Chi tiết bản tin

research
  • 05 Jun
  • 2020

CÁC CÔNG TY CÔNG NGHỆ MỚI NỔI CẠNH TRANH NHAU ĐỂ PHÁT TRIỂN CÁC CON CHIP "NHẬN DIỆN" VIRUS CORONA MỚI.

Tưởng tượng, bạn chỉ cần chích 1 giọt máu nơi đầu ngón tay hoặc lấy dịch mũi, nhúng vào một con chip bán dẫn. Cắm con chip này vào một máy đọc cầm tay nhỏ gọn, rẻ tiền. Trong vòng một phút, màn hình nhỏ của nó hiển thị kết quả ngay lập tức: Bạn âm tính hoặc dương tính với virus Corona mới. Xác suất chính xác gần như tuyệt đối. Bạn được cấp phép bước vào một tòa nhà sang trọng hoặc lên máy bay ngay lập tức.

A close up of a sensor.

Loại xét nghiệm tiết kiệm thời gian và công sức này hiện mới chỉ là một giấc mơ. Hiện tại hầu hết các xét nghiệm hiện nay để xác định một người có dương tính với virus được tiến hành bằng phương pháp Realtime PCR – (đếm tải lượng virus, vi khuẩn): Quá trình này tìm kiếm một chuỗi RNA cụ thể trong mẫu thử trong trường hợp này, một chuỗi duy nhất cho coronavirus. Sau đó, nó sao chép trình tự đó nhiều lần bằng cách thêm các hóa chất khác nhau và tăng nhiệt độ của dung dịch. Một phân tử huỳnh quang được gắn vào mỗi bản sao; khi đủ bản sao RNA tích lũy, mẫu sẽ phát sáng khi bị ánh sáng chiếu vào. Tuy nhiên, hầu hết các xét nghiệm này đều yêu cầu phòng thí nghiệm xử lý. Các hóa chất cần thiết đang bị thiếu hụt, và các thử nghiệm nhanh nhất trong số các loại hóa chất tạo ra kết quả trong vòng dưới 15 phút. Các hóa chất cần thiết thì bị thiếu hụt, và các thử nghiệm nhanh nhất cũng mất đến 15 phút, chưa kể nếu không đủ số lượng virus trong mẫu thì sẽ thể hiện kết quả sai (âm tính giả)

Một cách khác là xét nghiệm kháng thể, còn được gọi là xét nghiệm huyết thanh học. Nhưng điều này chỉ có thể xác định nếu ai đó đã từng bị nhiễm vi-rút trong quá khứ, chứ không phải họ hiện có bị bệnh hay không. Các xét nghiệm này đo xem liệu hệ thống miễn dịch của bệnh nhân có bắt đầu tạo kháng thể chống lại một loại virus cụ thể hay không, sử dụng máu từ một lần lấy máu tiêu chuẩn hoặc một mẫu nhỏ từ ngón tay. Các kháng thể trong máu liên kết với protein được nhúng trong que thử, kích hoạt sự thay đổi màu sắc hiển thị kết quả, (hoạt động giống như que thử thai!). Hơn 100 phương pháp xét nghiệm kháng thể đối với coronavirus đã được giới thiệu, nhưng độ chính xác của chúng không đồng nhất.

Các xét nghiệm kháng nguyên tiến bộ hơn sử dụng cách tìm kiếm các đoạn protein đặc trưng của coronavirus, trong một mẫu từ tăm bông mũi. Các xét nghiệm này kém nhạy hơn so với xét nghiệm PCR nhưng cho kết quả nhanh hơn nhiều. FDA mới bắt đầu phê duyệt những cách thức này vào tháng Năm.

Mỗi cách xét nghiệm khác nhau đều có ưu nhược điểm. Cần những gì để thực hiện một xét nghiệm nhanh, chính xác và chi phí thấp?

MA THUẬT CỦA BIOSENSOR CHIPS

Jessica Gomez, đồng sáng lập và CEO của Rogue Valley Microdevices, nói câu trả lời có thể đến từ chip cảm biến sinh học. Rogue Valley Microdevices là một công ty chuyên sản xuất các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và các cảm biến. Và cô nói, công ty đang làm việc với một số đối tác mới thành lập tạo ra các cảm biến sinh học để thử nghiệm coronavirus.

Hai trong số các công ty đó, Card và Hememics, đang công bố công việc của họ. Các chip mà họ đang phát triển có nhiều điểm tương đồng và một vài điểm khác biệt.

Các cảm biến sinh học này được sử dụng để phát hiện RNA, kháng thể hoặc kháng nguyên của virus. Tất cả đều dựa vào mạch bán dẫn được phủ trong một vật liệu sinh học sẽ tạo phản ứng với vật liệu sinh học cần chú ý trong mẫu thử. Khi phản ứng như vậy xảy ra, dòng điện qua mạch thay đổi có thể đo đạc. Chúng có cấu trúc giống như các bóng bán dẫn silicon của máy tính. Nhưng trong các cảm biến sinh học, "công tắc đóng - mở" được điều khiển bởi sự liên kết của các phân tử sinh học thay vì tín hiệu điện áp, một máy đo sinh học.

Cảm biến sinh học không yêu cầu bất kỳ vật liệu di truyền nào được nhân lên để tạo tín hiệu hoặc xử lý mẫu trong phòng thí nghiệm. Điều này có nghĩa là các bài kiểm tra có thể cực kỳ nhanh, hoàn thành trong dưới 60 giây. Và bởi vì một con chip có thể chứa nhiều mạch, nhiều xét nghiệm thuộc các loại khác nhau (RNA virus, kháng thể và kháng nguyên) có thể chạy đồng thời trên cùng một con chip, yêu cầu duy nhất là các chất sinh học khác nhau đóng vai trò là máy dò cho các mạch khác nhau. Điều này có thể cho phép hệ thống săn lùng nhiều loại RNA, kháng thể và kháng nguyên khác. Cách tiếp cận như vậy có thể làm giảm kết quả sai lệch và cung cấp thêm thông tin về sức khỏe của bệnh nhân, giống như việc kiểm tra cúm thường và coronavirus mới cùng một lúc.

Các cảm biến sinh học được phát triển bởi Cardea và Hememics dựa vào các ống nano graphene và carbon, điều trùng hợp là 2 vật liệu này cũng hay được sử dụng làm chất bán dẫn. Không giống như silicon, các vật liệu này không bị phân hủy khi chúng tiếp xúc với chất lỏng sinh học. Và họ có lợi thế về tốc độ, một điều tốt trong tình huống việc thay đổi tín hiệu đo đạc là rất nhỏ.

"CUỘC KHỦNG HOẢNG" CHIP CARDEA BIO

Để phát hiện RNA, dung dịch đặc biệt Cardea sử dụng các phân tử từ công nghệ Crispr làm máy dò sinh học. Michael Heltzen, CEO của Cardea cho biết, công ty đã làm việc từ năm 2013 để xây dựng một nền tảng cảm biến sinh học có thể lập trình cho phép phát hiện DNA, RNA, protein và các tín hiệu phân tử khác. Vào tháng 1 năm 2019, Heltzen nói, Cardea đã sẵn sàng bắt đầu làm việc với các đối tác thương mại để phát triển các sản phẩm đầu tiên dựa trên nền tảng của nó; họ đã xuất bản một bài báo về công nghệ và về cơ bản đã mở cửa cho doanh nghiệp hợp tác rộng rãi.

Cardea sensor

Ảnh: Cảm biến sinh học Cardea Bio được thiết kế kết nối với đầu đọc cầm tay để kiểm tra nhanh RNA coronavirus, protein và kháng thể.

Vào cuối năm 2019, công nghệ của Cardea đã nhận sự quan tâm từ 88 công ty. Trong khi hầu hết trong số họ vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và phát triển, một công ty tên COBO Technologies, đã tuyên bố công khai rằng họ sẽ sử dụng nền tảng Cardea trong một hệ thống kiểm soát chất lượng kỹ thuật để phát triển dược phẩm.

Sau đó, đại dịch coronavirus đã thu hút sự chú ý của thế giới - Heltzen nói - rất nhiều người đã liên lạc với chúng tôi để hỏi liệu họ có thể sử dụng công nghệ của chúng tôi để phát hiện coronavirus mà không cần khuếch đại bằng kỹ thuật Crispr. Thay vì ý định cung cấp một nền tảng cho các ứng dụng do người khác phát triển (rất nhiều công ty muốn xây dựng bộ cảm biến sinh học coronavirus), Cardea đã quyết định tự mình phát triển các xét nghiệm để phát hiện RNA virus SARS-CoV-2, các kháng thể có liên quan và có liên quan kháng nguyên chính nó. "Bằng cách làm việc với nó trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi có thể phân phối nó cho nhiều đối tác và đưa nó ra ngoài nhanh hơn."

"Nếu bạn hỏi tôi sáu tháng trước, tôi sẽ nói rằng chúng tôi đã giành được đột phá với bất cứ điều gì liên quan đến chẩn đoán của con người trong một vài năm; chúng tôi muốn tập trung vào việc trở thành một nền tảng và vận hành sản xuất của chúng tôi, chúng tôi không muốn đi vào sự phức tạp về quy định. Nhưng bây giờ, mọi thứ đã bị đảo lộn." - Heltzen nói.

Cardea đã làm việc trong việc xét nghiệm Crispr cho virus trong vài tháng; gần đây thì làm việc trên các xét nghiệm kháng thể và kháng nguyên.

Kết quả cho thấy rất tốt, nhưng vẫn đang được tối ưu hóa. Vấn đề lớn nhất vào lúc này là quy mô từ sản xuất hàng loạt (hàng chục nghìn chip mỗi tháng) đến sản xuất hàng loạt cực lớn (hàng chục triệu và theo thời gian, hàng trăm triệu chip mỗi tháng). Heltzen cho biết công ty đang thảo luận với các công ty lớn, nhà đầu tư và các tổ chức chính phủ để hỗ trợ tài chính và các hỗ trợ khác.

"PROTEIN KHÔ" - GIẢI PHÁP THAY THẾ DUNG DỊCH ĐẶC BIỆT

Dung dịch đặc biệt của Hememics có khả năng bảo quản nguyên liệu sinh học ở dạng khô. Công ty này ra mắt vào năm 2007 để phát triển công nghệ đông khô các chế phẩm máu, sử dụng chất bảo quản có chứa nhiều loại đường khác nhau để cho phép các chất này tồn tại sau khi được đông khô. Năm 2015, họ bắt đầu áp dụng công nghệ bảo quản của mình cho các loại protein khác, bao gồm kháng thể và peptide, để sử dụng trong cảm biến sinh học.

Hememics device

Ảnh: Hememics sử dụng kỹ thuật đông khô độc quyền để tích hợp vật liệu sinh học với thiết bị điện tử giúp xét nghiệm coronavirus nhanh chóng.

Giám đốc điều hành Hememics John Warden giải thích: Các vật liệu sinh học khô dễ dàng tích hợp vào bộ cảm biến sinh học hơn so với dung dịch và chúng ổn định hơn. Hỗn hợp protein khô của chúng tôi nằm trên đỉnh của vật liệu bán dẫn, sẵn sàng dung dịch (mẫu thử). Nếu bạn muốn sinh học "kết duyên" với máy móc điện tử, bảo quản tốt mọi thứ là chìa khóa cho cuộc "hôn nhân" đó, vì vậy tốt nhất là giữ thiết bị ổn định ở nhiệt độ môi trường.

Với sự đầu tư từ Inova, một mạng lưới các bệnh viện ở miền đông nam Hoa Kỳ, Hememics gần đây đã nhắm đến việc sử dụng công nghệ cảm biến sinh học của mình để phát hiện các bệnh nhiễm trùng bệnh viện, do đó đang tiến hành một số thử nghiệm nhỏ.

"Sau đó, đại dịch coronavirus đã xảy ra, và chúng tôi đã cải tiến con chip. Chúng tôi đã thành công trong việc đưa kháng thể lên chip để tìm kiếm protein. Bây giờ chúng tôi làm ngược lại, đưa protein vào chip và tìm kiếm kháng thể (coronavirus)."

Phiên bản cải tiến của chip đang được phát triển ngay bây giờ - Warden cho biết - sẽ có 32 mạch cảm biến trên nó. "Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi chỉ cần thêm năm hoặc sáu tuần để hoàn chỉnh thiết kế cuối cùng."

"Chúng tôi sẽ có thể kiểm tra protein số bốn, giả sử, trên một mạch, protein 16 trên một mạch khác, v.v... và thay đổi cách vi điều khiển đồng hóa dữ liệu từ tất cả các kênh khác nhau để tối ưu hóa cho cả độ nhạy và độ đặc hiệu. Công nghệ này có thể được sử dụng để kiểm tra virus hoặc kháng thể, hoặc trong trường hợp mẫu thử là nước bọt, có thể xét nghiệm cả hai đồng thời."

Đưa bất kỳ loại cảm biến sinh học nào cho coronavirus vào sản xuất đại trà sẽ mất rất nhiều tiền. Bất kỳ xét nghiệm nào cũng cần được thử nghiệm với nhiều bệnh nhân không đáp ứng với công nghệ hiện có, và phải được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ chấp thuận cho sử dụng khẩn cấp trước nhất; chỉ sau tất cả, năng lực sản xuất mới được tăng .

Cardea đã huy động được 10 triệu đô la Mỹ để phát triển công nghệ của mình và đang ở giữa giai đoạn tài trợ mới. Heltzen cho biết, cảm biến sinh học cho coronavirus mới có thể sẵn sàng sản xuất hàng loạt vào quý IV năm 2020, nhưng thực sự việc sản xuất quy mô lớn xảy ra sẽ cần phải nhận vốn từ chính phủ hoặc các nhà đầu tư lớn.

Còn phía Hememics đã huy động được 2,5 triệu đô la từ AMVI Partners và hy vọng sẽ nhận thêm 3 triệu đô la từ chính công ty. Công ty cũng tin rằng họ có thể kịp sản xuất các cảm biến sinh học xét nghiệm coronavirus ra thị trường vào cuối năm 2020.

Rogue Valley Microdevices đã bắt đầu sản xuất chip cảm biến cho cả Cardea và Hememics. Gomez nói rằng việc duy trì tính ổn định hóa học trên bề mặt của các thiết bị là rất quan trọng và công ty đang nỗ lực phát triển quy trình sản xuất và có thể chuyển sang các nhà sản xuất khác để nhanh chóng tăng công suất nếu cần thiết.

Cần phải có một chuỗi cung ứng rất mạnh mẽ để đảm bảo các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có nguồn cung đầy đủ các công cụ họ cần trong lĩnh vực này - theo ông Gomez. "Chúng tôi rất vui mừng về sự đa dạng các cảm biến sinh học tiềm năng sẽ mang lại nhiều lựa chọn chính xác để thử nghiệm coronavirus".

Tekla Perry, Biên tập viên
Nguồn: Website IEEE. Bài viết này cũng đã được lựa chọn đăng trên tạp chí IEEE, một ấn bản có 400,000 người đăng ký.
(VABC lược dịch)