Công nghệ biochip ADN giúp nhân loại chủ động ứng phó đại dịch tiếp theo

Biochip ADN được các nhà khoa học tại Viện Khoa học Weizmann (Israel) phát triển và công bố gần đây trên Nature Nanotechnology. Đây là một biochip lập trình gen, không cần tế bào sống, có khả năng tổng hợp và trưng bày trực tiếp nhiều protein virus trên bề mặt silicon, cho phép phân tích các tương tác giữa protein virus và kháng thể trong mẫu máu một cách nhanh chóng và chi tiết.

Theo công bố, từ năm 2020, khi các nhà khoa học trên toàn thế giới đang chạy đua để hiểu về COVID-19, Giáo sư Roy Bar-Ziv và nhóm của ông tại Viện Khoa học Weizmann bắt đầu phát triển một con chip DNA không chỉ có thể nhanh chóng cho thấy hệ thống miễn dịch của chúng ta phản ứng như thế nào với loại virus corona này mà còn mở ra những khả năng mới để nhanh chóng ứng phó với các đợt bùng phát virus trong tương lai.

Con chip sinh học không tế bào, được lập trình gen, được mô tả gần đây trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Nanotechnology, có thể nhanh chóng tổng hợp, lập bản đồ và kiểm tra protein, giúp xác định cách kháng thể tương tác với virus. Nó cung cấp dữ liệu nhanh hơn các phương pháp thông thường và tiết lộ các mảnh virus nào mà kháng thể nhắm đến và mức độ liên kết của chúng với các mảnh này.

"Trong thời kỳ đại dịch, chúng tôi nhận ra rằng các công cụ do phòng thí nghiệm của chúng tôi phát triển có thể được sử dụng lại để nghiên cứu virus và trở nên hữu ích ngay lập tức," Bar-Ziv nói.

Nghiên cứu cách hệ miễn dịch phản ứng với virus là một nhiệm vụ phức tạp hơn nhiều so với một xét nghiệm chẩn đoán nhanh chóng cho biết liệu một người có bị nhiễm virus đó hay không. Để hiểu được kháng thể nào nhận biết virus và chúng liên kết với virus mạnh đến mức nào, các nhà nghiên cứu thường phải sản xuất riêng từng protein virus, tinh chế chúng và sau đó thử nghiệm với kháng thể—một quá trình có thể mất nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần. Một số phòng thí nghiệm sử dụng các kênh dẫn chất lỏng thu nhỏ để tăng tốc độ thử nghiệm, nhưng các thiết lập này rất phức tạp và phụ thuộc vào máy bơm và ống dẫn chính xác.

Con chip sinh học do nhóm của Bar-Ziv tạo ra cung cấp một phương pháp đơn giản hơn nhiều để thực hiện xét nghiệm. Phương pháp này không cần bơm hay ống dẫn và có thể nhanh chóng được điều chỉnh cho một loại virus mới. Việc phát triển nó được dẫn dắt bởi nhà khoa học cấp cao, Tiến sĩ Shirley Daube, cùng với các tiến sĩ Aurore Dupin và Ohad Vonshak, từ phòng thí nghiệm của Bar-Ziv tại Khoa Vật lý Hóa học và Sinh học của Đại học Weizmann.

Việc sử dụng chip sinh học không cần protein có sẵn; thay vào đó, chúng được tổng hợp trực tiếp bởi chip trên bề mặt silicon của chính nó. Mỗi phần trên chip chứa một đoạn DNA nhỏ được in sẵn, mang các chỉ dẫn di truyền cho một loại protein virus hoặc đoạn protein cụ thể, chẳng hạn như những protein thuộc một số biến thể của virus corona, bao gồm các phiên bản khác nhau của gai ngoài và lớp vỏ trong. Khi các nhà nghiên cứu thêm hỗn hợp không chứa tế bào của các phân tử sinh học thường được tìm thấy bên trong tế bào, DNA đó sẽ được dịch mã trực tiếp thành protein tương ứng.

Mỗi chip sinh học có thể tạo ra từ 30 đến 40 protein hoặc mảnh virus. Nó sử dụng khoảng 1 microlít huyết thanh—ít hơn một giọt—để tiết lộ dấu ấn miễn dịch của một cá nhân trên hàng chục mục tiêu virus, hay kháng nguyên. Vì mỗi kháng nguyên xuất hiện ở một vị trí khác nhau trên chip, nhóm nghiên cứu có thể đo riêng lượng kháng thể liên kết với từng kháng nguyên.

"Chúng tôi không cần phải nuôi cấy hay tinh chế bất cứ thứ gì trước – mỗi vị trí trên chip tự tạo ra protein hoặc mảnh protein của riêng nó," Dupin nói. "Với hàng chục kháng nguyên này trên cùng một chip, chúng ta có thể thử nghiệm nhiều kháng nguyên cùng một lúc, trong một thí nghiệm duy nhất, thay vì tiến hành các thử nghiệm riêng biệt cho từng loại."

Từ sự tương tác giữa các protein và kháng thể, các nhà nghiên cứu có thể xác định độ bền liên kết, hay ái lực—nghĩa là, mức độ bám chắc của kháng thể vào mục tiêu của nó. Liên kết mạnh hơn thường có nghĩa là hệ thống miễn dịch hiệu quả hơn. "Việc đo lường mức độ liên kết mạnh mẽ của mỗi kháng thể với mục tiêu của nó cho chúng ta kết quả định lượng được thay vì chỉ là câu trả lời có hay không," Vonshak giải thích.

Nhóm nghiên cứu đã so sánh dữ liệu từ chip sinh học của họ với kết quả xét nghiệm ELISA (xét nghiệm miễn dịch liên kết enzyme) tiêu chuẩn trên các mẫu huyết thanh người. Họ phát hiện ra rằng chip của họ thường phát hiện hoạt động kháng thể mà các xét nghiệm ELISA tiêu chuẩn bỏ sót, cho thấy rằng các xét nghiệm truyền thống đôi khi có thể bỏ qua các phản ứng kháng thể tinh tế hơn.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng thiết lập này để kiểm tra sự tương tác giữa các protein COVID-19 và kháng thể của con người chống lại virus. "Chúng tôi nhận thấy các dấu hiệu miễn dịch rất khác nhau ở mỗi người", Bar-Ziv cho biết. "Một số người có kháng thể chống lại biến thể ban đầu nhưng không có kháng thể chống lại các biến thể delta hoặc omicron. Vì con chip giúp chúng ta hiểu sâu hơn về phản ứng của những người khác nhau đối với virus, chúng ta cũng có thể biết liệu những thay đổi trong một biến thể mới có thể làm cho kháng thể của họ kém hiệu quả hơn hay không".

Nhìn về phía trước, phương pháp tương tự này có thể được sử dụng để nghiên cứu kháng thể chống lại các loại virus khác hoặc để phát triển các liệu pháp điều trị mới. "Nhiều loại thuốc hiện nay dựa trên kháng thể," Daube giải thích. "Nếu một kháng thể liên kết hoàn hảo với virus, nó có thể ngăn chặn sự lây nhiễm. Hệ thống của chúng tôi có thể được sử dụng để tìm ra những ứng viên đó nhanh hơn."

Để chứng minh tiềm năng của con chip, nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại sự tương tác giữa protein gai của virus corona và thụ thể ACE2 của con người – bước cho phép virus xâm nhập vào tế bào người. Cả protein gai và thụ thể đều được sản xuất trên chip và liên kết đặc hiệu với nhau. Điều này cho thấy nền tảng này có thể được sử dụng để sàng lọc các liệu pháp tiềm năng trực tiếp trên chip bằng cách thêm kháng thể hoặc các ứng cử viên thuốc khác có thể ngăn chặn sự liên kết đó. Nếu tín hiệu yếu đi, điều đó có nghĩa là kháng thể đang ngăn chặn virus gắn vào thụ thể.

"Con chip của chúng tôi mở ra cánh cửa cho việc thử nghiệm cách virus tương tác với các thụ thể của con người - và cách chúng ta có thể ngăn chặn những tương tác đó bằng các phương pháp điều trị mới," Bar-Ziv nói.

Nhóm nghiên cứu hiện đang bắt đầu hợp tác với Trung tâm Y tế Sheba để theo dõi phản ứng miễn dịch ở bệnh nhân COVID-19 theo thời gian bằng cách sử dụng con chip mới. Bằng cách liên kết dữ liệu kháng thể với tiền sử bệnh của bệnh nhân, họ hy vọng sẽ xác định được các mô hình miễn dịch có thể định hướng việc phát triển các loại vắc-xin trong tương lai.

Trí tuệ nhân tạo là bước tiến tiếp theo. "Chúng ta có thể sử dụng con chip để phân tích trình tự kháng thể được thiết kế trên máy tính và kiểm tra các đặc tính của chúng với thời gian xử lý rất ngắn", Bar-Ziv nói. "Con chip có thể giúp quá trình thiết kế bằng AI nhanh hơn và chính xác hơn".

Bar-Ziv hình dung một tương lai mà công cụ này cho phép ứng phó với đại dịch trong thời gian thực. "Nếu một đợt bùng phát mới xuất hiện vào ngày mai, chúng ta có thể lấy trình tự gen của virus đó, tạo ra protein của nó trên chip và kiểm tra kháng thể ngay lập tức. Đó là một công cụ vô cùng mạnh mẽ cho công tác chuẩn bị".