạt biết tránh các tế bào khoẻ mạnh không phải là mục tiêu tấn công, mà chỉ có thể tác dụng với tế bào ung thư và nhả thuốc khi gặp một môi trường có một nhiệt độ hay pH nhất định. Các nhà nghiên cứu sinh hóa học đã thiết kế lớp phospholipid có độ nhạy cảm với pH của môi trường. Nhờ vậy, khi liposome đi vào môi trường vi mô mang tính acid của khối u ung thư vỏ liposome tan vỡ và nhả thuốc vào tế bào bệnh [1]. Thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừa qua đã tối ưu hóa cấu trúc liposome, gia tăng hiệu năng cho việc hóa trị liệu ung thư trong cơ thể con người.

Polymer cũng là vật tải thuốc có chức năng tương tự nhưng với một cấu trúc đơn giản hơn (Hình 3). Vật liệu polymer thường được dùng là polymer sinh học chitosan (chế biến từ vỏ tôm) hay polymer tổng hợp, poly(butylcyano acrylate). Các polymer kết tập thành các mixen (micelle) có tính tương thích sinh học (bio-compatible) và phân hủy sinh học (bio-degradable). Gần đây, tương tự như hạt liposome, mixen polymer được thiết kế có độ nhạy đối với pH của môi trường xung quanh [2]. Độ nhạy pH của polymer được thiết kế để khi gặp môi trường của khối u ung thư polymer bị phân giải và nhả thuốc chống ung thư ở một tốc độ tối ưu định sẵn.

Khi được đưa vào cơ thể, hạt nano tải thuốc sẽ theo hệ thống tuần hoàn qua mạch máu để đi đến mục tiêu. Kích cỡ của hạt nano hay mixen polymer là một yếu tố quan trọng cho việc tải thuốc. Kích cỡ này phải trong phạm vi từ 4 đến 400 nm [3]. Nếu nhỏ hơn 4 nm, hạt sẽ nhanh chóng bị thải ra theo đường bài tiết. Nếu lớn hơn 400 nm, hạt sẽ bị hệ thống miễn nhiễm phát hiện và loại trừ ra khỏi cơ thể. Như thế, dược liệu được bao lại trong từng "gói" nhỏ và di chuyển đến mục tiêu để "bắn phá" các tế bào ung thư. Nhưng làm thế nào những "gói" này có thể di chuyển đến đúng địa chỉ? Ở đây, người ta cũng lợi dụng sự khác biệt giữa vùng mô bình thường khoẻ mạnh và khối u ung thư. Tế bào của vách huyết quản trong vùng mô khoẻ mạnh có sự liên kết rất khít khao, trong khi đó những khoảng hở nanomét xuất hiện ở vách huyết quản của khối u ung thư (Hình 4). Phân tử thuốc tự do có thể đi xuyên vách qua sự thẩm thấu và khuếch tán tự nhiên, tác dụng và hủy diệt các tế bào tốt lẫn tế bào ung thư không phân biệt (Hình 4). Ngược lại, khi thuốc bị gói trong hạt tải nano, độ lớn của hạt không cho nó đi qua vách huyết quản nhưng có thể chui lọt qua những khoảng hở đi vào khối u ung thư. Các nhà toán học còn có thể tính toán hình dạng tối ưu làm sao để hạt tải có thể chui qua kẽ hở huyết quản với số lượng tối đa.

3. Tạo ảnh sinh học

Hạt nano (còn gọi là chấm lượng tử) của hợp chất bán dẫn hay kim loại chứa vài nguyên tử đến vài trăm nguyên tử, có đường kính vài nanomét đến vài trăm nanomét. Như đã đề cập trong một bài viết trước [4], khi được kích hoạt bằng sóng có năng lượng cao như tia tử ngoại hay ánh sáng xanh (Bảng 1), hạt nano phát huỳnh quang cho nhiều màu sắc khác nhau tùy vào kích cỡ của hạt theo qui luật lượng tử. Đặc tính phát quang của hạt nano đã được tận dụng một cách linh hoạt trong việc tạo ảnh, thắp sáng các tế bào trong nhiều ứng dụng y sinh học.

Bảng 1 : Bước sóng và năng lượng sóng.

Việc nối kết các phân tử có khả năng phát huỳnh quang (fluorophore) như fluorescein (phát màu xanh lục) hay rhodamine (phát màu đỏ) vào các tế bào để định vị và quan sát sự phân bố trong những thí nghiệm sinh học đã được thực hiện từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, các phân tử huỳnh quang này có cường độ phát quang yếu và bị lu mờ sau vài phút hoạt động. Hạt nano giải quyết được những vướng mắc này. Trong cùng một điều kiện kích hoạt, hạt nano tỏa sáng gấp 20 lần phân tử huỳnh quang và giữ độ sáng liên tục không bị lu mờ theo thời gian.  

Hạt nano của của một số hợp chất bán dẫn chẳng hạn như CdS (cadmium sulfide), CdSe (cadmium selenide) có đặc tính phát huỳnh quang. Hạt nano CdSe đã được công ty Invitrogen [5] tung ra thị trường dưới thương hiệu Qdot (Hình 5). Tuy nhiên, cadmium mang độc tính không thích hợp cho việc ứng dụng trong cơ thể. Để khắc phục khuyết điểm này, một lớp ZnS (sulfide kẽm) được phủ lên bề mặt CdSe ngăn chận sự rò rỉ của cadmium. Sau đó, các loại nhóm biên hóa học (functional group), phân tử sinh học, kháng thể, protein, được kết hợp trên bề mặt hạt cho từng ứng dụng khác nhau. Dựa trên nguyên tắc phát

quang theo qui luật lượng tử, hạt nano được chế tạo với nhiều kích cỡ và bề mặt được cải biến với kháng thể hay phân tử sinh học. Hạt sẽ kết hợp với các loại tế bào khác nhau và dưới kính hiển vi các tế bào sẽ rực sáng như bầu trời đầy sao hay như cây thông Christmas với muôn màu sắc.

Mặc dù liposome là vật tải nano phổ cập cho việc trị liệu ung thư, các nhà khoa học vẫn không ngừng hoàn thiện cấu trúc liposome. Một trong những cải biến gần đây mang tính đột phá là việc kết hợp phân tử sinh học và hạt nano phát quang vào bề mặt liposome, cho ra một loại vật liệu phức hợp nano đa năng (Hình 6) [6]. Phân tử sinh học có chức năng bám vào tế bào ung thư nhưng không tác dụng với tế bào khoẻ mạnh bình thường. Vật liệu phức hợp nano này vừa có thể phát quang tạo ảnh, vừa tìm và kết nối với tế bào ung thư và nhả thuốc tấn công mục tiêu. Việc phát quang tạo ảnh giúp người quan sát nhìn thấy tế bào ở vùng sâu trong cơ thể và ước lượng được mật độ kết tập và phân bố của liposome tại một "địa chỉ" nào đó.

Thật là thú vị khi trong một không gian cực nhỏ của hạt tải thuốc liposome, với những phương pháp tổng hợp hóa học các nhà khoa học đã cải biến bề mặt hạt liposome để tạo nên hệ thống hoàn chỉnh giống như một chiếc tàu chiến tí hon đi theo dòng chảy của hệ thống tuần hoàn vừa có đèn pha định vị, vừa có "radar" tìm mục tiêu và pháo để tiêu diệt đối phương! Và tất cả đã được thực hiện trong một không gian có đường kính chỉ trên dưới 100 nm.

Cùng một phương pháp cải biến bề mặt tương tự, ống than nano đã được sử dụng thay cho liposome. Ống than nano có đường kính từ vài nanomét đến vài chục nanomét. Một bài báo cáo gần đây mô tả cách chế tạo và chức năng của ống than nano/hạt nano phát quang CdSe trong đó bề mặt ống được xử lý với polymer để hạt nano CdSe được nối kết dễ dàng (Hình 7) [7]. Thuốc chống ung thư được chứa bên trong ống nano. Vật liệu phức hợp nano này được tiêm vào chuột và khi kích hoạt bằng ánh sáng xanh, hạt nano trên bề mặt ống than lập loè ánh sáng đỏ. Nhờ sự phát quang người ta quan sát được sự kết tập của vật liệu phức tạp nano này nhiều nhất ở tế bào gan, thận, ruột, dạ dày của chuột thí nghiệm. So với liposome là hạt tải thuốc thông dụng hiện nay, ống than nanao có tiềm năng tải thuốc và nhả thuốc khá hiệu quả nhờ hiệu ứng xuyên thủng màng tế bào như cây kim [8]. Như đề cập ở phần kế tiếp, việc xuyên thủng có thể đưa đến hệ quả phát viêm tế bào và là một đề tài cần nghiên cứu triệt để trước khi đưa vào ứng dụng.

Hiện nay, thương phẩm Qdot và các hạt nano bán dẫn hợp chất cadmium chỉ dừng lại ở các thí nghiệm sinh học để tìm hiểu sự phân bố, các đặc tính của tế bào cũng như sự tương tác giữa tế bào mạnh khoẻ và ung thư. Độc tính và độ an toàn của Qdot vẫn chưa được kiểm nghiệm đầy đủ cho các ứng dụng y học trong cơ thể con người. Dù đã có màng ZnS bao bọc để tránh sự rò rỉ của cadmium, ZnS có thể bị tấn công bởi các hóa chất tiết ra từ tế bào trong môi trường có pH khác nhau. Vì sự an toàn là điều kiện tiên quyết trong việc trị liệu, các nhà khoa học quay lại với quá khứ tìm hiểu một kim loại đã dùng như dược liệu gần hai ngàn năm trước. Đó là kim loại vàng.

4. Hạt nano kim loại vàng

Vàng là một vật liệu cho nhiều ứng dụng quan trọng trong y học có lich sử đã hàng ngàn năm. Huyền phù (colloid) vàng đã được xử dụng như dược liệu từ thời Trung cổ cho các bệnh liên hệ đến tim, hoa liễu, kiết lỵ, động kinh. Ngày nay, người ta ít nói đến vàng như một dược liệu vì sự tiến bộ của dược hóa học hiện đại đã tổng hợp được nhiều phân tử thuốc thay thế vai trò của vàng. Đóng góp quan trọng của vàng vào y học và sinh học hiện nay vẫn tập trung ở dạng huyền phù nano nhưng thuộc về lĩnh vực phát quang và hấp thụ sóng điện từ. Hạt nano vàng là một thay thế tuyệt vời cho hạt nano phát quang của hợp chất cadmium vì vàng không có độc tính. Ngoài ra, cũng như hạt nano bán dẫn, bề mặt hạt nano vàng có thể kết hợp với phân tử thuốc, phân tử sinh học như DNA, các loại protein như enzyme, kháng thể cho nhiều ứng dụng y học khác nhau [9].

Hạt nano vàng phát huỳnh quang chứa 5, 8, 13, 23 và 31 nguyên tử được chế tạo với một đường kính chính xác ở cấp nanomét trong đó chùm 31 nguyên tử có đường kính lớn nhất khoảng 1 nm [10]. Tuy nhiên, khi hạt nano vàng có kích thước từ 10 đến vài trăm nanomét, sự phát huỳnh quang nhường chỗ cho sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng. Hiện tượng đặc biệt này là do hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt (surface plasmon resonance, SPR), chỉ xảy ra trong kim loại quí như vàng, bạc nhưng không thấy ở các kim loại thường như sắt, nhôm. Nó cũng tương tự như khi ánh sáng mặt trời xuyên qua bầu khí quyển quả đất, ánh sáng xanh bị tán xạ bởi các phân tử nitrogen, oxygen trong không khí cho ta bầu trời xanh lơ. Vàng có màu vàng quen thuộc khi ở thể khối, nhưng khi ở cấp nanomét SPR gây ra sự hấp thụ sóng ở một bước sóng nhất định nào đó, tán xạ và hiển thị sóng ở các bước sóng còn lại (thí dụ, khi ánh sáng màu xanh bị hấp thụ thì ánh sáng đỏ sẽ hiển thị và ngược lại). Vì vậy, hạt nano vàng không là màu vàng nữa mà hiển thị màu xanh, xanh lục, đỏ, tím, tuỳ vào kích cỡ của hạt. Chi tiết này được trình bày ở một bài viết trước [4].

Đặc tính SPR đã gây ra sự chú ý đặc biệt đến các nhà vật liệu học và họ đã nhanh chóng thiết kế hạt nano vàng với nhiều độ lớn khác nhau để sự hấp thụ sóng có thể xảy ra trong một vùng rộng lớn dải rộng từ tia tử ngoại đến tia hồng ngoại. Trong các ứng dụng y học của hạt nano vàng, sự phát huỳnh quang gần như bị bỏ quên nhưng SPR được áp dụng rộng rải và cho nhiều kết quả bất ngờ. Giáo sư El-Sayed và cộng sự đã tận dụng sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng qua SPR của hạt nano vàng để quan sát và chẩn đoán các tế bào ung thư miệng [11]. Bề mặt hạt nano vàng (đường kính 35 nm) được kết hợp kháng thể có chức năng bám vào tế bào ung thư. Nhờ vậy, hạt nano có "ái lực" với tế bào ung thư 6 lần nhiều hơn với tế bào mạnh khoẻ bình thường. Dưới ánh sáng trắng, các tế bào ung thư được thắp sáng và quan sát bằng kính hiển vi quang học thông thường. Phải nói là sự tiện lợi và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm ít tốn kém là một ưu điểm của phương pháp này. Một ưu điểm nổi bật khác là dung dịch hạt nano có thể phun lên các mô tế bào và kết quả có thể nhìn thấy tức khắc. Hơn nữa, hạt nano vàng còn cho thấy sự khác biệt của bước sóng hấp thụ giữa tế bào ung thư và tế bào khoẻ mạnh. Kết quả quan trọng này giúp y sĩ phân biệt "đá vàng", tế bào tốt xấu trong việc trị liệu và phẫu thuật.

Trong SPR, sự hấp thụ ánh sáng của hạt nano càng tiến về hướng ánh sáng đỏ (bước sóng dài) khi hạt càng to (Bảng 1). Tận dụng sự liên hệ này, nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã phủ vàng lên hạt nano silica (SiO₂) tạo ra một loại hạt lai nano có thể hấp thụ tia hồng ngoại [12]. Bước sóng hấp thụ được điều chỉnh với độ chính xác rất cao qua sự tương quan giữa độ lớn của hạt nano silica và độ dày của lớp phủ vàng để cho vật liệu lai này có thể hấp thụ một vùng rộng lớn của tia hồng ngoại có bước sóng từ 800 đến 2.200 nm.

Đây là môt phương pháp chế tạo vật liệu lai nano đơn giản nhưng đầy tính sáng tạo. Ta không cần phải dùng 100 % vàng tốn kém mà sử dụng silica không mang độc tính làm chất độn, vừa có thể uyển chuyển điều chỉnh bước sóng hấp thụ qua hai biến số là đường kính silica và độ dày của vàng. Silica là một vật liệu vô cơ vô cùng phong phú, giá rẻ và là thành phần chính của cát và thủy tinh. Từ thập niên 60 của thế kỷ trước, hạt silica đã được chế tạo dễ dàng với kích thước từ 50 nm đến 2 μm (2.000 nm). Silica cũng được cơ quan "Food and Drug Administration" (FDA, Mỹ) đánh giá là vật liệu an toàn cho cơ thể. Phủ vàng lên hạt nano silica là một thí dụ trong nhiều phương pháp cải biến bề mặt hạt silica cho các áp dụng y học nano.

Trên phương diện y học, hạt lai nano vàng/silica giải quyết được những khó khăn của các vật liệu cổ điển trong việc tạo ảnh hồng ngoại và trị liệu nhiệt. Trong các liệu pháp y khoa những vật liệu cảm ứng với tia hồng ngoại (tức là nhiệt) mang đến nhiều ưu điểm hơn tia tử ngoại hay laser mang năng lượng cao (Bảng 1). Đặc biệt, vùng cận hồng ngoại (bước sóng 800 - 1.100 nm) có khả năng xuyên qua mô nhưng ít gây tổn hại hơn tia tử ngoại hay ánh sáng thấy được. Chẳng hạn, phương pháp trị liệu ung thư bằng quang nhiệt (photothermal therapy) đòi hỏi sự tập trung nhiệt nhắm vào mô tế bào bệnh là một khái niệm phổ quát đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rải.

Tuy nhiên, khi khối u ung thư nằm trong vùng sâu trong cơ thể, việc áp đặt nguồn nhiệt gần mục tiêu là việc bất khả thi [13]. Người ta đã đưa vào cơ thể các phân tử hấp thụ nguồn hồng ngoại để phát nhiệt "tại chỗ" ở tế bào, nhưng chúng không có hiệu năng hấp thụ cao và sự phát nhiệt tan biến nhanh chóng. Sự xuất hiện của hạt lai nano vàng/silica làm cục diện thay đổi. Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) đã đưa đến sự hình thành hạt nano lai vàng/silica với đường kính lõi silica là 119 nm và độ dày lớp phủ vàng 12 nm [14]. Ở kích thước này, hạt hấp thụ rất mạnh tia cận hồng ngoại ở bước sóng 800 nm. Hạt lai nano này và được tiêm vào chuột vừa phát quang cho việc tạo ảnh mô tế bào, vừa phát nhiệt cho việc trị liệu ung thư.

Tiến xa hơn nữa, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hyeon tại đại học Seoul (Seoul National University, Hàn Quốc) cải biến thêm bề mặt silica trong đó hạt nano siêu từ tính oxít sắt được kết hợp, sau đó phủ vàng tạo ra một bề mặt phức hợp, đa năng (Hình 8) [15]. Hạt nano silica có đường kính 100 nm, hạt oxít sắt 7 nm và bề dày lớp phủ vàng 15 nm. Bề mặt phức hợp này có hai tác dụng trên tế bào ung thư: lớp phủ vàng hấp thụ tia hồng ngoại cho việc trị liệu nhiệt và hạt nano oxít sắt có công dụng gia tăng độ tương phản cho phương pháp tạo ảnh cộng hưởng từ hạch MRI.

Câu chuyện về nano vàng sẽ thiếu sót nếu không nói đến que nano (nanorod). SPR rất hiệu quả trên bề mặt của que nano vàng còn hơn cả hạt nano. Bước sóng hấp thụ rất nhạy cảm với đường kính và chiều dài que khiến cho que nano vàng trở nên một vật liệu nano quan trọng trong nhiều ứng dụng [16]. Đặc điểm quan trọng của vật liệu nano kim loại là có độ nóng chảy tùy thuộc vào kích thước, càng thấp khi kích thước càng nhỏ [4]. Vàng khối có độ nóng chảy ở khoảng 1.064 °C, nhưng sẽ giảm nhanh đến 200 °C hoặc thấp hơn khi là hạt nano chỉ chứa vài nguyên tử vàng. Vì vậy, khi hấp thụ tia laser que nano nóng chảy co lại thành dạng cầu [17]. Một nhóm nghiên cứu tại Đài Loan lần đầu tiên đã áp dụng sự biến hình này để tải phân tử DNA vào các tế bào [18]. DNA được kết hợp với que nano vàng và dưới sự kích hoạt của tia hồng ngoại, que biến hình thành hạt và trong quá trình này DNA được phóng thích vào tế bào chất (Hình 9).

Khám phá này cho một tiềm năng ứng dụng cực kỳ thú vị; ta chỉ cần dùng tia hồng ngoại để phóng thích nhân tố di truyền vào trong các tế bào bằng một vật tải không mang độc tính. Tuy nhiên, theo sự suy luận của người viết để có một áp dụng thực tiễn que nano cần phải được thiết kế với đường kính cực nhỏ, nhỏ hơn 1 nm để giảm độ nóng chảy của que và gia tăng hiệu suất phóng thích. Khi độ nóng chảy quá cao (> 200 °C), khả năng phá hủy do sự phát nhiệt từ que sẽ làm biến chất tế bào; que nano trở thành một vật tác hại đối với tế bào khoẻ mạnh hơn là một vật tải hữu dụng trong trường hợp này.

5. Độc tính nano

Trong cao trào nghiên cứu nano và những cái hấp dẫn kinh tế của các sản phẩm nano, người ta thường mang khuynh hướng chủ quan đưa đến sự lạc quan tếu mà quên đi bóng dáng "tử thần" nano lẩn quất đâu đó trong màn đêm dày đặc vẫn chưa được ánh sáng khoa học vén mở. Bản chất của các sản phẩm nano có thể gọi là bản chất của con dao hai lưỡi. Một mặt, ứng dụng của chúng bao trùm tất cả mọi ngành trong khoa học tự nhiên và lan rộng sang y sinh học; những ứng dụng của y học nano cho thấy những thành quả vượt bực bất ngờ. Mặt khác, những nguy hiểm ẩn tàng của sản phẩm nano vẫn còn mù mờ và chưa được hiểu cặn kẽ. Mặc dù sự quan tâm về độc tính của các vật liệu nano được biểu hiện qua sự gia tăng số lượng các bài báo cáo nghiên cứu từ 50 bài năm 1999 đến 500 bài năm 2007, nhưng các vấn đề liên quan đến độc tính, sự di chuyển, sự phân hủy hay bất phân hủy của vật liệu nano trong cơ thể con người vẫn còn là một đề tài nghiên cứu ở giai đoạn phôi thai.

Ống than nano là một thí dụ điển hình. Ống than nano vỏ đơn (single-wall carbon nanotube, SWNT) đã được khảo sát cho thấy vật liệu này mang tác dụng như cây kim nano có thể xuyên thủng màng tế bào để tải thuốc và vaccin [8]. Tiềm năng này mở ra một cơ hội trong việc phát triển phương pháp trị liệu mới kể cả việc trị liệu ung thư. Tuy nhiên, một bài báo gần đây công bố một kết quả quan trọng gây sốc trong cộng đồng nghiên cứu nano [19]. Tác giả bài báo tiến hành một thí nghiệm bằng cách cấy các loại ống than nano vào mô phổi của chuột. Kết quả cho thấy phân tử ống than nano vỏ đơn có tác dụng phát viêm (inflammation) giống như sợi asbestos (atbet, amian, thạch miên) [20]. Phát viêm biểu hiện triệu chứng đầu tiên đưa đến ung thư. May thay, các phân tử ống than nano thường kết tập trong dạng cụm như cụm tóc rối và khi ở dạng này ống than nano không có dấu hiệu tạo ra sự phát viêm.

Kim loại bạc là một thí dụ khác. Bạc đã dùng trong y dược từ 2.000 năm trước. Đã từ lâu người ta biết bạc ở dạng ion (Ag⁺) mang độc tính, nhưng bạc vẫn được dùng trong các sản phẩm đại trà như thuốc sát khuẩn và rất hiệu nghiệm trong việc diệt nhiều loại khuẩn ngay cả khuẩn có khả năng đề kháng thuốc trụ sinh. Từ năm 1977, các cơ quan bảo vệ môi trường (Environmental Protection Agency, EPA) tại các nước tiên tiến trên thế giới đã liệt kê bạc vào danh sách kim loại gây ô nhiễm môi trường [21]. Sự đa dạng của các phương pháp tổng hợp hạt nano gần đây đã sản xuất rất nhiều sản phẩm chứa hạt nano bạc tiếp xúc trực tiếp với cơ thể con người khi sử dụng, từ chiếc vớ khử mùi chân hôi (!), màng lọc nước đến dược phẩm. Thậm chí có công ty quảng cáo theo kiểu "lang băm" đề nghị mỗi ngày uống một muỗng dung dịch huyền phù bạc để "gìn giữ sức khoẻ", và uống bốn muỗng mỗi ngày để "tăng cường hệ thống miễn dịch" [21]. Hiện nay, chưa có một qui chế nào kiểm soát các sản phẩm này.

Hai thí dụ trên cho thấy hai mặt đối nghịch của vật liệu nano. Chúng có thể là một lương y với bàn tay hiền mẫu hay là tử thần đang lăm le lưỡi hái. Thật ra, không phải con người và môi trường mới gần đây phải trực diện với những rủi ro gây ra bởi những vật liệu cực nhỏ. Các loại hạt, bột với kích cỡ micromét đến nanomét là thành phần chính trong nhiều sản phẩm và gia dụng truyền thống như mỹ phẩm, kem chống nắng, mực viết, sơn, vỏ xe, vật liệu nha khoa v.v... Độc tính của hạt titannium dioxide (TiO₂) dùng làm phẩm màu trắng trong sơn hay hạt carbon được trộn với cao su làm vỏ xe đã được khảo sát từ nhiều thập niên trước và được kết luận là an toàn khi tiếp xúc ở một lượng nhất định nào đó. Sự phát triển của các phương pháp tổng hợp trong mười năm qua đã kích thích việc chế tạo các loại vật liệu nano từ hạt nano, que nano, sợi nano đơn giản đến những dạng phức tạp hơn như hạt, que, sợi nano có cấu trúc thứ cấp trên bề mặt như gai, hạt phát quang, hạt siêu từ tính hoặc các nhóm biên hóa học, phân tử sinh học, như đã trình bày bên trên. Trước vô số vật liệu đa dạng này, các cơ sở kiến thức và dữ liệu về độc tính và những rủi ro nguy hiểm khi có sự tiếp xúc với cơ thể con người và môi sinh còn rất nhiều lỗ hổng để kiểm soát các sản phẩm nano xuất hiện quá nhanh và quá nhiều trên thương trường [22].

Trong lĩnh vực y học nano, vật liệu nano được tiếp xúc với các tế bào một cách có chủ ý để tận dụng đặc tính của nó cho việc trị liệu. Sự di động của hạt và tương tác với tế bào được theo dõi dưới cơ chế kiểm soát gắt gao. Ngược lại, trong quá trình chế tạo, sản xuất và sử dụng các sản phẩm nano, sự tiếp xúc có thể xảy ra một cách không chủ ý và không có sự kiểm soát thích nghi. Sự di động tràn lan trong môi trường, cơ thể con người, động vật, thực vật, đưa đến kết quả không lường trước được. Người ta vẫn chưa hiểu rõ lý hóa tính của hạt nano như kích thước, bề mặt, hoạt tính bề mặt, độ hoà tan có ảnh hưởng gì đến độc tính nano.

Một vật liệu y học nano lý tưởng phải mang đặc tính tương thích sinh học, nghĩa là khả năng thích ứng và không gây tác hại trong môi trường sinh học, và sự phân huỷ sinh học, nghĩa là khả năng tự phân huỷ sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Nếu sự phân huỷ sinh học xảy ra trong cơ thể thì sẽ theo cơ chế và với tốc độ như thế nào, và sản phẩm phân hủy có mang độc tính hay không? Nếu có sự tương thích sinh học nhưng không phân huỷ thì vật liệu nano cuối cùng sẽ kết tập ở đâu trong cơ thể con người? Đây là những câu hỏi hóc búa cơ bản, nhưng hiện nay chưa có lời giải đáp.

6. Ninja vượt "tường lửa"!

Hàng năm, cứ vào những ngày Đông tàn Xuân đến, cảnh vật xung quanh được tô điểm bởi hoa lá đủ mọi sắc màu. "Mùa Xuân hoa lá vương đầy ngõ". Nhưng đây cũng là thời điểm phấn hoa bay lảng bảng tràn ngập bầu trời. Mùa Xuân là mùa phục sinh của vạn vật sau những ngày Đông u ám. Con người đáng lý ra có thể hoà mình chung vui với đất trời, nhưng dị ứng với phấn hoa gây không ít khổ sở cho hơn 20 % người Úc trong đó có cả người viết. Triệu chứng là ách xì, chảy mũi, nghẹt mũi, ngứa mắt, ngứa mũi và đường hô hấp. Khi hạt phấn với kích thước micromét đi vào đường hô hấp, hệ thống miễn nhiễm sẽ phát hiện sự xâm nhập của hạt phấn làm tế bào tiết ra hoá chất gọi là histamine. Hoá chất này chính là thủ phạm của mọi thứ khổ sở của cái bệnh "thiên thời" dị ứng phấn hoa.

Hệ thống miễn nhiễm là một chức năng nhanh chóng phản ứng lại để loại trừ vật lạ, vi khuẩn, vi-rút xâm nhập vào cơ thể con người. Khi sinh vật chết, hệ thống miễn nhiễm ngừng hoạt động và chỉ trong vài giờ thân xác sẽ bị thối rữa vì bị vi khuẩn, vi-rút, ký sinh trùng tấn công. Đối với hạt nano, hệ thống miễn nhiễm trở nên vô hiệu. Vì kích thước quá nhỏ hạt nano như một "ninja" có thể vượt qua bức tường phòng thủ của hệ thống tiến sâu vào nội tạng. Trên mặt tích cực, đặc điểm này giúp hạt tải thuốc nano di động vượt "tường lửa", đánh lừa hệ thống miễn nhiễm tiến đến mục tiêu. Trên mặt tiêu cực, ta vẫn chưa hiểu rõ những gì sẽ xảy ra khi vật liệu nano với nhiều hình dạng và bề mặt khác nhau di chuyển tùy tiện, vô trật tự, tiếp cận với tế bào phổi, não và những cơ quan quan trọng của cơ thể.

Nghiêm trọng hơn, khả năng biến vật liệu này thành vũ khí sinh hóa học để tải chất độc đến tế bào là một nguy cơ không thể xem thường. Thay vì mang thuốc trị liệu, hạt nano có thể mang chất độc hoặc bề mặt được gắn với nhóm biên hay phân tử sinh học độc hại, như một "ninja" mang vũ khí sinh hóa học, chúng vượt hệ thống miễn nhiễm theo đường hô hấp vào phổi, rồi nhập vào hệ thống tuần hoàn và cuối cùng thênh thang đi vào não bộ huỷ hoại trung khu thần kinh. Vì hàm lượng độc chất rất nhỏ, có thể vũ khí nano không có tác dụng tức thời nhưng sự đa dạng của nó còn độc hại hơn cả vũ khí sinh hóa học cổ điển, và có tác dụng lâu dài trên môi sinh, động thực vật và con người. Kịch bản này có thể chỉ là một lo xa không cơ sở, nhưng không phải là chuyện khoa học viễn tưởng, vì ở tình trạng khủng bố toàn cầu hiện nay chúng ta cần có những đối sách phòng ngừa và một kiến thức dự bị trước khi quá trễ.

7. Hướng về tương lai

Theo thống kê, số người tử vong vì ung thư trên toàn thế giới lên đến 7 triệu người và có 11 triệu người được chẩn đoán mang bệnh ung thư hàng năm. Con số này vẫn còn tiếp tục gia tăng nếu phương pháp trị liệu không được cải tiến. Dường như, thiên nhiên lúc nào cũng đặt con người trước những khó khăn, đưa ra những bài toán nan giải để thách thức trí tuệ loài người. Có một điều thú vị là những thách thức của thiên nhiên không nằm ngoài những qui luật vật lý và vấn đề của con người là làm sao khám phá những qui luật đó để quán triệt và hóa giải những khó khăn. Nói khác hơn, thiên nhiên và con người đấu trí qua một ván cờ mà luật chơi là các qui luật vật lý. Nếu vách huyết quản ở khối u ung thư không có kẽ hở, nếu nhiệt độ của khối u không cao hơn và pH không khác hơn, và nếu không có sự khác biệt sinh học giữa tế bào ung thư và tế bào bình thường, hạt tải thuốc nano sẽ không hiện hữu.

Gần 20 năm qua, để khai thác triệt để sự khác biệt ở mức tế bào cho việc trị liệu ung thư, vật liệu học và hóa học đã gầy dựng nên những phương pháp cực kỳ tinh vi thành hình những hạt nano với nhiều cấu trúc thứ cấp bề mặt vô cùng phong phú [23]. Sự đa dạng hóa nầy đã biến hạt nano trần trụi đơn giản thành một hệ thống phức hợp đa năng. Chúng là những hệ thống "thông minh" tí hon vừa biết phát quang, cảm ứng, vừa biết lựa chọn, tải thuốc và nhả thuốc đúng mục tiêu. Trong 20 năm kế tiếp, một trong những vấn đề lớn trong vật lý thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học là việc nghiên cứu và triển khai các vật liệu nano có khả năng phát quang, hấp thụ sóng điện từ và vật liệu nano siêu từ tính cho việc tạo ảnh tế bào và phân tử. Trong một tương lai gần, với sự đầu tư sáng suốt và có trách nhiệm của chính phủ tại các nước tiên tiến trong việc nghiên cứu độc tính nano, bóng dáng tử thần của vật liệu nano sẽ dần dần sáng tỏ.

Hạt tải thuốc phát quang nano đang làm một cuộc cách mạng trong các ứng dụng y sinh học, nhưng chúng vẫn chưa là một hệ thống hoàn chỉnh [24]. Ngoài liposome chứa thuốc kháng ung thư đã trở thành dược phẩm được công nhận [25], các loại hạt tải thuốc nano phần lớn vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu, chưa được phổ biến thành dược phẩm vì các vấn đề liên quan đến độc tính, sự phân hủy và tương thích. Thiên nhiên cho ta nhiều thử thách, nhưng thiên nhiên cũng là một đối tượng để con người mô phỏng. Một ngày nào đó không xa, hy vọng rằng hạt nano đa năng sẽ hành xử giống như bạch huyết cầu biết ùa đến vết thương, bao vây và tiêu diệt vi khuẩn xâm lăng, rồi tự động rút lui khi hoàn thành nhiệm vụ hay âm thầm hy sinh vì "đại nghĩa"! Có khả thi không? Với sự thông minh và tính sáng tạo liên tục của con người, tại sao không?

Những ngày xuân tỉnh lẻ
Cuối tháng 10, 2008

Trương Văn Tân

Tài liệu tham khảo và ghi chú

1. Nano: The magazine for small science, 5 (Jan 2008) 11.

2. Y. Li, W. Du, G. Sun and K.L. Wolley, Macromolecules, 41 (2008) 6605.

3. "Nano tekunoroji no subete" (tiếng Nhật, "Tất cả những gì về về công nghệ nano") (Kawai Tomoji Ed.), Kogyo Chosa Kai, Tokyo, 2001.

4. Trương Văn Tân, "Cơ học lượng tử và vật liệu nano" trong "Max Planck: Người khai sáng thuyết lượng tử. Kỷ yếu mừng sinh nhật thứ 150 (1858 - 2008)" (Nguyễn Xuân Xanh và Phạm Xuân Yêm et al chủ biên), nxb Tri Thức, TP HCM, sắp xuất bản.

5. www.invitrogen.com

6. K.C. Weng, C.O. Noble, B. Papahadjopoulos-Sternberg, F.F. Chen, D.C. Drummond, D.B. Kirpotin, D. Wang, Y.K. Horn, B. Hann and J.W. Park, Nano Lett., 8 (2008) 2851.

7. Y. Gao, D. Shi, H. Cho, Z. Dong, A. Kulkarni, G.M. Pauletti, W. Wang, J. Lian, W. Liu, L. Ren, Q. Zhang, G. Liu, C. Huth, L. Wang and R.C. Ewing, Adv. Func. Mater., 18 (2008) 2489.

8. L. Lacerda, S. Raffa, M. Prato, A. Bianco, K. Kostarelos, Nanotoday, 2(6) (Dec. 2007) 38.

9. M.-C. Daniel and D. Astruc, Chem. Rev., 104 (2004) 93.

10. Zheng, C. Zhang and R.M. Dickson, Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 077402-1.

11. I.H. El-Sayed, X. Huang and M.A. El-Sayed, Nano Lett., 5 (2005) 829.

12. S.J. Odenburg, J.B. Jackson, S.L. Westcott and N.J. Halas, Appl. Phys. Lett., 75 (1999) 2897.

13. S.J. Son, X. Bai, S.B. Lee, Drug Discovery Today, 12 (2007) 627.

14. A.M. Gobin, M.H. Lee, N.J. Halas, W.D. James, R.A. Drezek and J.L. West, Nano Lett., 7 (2007) 1929

15. J. Kim, J.E. Lee, J. Lee, Y. Jang, S.-W. Kim, K. An, J.H. Yu and T. Hyeon, Agnew. Chem., 118 (2006), 4907. Agnew. Chem. Int. Ed., 45 (2006) 4789.

16. S. Eutis and M.A. El-Sayed, Chem. Soc. Rev., 35 (2006) 209.

17. S.-S. Chang, C.-W. Shih, C.-D. Chen, W.-C. Lai and C. R. C. Wang, Langmuir, 15 (1999) 701.

18. C.-C. Chen, Y.-P. Lin, C.-W. Wang, H.-C. Tzeng, C.-H. Wu, Y.-C. Chen, C.-P. Chen, L.-C. Chen and Y.-C. Wu, J. Am. Chem. Soc., 128 (2006) 3709.

19. Electronics News, June 2008, pp 4.

20. Asbestos đã từng là một vật liệu xây dựng phổ biến làm mái nhà, vách tường, vật cách nhiệt. Sợi và bụi asbestos đi vào phổi gây ra ung thư. Các cựu công nhân của công ty James Hardy (Úc) làm trong nhà máy sản xuất asbestos vài thập niên trước mắc bệnh ung thư phổi, hiện vẫn còn trong quá trình cáo kiện công ty này đòi bồi thường thỏa đáng. Hiện nay, asbestos đã bị cấm sản xuất và sử dụng tại Úc và nhiều nước trên thế giới.

21. S.N. Luoma, "Silver nanotechnologies and the Environment", September 2008 (Google search).

22. http://www.nanotechproject.org/inventories/

23. Y. Piao, A. Burns, J. Kim, U. Wiesner and T. Hyeon, Adv. Func. Mater., 18 (2008) 1.

24. Độc giả có thể vào Google đánh từ khóa "nanotechnology and drug delivery" để xem những hình ảnh và tiến bộ mới nhất trong Youtube.

25. Đánh từ khóa "liposome" xem Wikipedia (Google search).