Cải thiện chất lượng cuộc sống con người với phương pháp điều trị bằng thuốc là một vấn đề phức tạp. Chứng nhận thuốc, bao gồm cả độ an toàn và độ tin cậy của thuốc, đòi hỏi một loạt các thử nghiệm và phê duyệt của chính phủ trước khi thuốc được đưa ra thị trường.

Việc thử nghiệm thuốc bị trở ngại bởi các vấn đề về đạo đức và sinh học. Thử nghiệm một loại thuốc mới trên con người thường là một phần của thử nghiệm lâm sàng và diễn ra vào giai đoạn cuối trước khi thuốc được đưa đến công chúng. Trước thời điểm đó, một lượng lớn các thử nghiệm đã được tiến hành trên động vật. Trong khi việc kêu gọi loại bỏ thử nghiệm trên động vật ngày càng tăng, một phần là do sự khác biệt về mặt sinh học giữa động vật và con người. Nói một cách đơn giản, thuốc có thể hiệu quả với chuột nhưng không có nghĩa là nó sẽ có hiệu quả với con người.

Một nhóm các nhà nghiên cứu học thuật từ nhiều tổ chức đã hợp tác với ông Jeff Schultz tại đại học Virginia Tech, để tìm ra giải pháp mang lại kết quả hướng đến con người bằng các công cụ tổng hợp. Phương pháp của họ không yêu cầu đối tượng là con người hoặc động vật. Thay vào đó, họ sử dụng các công nghệ mới để tạo ra môi trường thử nghiệm có khả năng tùy chỉnh cao. Thuốc có thể được thử nghiệm bằng tế bào, không phải sinh vật.

Một khoản tài trợ 1,8 triệu đô la từ viện Y tế Quốc gia (NIH – National Institutes of Health), dành cho nhóm nghiên cứu bao gồm:
– Ông Amrinder Nain, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại đại học Virginia Tech.
– Tiến sĩ Rafael Davalos, Tiến sĩ Margaret P. và Giáo sư John H. Weitnauer Jr. tại viện công nghệ Georgia Tech.
– Phó giáo sư Seemantini Nadkarni tại trường Y khoa Harvard và bệnh viện Đa khoa Massachusetts.
– Ông Jeff Schultz, đồng sáng lập công ty in 3D vi lưu Phase Inc., đã lấy ba bằng cấp từ khoa Kỹ thuật Vật liệu và Khoa học tại đại học Virginia Tech

Mô phỏng tế bào não
Rào cản sinh lý là phổ biến trong cơ thể, một rào cản như vậy được gọi là hàng rào máu não (BBB – blood brain barrier), được tạo thành từ một mạng lưới các mạch máu và mô. Chức năng của nó là cho phép các chất có lợi như nước và oxy đi vào não, nhưng ngăn chặn các chất có hại có thể dẫn đến bệnh tật hoặc khối u. Việc tái tạo môi trường này để thử nghiệm thuốc là một điều phức tạp và không có gì lạ khi các thử nghiệm lâm sàng thất bại sau khi chúng được chuyển ra từ phòng thí nghiệm.

Tiến sĩ Rafael Davalos nói rằng: “Các liệu pháp thất bại trong các thử nghiệm lâm sàng vì chúng không thể vượt qua hàng rào máu não. Thực tế là các thiết bị được tạo ra trong phòng thí nghiệm không hoạt động và chúng cho phép quá nhiều chất đi qua. Điều này cung cấp thông tin sai lệch về các phân tử có thể đi qua và khi con người tham gia thử nghiệm lâm sàng, các loại thuốc sẽ thất bại vì các tình trạng não của con người chưa được kiểm soát đúng cách”.

Nhóm đang tiếp cận vấn đề bằng phương pháp in 3D độc quyền của Phase, tạo ra vi lưu (microfluidics) (1) ở độ phân giải trước đây không thể đạt được nhưng cũng có khả năng tái tạo và mở rộng cao. Vi lưu là những thiết bị có kích thước nhỏ, nơi các tế bào và chất lỏng có thể được tạo ra một “organ on a chip” (tạm dịch là ‘cơ quan trên chip’) mô phỏng hành vi và chức năng của các cơ quan nội tạng con người. Trong khi dự án này tập trung vào hàng rào máu não, công nghệ cốt lõi có nhiều ứng dụng rộng rãi cho các cơ quan khác như gan, phổi và da.
(1) Vi lưu: là nghiên cứu về các hệ thống có thể xử lý lượng nhỏ chất lỏng bằng cách sử dụng các kênh nhỏ có kích thước ở cấp độ vi mô – thường là hàng chục đến hàng trăm micromet.

Ông Jeff Schultz đã dành cả sự nghiệp của mình để phát minh và mở rộng các kỹ thuật in 3D cho các công ty khởi nghiệp và các tập đoàn quốc tế. Dựa trên thế mạnh của kinh nghiệm đó, ông đã tập trung vào việc áp dụng tính linh hoạt của in 3D vào thế giới y sinh.

Ông Jeff Schultz nói rằng: “Chúng tôi đang xây dựng một thứ gì đó nhằm mô phỏng hình dạng của cơ thể một cách thực tế hơn so với các loại vi lưu khác. Việc tận dụng sự tự do trong thiết kế của công nghệ in 3D cho phép chúng tôi tạo ra các thiết bị có cùng độ cong, kích thước tĩnh mạch và chức năng của cơ thể con người. Chúng tôi có thể lắp các van tương tự như tim, vốn quen với ứng suất cơ học dao động. Điều này giúp chúng tôi có cơ hội nhìn thấy những kết quả gần với thực tế hơn so với khi các tế bào nằm phẳng trong đĩa, và được thực hiện trong các thiết bị vi lưu thông thường khác, nhưng vẫn chưa được áp dụng cho hàng rào máu não”.

Thiết bị tổng hợp và tế bào sống
Ông Jeff Schultz và tiến sĩ Rafael Davalos đã hợp tác về các phương pháp mới để in 3D các thiết bị y tế bằng các vật liệu từng gây ra vấn đề trong các thử nghiệm thuốc. Trong giai đoạn một của dự án này, họ đã đưa ra một cách để in 3D polydimethylsiloxane (PDMS), một loại polymer silicon có thể được sử dụng để mô phỏng hàng rào máu não. Dự án đó đã nhận được 173.000 đô la từ viện NIH.

Ông Jeff Schultz nói rằng: “Vấn đề mà chúng tôi đặt ra để giải quyết là về vật liệu. Không có vật liệu nào bạn có thể in 3D cho vi lưu chất được chấp nhận rộng rãi là an toàn cho tế bào. Kỹ thuật PDMS đã được sử dụng trong hơn hai thập kỷ nhưng không thể in 3D. Chúng tôi đặt ra mục tiêu phát triển công nghệ in 3D vật liệu đó, mà viện NIH đã tài trợ cho chúng tôi để thực hiện trong giai đoạn một của dự án”.

Vật liệu cần phải an toàn cho tế bào để tế bào có thể phát triển trên nền tảng và cung cấp các điều kiện để thử nghiệm khả năng tồn tại của nhiều loại thuốc khác nhau. Để tạo ra hàng rào máu não nhân tạo, các tế bào máu và mô tạo thành hàng rào trong cơ thể sống được nuôi cấy trên mảnh in 3D, do đó có tên là ‘cơ quan trên chip’. Ưu điểm của in 3D là khuôn khổ tạo ra các con đường và kiến ​​trúc khác nhau, có thể dẫn đến việc tùy chỉnh hàng rào máu não tổng hợp để phù hợp với chính bệnh nhân.

Sau khi đạt thành công ở giai đoạn đầu, ông Jeff Schultz và tiến sĩ Rafael Davalos thấy khả năng mở rộng dự án. Giáo sư Amrinder Nain có chuyên môn và công cụ sẵn sàng cho nhiệm vụ này và đã từng hợp tác với tiến sĩ Rafael.

Nhóm của tiến sĩ Rafael đã phát triển các nền tảng cơ quan trên chip khác để thử nghiệm hành vi của các quá trình sinh học ở quy mô nhỏ. Ông Philip Graybill, một sinh viên mới tốt nghiệp tại đại học Virginia Tech trong nhóm của tiến sĩ Rafael, tập trung vào việc phát triển các mô hình vi lưu như vậy của hàng rào máu não cũng như cách các tế bào đơn lẻ phản ứng với các tín hiệu cơ điện bằng cách sử dụng nền tảng nanofibre của giáo sư Amrinder Nain. Thông qua sự hợp tác của họ, ông Philip Graybill nhận ra cơ hội để kết hợp công nghệ này vào một công nghệ khác để xây dựng một mô hình chính xác hơn về những gì xảy ra trong não.

Làm lưới
Chuyên môn của giáo sư Amrinder Nain là nghiên cứu về màng sợi nano có chức năng tương tự như mô sống, được tạo ra bằng cách sử dụng mạng lưới các sợi đan chéo nhau ở cấp độ nano. Những màng này đã trở thành chìa khóa cho sự tiến hóa tiếp theo của thiết bị và giúp nhóm nhận được vòng tài trợ thứ hai từ viện NIH. Tiến sĩ Rafael Davalos và nhóm của giáo sư Amrinder Nain gần đây đã công bố hàng rào máu não ​​siêu mỏng và siêu xốp đầu tiên mỏng hơn khoảng 70% so với các phương pháp khác.

Tiến sĩ Rafael Davalos nói rằng: “Điều thực sự tuyệt vời khi sử dụng mạng lưới sợi của giáo sư Amrinder Nain là nó rất mỏng, các tế bào ở cả hai bên có thể giao tiếp. Điều này tạo ra các mối nối chặt chẽ giữa các tế bào nhằm ngăn chặn các chất có hại đi qua”.

Đây chính xác là mức độ kiểm soát cần thiết để khớp với các phát hiện từ các thử nghiệm lâm sàng. Với sự phát triển này, nhóm nghiên cứu đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu tương lai một công cụ đáng tin cậy và nhanh hơn để thử nghiệm thuốc trong môi trường có liên quan đến sinh lý học trong khi giảm thiểu các mô hình động vật.

Ông Jeff Schultz nói rằng: “Trong hàng rào máu não, có một màng vật lý. Màng sợi nano của giáo sư Amrinder Nain mô phỏng độ dày và độ xốp của môi trường trong não thực tế tốt hơn hầu hết các mô phỏng được sử dụng trong các thiết bị tương tự. Khi đề xuất giai đoạn hai cho viện NIH, chúng tôi đề xuất sử dụng các màng đó được tích hợp vào thiết bị vi lưu PDMS trước đây của chúng tôi.”

Để tạo ra kỹ thuật organ-on-a-chip, mỗi thành viên trong nhóm đều sử dụng chuyên môn của mình. Quy trình thường diễn ra như sau:
– Nhóm của giáo sư Amrinder Nain sản xuất màng siêu mỏng và có các lỗ nano mô phỏng.
– Nhóm của ông Jeff Schultz nhận được màng, xây dựng một thiết kế mô phỏng từ màng, sau đó sử dụng hệ thống do nhóm nghiên cứu tại trường y khoa Harvard của phó giáo sư Seemantini Nadkarni phát triển, để kiểm tra hành vi của vật liệu.
– Các sản phẩm hoàn thiện được gửi đến nhóm của tiến sĩ Rafael Davalos, để lắp tế bào và tiến hành các thử nghiệm sinh học.

Giáo sư Amrinder Nain nói rằng: “Các công nghệ organ-on-a-chip hiện được dự đoán sẽ trở thành các giao thức phòng thí nghiệm tiêu chuẩn trong thế kỷ 21. Những đột phá về công nghệ của chúng tôi đã cho phép tạo ra hàng rào máu não mỏng nhất trên thị trường. Các thiết kế trong tương lai, chúng tôi hy vọng sẽ đáp ứng được các kích thước và cấu tạo bên trong cơ thể con người để đạt được kết quả sinh lý trong môi trường phòng thí nghiệm. Khi được hiện thực hóa, điều này sẽ biến đổi cách chúng ta thử nghiệm thuốc và nghiên cứu kỹ thuật sinh học và vật lý sinh học”.

Để xem các tin bài khác về “In 3D”, hãy nhấn vào đây.

 

 

Nguồn: Electronics Online