Aptamer là gì? Ứng dụng của aptamer

Định nghĩa Aptamer

Aptamer là các phân tử axit nucleic chuỗi đơn (ADN hoặc ARN) có cơ chế hoạt động tương tự kháng thể. Nhờ cấu trúc không gian ba chiều độc đáo, aptamer có khả năng nhận diện và gắn kết đặc hiệu với protein mục tiêu nhằm điều hòa chức năng của protein đó. So với các phương pháp điều trị truyền thống, aptamer nổi trội hơn với khả năng tùy biến linh hoạt, độ đặc hiệu cao trong nhận diện mục tiêu và ít gây đáp ứng miễn dịch không mong muốn.

Trong những năm gần đây, công nghệ aptamer đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu đầy triển vọng trong y học. Các ứng dụng nổi bật của aptamer bao gồm điều trị bệnh lí về mắt, rối loạn đông máu và ung thư.

Cơ chế hoạt động của aptamer

Aptamer có khả năng tự gấp cuộn và tạo thành nhiều cấu trúc không gian ba chiều phức tạp. Khả năng tự gấp cuộn này được quyết định thông qua trình tự nucleotide của aptamer. Hình dạng và kích thước của aptamer thay đổi để phù hợp với các vùng cấu trúc đặc trưng trên bề mặt protein mục tiêu. Tính chất này cho phép aptamer nhận diện và liên kết đặc hiệu với protein mục tiêu.

Aptamer có nhiều cơ chế hoạt động, bao gồm.

Ức chế cạnh tranh

Aptamer có khả năng liên kết với vị trí hoạt động của enzyme hoặc các vùng tương tác quan trọng trên protein đích. Liên kết này ức chế chức năng sinh học của protein mục tiêu.

Điều hòa cấu trúc

Aptamer có thể liên kết rồi thay đổi cấu hình không gian của protein mục tiêu, do đó protein mục tiêu thay đổi hoạt tính sinh học. Quá trình này có thể tăng cường hoặc ức chế một phần chức năng protein này.

Đánh dấu phân tử

Aptamer có thể được gắn với các phân tử đánh dấu như chất phát huỳnh quang, hạt nano hoặc enzyme. Khi liên kết với protein mục tiêu, những phân tử đánh dấu này tạo ra tín hiệu có thể định lượng được, qua đó protein mục tiêu trong mẫu sinh học có thể được phát hiện và định lượng.

Vận chuyển đích

Trong điều trị, aptamer được gắn với phân tử thuốc hoặc hệ thống vận chuyển nano. Dựa vào khả năng nhận diện đặc hiệu protein trên bề mặt tế bào đích, aptamer có thể định hướng và phân phối thuốc đến đúng vị trí cần điều trị, do đó hiệu quả điều trị được nâng cao và tác dụng phụ không mong muốn cũng giảm thiểu.

Quá trình chọn lọc aptamer

SELEX (Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment) là quy trình chọn lọc và tiến hóa phân tử Aptamer thông qua nhiều chu kì lặp lại. Quy trình này diễn ra trong ống nghiệm mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên, qua đó tạo ra các aptamer có khả năng liên kết đặc hiệu với phân tử mục tiêu.

Tạo thư viện oligonucleotide ban đầu

Chọn các đoạn oligonucleotide có cấu trúc ba phần gồm hai đầu cố định và đoạn giữa với trình tự ngẫu nhiên (20–80 nucleotide) để tạo thư viện. Thư viện thường chứa một lượng phân tử khổng lồ (10 ngàn tỉ phân tử khác nhau), qua đó tạo nên độ đa dạng lớn về trình tự và cấu trúc.

Cho thư viện tiếp xúc với phân tử đích

Các đoạn oligonucleotide được ủ với phân tử đích trong điều kiện thích hợp. Phân tử đích có thể là protein, peptide hoặc tế bào. Trong quá trình ủ, một số phân tử có cấu trúc phù hợp sẽ liên kế với phân tử đích. Ngược lại, các phân tử không liên kết hoặc liên kết yếu sẽ bị loại bỏ khi rửa.

Các trình tự đã liên kết với phân tử đích sẽ được tách ra thông qua các kĩ thuật chuyên biệt bao gồm:

• Sắc kí ái lực: phân tách dựa trên khả năng gắn kết với cột sắc kí
• Lọc qua màng: giữ lại các phức hợp protein-aptamer trên màng lọc
• Li tâm: phân tách dựa trên khối lượng phân tử

Thu nhận và nhân bản các ứng viên tiềm năng

Sau khi tách các trình tự có khả năng liên kết với phân tử đích, chúng được nhân bản thông qua kĩ thuật PCR để tạo ra thư viện con chứa tập hợp các trình tự có khả năng liên kết đặc hiệu.

Lặp lại quy trình chọn lọc

Thư viện con tiếp tục lặp lại quy trình chọn lọc phía trên khoảng 8–15 lần để chọn ra các đoạn trình tự có ái lực cao nhất.

Xác định và đánh giá aptamer tiềm năng

Thư viện con cuối cùng được giải trình tự bằng công nghệ giải trình tự thế hệ mới. Sau đó, phân tích dữ liệu nhằm tìm ra các trình tự xuất hiện nhiều lần hoặc có cấu trúc đặc trưng. Các trình tự này là aptamer có độ đặc hiệu và ái lực cao nhất.

Ứng dụng công nghệ aptamer

Điều trị

Thuốc Macugen ra đời vào năm 2004 là loại thuốc đầu tiên ứng dụng công nghệ aptamer. Macugen được sử dụng để điều trị bệnh thoái hóa điểm vàng cho người cao tuổi. Cơ chế hoạt động của Macugen dựa trên khả năng ức chế đặc hiệu protein kích thích tăng sinh mạch máu bất thường trong mắt. Phương pháp tiêm nội nhãn Macugen đã chứng minh hiệu quả làm chậm tiến trình thoái hóa thị lực trên nhiều bệnh nhân.

Trong lĩnh vực ung thư học, aptamer đã được nghiên cứu và ứng dụng theo nhiều hướng tiếp cận khác nhau. Phương pháp cơ bản nhất là sử dụng aptamer như tác nhân điều trị độc lập, trực tiếp nhắm vào protein đích liên quan đến tốc độ phát triển của khối u. Trong ung thư vú, aptamer có khả năng ức chế hiệu quả các protein thúc đẩy tăng sinh tế bào ung thư. Ngoài ra, công nghệ aptamer đã được cải tiến và phát triển thành aptamer kép. Aptamer kép có khả năng nhận diện đồng thời hai mục tiêu, chúng vừa định vị chính xác tế bào ung thư, đồng thời kích hoạt tế bào miễn dịch chống lại khối u.

Hiện nay, các nghiên cứu tập trung phát triển các hệ thống điều trị phức hợp dựa trên aptamer. Trong đó, aptamer hoạt động như phân tử dẫn đường, định hướng vận chuyển thuốc đến đúng tế bào ung thư đích. Phương pháp này khắc phục hạn chế của hóa trị liệu theo cách truyền thống. Thông thường, hóa trị thường ảnh hưởng nghiêm trọng đến các mô xung quanh do thuốc tấn công không chọn lọc. Mặt khác, aptamer kết hợp với công nghệ nano có khả năng tối ưu hóa hiệu quả điều trị. Hạt nano bảo vệ thuốc aptamer không bị phân hủy và tăng khả năng phân phối thuốc đến đích.

Chẩn đoán

Aptamer được ứng dụng trong các cảm biến sinh học để phát hiện virus do chúng có khả năng liên kết đặc hiệu với thành phần của virus. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên lí cộng hưởng plasmon bề mặt đã được phát triển. Trong hệ thống này, aptamer cố định trên bề mặt cảm biến và có chức năng nhận diện phân tử. Khi virus mục tiêu hiện diện và liên kết với aptamer sẽ làm thay đổi khối lượng trên bề mặt cảm biến, do đó dẫn đến biến đổi chiết suất rồi tạo ra tín hiệu có thể đo lường được. Công nghệ này đã được ứng dụng thành công trong phát hiện virus cúm gia cầm H5N1.

Ngoài ra, một phương pháp khác là kĩ thuật ELAA (enzyme-linked aptamer assay) đã được phát triển dựa trên nền tảng của xét nghiệm ELISA truyền thống. Tuy nhiên, kĩ thuật ELAA thay kháng thể bằng aptamer. Aptamer có thể là phân tử bắt giữ hoặc phân tử tạo tín hiệu thông qua liên kết với enzyme. Ví dụ, aptamer RHA0006 được sử dụng để phát hiện protein hemagglutinin của virus H5N1.

Aptamer kết hợp với công nghệ nano (Apt-NP) tạo ra những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực chẩn đoán ung thư. Cụ thể, aptamer có chức năng nhận diện đặc hiệu tế bào ung thư. Mặt khác, hạt nano bảo vệ aptamer khỏi quá trình phân hủy sinh học. Phức hợp Apt-NP có khả năng phát hiện tế bào ung thư với độ nhạy và độ đặc hiệu cao.

Ví dụ, aptamer AS1411 được thiết kế nhằm nhận diện đặc hiệu protein nucleolin trên bề mặt tế bào ung thư. Khi kết hợp AS1411 với hạt nano vàng, hệ thống này có khả năng phát hiện chính xác tế bào ung thư vú MCF-7 thông qua theo dõi suy giảm nồng độ AS1411 tự do trong môi trường.

Ưu và nhược điểm

Ưu điểm

• Khả năng liên kết đặc hiệu và ái lực mạnh với phân tử mục tiêu, do đó, aptamer có thể nhận diện chính xác mục tiêu
• Kích thước nhỏ, dễ dàng len lỏi, thâm nhập vào các mô và khối u
• Ít gây đáp ứng miễn dịch
• Có thể dễ dàng vô hiệu hóa aptamer bằng phân tử antidote
• Quy trình sản xuất aptamer dễ kiểm soát chất lượng, đảm bảo tính đồng nhất giữa các lô sản phẩm
• Chi phí sản xuất thấp

Nhược điểm

• Kích thước nhỏ nên dễ bị đào thải qua thận
• Aptamer mang điện tích âm dẫn đến thu hẹp phạm vi phân tử mục tiêu. Nếu phân tử mục tiêu cũng mang điện tích âm, lực đẩy tĩnh điện sẽ ngăn cản liên kết giữa aptamer và phân tử đó

Lời kết

Aptamer có khả năng nhận diện và gắn kết đặc hiệu với protein mục tiêu nhằm điều hòa chức năng của protein đó. Aptamer có nhiều ưu điểm như độ đặc hiệu cao, kích thước nhỏ gọn và quá trình sản xuất đơn giản. Do đó, aptamer được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là chẩn đoán và điều trị ung thư. Hiện nay, công nghệ aptamer đang được nghiên cứu và phát triển để khắc phục những khuyết điểm, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả điều trị.