Các nhà khoa học ở Hungary vừa phát triển một kĩ thuật nhận dạng kí sinh trùng bệnh sốt rét trong máu bằng cách sử dụng các nam châm và laser bỏ túi loại rẻ tiền. Kĩ thuật khai thác những tính chất từ và quang học độc đáo của chất thải kết tinh tạo ra bởi kí sinh trùng sốt rét có trong máu và mang lại một giải pháp thay thế rẻ tiền, nhạy và đáng tin cậy cho các công cụ chẩn đoán hiện nay.

Sốt rét là căn bệnh lây nhiễm hàng đầu trên thế giới. Hàng năm có khoảng 200 triệu người trên thế giới bị nhiễm sốt rét và chừng một triệu người tử vong; nhưng bệnh sốt rét dễ điều trị, nên nhiều cái chết như thế này là có thể tránh được. Cho đến nay, ngành y học đã có những phép chẩn đoán đắt tiền, trang thiết bị cồng kềnh lẫn những phép chẩn đoán di động rẻ tiền hơn với độ nhạy và độ chính xác thấp hơn – nhưng chưa có phương pháp nào đáp ứng nhu cầu đương đầu hiệu quả với bệnh sốt rét.

Một bài báo hồi năm 2008 mô tả một phương pháp khai thác hành trạng từ-quang của "haemozoin" – một chất kết tinh do kí sinh trùng sốt rét bài tiết ra – đã thu hút sự chú ý của István Kézsmárki thuộc trường Đại học Kinh tế Kĩ thuật Budapest và Viện Hàn lâm khoa học Hungary. Khi kí sinh trùng tiêu hóa haemoglobin, chúng để lại một chất gọi là “haem” có tính độc tố cao đối với chúng, cho đến khi chúng biến đổi nó thành những vi tinh thể haemozoin không hòa tan – còn gọi là sắc tố kí sinh trùng.

Những tính chất độc đáo

“Những tinh thể đó khá lạ... khi kí sinh trùng chuyển hóa haem thành sắc tố kí sinh trùng, nó trở nên có từ tính,” Kézsmárki giải thích. “Không có chất liệu nào khác trong máy người sẽ tính chất và tạo ra những hiệu ứng giống như vậy cả.”

Đặc tính này một phần là do kích cỡ của các tinh thể và tính dị hướng cao của chúng ở cấp độ phân tử. Sự định hướng của một tinh thể chi phối sự hấp thụ hoặc tán xạ cường độ của ánh sáng phân cực tới trên nó.

Cho nên, việc đặt một mẩu máu nhiễm bệnh trong một từ trường mạnh buộc tất cả các tinh thể đó, chúng thường bị thăng giáng nhiệt và bị xô đẩy bởi các phân tử xung quanh, hướng theo cùng một chiều. Hiệu ứng tập thể của chúng đối với ánh sáng phân cực thể hiện rõ sự nhiễm bệnh sốt rét.

Bước ngoặt mới

Trong khi những đặc điểm này khiến haemozoin lí tưởng để sử dụng trong chẩn đoán sốt rét, nhưng Kézsmárki và các đồng sự đã “tạo ra một bước ngoặt nữa khiến nó thật sự khả thi cho sự chẩn đoán rẻ tiền hàng ngày”.

Thay vì sử dụng những thiết bị thuộc loại nghiên cứu như nam châm siêu dẫn và những laser có độ ổn định cao, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một từ trường đều bằng cách sắp xếp một vòng nam châm vĩnh cửu loại thường giá 1 bảng Anh xung quanh mẫu. Bằng cách cho cái vòng đó quay tròn, họ làm cho các tinh thể quay tròn theo, với moment quán tính của chúng khớp với độ nhớt của chất lỏng, khiến chúng sắp thẳng hàng trong từ trường.

Khi các nhà nghiên cứu chiếu một laser đơn giản qua mẫu, các tinh thể tác dụng như những kính phân cực thứ cấp, tuần tự truyền và tán xạ ánh sáng khi chúng quay tròn. Một bộ tách chùm tia được sử dụng để phân tách ánh sáng đi ra thành những thành phần nằm ngang và thẳng đứng của nó. Đối với máu không nhiễm bệnh, cường độ của hai thành phần này bằng nhau, độc lập với sự định hướng của từ trường. Đối với máu nhiễm bệnh, hai thành phần dao động ngược với nhau khi từ trường quay.

Giải pháp cho độ nhạy

Phép chẩn đoán tốt nhất trong phòng thí nghiệm ngày nay có thể nhận ra những hàm lượng kí sinh trùng thấp đến 5/μL máu, nhưng nó quá tốn kém và không thực tế để sử dụng ở những khu vực vùng sâu vùng xa vốn là nơi bệnh sốt rét hoành hành. Những phép chẩn đoán nhanh, không sử dụng hơn một giọt máu trên một dây plastic phủ kháng nguyên, thì nhanh, di động, rẻ tiền và không phức tạp, nhưng chúng có ngưỡng độ nhạy khoảng 100 μL – quá cao để phát hiện sự nhiễm bệnh giai đoạn đầu.

Đội của Kézsmárki tìm thấy rằng có thể phát hiện ra hàm lượng kí sinh trùng thấp cỡ 25/μL máu, và khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm trên plasma thay vì máu, độ nhạy của chúng nhảy lên mức chưa có tiền lệ - một kí sinh trùng/ μL. Phương pháp của họ có tiềm năng áp dụng ở những giai đoạn rất sớm của sự nhiễm bệnh – vài tuần đầu tiên khi kí sinh trùng mới nhiễm vào gan và sản sinh haemozoin nhưng vẫn chưa nhiễm vào trong máu.

Ngoài ra, haemozoin còn cực kì bền – chính dạng hóa chất này đã được tìm thấy ở những tàn dư hóa thạch của những sinh vật bị nhiễm sốt rét thời cổ đại – và có mặt ở mọi biến thể sốt rét. Điều này có nghĩa là phép kiểm tra trên sẽ có giá trị sử dụng ở mọi nơi và sẽ không bao giờ trở nên lỗi thời, không giống như phép thử phát hiện nhanh vốn đang gặp khó trước sự đột biến gen liên tục của kí sinh trùng sốt rét.

Phép thử khả thi

Hiện nay, Kézsmárki và các đồng sự đang tìm kiếm sự hợp tác với các kĩ sư để giảm bớt kích cỡ thiết bị của họ từ cỡ cái laptop hiện nay xuống còn khoảng 20 cm, và tiếp tục theo đuổi phương pháp tối ưu phân tách các tế bào hồng cầu và plasma trong khi vẫn giữ sắc tố kí sinh trùng tiếp xúc trong plasma. “Đây là vấn đề quan trọng cần giải quyết,” Kézsmárki nói. “Mục tiêu của chúng tôi là đi tìm phương pháp đơn giản nhất, và không đòi hỏi phòng thí nghiệm sinh học chuyên biệt nào.”