Những ứng dụng của các hạt nano có chứa kim loại (MENP) ngày càng phổ biến và trở thành vấn đề quan trọng, được quan tâm trong những năm trở lại đây. Do đó, các kỹ thuật sử dụng nhằm đánh giá, nghiên cứu và xác định khả năng hấp thụ của MENP đóng vai trò cấp thiết và quyết định đến sự phát triển của các ứng dụng từ MENP. Kỹ thuật đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ là một công cụ hữu ích để xác định MENP có độ nhạy cao, có chọn lọc trong môi trường và sinh vật, do đó cho phép tìm ra sự biến đổi, hấp thụ, phân phối và thanh thải của chúng.
Các hạt nano kỹ thuật (ENP), được định nghĩa là các hạt nhân tạo có kích thước nhỏ hơn 100 nm, đã được sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chế tạo các sản phẩm tiêu dùng, chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải, năng lượng và nông nghiệp. Cụ thể, các hạt nano được chế tạo bằng kim loại (MENP) bao gồm các hạt nano kim loại quý (Au, Ag, Pt, Pd), oxit kim loại (ZnO, CuO, CeO2) hoặc chấm lượng tử (QD; CdS, ZnSe) hạt nano (NP), được sử dụng rộng rãi trong các chất xúc tác, cảm biến, hình ảnh, chẩn đoán và điều trị bệnh. Tuy nhiên, trong quá trình sản xuất, vận chuyển, sử dụng, thải bỏ, tái chế MENP và các sản phẩm của chúng, việc phát thải MENP ra môi trường là không thể tránh khỏi. MENP trở thành nhóm các chất gây ô nhiễm mới nổi và thu hút sự chú ý đáng kể về số phận môi trường (Environmental Fate – số phận của chất gây ô nhiễm hoá học hay sinh học sau khi thải vào môi trường), biến đổi và hấp thụ cũng như độc tính đối với sinh vật trong những năm gần đây. Đặc biệt là việc sử dụng MENP làm công cụ để chẩn đoán và điều trị bệnh, bao gồm làm chất tăng cường tương phản, chất mang nano và chất quang trị liệu. Do đó, hiểu được sự hấp thụ, phân phối và thanh thải của MENP trong cơ thể con người và các tác động đến môi trường là rất quan trọng trước khi đưa vào sử dụng và phát triển MENP an toàn hơn cho cả môi trường và sức khỏe con người.
Hiện nay, việc xác định và theo dõi MENP trong các hệ thống sinh học và môi trường vẫn là một thách thức lớn. Khó khăn nhất là phân biệt hiệu quả giữa MENP và các thành phần kim loại tự nhiên hoặc cấp nền. Điển hình như khi nghiên cứu sự phân bố sinh học của các NP oxit sắt làm chất tương phản cộng hưởng từ, cần phải phân biệt giữa sắt trong NP oxit sắt và sắt dinh dưỡng trong sinh vật. Giải pháp được coi là khả thi để giải quyết vấn đề này là gắn đồng vị theo dõi các MENP. Sự phát huỳnh quang hoặc kỹ thuật phóng xạ ngoại sinh (sử dụng 125I, 188Re, 111In) có thể cung cấp các tín hiệu nhạy và đặc hiệu. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể làm thay đổi các đặc tính bề mặt của MENP và sau đó làm thay đổi hành vi môi trường hoặc sinh học của chúng. Ngoài ra, các chất gắn ở kỹ thuật huỳnh quang và phóng xạ ngoại sinh có thể bị tách khỏi lõi MENP và do đó sẽ không thể đại diện cho hoạt động của MENP.
Kỹ thuật đánh dấu bằng đồng vị có nhiều ưu điểm hơn với các kỹ thuật huỳnh quang và phóng xạ ngoại sinh. Kỹ thuật này có độ nhạy cao hơn nhiều so với cách kỹ thuật huỳnh quang thông thường do có thể sử dụng hàng loạt các kỹ thuật phát hiện, bao gồm phép đo phổ, đếm ánh xạ hoặc khối phổ plasma kết hợp cảm ứng (ICP-MS). Ngoài ra, các tín hiệu thu được cụ thể có thể dễ dàng phân biệt với các tín hiệu của ma trận huỳnh quang. Hơn nữa, các MENP được gắn đồng vị về cơ bản có cùng thành phần hóa học với các MENP không được gắn đồng vị và do đó phản ánh hoạt động của MENP tốt hơn nhiều so với kỹ thuật huỳnh quang và phóng xạ ngoại sinh thông thường. Kỹ thuật đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ có thể dễ dàng tiến hành chụp ảnh tại chỗ ở các cấp độ cá thể, mô, tế bào và thậm chí cả dưới tế bào, trong khi kỹ thuật đánh dấu bằng các đồng vị bền có thể được sử dụng để theo dõi đồng thời các hành vi khác biệt của MENP có hình thái, kích thước và sơn phủ.
Nhu cầu về chất đồng vị phóng xạ gắn cho hạt nano có chứa kim loại
Mặc dù các nguyên tố phóng xạ ngoại sinh (ví dụ, 99mTc, 111In) đã được sử dụng rộng rãi để gắn cho MENP thông qua hấp phụ vật lý hoặc hóa học, nhưng các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng các chất đánh dấu phóng xạ ngoại sinh này có thể bị loại bỏ khỏi lõi MENP và do đó không đủ khi tiến hành in vivo. Các nhà khoa học đã tiến hành sử dụng các hạt nano Au được gắn đồng vị phóng xạ (198Au NP) làm lõi và polyme được đánh dấu 111In làm lớp vỏ xung quanh lõi Au. Sau khi tiêm vào tĩnh mạch của chuột, phân tích định lượng độc lập với 198Au và 111In đã cho thấy được sự khác nhau về phân bố sinh học. Phát hiện này đã chỉ ra việc loại bỏ vỏ polyme (hoặc các nguyên tố phóng xạ ngoại sinh) khỏi MENP là điều không thể tránh khỏi. Do đó, việc sử dụng các đồng vị phóng xạ nội sinh gắn cho MENP là phù hợp và về cơ bản có thể đảm bảo phản ánh chính xác hành vi của MENP.
Lựa chọn đồng vị phóng xạ gắn cho hạt nano chứa kim loại
Đồng vị phóng xạ thích hợp phải được lựa chọn theo đặc tính phát xạ hạt nhân, chu kỳ bán rã, giá, tính khả dụng và phương pháp đo. Phân rã đồng vị phóng xạ chủ yếu có thể được phân loại thành phân rã α, β [β–, β + và bắt giữ điện tử (EC)], phân rã γ. Sau phân rã α và β, hạt nhân thường ở trạng thái năng lượng cao và sự chuyển đổi sang trạng thái năng lượng thấp hơn có thể phát ra một photon γ. Việc phát xạ hạt α hoặc điện tử Auger (e–) in vivo dẫn đến tổn thương mô và do đó có thể được sử dụng trong xạ trị. Tuy nhiên, khoảng cách thâm nhập ngắn của các hạt này trong cơ thể gây khó khăn khi ứng dụng trong xạ hình. Ngược lại, các đồng vị phóng xạ phát ra tia β + hoặc γ có độ xuyên thấu tốt, được sử dụng rộng rãi để đánh dấu, truy vết và tạo ảnh MENP. Chu kỳ bán rã là một yếu tố quan trọng khác trong việc lựa chọn đồng vị phóng xạ. Đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã quá ngắn không thuận lợi cho thực nghiệm, đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã quá dài không thuận lợi cho xử lý chất thải phóng xạ sau xử lý.
Phác thảo của các hạt nano gắn hai nhãn bức xạ. Các lõi Au được cấu tạo từ đồng vị phóng xạ 198Au và chất phóng xạ được chelat hóa bằng axit diethylenetriaminepentaacetic 111In được tích hợp vào vỏ polyme (Ảnh: Macmillan Publishers Limited)
Điều chế các hạt nano kim loại có chứa đồng vị phóng xạ
Các đồng vị phóng xạ chủ yếu được điều chế bằng cách sử dụng lò phản ứng nghiên cứu hoặc máy gia tốc. Lò phản ứng có một số ưu điểm như năng suất cao, dễ tạo bia, vận hành đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, do đồng vị phóng xạ xuất hiện đồng thời với tiền chất của nó (chất mang), nên rất khó để làm sạch đồng vị phóng xạ thu được và cải thiện tính phóng xạ của nó. Còn đối với các sản phẩm đồng vị phóng xạ từ máy gia tốc Cyclotron, mặc dù không chứa chất mang và có hoạt độ riêng cao, nhưng lại bị hạn chế bởi năng xuất chế tạo thấp và giá thành cao. MENP được đánh dấu đồng vị phóng xạ có thể được điều chế theo ba phương pháp sau:
– Kích hoạt trực tiếp các MENP “lạnh” tổng hợp trước bởi chùm ion hoặc neutron được tạo ra bởi máy gia tốc hoặc lò phản ứng. Ưu điểm chính của phương pháp này là liều lượng bức xạ tiếp xúc với người vận hành thấp. Tuy nhiên, quá trình kích hoạt chùm ion hoặc neutron có thể dẫn đến quá nhiệt và làm hỏng các MENP mục tiêu. Do đó, các điều kiện chiếu xạ cần được lựa chọn cẩn thận để ngăn chặn sự thay đổi của các MENP. Ngoài ra, các thuộc tính của MENP sau khi kích hoạt cần được đặc trưng hóa để đảm bảo các MENP không thay đổi.
– Tổng hợp hóa học MENP gắn đồng vị phóng xạ bằng cách sử dụng các tiền chất đồng vị phóng xạ. Phương pháp này có thể tránh được nhược điểm ở phương pháp trên. Một số đồng vị phóng xạ có bán trên thị trường và do đó thích hợp để tổng hợp quy mô nhỏ. Tuy nhiên, khả năng tiếp xúc với bức xạ cao hơn so với phương pháp kích hoạt trực tiếp.
– Hấp phụ vật lý các đồng vị phóng xạ lên MENP. Phương pháp này rất đơn giản, nhưng chất đánh dấu phóng xạ bị hấp phụ có thể bị vỡ in vivo. Do đó, tính ổn định của các MENP được gắn các đồng vị này cần được xác minh khi áp dụng trong các nghiên cứu tích lũy sinh học và số phận môi trường.
Xác định các hạt nano kim loại gắn đồng vị phóng xạ
Sau khi MENP được đánh dấu đồng vị phóng xạ tiếp xúc với môi trường hoặc cơ thể sinh học, chất đánh dấu phóng xạ có thể được định lượng bằng máy đo phổ hoặc máy xạ hình. Ngoài ra, các kỹ thuật hình ảnh, như chụp cắt lớp vi tính phát xạ (ECT) có thể cung cấp hình ảnh hai hoặc ba chiều (2D hoặc 3D) về sự phân bố của chất đánh dấu phóng xạ.
Các kỹ thuật ECT bao gồm chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp cắt lớp vi tính phát xạ đơn photon (SPECT) hiện đã được áp dụng cho MENP đánh dấu đồng vị phóng xạ in vivo. Nói chung, các đồng vị phóng xạ được sử dụng cho SPECT là những đồng vị phân rã γ, trong khi những đồng vị được sử dụng cho PET rất giàu proton, chúng phân rã và phát ra positron. So với SPECT, PET có độ phân giải không gian, độ nhạy và độ chính xác của hình ảnh cao hơn.
Xạ hình SPECT toàn thân trên chuột mang u nguyên bào thần kinh C6 đã tiêm 198Au NP vào tĩnh mạch (Ảnh: American Chemical Society).
Ứng dụng của các hạt nano kim loại gắn đồng vị phóng xạ
MENP gắn đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong theo dõi MENP, xạ hình và xạ trị. Mặc dù các yếu tố cần xem xét trong xạ hình và xạ trị khác với các yếu tố để truy vết MENP, sự phân bố và chuyển hóa của MENP phải được biết trước khi áp dụng bất kỳ ứng dụng y tế nào. Các ứng dụng hiện đang được thực hiện, cụ thể:
– Ứng dụng để xác định sự hấp thụ, hòa tan nội bào và chuyển vị của MENP;
– Ứng dụng để xác định sự hấp thụ và tích lũy MENP từ các con đường tiếp xúc khác nhau bằng cách sử dụng các kiểu máy của Vivo;
– Ứng dụng để xác định sự chuyển đổi môi trường và phân phối của MENP.
Từ khóa: đánh dấu phóng xạ; đồng vị phóng xạ; hạt nano kim loại; MENP.
– CMD&DND –
