LỜi cảM ƠN Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến cố pgs. Ts. Trần Công Yên
tải về 0.49 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
- 1.1.2. Hạt nano từ
- 1.1.3. Ứng dụng của hạt nano từ trong lĩnh vực sinh y học
- 1.1.3.1. Tách, phân lập các tế bào và thực thể sinh học ra khỏi một môi trường hỗn hợp
- 1.1.3.2. Dẫn truyền thuốc, gen và các nuclide phóng xạ tới mô đích
- 1.1.3.3. Tăng độ tương phản ảnh trong phương pháp chẩn đoán bằng chụp cộng hưởng từ.
- 1.1.3.4. Liệu pháp nhiệt – từ trong điều trị ung thư
MỞ ĐẦUUng thư hiện nay đang là mối đe dọa trên toàn cầu, thách thức hệ thống y tế của mọi quốc gia với hàng chục triệu ca mắc bệnh, khoảng 7 triệu người chết mỗi năm. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) khuyến cáo đây là bệnh có khả năng gây tử vong hàng đầu trên thế giới trong thế kỷ XXI. Riêng tại Việt Nam, các chuyên gia cho biết, ước tính, mỗi năm nước ta có thêm khoảng 200.000 người mắc bệnh này và khoảng 100.000 người sẽ tử vong. Ung thư có thể vẫn sẽ là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên thế giới và Việt Nam trong nhiều thập kỉ tới. Chính vì thế việc tìm ra phương pháp chẩn đoán sớm và điều trị ung thư có hiệu quả cao hơn là yêu cầu cấp bách đặt ra cho toàn thể nhân loại. Các phương pháp điều trị ung thư truyền thống như phẫu thuật, hóa trị, xạ trị, nội tiết điều trị hay miễn dịch điều trị tuy mang lại nhiều kết quả tiêu diệt và hạn chế sự phát triển của khối u nhưng cũng giết chết không ít mô lành gây nguy hại không nhỏ đến sức khỏe của người bệnh. Nguyên nhân của hiện tượng này là do phần lớn các phương thức điều trị không chỉ tác động cục bộ lên khối u mà còn ảnh hưởng đến một bộ phận lớn các mô và cơ quan lành của cơ thể. Vì vậy nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các nhà khoa học hiện nay là cần tìm ra một phương pháp chữa trị ung thư sao cho vừa hiệu quả mà lại ít gây độc đối với cơ thể. Ngày nay công nghệ vật liệu đang thay làm thay đổi cuộc sống của chúng ta nhờ vào khả năng can thiệp của con người tại kích thước nm. Vật liệu nano thể hiện rất nhiều tính chất đặc biệt và lý thú. Một nhánh quan trọng của công nghệ nano, đó là lý sinh y học nano, trong đó, vật liệu nano được sử dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh. Ở Việt Nam hạt nano có từ tính đang được các nhà khoa học thuộc viện Khoa học Vật liệu chế tạo để ứng dụng vào điều trị ung thư bằng phương pháp gia nhiệt (hyperthermotherapy). Hạt nano từ được làm từ Fe3O4 và thường được bọc bằng một số vật liệu như dextran, carboxydextran, tinh bột (starch), chitosan…để làm tăng sự phân bố đồng đều trong chất lỏng từ và tăng tính tương hợp sinh học khi đưa vào cơ thể sống. Khi hạt nano từ được tập trung tại một vùng nào đó trong cơ thể, dưới tác động của từ trường xoay chiều có thể tăng nhiệt độ của vùng đó lên tới 50oC, đó chính là cơ sở của liệu pháp nhiệt trị ung thư. Tác dụng của nhiệt trong chữa bệnh (nhiệt trị) đã được con người biết và sử dụng từ cách đây rất lâu. Nhiệt trị đã được xem như một liệu pháp đầy triển vọng trong việc chữa trị ung thư, đặc biệt khi được kết hợp cùng với hoá trị hoặc xạ trị. Liệu pháp này dựa trên tác dụng ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư khi nhiệt độ cục bộ tại khối u được đẩy lên trên 42 oC, trong khi không ảnh hưởng tới các tế bào lành xung quanh. Hiện nay, các nghiên cứu đều đang tập trung vào khắc phục hai khó khăn mà các phương pháp nhiệt trị đang vấp phải để thu được những tác dụng triệt để trên các khối u ung thư, đó là (i) tập trung nhiệt lượng cục bộ tại vị trí khối u và (ii) điều khiển, khống chế được nhiệt độ tại vùng có khối u một cách chính xác. Bên cạnh việc điều trị thì chẩn đoán sớm sự xuất hiện của ung thư có thể coi là mơ ước của các nhà khoa học hiện nay. Chẩn đoán được ung thư ở giai đoạn sớm là có khả năng cao điều trị dứt điểm được căn bệnh quái ác này mà không gây ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe vì ngăn cản kịp thời sự di căn của tế bào ác tính. Chụp cộng hưởng từ hay MRI (Magnetic Resonance Imaging) là một kỹ thuật chẩn đoán y khoa tạo ra hình ảnh giải phẫu của cơ thể nhờ sử dụng từ trường và sóng radio. Phương pháp này không sử dụng tia X nên có độ an toàn cao cho bệnh nhân. Máy chụp cộng hưởng từ là một thiết bị nhạy cảm và đa năng giúp ta thấy hình ảnh các lớp cắt của các bộ phận cơ thể từ nhiều góc độ trong khoảng một thời gian ngắn. Sự chi tiết làm cho MRI trở thành công cụ vô giá trong chẩn đoán thời kì đầu và trong việc đánh giá các khối u trong cơ thể. Nhất là nếu có sự xuất hiện của hạt nano từ tại vị trí khối u, ta sẽ có những hình ảnh chẩn đoán rõ nét nhờ vào khả năng gây tương phản hình ảnh của chúng. Xuất phát từ những yêu cầu trên và để góp phần đưa hạt nano từ được sản xuất tại Việt Nam vào ứng dụng trong điều trị ung thư, chúng tôi nhận để tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano từ trong chẩn đoán và điều trị khối u thực nghiệm” làm đề tài luận văn cao học nhằm thực hiện một số nhiệm vụ cơ bản sau: 1. Xác định độc tính của chất lỏng từ lên một số dòng tế bào ung thư và Fibroblast. 2. Khảo sát khả năng tạo tương phản ảnh của hạt nano từ bằng phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI). 3. Thử liệu pháp nhiệt trị trên mô hình ung thư thực nghiệm. Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Tế bào – Mô – Phôi và Lý sinh, khoa Sinh học, bộ môn Thổ nhưỡng và Môi trường Đất, khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, phòng Nano Y sinh, viện Khoa học Vật liệu, trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc Gia và Bệnh viện Quân đội Trung ương 108. Kết quả của đề tài là cơ sở để đẩy mạnh thêm những nghiên cứu nhằm ứng dụng hạt nano từ và phương pháp chụp cộng hưởng từ hạt nhân vào việc chẩn đoán và điều trị ung thư trên bệnh nhân. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1.1. Vật liệu nanoVật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nm. Dựa vào hình dáng vật liệu, người ta phân chia thành các loại sau: - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ như đám nano, hạt nano… - Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước hạt nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ như dây nano, ống nano… - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ như màng mỏng… - Ngoài ra còn có vật liệu cấu trúc nano hay nanocomposite, trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nano, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Ngoài cách phân loại vật liệu nano dựa vào hình dáng vật liệu, người ta còn có thể phân loại dựa vào độ cảm từ. Bất cứ vật liệu kim loại nào cũng có sự hưởng ứng với từ trường ngoài, thể hiện bằng độ từ hoá (từ độ, M). Tỷ số c = M/H được gọi là độ cảm từ, trong đó H là cường độ từ trường. Tuỳ thuộc vào giá trị độ cảm từ có thể phân ra làm các loại vật liệu từ khác nhau.
Ngoài độ cảm từ, nhiều thông số khác cũng rất quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu, ví dụ như: từ độ bão hoà (từ độ đạt cực đại tại từ trường lớn), từ dư (từ độ còn dư sau khi ngừng tác động của từ trường ngoài), lực kháng từ (từ trường ngoài cần thiết để một hệ, sau khi đạt trạng thái bão hoà từ, bị khử từ)… Nếu kích thước của hạt giảm đến một giá trị nào đó (thông thường từ vài đến vài chục nanomet, phụ thuộc vào từng vật liệu cụ thể), tính sắt từ biến mất, chuyển động nhiệt sẽ thắng thế và làm cho vật liệu trở thành vật liệu siêu thuận từ. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không. Điều đó có nghĩa là, khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa. Đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệu này cho các ứng dụng y sinh học [2, 24]. 1.1.2. Hạt nano từHạt nano từ là vật liệu nano không chiều tức là cả ba chiều của nó đều có kích thước nano (<1000 nm). Hạt nano từ được dùng trong y-sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: - Tính đồng nhất của các hạt cao. Tính đồng nhất cơ bản là về kích thước – một tính chất có liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo. - Từ độ bão hòa lớn. - Vật liệu có tính tương hợp sinh học cao (không có độc tính) [24]. Tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu sau khi đã được xử lý bề mặt. Trong tự nhiên, sắt là vật liệu có từ độ bão hoà lớn nhất tại nhiệt độ phòng. Ngoài ra sắt còn là nguyên tố không độc và rất quan trọng đối với cơ thể người, có tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như oxit sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nano từ ứng dụng trong sinh y học. Hạt nano từ dùng trong y sinh học thường ở dạng dung dịch nên còn gọi là chất lỏng từ (CLT). Một dung dịch từ gồm ba thành phần: lõi là hạt Fe3O4 có kích thước nano, chất hoạt hoá bề mặt và dung môi. Trong đó: - Lõi Fe3O4 có kích thước nano là thành phần quyết định đến tính chất từ của dung dịch từ. - Chất hoạt hóa bề mặt (CHHBM) có tác dụng làm cho hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ lại với nhau ngay cả khi có mặt của từ trường ngoài, ngoài ra nó còn có tác dụng “che chở” hạt nano khỏi sự phát hiện của hệ thống miễn dịch của cơ thể và tạo các mối liên kết hoá học với các phân tử khác. - Dung môi là chất lỏng mang toàn bộ hệ [33]. Đối với các loại chất lỏng từ dùng trong sinh học, thì dung môi thường hướng tới pH = 7.0 – 7.2.
- Tách, phân lập các tế bào và các thực thể sinh học ra khỏi một môi trường hỗn hợp. - Dẫn truyền thuốc, gen và các nuclide phóng xạ tới mô đích. - Liệu pháp nhiệt – từ trong điều trị ung thư. - Tăng độ tương phản ảnh trong phương pháp chẩn đoán bằng chụp cộng hưởng từ.
Bước đầu tiên được thực hiện bằng cách biến đổi bề mặt của các hạt từ bằng phương pháp hoá học, thông thường là bọc hạt từ bằng các phân tử tương hợp sinh học như dextran, polyvinyl alcohol và phospholipid. Bên cạnh vai trò như một cầu nối giữa hạt từ với tế bào hoặc phân tử, lớp bọc còn nâng cao độ ổn định của chất lỏng từ. Sau quá trình bọc hạt, các chất là kháng thể hoặc các phân tử như hoócmôn và axít folic sẽ được sử dụng để tạo liên kết với bề mặt tế bào. Vì các kháng nguyên chỉ liên kết với kháng thể của chúng nên đây là một cách đánh dấu tế bào bằng các hạt từ rất chính xác. Hiện nay, các hạt từ được gắn kháng nguyên đã được gắn thành công với nhiều loại tế bào như tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, tế bào ung thư cơ quan sinh dục hoặc với cả các vi khuẩn [29]. Hầu hết các thí nghiệm nghiên cứu cho đến nay đều sử dụng hạt sắt ôxít (Fe3O4 hoặc Fe2O3) vì chúng là nguyên tố có mặt trong cơ thể sinh vật và có bề mặt dễ biến đổi. Bước thứ hai, tách các thực thể sinh học ra khỏi hạt, được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của từ trường ngoài.
Hình 1. Minh hoạ nguyên lý sử dụng hạt nano từ và từ trường ngoài để tách các thực thể sinh vật [29] Hình 1 minh hoạ đơn giản về nguyên lý tách các thực thể sinh vật ra khỏi một hỗn hợp sử dụng từ trường. Các thực thể sinh vật có từ tính (được gắn với hạt nano từ màu đen) được tách ra khỏi dung dịch mang khi chúng chảy qua vùng tác dụng của một gradient từ trường. Cho đến nay tách chiết bằng từ trường đã được sử dụng thành công trong các lĩnh vực nghiên cứu y học và sinh học. Phương pháp này cho hiệu quả cao khi dùng để tách các tế bào của một số loại ung thư ra khỏi máu. Ngoài ra người ta đã tăng cường khả năng phát hiện vi rút sốt rét kí sinh trong các mẫu máu bằng việc tối ưu hoá tính chất từ của các vi rút kí sinh hoặc bằng cách đánh dấu các tế bào hồng cầu với các hạt từ được gắn kháng nguyên. Bên cạnh đó còn có các ứng dụng khác như khuếch đại và phát hiện DNA, đếm tế bào (đo mômen từ của các hạt từ) và một số cảm biến xác định vị trí cũng như định vị các tế bào chức năng trong cơ thể [29]. 1.1.3.2. Dẫn truyền thuốc, gen và các nuclide phóng xạ tới mô đíchKhoảng 20 năm trở lại đây, đã có nhiều nghiên cứu về cách vận chuyển và dẫn truyền thuốc nhằm mục đích làm tăng nồng độ thuốc chống ung thư trong khối u mà không bị phân tán ở những vùng mô tế bào khoẻ mạnh. Bằng cách này không những người ta có thể hạn chế các tác dụng phụ nguy hiểm nảy sinh trong quá trình điều trị mà còn có thể giảm thiểu tối đa liều lượng thuốc đưa vào cơ thể. Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật sử dụng từ trường để giữ các hạt từ “mang thuốc” ở vị trí các mô tế bào xác định, tránh không cho chúng trôi theo dòng máu. 
Hình 2. Minh hoạ về nguyên lý vận chuyển và tập trung thuốc [4]. Cơ sở của phương pháp dựa trên việc sử dụng các phân tử thuốc (thường là độc đối với tế bào - cytotoxic) được gắn các hạt từ tương hợp sinh học (có thể được gọi là hạt mang). Hỗn hợp thuốc/hạt mang này được đưa vào cơ thể qua hệ tuần hoàn. Sau khi thâm nhập vào mạch máu, chúng được giữ lại ở các vùng mong muốn bằng một từ trường ngoài (nam châm). Khi đã được định vị, các phân tử thuốc có thể được giải phóng theo cơ chế hoạt động của emzym hoặc do sự khác biệt về các điều kiện sinh lý ở vùng khối u như độ pH, độ thẩm thấu hoặc nhiệt độ [5]. Nguyên lý vận chuyển thuốc vào khối u dưới tác dụng từ trường của một nam châm vĩnh cửu. được minh hoạ trên hình 2. So với các mô bình thường, khối u có số lượng mạch máu nuôi lớn hơn rất nhiều, do vậy khả năng cung cấp khối lượng thuốc cũng cao hơn [4]. Cấu trúc của một hạt từ kích thước nano mang thuốc gồm hai phần: (i) lõi hạt từ (thường là sắt ôxít) được bọc bởi (ii) một lớp polymer tương hợp sinh học. Các polymer thông dụng hiện nay là PVA hoặc dextran. Trong một số trường hợp người ta còn sử dụng lớp bọc vô cơ như silic ôxít. Ngoài tác dụng bảo vệ các hạt khỏi ảnh hưởng của môi trường xung quanh, đặc điểm quan trọng nhất của lớp bọc là làm cầu nối để chức năng hoá các hạt khi gắn vào chúng các nhóm carboxyl, biotin, avidin, carbodi-imide hoặc một số phân tử khác [29].
Có thể coi phương pháp sử dụng hạt từ để dẫn truyền thuốc là một dạng hoá trị cục bộ. Cho đến nay có khoảng gần 50 loại hoá chất đang được sử dụng thường xuyên trong điều trị ung thư [4]. Các thuốc này tác động đến hệ gen của tế bào, can thiệp vào quá trình trao đổi chất hoặc phá huỷ cấu trúc và ngăn cản sự phát triển của tế bào. Chúng được phân loại thành nhiều nhóm dựa theo cơ chế hoạt động như: - Các hợp chất alkyl hoá (cyclophosphamide, busulfan, mitoxantrone) có tác dụng với ADN. Phản ứng với thuốc alkyl hoá làm quá trình nhân đôi của ADN trong giai đoạn phân chia tế bào bị sai hỏng và do vậy giết chết tế bào. - Các chất chống chuyển hoá như 5-fluorouracil, methotrexate kiềm chế pha S trong chu trình tế bào bằng cách ngăn lại quá trình tiền tổng hợp axít nucleic. - Các chất ngăn chặn sự phân bào (vincrictin, vinblastin) kiềm chế quá trình phân chia tế bào. - Antineoplastic antibiotics (adriamycin, bleomycin) ngăn chặn quá trình tổng hợp của ARN phụ thuộc vào ADN. Trong hoá trị, thông thường các thuốc không phân biệt được sự khác nhau giữa tế bào khối u và các tế bào của mô khoẻ mạnh, do vậy chúng cũng làm hỏng các tế bào bình thường này và gây ra các tác dụng phụ không mong muốn. Chính vì vậy phương pháp hoá trị cục bộ có ưu thế hơn hẳn do tập trung được các tác nhân điều trị hoá học ở vùng khối u, nhờ đó có thể giảm thiểu các tác dụng đối với mô bình thường. Năm 1983, các hạt từ lần đầu tiên đã được sử dụng để mang thuốc (doxorubicin) tới các khối u được cấy trên chuột [34]. Kết quả bước đầu rất khả quan khi trên 80% số chuột có các khối u đã giảm hoàn toàn so với trường hợp hoá trị thông thường với liều thuốc lớn hơn 10 lần. Trong những năm thập kỉ 70, Kramer (1974) và Rahman (1974) đã tiến hành gắn các tác nhân daunorubicin, mercaptopurine và actinomycine vào hạt mang. Các hạt này thường bị phá huỷ trong các cơ quan cơ thể bởi tác động cơ học và tác động của enzyme, do vậy không mang lại hiệu quả điều trị cao [34]. Đến năm 1996, Bergemann lần đầu tiên tạo được liên kết hoá học trực tiếp giữa các tác nhân thuốc với chất lỏng từ (hạt từ được bọc bởi tinh bột – starch) [4], nhờ đó giải quyết được vấn đề không bền vững của các hạt mang. Sau đó Lubbe đã thử nghiệm tác dụng của chất lỏng từ này trên cơ thể chuột và thấy rằng độc tính của chúng đối với cơ thể là rất thấp. Vào năm 1997, Kuznetsov sử dụng các hạt đơn phân tán có lõi sắt hoặc sắt oxít, được gắn với một cấu trúc cácbon hoặc được bọc cácbon phía ngoài. Kích thước hạt từ 0,01 đến 1 micromet và hạt được kết hợp với dung dịch thuốc kháng ung thư. Sau khi thử nghiệm điều trị trên hơn 100 bệnh nhân với nhiều loại ung thư khác nhau, kết quả cho thấy hầu hết các trường hợp đều khỏi hoặc tình trạng bệnh thoái lui đáng kể [23]. Cũng vào năm này, Allen công bố chế tạo được các hạt tải từ tính có khả năng dẫn truyền thuốc (magnetically targetable carrier, MTCTM) với thành phần là hợp kim của sắt và than hoạt tính (kích thước 0,5 2 μm) được gắn với paclitaxel, một tác nhân tiềm năng trong chữa trị ung thư đầu và cổ [6]. Các hạt tải này có thể giải phóng 38% lượng thuốc hấp phụ được vào huyết thanh trong vòng 24 h. Chúng có thể bị giữ bởi từ trường trong mạch máu nhỏ (tốc độ chảy 0.2 cm/s) và trong động mạch chính (tốc độ chảy 28 cm/s). Một số kết quả thử nghiệm điều trị trên cơ thể người cho đến nay cũng rất khả quan [4]. Từ tháng 4 năm 2001 đến tháng 6 năm 2002, sử dụng một từ trường được chiếu vào vùng khối u, bốn bệnh nhân đã được tiêm vào động mạch một dung dịch gồm các hạt sắt được bọc cácbon, có gắn các phân tử dauxorubicine. Một trong số đó có kích thước khối u thu nhỏ đáng kể, trong thời gian quan sát từ 5 đến 17 tháng. Nhóm của Alexiou đã thực hiện một số nghiên cứu tiền điều trị, trong đó các hạt nano từ (đường kính 100nm) gắn các mitoxantrone (của Wyeth-Pharma, Đức) được tiêm vào mạch máu của thỏ mang khối u ung thư. Một từ trường rất mạnh (1,7 T) đã được sử dụng để chiếu lên vùng khối u. Trong thí nghiệm dẫn thuốc này, toàn bộ khối u đã giảm hẳn chỉ cần sử dụng 20 50% liều thuốc hoá trị thông thường và không gây phản ứng phụ có hại nào [4]. Một số nhà khoa học cũng đưa ra ý tưởng khảo sát khả năng gắn các nuclon phóng xạ thay vì các tác nhân hoá trị vào các hạt từ. Ưu thế của hệ này so với hệ thuốc/hạt từ là các khối u không cần “bắt” các tác nhân mà vẫn chịu tác dụng của nuclon phóng xạ. Các đồng vị phóng xạ khác nhau có thể được sử dụng để điều trị trên các khoảng cách khác nhau, tuỳ thuộc theo bản chất của nguyên tố (ví dụ 90Y có thể phát xạ tới 12 mm trong mô tế bào). Trong thí nghiệm thực hiện trên cơ thể chuột, nhóm của Hafeli đã tiêm các hạt từ đường tĩnh mạch tập trung ở gần một khối u dưới da bụng và sử dụng một nam châm nhỏ ở phía trên. Kết quả cho thấy phóng xạ phát ra từ các nguyên tử 90Y đã tiêu diệt được > 50% khối u [15]. Bên cạnh các kết quả khả quan đã đạt được cũng tồn tại một số hạn chế mà phương pháp dẫn truyền thuốc sử dụng hạt từ cần phải vượt qua để có thể được ứng dụng chữa trị rộng rãi, đó là: (i) các mạch máu ở vùng mô đích có thể bị tắc do sự kết tụ với nhau của các hạt từ, (ii) không thể áp dụng các tham số điều trị trên cơ thể động vật đối với cơ thể người vì khoảng cách giữa các vùng điều trị lớn hơn và cần cường độ từ trường mạnh hơn, (iii) sau khi được giải phóng, thuốc không còn được điều khiển bằng từ trường nên chúng vẫn có thể phân tán tự do trong cơ thể và có thể làm tổn hại các tế bào khoẻ mạnh. Ngoài ra, hiệu quả của phương pháp còn phụ thuộc vào nhiều tham số vật lý như cường độ và sự không đồng nhất của từ trường, thể tích và tính chất từ của các hạt. Thông thường các chất lỏng từ được đưa trực tiếp vào cơ thể theo đường tĩnh mạch hoặc động mạch, do vậy các tham số động học như tốc độ của dòng máu, nồng độ chất lỏng từ, khả năng hấp thụ thuốc của tế bào ở vùng mô ung thư và thời gian lưu thông của hạt cũng rất quan trọng. Bên cạnh đó cũng cần phải xét đến độ sâu của vùng cần thuốc (khoảng cách tới nguồn phát từ trường), độ mạnh yếu của liên kết giữa thuốc và hạt từ cùng với thể tích của khối u [25].
Trong thí nghiệm của Gilchrist, các hạt Fe3O4 với kích thước 0,02 0,1 μm được tiêm vào màng trong thành ruột của chó để chúng có thể tập trung trong vùng các hạch bạch cầu. Sau đó các hạch này được cắt ra khỏi cơ thể và đưa vào vùng từ trường xoay chiều có cường độ 200 240 Oe. Kết quả cho thấy nồng độ 5 mg hạt từ trên mỗi gam hạch bạch cầu có thể đạt được tốc độ tăng nhiệt 14 oC/3 phút. Hai năm sau đó, cũng nhóm này tiếp tục thực hiện nghiên cứu thử nghiệm trên thỏ và thu được kết quả tốt khi các hạch đã bị hoại tử hoàn toàn sau 3 phút đốt nóng trong từ trường 470 Oe. Kể từ các thành công ban đầu này, nhiệt-từ trị sử dụng hạt từ đã được coi như một trong những phương pháp triển vọng nhất trong cuộc chiến chống lại ung thư. Phương pháp này sau đó được phát triển theo ba hướng, phân loại bởi các cách đưa hạt từ vào vùng khối u [27]: - Nhiệt trị theo đường động mạch (AEH – arterial embolization hyperthermia): cơ sở của phương pháp dựa vào đặc điểm là các khối u gan được nuôi bởi hệ động mạch gan, trong khi các mô tế bào gan bình thường lại nhận được nguồn cung cấp máu từ hệ tĩnh mạch chủ. Khi tiêm các hạt từ vào đường động mạch gan, người ta thấy rằng chúng tập trung ở vùng khối u với nồng độ cao hơn hẳn những vùng khác. Phương pháp này rất phù hợp với việc chữa trị ung thư gan ác tính và cũng là cơ sở của một số phương pháp được sử dụng hiện nay như xạ trị chọn lọc (selective internal radiation therapy), hoá trị động mạch gan (hepatic arterial chemotherapy) và hoá trị liên động mạch (transaterial chemoembolization). Cho đến nay chưa có thí nghiệm nhiệt trị động mạch nào được thực hiện trên cơ thể bệnh nhân nhưng đã có một số thí nghiệm thực hiện trên cơ thể thỏ và lợn [26]. Thí nghiệm đầu tiên sử dụng các hạt magnemite (Fe3O4) đường kính 150 nm phân tán trong lipiodol (một hỗn hợp của iốt với dầu thực vật). Trong từ trường xoay chiều (53 kHz; 30 kA/m), nhiệt độ đốt các tế bào đã tăng lên đến 48 oC trong 5 phút. Do lipiodol gây ra một số tác dụng phụ với tế bào và mô nên sau đó các hạt Fe3O4 này được bọc trong một hạt polymer nền (SIR-Sphere của công ty Sirtex Medical Ltd – Úc, đường kính hạt nền vào khoảng 32 μm) và phân tán trong dung dịch Tween 1%. Các hạt nền này là an toàn và tồn tại lâu, gây ảnh hưởng không đáng kể cũng như không mất tính sắt từ sau 28 ngày được tiêm vào cơ thể cũng như làm thay đổi mức ion serium hoặc ferritin, cho thấy các hạt không mất trạng thái sắt từ. - Nhiệt trị tiêm trực tiếp (DIH – direct injection hyperthermia): đây là phương pháp tiêm trực tiếp dung dịch của các hạt sắt từ có kích thước tương đối lớn vào vùng khối u và sau đó sử dụng từ trường xoay chiều để đốt nóng chúng, vì vậy nhiệt tạo ra từ các hạt bên ngoài tế bào. Ngược lại với nhiệt trị động mạch là nhiệt toả ra từ các hạt sắt từ trong mạch máu. - Nhiệt trị nội bào (IH – intracellular hyperthermia): đây là phương pháp nhiệt-từ trị sử dụng các hạt từ phức tạp hơn. Các hạt có thể được bọc với các kháng thể đặc hiệu và được đưa đến khối u qua đường động mạch hoặc tiêm trực tiếp. Một số nghiên cứu cho thấy các hạt từ này sau đó có thể chui vào tế bào ung thư nên người ta thường gọi đây là phương pháp nhiệt trị nội bào. Ngoài ra các hạt từ vẫn được tập trung ở bên ngoài tế bào và đóng góp vào quá trình đốt nóng khối u [27].
Thí nghiệm tiên phong của Gilchrist và các cộng sự thực hiện vào năm 1957 đã mở ra nhiều vấn đề nghiên cứu, không chỉ trên lĩnh vực y sinh cơ bản mà còn là các vấn đề về từ học hạt nano và kĩ thuật điều trị. Sau đó, có nhiều thí nghiệm đã được thực hiện trên cơ thể các động vật như chuột, thỏ, chó và lợn [27]. Nhìn chung, hầu hết các nghiên cứu này đều cho thấy có thể đạt được nhiệt độ cao đủ để tiêu diệt các khối u trên cơ thể động vật. Năm 1979, Gordon và các cộng sự lần đầu tiên sử dụng chất lỏng từ gồm các hạt magnetite được bọc dextran để chữa ung thư vú trên chuột. Khác biệt chính trong thí nghiệm của Gilchrist và Gordon là các hạt từ Gilchrist sử dụng có kích thước khá lớn, trong khi các hạt trong thí nghiệm của Gordon có kích thước trung bình 6 nm. 100 mg magnetite đã được tiêm chậm vào tĩnh mạch đuôi chuột trong hơn 10 phút. Sau 48h, chuột được đặt vào trong một từ trường xoay chiều trong 12 phút. Nhiệt độ vùng khối u không được đo trực tiếp trong quá trình điều trị nhưng Gordon đã xác định công suất toả nhiệt của các hạt từ qua các thí nghiệm ex-vivo với các khối u đã được cắt ra ngoài. Tốc độ tăng nhiệt được ghi nhận trong thí nghiệm này là 8 oC trong 12 phút. Chuột đã chết sau thí nghiệm 1 tuần, và hầu hết các hạt magnetite được tìm thấy trong gan, lách và thận. Qua các ảnh hiển vi điện tử, Gordon đã phát hiện thấy có một số hạt từ đã bị “nuốt” bởi các tế bào trong khối u ung thư. Từ kết quả này, Gordon đã đề xuất khái niệm về phương pháp “nhiệt trị nội tế bào” với nguyên lý đốt nóng từng tế bào ung thư đơn lẻ bằng việc đưa các hạt từ vào bên trong chúng, sau đó tác dụng từ trường xoay chiều [11]. Sau đó vào những năm 1986-1989, Lerrch và Pizzarello đã cố gắng lặp lại và tìm hiểu kĩ hơn thí nghiệm của Gordon trong các điều kiện thí nghiệm tương tự, nhưng kết quả thu được lại rất khác biệt [22]. Khả năng bắt các hạt magnetite của các tế bào trong gan, lách và phổi lớn hơn rất nhiều so với các tế bào trong khối u. Các nghiên cứu cho thấy thể tích khối u đã phát triển gấp đôi theo thời gian. 60 ngày sau thí nghiệm, chỉ có một số khối u không thay đổi, tuỳ theo số lần chiếu từ trường xoay chiều. Các phép đo nhiệt độ ngay sau mỗi lần chữa trị cũng cho thấy nhiệt độ trong vùng khối u không tăng lên, mặc dù cường độ từ trường là rất cao (40 kA/m). Một số thí nghiệm khác cũng cho thấy những kết quả khả quan của liệu pháp nhiệt – từ trị chữa ung thư trên động vật. Năm 1983, Luderer và các cộng sự đã điều trị các khối u sarcoma Meth-A trên chuột bằng các hạt sắt gốm - thuỷ tinh kích thước 1,5 µm trong từ trường 10 kHz và 40 kA/m. 50% động vật đã hoàn toàn không còn khối u sau 5 ngày chữa trị [22]. Sau đó vào năm 1997, nhóm của Jordan tiến hành thí nghiệm trên chuột được cấy khối u vú C3H và đã công bố kết quả với tỉ lệ 44 % sống sót và có khối u nhỏ đi hoặc biến mất sau 2 tháng kể từ khi điều trị [21]. Kết quả tốt nhất được công bố bởi Yanase và các cộng sự vào năm 1998, cho thấy 87,5 % số chuột với các khối u không tái phát triển trong vòng ba tháng [35] (hình 4). Sử dụng các magnetoliposome (một loại hạt từ bao gồm lõi là hạt Fe3O4 được bọc bởi một lớp mỡ bên ngoài) được gắn với các phân tử kháng thể, Le và các cộng sự đã công bố thành công trong việc khống chế các khối u [16]. Và cho đến nay, song song với các thí nghiệm trên động vật còn có một số bằng phát minh sáng chế về phương pháp nhiệt trị sử dụng hạt từ đã được đăng kí [15, 32]. 
Thời gian điều trị (ngày) Thời gian điều trị (ngày) Thời gian điều trị (ngày) Thời gian điều trị (ngày) 
Không chiếu từ Chiếu từ 1 lần Chiếu từ 2 lần Chiếu từ 3 lần Hình 5. Quá trình phát triển khổi u trên cơ thể chuột trong thí nghiệm của Yanase và các cộng sự [35] Mỗi đường cong tương ứng với một chuột thí nghiệm theo thời gian áp dụng điều trị trong từ trường xoay chiều. Sự tái phát triển của khối u không còn xuất hiện sau 3 tháng [35]. Kết quả nghiên cứu trong nuôi cấy tế bào in vitro Nhiều nghiên cứu về nhiệt - từ trị cũng được thực hiện với các thí nghiệm trên các dòng tế bào ung thư nuôi cấy in vitro. Mục đích chính của các thí nghiệm này là thử nghiệm tính tương hợp sinh học của các hạt Fe3O4 đã được bọc các polymer bề mặt và khảo sát tương tác của các hạt từ với các loại tế bào khác nhau trong dung dịch. Các vỏ bọc thường được sử dụng là dextran, carboxydextran, citrate, polyethleneglycol hoặc starch. Độc tính của các hạt từ này đã được nghiên cứu bởi Hafeli và Pauer [13]. Vào năm 1993, Chan và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm đốt nhiệt - từ in vitro với các hạt Fe3O4 bọc dextran (được gọi là các hạt ôxít sắt từ tính dạng keo, CMIO – colloidal magnetic iron oxide). Các hạt CMIO dextran không có độc tính với các tế bào được ủ trong 24h với nồng độ hạt 10 mg/ml. Sau thí nghiệm đối với các tế bào ung thư phổi dòng A549, Chan đã đưa ra kết luận rằng các tế bào ung thư bị tiêu diệt hoàn toàn là do tác dụng của nhiệt [7]. Cũng vào năm này, nhóm nghiên cứu của Jordan đã thử nghiệm khả năng bắt hạt từ của các tế bào carcinoma người khi đặt các khối u vào môi trường chất lỏng từ (các hạt ôxít sắt được bọc dextran) trong nhiều ngày. Qua các ảnh chụp hiển vi điện tử, Jordan nhận thấy lớp bọc dextran của nhiều hạt đã bị hyđrát hoá bởi các enzyme tiêu hoá. Quá trình phá vỡ lớp bọc dextran khiến các hạt bị kết tụ lại thành chuỗi bên trong tế bào. Dựa vào các kết quả trên, Jordan đã đưa ra kết luận rằng trên thực tế các tế bào ung thư có thể bắt đủ lượng hạt từ, nhưng do lớp bọc dextran bị phá huỷ và các hạt từ kết tụ lại với nhau nên nhiệt lượng toả ra từ bên trong tế bào thấp hơn yêu cầu, do vậy hầu hết các tế bào đều có thể sống sót sau chiếu từ trường xoay chiều. Mặc dù không đạt được hiệu quả tốt trong nhiệt-từ trị nội tế bào với các hạt Fe3O4 bọc dextran nhưng Jordan vẫn rất tin tưởng vào khả năng ứng dụng của phương pháp này khi sử dụng một số vật liệu với các loại vỏ bọc khác. Ngược lại với quan điểm về nhiệt trị nội bào của Jordan, một số nhóm nghiên cứu khác là Hergt [16], Rabin [31] và Neuberger [28] đã đưa ra các ý kiến cho rằng tác dụng của nhiệt ở mức độ tế bào là không đáng kể và hoàn toàn không có lý do gì để phân biệt giữa “nhiệt trị nội bào” với “nhiệt trị ngoại bào”. Điều quan trọng trong việc điều trị là phải đạt được nồng độ hạt từ trong khối u đủ cao, bất chấp vị trí của hạt từ ở trong hay ở ngoài tế bào ung thư. Một số thí nghiệm in vitro cũng được tiến hành với mục đích nghiên cứu khả năng các hạt từ được gắn hướng đích lên tế bào ung thư. Năm 1995, Suzuki đã đạt được hiệu quả khi gắn các kháng thể đơn dòng đặc hiệu với tế bào ung thư dòng BM314 lên hạt nano từ bọc PEG. Sau thời gian ủ, trên mỗi tế bào BM314 tác giả đã phát hiện thấy có 90pg sắt từ, cao gấp bốn lần so với trên các tế bào không được gắn. Tuy nhiên hiệu suất gắn hạt từ này vẫn là thấp để có thể tạo được tác dụng điều trị bằng nhiệt độ đối với các tế bào ung thư.
Mặc dù đã thu được một số kết quả khả quan nhưng việc tiến đến áp dụng thử nghiệm trên cơ thể người vẫn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu do kích thước các thiết bị thường tương đối nhỏ và chỉ phù hợp với cơ thể động vật. Vào giữa những năm 1990, nhóm nghiên cứu của Jordan đã đẩy mạnh phát triển phương thức nhiệt-từ trị để bước đầu thử nghiệm trên cơ thể người [21, 22]. Mục tiêu của nghiên cứu là cố gắng đạt được lượng hạt từ có nồng độ đủ cao ở vùng khối u, và sau đó điều khiển chính xác nhiệt độ đốt bằng việc tính toán chính xác công suất toả nhiệt và phân bố hạt từ trong khối u. Trước tiên, các phân bố của các hạt từ phải được quan sát bằng các thiết bị như siêu âm, chụp xạ hoặc MRI sau khi tiêm vào trong cơ thể. Sau đó, sử dụng phân bố không gian và công suất toả nhiệt (SLP) của các hạt từ để tính chính xác khoảng tăng nhiệt độ trong vùng khối u. Nhiệt độ được đo với việc sử dụng các đầu dò quang học được đưa vào cơ thể. Quá trình đốt nóng có thể được điều khiển bởi các thông số như cường độ từ trường và thời gian chiếu. Tuy nhiên ngay cả với khối u có dạng hình cầu, đạt được sự phân bố đồng nhất các hạt từ cũng là rất khó khăn. Cho đến nay nhóm nghiên cứu của Jordan đã chế tạo một thiết bị tạo từ trường xoay chiều MFH – 300 F với tần số 100 kHz và cường độ 18 kA/m (hình 6) và bắt đầu thử nghiệm chữa trị một số loại ung thư trên cơ thể người [9, 10, 17-20]. 
Hình 6. Thiết bị MFH-300F (công ty MagForce) dùng trong nhiệt – từ trị [21]
|
