Thuốc nhuộm methylene blue là gì? Các nghiên cứu khoa học

Khái niệm và lịch sử phát triển

Methylene blue (MB) là hợp chất hữu cơ thuộc nhóm thiazine, công thức hóa học C₁₆H₁₈ClN₃S, thường xuất hiện dưới dạng bột tinh thể màu xanh thẫm hòa tan trong nước tạo dung dịch xanh lam. MB lần đầu được tổng hợp bởi Heinrich Caro năm 1876 trong quá trình phát triển thuốc nhuộm vải, sau đó nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhuộm ngành giấy, len và bông nhờ khả năng bám màu cao và độ bền dưới ánh sáng.

Đầu thế kỷ 20, MB được khám phá tác dụng sinh học khi Paul Ehrlich sử dụng làm thuốc nhuộm mô bệnh học và phát hiện MB có thể nhuộm vi khuẩn, trở thành nền tảng của hóa nhuộm vi sinh. Năm 1932, MB được cấp phép sử dụng lâm sàng đầu tiên để điều trị bệnh methemoglobinemia, khôi phục khả năng vận chuyển oxy của máu.

Trong thập niên 1940–1960, nghiên cứu về MB mở rộng sang điều trị sốt rét, chống ký sinh Plasmodium falciparum kháng chloroquine, đồng thời thử nghiệm vai trò của MB như thuốc kháng khuẩn, kháng nấm và chất chỉ thị trong xét nghiệm enzym.

Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý

Cấu trúc MB gồm vòng phenothiazine nối với nhóm dimethylamino, mang điện tích dương trên nitơ, giúp MB dễ dàng khuếch tán qua lớp màng tế bào và tương tác với các thành phần mang điện âm. Dưới điều kiện pH sinh lý (7,4), MB tồn tại chủ yếu ở dạng cation MB⁺, trong môi trường khử mạnh MB khử thành leucomethylene blue (LMB), không màu, sau đó dễ dàng tái oxy hóa lại thành MB.

MB có hai đỉnh hấp thụ chính trong phổ UV–Vis: đỉnh bậc cao ở 660 nm và đỉnh phụ ở 610 nm, độ hổi quang huỳnh quang xấp xỉ 685 nm khi kích thích ở 660 nm. Tính chất quang học này cho phép MB được dùng làm chất chỉ thị trong quang phổ và cảm biến sinh học.

MB bền nhiệt đến khoảng 150 °C trước khi phân hủy, chịu được ánh sáng trắng và tia UV ở nồng độ thấp. Trong dung môi hữu cơ như ethanol, MB vẫn giữ màu xanh lam đậm nhưng độ tan kém hơn so với dung môi nước.

Cơ chế tác động sinh học

MB khử methemoglobin nhờ khả năng nhận electron: MB⁺ + NADPH → MBH (LMB), LMB chuyển electron cho methemoglobin (Fe³⁺) để tạo lại hemoglobin (Fe²⁺), khôi phục khả năng vận chuyển oxy. Đây là cơ chế cơ bản trong điều trị methemoglobinemia cấp tính.

Trong điều trị sốt rét, MB ức chế đường hô hấp của Plasmodium spp. thông qua tác động lên chuỗi vận chuyển electron ty thể và tác dụng tạo stress oxy hóa. MB cũng tương tác với heme trong tế bào ký sinh, tạo ra phức hợp độc hại dẫn đến chết tế bào.

• Hoạt tính kháng khuẩn: MB tạo ROS (reactive oxygen species) khi kích quang, làm tổn thương màng vi khuẩn và DNA.
• Kháng nấm: MB ức chế chức năng ty thể của nấm và phá vỡ màng tế bào nấm.
• Ứng dụng nhuộm sinh học: MB khuếch tán vào nhân và lưới nội chất, phân biệt cấu trúc tế bào trên kính hiển vi sáng.

MB còn có tác dụng chống viêm và bảo vệ thần kinh bằng cách điều hòa cân bằng oxy hóa – khử trong tế bào, ức chế NO synthase, và tương tác với con đường mitoNOX để giảm stress oxy hóa, hiện đang nghiên cứu trong điều trị Alzheimer và ngộ độc cyanide.

Ứng dụng lâm sàng

Điều trị methemoglobinemia: MB được dùng liều 1–2 mg/kg truyền tĩnh mạch trong 5–30 phút; hiệu quả nhanh chóng giảm nồng độ methemoglobin và cải thiện triệu chứng thiếu oxy.

Phối hợp điều trị sốt rét: MB dùng cùng artesunate hoặc chloroquine giảm nguy cơ kháng thuốc, liều khuyến cáo 10–25 mg/kg/ngày chia 2 lần trong 3 ngày. Sự kết hợp này đang được WHO khuyến nghị nghiên cứu thêm.

Chẩn đoán niệu đạo và nhuộm mô bệnh học: MB đặt qua ống SONDE để nhuộm niệu đạo, đánh giá tổn thương mô; trong sinh thiết, MB làm rõ ranh giới mô bình thường và tế bào ung thư.

• Ứng dụng off-label: điều trị ngộ độc cyanide bằng cơ chế MB giúp oxy hóa cyanide thành thiocyanate ít độc.
• Thí nghiệm lâm sàng: MB đang thử nghiệm trong điều trị sốc nhiễm khuẩn và giảm tụt huyết áp bằng tác dụng co mạch thông qua ức chế guanylate cyclase.

Ứng dụng nghiên cứu và chẩn đoán

Trong phòng thí nghiệm sinh học, methylene blue (MB) được sử dụng rộng rãi làm thuốc nhuộm tế bào và mô. MB khuếch tán nhanh vào nhân tế bào và lưới nội chất, giúp quan sát cấu trúc nhân, nhiễm sắc thể và bào quan qua kính hiển vi sáng.

MB còn là chỉ thị đỏ–xanh trong nghiệm pháp Joseph, phân biệt vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Vi khuẩn Gram dương giữ màu xanh MB lâu hơn, trong khi Gram âm nhuộm nhạt nhanh do thành tế bào mỏng hơn.

Trong chẩn đoán y sinh, MB được dùng làm chất phát hiện rò rỉ niệu quản, đường mật và mạch máu nhỏ. Tiêm MB dưới da hoặc bơm MB vào đường dẫn giúp xác định tổn thương và rò rỉ ngay trong cuộc phẫu thuật (NCBI PMC7027112).

• Phương pháp nhuộm trực tiếp: nhuộm lam xanh (blue dye test) khảo sát tổn thương niệu quản.
• Chỉ thị quang hóa: MB huỳnh quang khi kích thích 660 nm, ứng dụng trong hình ảnh vi phẫu.
• Cảm biến sinh học: MB gắn enzyme peroxidase tạo tín hiệu điện hóa hoặc quang học.

Độc tính và an toàn

MB có độ an toàn cao ở liều lâm sàng, nhưng liều vượt 7 mg/kg/ngày có thể gây đau đầu, sốt nhẹ, buồn nôn và huyết áp tăng. Tiêm ngoài mạch có thể dẫn đến hoại tử mô cục bộ do MB có tính oxi hóa mạnh.

Ở trẻ sơ sinh và phụ nữ mang thai, MB có thể gây tán huyết ở người mang thiếu men G6PD. Vì vậy, cần xét nghiệm G6PD trước khi truyền MB trong điều trị methemoglobinemia (NCBI Methemoglobinemia).

Cán bộ phòng thí nghiệm khi xử lý bột MB cần đeo khẩu trang N95 và kính bảo hộ, tránh hít bụi; trong phòng mổ, nhân viên cần dùng găng vô khuẩn và che phủ da bệnh nhân xung quanh vị trí tiêm.

Phương pháp tổng hợp và phân tích

Sản xuất MB công nghiệp thường qua phản ứng hóa học giữa N,N-dimethyl-p-phenylenediamine và dimethylaminothiophenol dưới điều kiện oxi hóa với chất mang halogen. Quy trình đơn giản, cho tỷ lệ thu hồi MB cao >80 %.

Phân tích hàm lượng và độ tinh khiết MB trong dược phẩm sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với detector UV tại 660 nm. Điều kiện sắc ký: cột C18, pha động methanol – nước (60 : 40), lưu lượng 1 mL/phút.

• TLC: pha tĩnh silica gel, pha động chloroform–methanol (9 : 1), Rf MB ≈0,45.
• Phổ UV–Vis: đỉnh hấp thụ MB ở 660 nm, dùng để định lượng qua đồ thị chuẩn.
• Phân tích điện hóa: vòng quay cyclic voltammetry đo đỉnh khử MB tại −0,2 V so với Ag/AgCl.

Quy chuẩn phân tích dược điển châu Âu (European Pharmacopoeia) yêu cầu MB đạt độ tinh khiết ≥98 % và không chứa tạp chất độc hại, như aromatics và amin thứ cấp, vượt quá giới hạn 0,5 %.

Ứng dụng công nghiệp và môi trường

MB được sử dụng như chất nhuộm công nghiệp cho vải len, lụa và giấy, với ưu điểm bền màu và chống bay dưới ánh sáng mặt trời. MB gắn chặt vào sợi protein và cellulose, tạo màu đều và dễ hoàn nguyên khi cần tái sử dụng.

Trong xử lý nước thải công nghiệp, MB là chỉ thị chất ô nhiễm hữu cơ. Mức độ phân huỷ MB sau quá trình xử lý xúc tác quang hoặc hấp phụ than hoạt tính cho biết hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (ScienceDirect MB Removal).

MB cũng được khảo sát như chất làm chất dẫn điện trong mực in dẫn điện và vật liệu điện tử hữu cơ. Tính dẫn điện tốt khi bị khử, MB trở thành LMB mang nửa electron, hữu ích trong cơ điện tử.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu gần đây tập trung vào tổng hợp nano-hạt MB gắn lên khung polymer để tăng hiệu suất quang động lực. Hệ nano cho phép thải MB từ mô mục tiêu trong điều trị ung thư thông qua kích hoạt bằng ánh sáng đỏ và gần hồng ngoại.

MB cũng được thử nghiệm làm cảm biến sinh học trên giấy và điện cực carbon, cho phép phát hiện nhanh glucose, urê và ion kim loại nặng nhờ chuyển điện tích qua quá trình oxi hóa–khử MB.

• Nano-MB in liposome: tăng sinh khả dụng và giảm độc tính toàn thân.
• MB dẫn xuất chứa PEG: cải thiện độ ổn định và thời gian lưu thông trong máu.
• AI-driven optimization: mô hình hóa cấu trúc–tính chất để thiết kế MB thế hệ mới.

Tài liệu tham khảo

• PubChem. “Methylene Blue.” pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
• He, J., Ma, M., et al. “Methylene blue: a clinically approved photosensitizer.” Journal of Photochemistry and Photobiology B, 161, 2016.
• Wainwright, M., Crossley, K. B. “Methylene Blue—A Therapeutic Dye for All Seasons?” Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 2002.
• European Pharmacopoeia Commission. “Methylene Blue Monograph.” European Pharmacopoeia, 10th Edition, 2020.
• ScienceDirect. “Removal of Methylene Blue from water by advanced oxidation processes.” sciencedirect.com