kiến thức Nhà khoa học Việt làm chủ công nghệ in 3D mạch máu nhân tạo

Nhà khoa học Việt làm chủ công nghệ in 3D mạch máu nhân tạo

Nhóm nghiên cứu liên ngành tại Việt Nam đã thành công trong việc in 3D mạch máu nhân tạo, công nghệ này có tiềm năng tạo ra da, sụn, giác mạc phục vụ cấy ghép.

Sau hơn 2 năm theo đuổi công nghệ in 3D sinh học tiên tiến, nhóm dự án do PGS.TS Nguyễn Ngọc Đỉnh, Trưởng khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đồng chủ nhiệm, đã xây dựng một hệ máy in do Việt Nam làm chủ toàn trình và tạo ra được mạch máu nhân tạo.

PGS Đỉnh cho biết, hành trình phát triển hệ máy in 3D sinh học của nhóm khởi nguồn từ một cuộc thảo luận cùng PGS.BS.TS Đỗ Xuân Hai, Chủ nhiệm Bộ môn Phẫu thuật thực hành, thực nghiệm - Học viện Quân y, về nhu cầu cấp thiết trong ghép tạng.

Thống kê của Bộ Y tế cho thấy, hiện Việt Nam ước tính khoảng 8.000-9.000 người cần ghép thận, 10.000 người cần ghép gan, 1.000 người cần ghép tim. Số bệnh nhân chờ cấy ghép giác mạc cũng lên tới hàng nghìn người. Những con số này tăng thêm mỗi năm, do nguồn tạng hiến không theo kịp nhu cầu.

Trên thế giới cũng gặp vấn đề tương tự, trong khi hiến tạng không còn là giải pháp bền vững. Giới khoa học tìm các giải pháp thay thế, trong đó in 3D sinh học là công nghệ đang được khám phá.


Tin tưởng năng lực trong nước hoàn toàn có thể theo đuổi công nghệ này, PGS Đỉnh cùng với các đồng nghiệp tại Khoa Sinh học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Viện nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ gene Vinmec - VinUni và Bộ môn Phẫu thuật thực hành, thực nghiệm - Học viện Quân y xây dựng dự án liên ngành phát triển hệ máy in 3D sinh học.

Trong đó, Khoa Vật lý nghiên cứu hệ máy in, Khoa Sinh học và VinUni phát triển mực in, Học viện Quân y đưa sản phẩm cuối, mạch máu nhân tạo, vào thử nghiệm trên chuột.

TS Thân Thị Trang Uyên, VinUni, thành viên nhóm phụ trách vật liệu sinh học cho biết, không khó để nhập khẩu các hệ máy, nhưng như vậy đội ngũ trong nước chỉ đóng vai trò người vận hành cho các hệ sinh thái khép kín của nhà cung cấp nước ngoài, nhiều linh kiện và công thức độc quyền, bí mật. "Việc làm chủ công nghệ nền tảng nhằm cải tiến sâu cho các nghiên cứu đặc thù tại Việt Nam", TS Uyên giải thích về lý do nhóm theo đuổi giải mã công nghệ.

Theo đó, nhiều cấu phần cốt lõi của công nghệ, trong đó có mực in hay công thức các khối cầu tế bào được ví như những viên "gạch sống" được nhóm dành gần 2 năm thử nghiệm nhiều phương án phối trộn các vật liệu sinh học sao cho đạt tỷ lệ và thành phần tối ưu. "Mục tiêu là tạo ra các khối cầu tế bào gốc đạt độ đồng nhất về cả kích thước lẫn mật độ tế bào để máy in có thể vận hành ổn định, không bị tắc hay lệch tọa độ", TS Uyên kể lại.

Nhóm cho biết, mỗi viên "gạch sống" là một khối cầu tế bào, được nuôi cấy từ tế bào gốc. Một cánh tay robot gắn và thả các khối cầu này lên một bàn chông, tạo thành từ những mũi kim siêu nhỏ, theo thiết kế và tọa độ đã lập trình. Sau khi bị găm lên bàn chông, theo thời gian, các khối cầu tế bào sẽ tự liên kết với nhau thành mô hoàn chỉnh. Khi mô đã đủ ổn định, toàn bộ cấu trúc sẽ được rút ra và các lỗ nhỏ sẽ tự khép lại nhờ quá trình di cư của tế bào, cơ chế như khi cơ thể làm lành vết thương.

Thay vì in 3D bằng đùn ép thông thường, nhóm đặt mục tiêu làm chủ phương pháp in trên bàn kim Kenzan, với ưu điểm là tạo ra cấu trúc có mật độ tế bào và chất nền ngoại bào tương đương với mô tự nhiên, giúp tăng khả năng tương thích sinh học sau ghép. Đây cũng là phương pháp tương tự với các dự án in 3D nội tạng tiên tiến nhất hiện nay trên thế giới.


Theo TS Uyên, giải pháp đã có nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện, nhưng hàng loạt chi tiết liên quan đến công thức và kỹ thuật bắt buộc phải thử và sai để tìm ra.

Có mực in, môi trường và hệ thống cơ khí tiếp tục là các bài toán dành cho nhóm vật lý. Bàn kim Kenzan đòi hỏi các cây kim phải được bố trí với mật độ cao và độ chính xác ở mức 0,001 mm. Kim phải đủ cứng, bề mặt phải được xử lý mịn tuyệt đối để không làm tổn thương hoặc làm vỡ cấu trúc của các khối cầu tế bào khi găm vào, đồng thời phải đảm bảo tính trơ về mặt sinh học để tế bào không bị biến tính khi tiếp xúc.

Khác với in đùn ép, phương pháp Kenzan yêu cầu robot phải gắp từng khối cầu tế bào và găm chính xác vào từng cây kim theo tọa độ 3D đã lập trình. Quá trình này đòi hỏi hệ thống cơ khí chính xác phải có độ phản hồi cực nhạy, kiểm soát lực hút nhả vừa đủ để không làm dập nát khối tế bào sống vốn rất mong manh.

"Nhiều linh kiện cơ khí chính xác siêu nhỏ hay cảm biến độ nhạy cao gần như không có sẵn trên thị trường, nhóm phải tự chế tạo hoặc tùy chỉnh từ nhiều nguồn khác nhau để tích hợp thành hệ thống hoàn chỉnh", PGS Đỉnh nói.

Tiềm năng tạo da, sụn, giác mạc và mô thử nghiệm thuốc

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc in và ghép mạch máu in 3D, nuôi cấy từ tế bào gốc trung mô cuống rốn người, vào động mạch chủ bụng, phần dưới thận của chuột Wistar. Kết quả bước đầu cho thấy mạch máu đạt mức độ tương thích sinh học cao, ít nguy cơ bị đào thải - vấn đề thường gặp nhất trong cấy ghép nội tạng. Toàn bộ chuột thí nghiệm đều duy trì lưu thông máu và huyết áp ổn định, khả năng đi lại và vận động bình thường, các chỉ số xét nghiệm không có khác biệt tiêu cực.

Tuy nhiên PGS Đỉnh cho biết, in 3D chưa thể giải quyết được ngay vấn đề khan hiếm nội tạng, nhưng là hướng nghiên cứu giúp tiếp cận và làm chủ một công nghệ lõi tiềm năng.

Theo PGS Hai, với công nghệ, hạ tầng và nhu cầu của ngành y tế Việt Nam, sản phẩm hệ in 3D sinh học đầu tiên tạo ra tác động thực tế sẽ không phải là các cơ quan nội tạng phức tạp, mà là các cấu trúc mô mỏng, mô không có mạch máu phức tạp hoặc các mô hình mô phỏng để thử nghiệm thuốc.

Hướng khả thi nhất để ứng dụng lâm sàng trong thời gian ngắn tới là in các mảnh sụn tai cho trẻ em dị tật bẩm sinh, sụn khớp gối cho người già thoái hóa khớp hoặc sụn định hình theo khiếm khuyết từ tế bào gốc sụn. Ngoài ra, công nghệ in 3D sinh học này có thể tạo ra các cấu trúc da biểu bì nuôi cấy từ tế bào gốc của chính bệnh nhân để đắp lên vết thương.

Giác mạc cũng được nhóm nghiên cứu đánh giá là có tính khả thi cao và mong muốn phát triển. Nhu cầu ghép giác mạc tại Việt Nam lớn do các tổn thương vì tai nạn lao động, bệnh lý hoặc sẹo giác mạc, trong khi nguồn giác mạc phụ thuộc hoàn toàn vào hiến tặng, vốn khan hiếm.


Hành lang pháp lý - rào cản ứng dụng

PGS Đỉnh cho biết, đến nay rào cản lớn nhất để đưa công nghệ này vào ứng dụng là hành lang pháp lý. Do sử dụng tế bào gốc sống, sản phẩm in 3D sinh học được xem là mô sống hoặc thuốc sinh học đặc biệt, không phải vật liệu trơ như in xương nhân tạo. Hiện nay Việt Nam và thế giới chưa có bộ tiêu chuẩn, quy trình kiểm định rõ ràng cho sản phẩm cá thể hóa này.

Quy trình phê duyệt y tế truyền thống dựa trên việc thử nghiệm lâm sàng diện rộng hàng nghìn mẫu đồng nhất để chứng minh tính an toàn. Nhưng bản chất của in 3D sinh học là cá thể hóa theo từng bệnh nhân, cấu trúc cơ quan và nguồn tế bào gốc riêng biệt, đặt ra bài toán quản lý cấp phép cho sản phẩm mà mỗi lần chế tạo lại là một phiên bản.

Rủi ro sinh học dài hạn cũng là điểm cần lưu ý. Tế bào gốc sau khi được in và cấy ghép vào cơ thể có nguy cơ biến đổi sai hoặc nghiêm trọng hơn là tạo khối u.

"Việc chứng minh và kiểm soát tuyệt đối tính an toàn này để được cơ quan pháp lý phê duyệt lâm sàng là một rào cản tốn rất nhiều thời gian, có thể 5 đến 10 năm", PGS Hai cho biết.

Trong khi hướng lâm sàng còn nhiều rào cản pháp lý, thì in 3D sinh học để tạo mô hình thử nghiệm cho ngành dược sẽ tạo ra tác động kinh tế sớm. Trước mắt, công nghệ này sẽ hướng đến việc in các cấu trúc mô người thu nhỏ như mô gan, mô thận hoặc mô hình khối u ung thư của bệnh nhân Việt Nam.

Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm trong nước có thể dùng các mô sống này để thử nghiệm độc tính của thuốc, thay thế việc thử nghiệm trên động vật vốn bị hạn chế về đạo đức và độ chính xác. Cách này cũng giúp sàng lọc thuốc cá thể hóa, thử nghiệm xem phác đồ hóa trị nào hiệu quả nhất trên khối u nuôi cấy từ tế bào của mỗi bệnh nhân trước khi truyền thuốc vào cơ thể.

"Với sự đồng hành của các trung tâm y tế, bệnh viện đầu ngành, Việt Nam có cơ hội thiết lập các quy trình thử nghiệm trên mô sống, phục vụ ngành dược phẩm nội địa", PGS Đỉnh kỳ vọng.

---

Nguồn: VnExpress Số hóa
Chuyên mục: Kiến thức