In 3D nội tạng người: Khoa học viễn tưởng sắp thành hiện thực?

Giới khoa học đã hứng thú với tiềm năng của công nghệ in sinh học 3D nhiều năm qua. Hoàn thiện nó, y bác sĩ có thể xây dựng bản sao các bộ phận cơ thể người mắc triệu chứng bệnh cụ thể. Qua đó, họ sẽ có cơ hội tiến hành điều trị thử nghiệm bằng dược phẩm hoặc phương pháp can thiệp phù hợp. Mẫu vật nội tạng nhân tạo hứa hẹn sẽ đem lại ý nghĩa rất lớn trong lĩnh vực y khoa, đặc biệt liên quan đến việc phát triển thuốc mới.

Công nghệ của ánh sáng

Dẫu vẫn còn chặng đường dài phải vượt qua, mới đây, một nhóm kỹ sư y sinh ở Úc đã phát minh ra máy in sinh học tốc độc cao có khả năng giúp chúng ta sớm hiện thực hóa ý tưởng tái tạo nội tạng. Để tạo hình mô người, chiếc máy kết hợp 3 loại “vật liệu” đáng kinh ngạc: âm thanh, ánh sáng và bong bóng.

Máy in sinh học giao diện động được phát triển tại Phòng thí nghiệm sinh học vi mô Collins - Ảnh: University of Melbourne

In ấn mô người từ 100% chất liệu nhân tạo, hay khái quát hơn, nuôi cấy nội tạng trong phòng thí nghiệm, vẫn là tiến trình đắt đỏ và phức tạp. Một yếu điểm khác là nhiều máy in sinh học thường dễ mắc lỗi, định vị vị trí tế bào chưa chính xác hoặc hiệu suất chưa đạt.

“Một trong những vấn đề lớn nhất hiện nay, nguyên nhân khiến phần lớn máy in sinh học 3D không thể sao chép thành công cấu trúc mô người, chính là lỗi định vị các tế bào sai vị trí”, kỹ sư David Collins, đứng đầu dự án có tên Máy in sinh học giao diện động, trực thuộc Phòng thí nghiệm sinh học vi mô Collins, Đại học Melbourne (Úc), nhận xét.

“Nhưng với phương thức tiếp cận mới chúng tôi sử dụng”, Collins nhấn mạnh trong bài viết giới thiệu dự án trên tạp chí khoa học Pursuit (xuất bản bởi Đại học Melbourne), “không chỉ giải quyết triệt để vấn đề kể trên. Chúng tôi còn có thể tái tạo thành công từ cấp độ tế bào đơn lẻ”.

Vậy nó hoạt động thế nào? Sau khi khởi động, một dòng ánh sáng đặc biệt sẽ chiếu vào khuôn mẫu nhựa dạng bong bóng tròn, khiến lớp vật chất này dần cứng lại theo hình dạng mong muốn. Cùng lúc đó, một thiết bị tương tự loa tạo ra sóng âm làm rung khối bong bóng. Sóng âm có khả năng sắp đặt chuẩn xác vị trí các tế bào cấu thành mô, thậm chí, giúp đẩy nhanh quá trình “in” tế bào. Theo đo đạc từ nhóm nghiên cứu, tốc độ in có thể nhanh gấp 350 lần máy in sinh học truyền thống.

“Ánh sáng là yếu tố then chốt, giúp in các ‘khuôn mẫu’ cấu trúc tế bào lên lớp bong bóng nhựa”, Collins lý giải. “Từng lớp mô được in tỉ mỉ, dựa trên các hình ảnh phỏng chiếu, giống hệt bản gốc tồn tại trong cơ thể. Ý tưởng cơ bản chính là đưa ánh sáng vào vật liệu để ‘nhào nặn’ nên cấu trúc rắn của chúng”.

Vì mô được in nằm giữa lớp bong bóng nhựa mềm, môi trường bên trong máy thích hợp tạo ra “ngay cả các dạng tế bào cực kỳ mềm mại”. Collins nói, “chúng sẽ ở trạng thái giống hệt những tế bào nguyên thủy chúng ta sở hữu, tồn tại trong cơ thể sống”.

Nhóm của họ đã in thử nghiệm thành công kể cả những bộ phận rắn cấu thành cơ thể, như xương, gân và da.

Tương lai to lớn của nội tạng siêu nhỏ

Cũng liên quan đến nội tạng nhân tạo, một khái niệm dần trở nên quen thuộc gần đây là organoid, hay siêu nội tạng. Tạo ra từ phòng thí nghiệm, có kích cỡ xấp xỉ chỉ bằng 1 phần triệu bản gốc, thứ được mệnh danh “con chip sống” mô phỏng hoàn hảo cấu trúc lẫn chức năng của các nội tạng cấu thành cơ thể chúng ta. Chúng được xem như một tiến bộ vượt trội của ngành y – sinh học, với đóng góp tối quan trọng trong hoạt động thử nghiệm dược phẩm an toàn.

Organoid có thể mở ra hướng đi an toàn, hiệu quả lẫn tiết kiệm hơn cho những dự án thử nghiệm - điều chế thuốc mới - Ảnh: iStock

Nhiệt huyết trong lĩnh vực sáng chế organoid, Thomas Shupe - trợ lý giáo sư ngành Y học tái tạo, Đại học Y Wake Forest (Bắc Carolina), chia sẻ: “Công nghệ thử nghiệm thuốc hiện nay cho ra kết quả rất khả quan dù ở mức độ kính hiển vi, với mẫu vật siêu nhỏ”.

Organoid chứa tế bào mô và tế bào gốc, được thiết kế để tồn tại giới hạn trong môi trường phòng thí nghiệm. Dẫu chỉ nằm gọn trên đĩa thí nghiệm, chúng đảm nhận chức năng tương tự nội tạng thật (như tim, não, gan, phổi, đại tràng,..), có thể bao gồm cả tế bào mạch máu, tế bào miễn dịch và mô liên kết.

Ứng dụng nội tạng nhân tạo, dù dưới hình thái nào, hứa hẹn sẽ là giải pháp vô cùng hữu ích giúp các y bác sĩ thấu hiểu nhanh chóng, lẫn chi tiết hơn mỗi loại thuốc điều trị bệnh được đưa vào thử nghiệm. Quy trình phát triển dược phẩm càng linh hoạt và chủ động, chúng ta càng có lợi thế trong nỗ lực cứu người và ngăn ngừa bệnh tật.

Như Ý (theo Smithsonian Magazine)