Công nghệ đột phá giúp nhà khoa học Việt định lượng virus bằng hạt nano và AI

<p style="text-align: justify;">Thay vì phụ thuộc vào hệ thống xét nghiệm đắt tiền và thiết bị quang học phức tạp, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hàn Quốc (VKIST) và Trung tâm Đổi mới Công nghệ Vật liệu (CMIT), Trường Đại học VinUni đã phát triển nền tảng nanoPCR thế hệ mới, biến sự thay đổi màu sắc thành kết quả định lượng virus chính xác nhờ trí tuệ nhân tạo.</p>

Dù được xem là "tiêu chuẩn vàng" trong chẩn đoán và định lượng tải lượng virus (như HBV hay COVID-19), kỹ thuật qPCR truyền thống hiện nay vẫn khó phổ cập tại y tế tuyến dưới do chi phí đắt đỏ và yêu cầu hệ thống phòng lab phức tạp. 

Để giải quyết rào cản lớn này, các nhà khoa học của VKIST và Trung tâm Đổi mới Công nghệ Vật liệu (CMIT), VinUni đã hợp tác phát triển một nền tảng nanoPCR thế hệ mới tích hợp Trí tuệ nhân tạo (AI). Công nghệ này mang lại một giải pháp chẩn đoán phân tử tại điểm chăm sóc (POC) vô cùng hiệu quả, dễ triển khai ngay cả khi điều kiện nguồn lực hạn chế.

Đọc virus bằng sự thay đổi màu sắc

Quá trình nghiên cứu và tối ưu hóa hệ thống không hề dễ dàng. Ý tưởng ban đầu là sử dụng hạt nano vàng làm vật liệu tạo tín hiệu. Khi phân tán ổn định trong dung dịch, các hạt tạo màu đỏ; khi kết tụ, màu chuyển sang tím hoặc xanh xám. Sự thay đổi màu có thể quan sát bằng mắt thường, giúp giảm phụ thuộc vào hệ thống đọc tín hiệu phức tạp.

Tuy nhiên, một thách thức lớn của phương pháp là sản phẩm PCR thông thường chủ yếu tồn tại dưới dạng DNA sợi đôi (double-stranded DNA, dsDNA). Do tương tác yếu với bề mặt hạt nano vàng, dsDNA không đủ khả năng ngăn chặn sự kết tụ của các hạt trong môi trường có nồng độ muối cao. Điều này làm cho tín hiệu màu biến thiên kém ổn định, khó bảo đảm tính lặp lại giữa các phép thử và chỉ hỗ trợ đánh giá định tính (dương tính/âm tính), thay vì định lượng chính xác tải lượng nucleic acid.

Để giải quyết nút thắt, nhóm sử dụng urea 10 M kết hợp với cặp mồi gắn hai nhóm thiol. Urea giúp tách DNA sợi đôi thành DNA sợi đơn, gọi là ssDNA, nhưng vẫn giữ dung dịch ổn định.

Các chuỗi DNA sợi đơn bám lên bề mặt hạt nano vàng thông qua liên kết giữa vàng và lưu huỳnh, tạo thành một lớp ssDNA corona có mật độ cao. Có thể hình dung đây là "lớp áo" bao quanh và bảo vệ hạt nano.

Nhờ lớp bảo vệ, hạt nano vàng duy trì trạng thái phân tán trong môi trường muối. Mẫu có DNA virus giữ màu đỏ, trong khi mẫu không có virus khiến hạt kết tụ và chuyển sang tím hoặc xanh xám. Sự khác biệt màu rõ ràng giúp tăng tính ổn định và độ lặp lại của phép thử.

Đây là bước quan trọng để nanoPCR tiến từ nhận biết có hay không có virus đến định lượng tải lượng virus.

Khi AI biến màu sắc thành kết quả định lượng

Màu sắc của mẫu có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng kết quả dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và cách quan sát của từng người. Cùng một mẫu thử, nếu chụp ở những điều kiện khác nhau, màu sắc hiển thị có thể không hoàn toàn giống nhau.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu sử dụng trí tuệ nhân tạo để phân tích ảnh chụp từ điện thoại thông minh. Phần mềm sẽ tự động nhận biết mức độ thay đổi màu sắc và chuyển thành thông tin về lượng virus trong mẫu.

Nhờ đó, kết quả không còn phụ thuộc nhiều vào cảm nhận bằng mắt thường. Điện thoại thông minh có thể đóng vai trò như một thiết bị ghi nhận hình ảnh, giúp việc xét nghiệm trở nên đơn giản và dễ triển khai hơn.

Để khẳng định giá trị thực tiễn, nền tảng nanoPCR tích hợp AI được kiểm chứng trên 31 mẫu máu toàn phần của bệnh nhân nghi nhiễm virus viêm gan B tại Bệnh viện Đa khoa Nông nghiệp. Kết quả so sánh trực tiếp với phương pháp qPCR tham chiếu cho thấy hệ thống nhận diện chính xác 100% (16/16) các mẫu dương tính. Đáng kinh ngạc hơn, nền tảng đạt giới hạn phát hiện ở mức 15,68 IU/mL, tiệm cận độ nhạy của qPCR truyền thống, giúp phát hiện sớm các ca bệnh có tải lượng virus thấp.

Nghiên cứu đột phá này vừa được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế uy tín nhóm Q1 là Journal of Science: Advanced Materials and Devices. Theo nhóm nghiên cứu, nanoPCR không bị giới hạn ở virus viêm gan B. Chỉ cần thay đổi cặp mồi đặc hiệu, hệ thống có thể được điều chỉnh để xét nghiệm các loại virus, vi khuẩn hoặc dấu ấn sinh học khác.

Thành tựu này không chỉ khẳng định năng lực làm chủ công nghệ liên ngành tiên phong của các nhà khoa học Việt Nam mà còn là tiền đề quan trọng để phát triển các thiết bị chẩn đoán linh hoạt. Trong tương lai, công nghệ được kỳ vọng sẽ thương mại hóa thành công, đưa kỹ thuật chẩn đoán phân tử chính xác và chi phí hợp lý đến gần hơn với người bệnh ở mọi tuyến y tế.