Mục tiêu của dự án này là trước tiên nghiên cứu và xây dựng một hệ thống quang học phân cực ánh sáng bằng cách sử dụng các thiết bị quang học đơn giản và không đắt tiền như kính phân cực (polarizer), kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate), bộ lọc cường độ trung lập (neutral density filter), máy đo phân cực Stokes (hoặc một bộ analyzer)... để đo các tính chất phân cực của ánh sáng bao gồm thông số của tính chất lưỡng chiết thẳng (linear birefringence - LB) góc định hướng của LB, thông số của tính chất lưỡng chiết tròn (Circular birefringence - CB), thông số của tính chất lưỡng sắc thẳng (linear dichroism - LD), góc định hướng của LD, thông số của tính chất lưỡng sắc tròn (circular dichroism - CD), hai tính chất khử cực thẳng (linear depolarization - L_Dep) và một tính chất khử cực tròn (circular depolarization - C_Dep).

Dựa vào những kết quả thử nghiệm thành công trước đó của một số mẫu quang học, mẫu giả tế bào… nhóm nghiên cứu mở rộng ứng dụng của hệ thống quang học bằng cách phân tích đặc tính và so sánh sự khác biệt của các kết quả đo các thông số quang học giữa mẫu mô, tế bào (da, gan) bình thường và mẫu mô, tế bào ung thư (da, gan). Sau đó, kết quả thử nghiệm này sẽ được sử dụng để xây dựng một ngân hàng dữ liệu nhằm so sánh sự khác biệt giữa các thông số quang học của mẫu tế bào/mô da, gan bình thường và ung thư trong các giai đoạn của bệnh ung thư. Cần lưu ý rằng các nghiên cứu gần đây trên thế giới đều không đưa ra đầy đủ các tính chất quang học trên của tế bào y sinh. Nhóm nghiên cứu đang thực hiện các bước trên in vitro và sẽ tiến dần đến in vivo trên động vật để dần khẳng định khả năng đo của hệ thống. Vì vậy đây là một phương pháp hoàn toàn mới và có tính ứng dụng cao. Điều này có thể cung cấp các đặc tính quang học hiệu quả hơn cho việc phát hiện và chẩn đoán ung thư trong tương lai. Phương pháp đo này đã được đăng ký bản quyền bằng phát minh khoa học của chủ nhiệm đề tài tại Đài Loan và Mỹ trong năm 2011 và 2012.

Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì Trường Đại học Quốc tế - ĐH Quốc gia TPHCM cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Phạm Thị Thu Hiền để thực hiện đề tài “Mô tả đặc tính chín thông số của tế bào/mô ung thư gan sử dụng phương pháp ma trận Mueller và phân cực Stokes”. Với mục tiêu nhằm thiết lập hệ thống thí nghiệm và kiểm tra độ chính xác của hệ thống bằng một số kính quang học đã biết trước tính chất (ví dụ kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate), kính 1/2 bước sóng (half-wave plate), nước de-ion hóa có chứa glucose-D, kính phân cực (polarizer…)

Giai đoạn 1: sơ đồ minh họa của hệ thống đo dùng trong thí nghiệm được sử dụng để đo các mẫu y sinh học. Trong thí nghiệm, ánh sáng đầu vào được cung cấp bởi một nguồn He-Ne laser có tần số ổn định với bước sóng 632,8 nm. Ngoài ra, một tấm kính phân cực (polarizer) và kính ¼ bước sóng (quarter-wave plate) được sử dụng để tạo ra tia sáng phân cực thẳng (0^o 45^o, 90° 135°) và tia ánh sáng phân cực tròn (bên phải và bên trái). Một bộ lọc cường độ trung lập (neutral density filter) và đồng hồ đo cường độ sáng cùng đầu dò (power meter detector) được sử dụng để đảm bảo rằng mỗi ánh sáng phân cực đầu vào có một cường độ giống hệt nhau. Các thông số đầu ra của véc-tơ Stokes được tính toán từ các phép đo cường độ thu được bằng cách sử dụng một máy đo Stokes hoặc một analyzer.

Giai đoạn hai: Sau khi hiệu chuẩn bằng các kính quang học biết trước tính chất, hệ thống đo lường quang học sẽ đo các mẫu tế bào / mô của da, gan bình thường và ung thư để chiết xuất chín thông số quang học của các mẫu đo. Khoảng 30 mẫu thử của tế bào/ mô da, gan sẽ được đo. Mỗi mẫu đo được cắt lát từ 5-6 slides và mỗi slide được đo từ 5-7 vùng điểm đo để lấy giá trị trung bình trên từng mẫu đo.

Giai đoạn ba: Từ kết quả thí nghiệm đạt được ở giai đoạn hai, một ngân hàng dữ liệu sẽ được thành lập để so sánh sự khác biệt của các thông số quang học giữa các tế bào / mô gan bình thường và ung thư trong các giai đoạn đầu / giữa / cuối của quá trình ung thư.

Hiện nay, có nhiều phương pháp theo dõi điều trị ung thư gan tùy giai đoạn bệnh, mỗi phương pháp có vai trò, ưu nhược điểm khác nhau. Trong đó, phương pháp không xâm lấn được coi là nghiên cứu mới về bệnh ung thư chẩn đoán mà không làm đau hay tổn thương lên bệnh nhân, và một trong số đó là sử dụng các hệ thống quang học đo lường.

Đối với một hệ quang học phân cực, nhiều thành phần của mô tương tác với ánh sáng phân cực làm gia tăng tiềm năng của việc sử dụng ánh sáng phân cực để đưa ra các thông tin hữu ích về cấu trúc mô. Trong thực tế, có một số phương pháp quang phân cực đã được phát triển để làm các nghiên cứu định lượng về chẩn đoán y sinh học bao gồm hình ảnh phân cực, quang phổ, độ nhạy phân cực nhạy kết hợp chụp cắt lớp quang học và các phép đo biên độ và cường độ của ma trận tán xạ ánh sáng. Thông tin về cấu trúc mô có thể được tính toán từ các mức độ phân cực và khử cực của ánh sáng phân cực ban đầu, sự chuyển đổi trạng thái phân cực, hoặc sự xuất hiện của một thành phần phân cực trong ánh sáng tán xạ. Đây vẫn là một lĩnh vực mới, đang được nhiều nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm và phát triển.

Do đó việc tiến hành đề tài nghiên cứu này sẽ (1) Xây dựng một hệ thống quang học có khả năng đo lường các đặc tính phân cực của các vật liệu không đối xứng trong môi trường mờ đục hoặc các mẫu mô y sinh học. Điều này là cần thiết để cung cấp các dữ liệu nhằm xác định, phân loại hoặc kiểm tra các tính chất của mẫu y sinh học. (2) Thiết lập một bản đồ đo lường dùng phương pháp ma trận Mueller để phát hiện và xác định các tính chất, đặc điểm của vật liệu y sinh học. Điều này có nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh học, hóa sinh, chất bán dẫn, và các ngành công nghiệp liên quan khác. (3) Tạo ra một bộ các thông số đo phân cực tích hợp để sử dụng nhằm đánh giá tình trạng của tế bào/mô của gan và phát hiện kịp thời dấu hiệu của ung thư gan. Chúng tôi nghĩ rằng điều này rất quan trọng trong nghiên cứu y sinh, đặc biệt là việc chẩn đoán ung thư trong tương lai.

Đề tài nghiên cứu này sẽ có những đóng góp vào lĩnh vực khoa học và công nghệ. Cụ thể gồm: (1) Nắm vững được các tính chất phân cực của một mô, tế bào, nhằm đánh giá tình trạng của tế bào và phát hiện kịp thời các bệnh trên tế bào bất kỳ. Ngoài mục đích ứng dụng cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống đo, chẩn đoán bệnh lý trên mô, tế bào (cụ thể mẫu máu của bệnh tiểu đường, mẫu sụn và một số mô bệnh), còn là cơ sở cho việc xây dựng các mô hình điều trị bằng phương pháp quang học. (2) Thiết kế chế tạo thành công hệ thống đo tại chỗ với các linh kiện quang học rẻ tiền và dễ dàng lắp ráp. (3) Có ưu điểm nổi bật là với một mẫu đo sinh học bất kỳ (không rõ đặc tính), hệ thống sẽ đo và đưa ra các kết quả một cách chính xác mà không cần phải sử dụng bất cứ phương pháp khử các tính chất nhiễu nào khác trước đó. (4) Tiến hành đo đạc trên nhiều mẫu bệnh mô tế bào và so sánh kết quả với các mẫu mô, tế bào.

Đề tài nghiên cứu này cũng sẽ tạo những khóa đào tạo tốt và hiệu quả cho sinh viên đại học, học viên cao học và tiến sĩ: (1) Đào tạo về thiết lập hệ thống quang học; (2) Đào tạo về thiết lập mô hình phân tích; (3) Tập huấn về mô phỏng trong phân tích ma trận Muller; (4) Đào tạo về các cách nuôi cấy, bảo quản, trích xuất các mẫu y sinh học dùng cho thí nghiệm; (5) Đào tạo về các thí nghiệm thực tiễn để đo trực tiếp các mẫu tế bào/mô y sinh nhằm xác định, phân loại, kiểm tra hoặc đánh giá tình trạng của tế bào/mô và phát hiện kịp thời các bệnh trên tế bào/mô. Tính ứng dụng của thiết bị cao. Thiết bị có thể dễ dàng lắp ráp, dễ sử dụng và có tính tự động hóa.

Các công trình công bố của đề tài nghiên cứu này: Các bài báo hội nghị liên quan sẽ được trình bày trong một hội nghị quốc tế trong và ngoài nước hằng năm; các bài báo tạp chí liên quan sẽ được xuất bản hằng năm. Hướng phát triển của đề tài là mở rộng đo lường trên nhiều mẫu sinh học (tế bào sinh học, protein, khối u, tế bào/mô ung thư…) để tạo thành ngân hàng mẫu (data bank). Từ đó có thể ứng dụng vào thực tế dùng để so sánh các dạng tế bào bệnh và tế bào thường, nhằm phát hiện kịp thời các dấu hiệu bất thường của khối u hoặc ung thư trên cơ thể người trong tương lai.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16301/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)