Đại học ở Singapore chế tạo hạt nano thông minh giúp loại bỏ độc tố trong máu

Hệ miễn dịch đóng vai trò như một lá chắn bảo vệ cơ thể trước các tác nhân gây bệnh ngoại lai nhưng phản ứng quá mức của mạng lưới này đôi khi lại trở thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với tính mạng con người. 

Khi hoạt động vượt quá mức kiểm soát, cơ thể sẽ sản sinh ra một lượng lớn các chất trung gian miễn dịch bao gồm các mảnh vật chất di truyền hoặc protein điều hòa phản ứng miễn dịch. 

Hiện tượng dư thừa này là nguyên nhân cốt lõi kích hoạt các phản ứng viêm hệ thống vô cùng nghiêm trọng, dẫn đến những hội chứng lâm sàng nguy hiểm như nhiễm trùng huyết hay tổn thương phổi cấp tính. 

Trong đó, nhiễm trùng huyết phản ánh trạng thái phản ứng cực đoan của cơ thể trước tình trạng nhiễm trùng do vi sinh vật, còn tổn thương phổi cấp tính lại khiến dịch lỏng tràn vào phế nang, làm suy giảm chức năng hô hấp một cách nhanh chóng và có khả năng dẫn đến suy hô hấp.

Nhằm giải quyết bài toán hóc búa này, nhiều nhà khoa học và kỹ sư y sinh trên thế giới đã nỗ lực tìm kiếm giải pháp loại bỏ các chất trung gian miễn dịch dư thừa ra khỏi dòng máu. Một trong những hướng đi phổ biến trước đây là ứng dụng các phân tử lai hướng mục tiêu tiêu hủy tại tiêu thể, hay còn gọi là công nghệ LYTACs. 

Phương pháp này hoạt động bằng cách thu gom các protein đích ở bên ngoài hoặc trên bề mặt tế bào rồi áp tải chúng đến tiêu thể, cơ quan vốn đảm nhận chức năng xử lý và tái chế rác thải của tế bào. 

Dù sở hữu tiềm năng lớn, song các thiết kế truyền thống lại bộc lộ hạn chế lớn khi cấu trúc định vị của chúng rất dễ bị nhiễu loạn bởi các thành phần trong huyết thanh, từ đó làm giảm đáng kể hiệu quả điều trị trên thực tế.

Để khắc phục triệt để nhược điểm kể trên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nam Dương (Singapore) đã chế tạo thành công một loại hạt nano tự sắp xếp thế hệ mới mang tên SOLID. Công trình mang tính đột phá này vừa được công bố chính thức trên tạp chí khoa học Nature Nanotechnology. 

Cơ chế "săn tìm và tiêu hủy" độc đáo

Điểm đặc biệt của hạt nano này nằm ở khả năng tự động nhận diện, bắt giữ các phân tử mục tiêu trong máu và đưa thẳng chúng vào tiêu thể mà không cần phụ thuộc vào các phân tử định vị truyền thống. 

Tiến sĩ Ngô Gia Yến và Giáo sư Phó Cẩm Di, các tác giả của nghiên cứu, chia sẻ rằng nhóm của họ đã tận dụng kinh nghiệm nhiều năm trong việc tổng hợp các polyme bán dẫn cấu trúc cứng để tạo nên bước tiến này. 

Qua các thử nghiệm trước đó, họ phát hiện ra các hạt nano polyme bán dẫn sở hữu đặc tính tự tích tụ tại tiêu thể một cách tự nhiên mà không bị ảnh hưởng bởi môi trường huyết thanh xung quanh.

Về mặt cấu trúc, siêu hạt nano SOLID được thiết kế tinh vi gồm 2 lớp thành phần cốt lõi đảm nhận các nhiệm vụ chuyên biệt. Lớp lõi bên trong sử dụng chất liệu polyme bán dẫn có độ cứng cơ học rất cao, giúp hạt nano dễ dàng di chuyển xuyên qua các màng sinh học để tiếp cận sâu vào bên trong tế bào. 

Bao bọc xung quanh lõi cứng là lớp vỏ làm từ polyme tương thích sinh học cao được ứng dụng rộng rãi trong y tế. Lớp vỏ ngoài này có đặc tính tùy biến linh hoạt, cho phép các nhà khoa học gắn thêm các module liên kết đặc hiệu để săn tìm nhiều loại phân tử gây bệnh khác nhau tùy theo mục đích điều trị.

Để dọn dẹp sạch sẽ các chất độc hại trong hệ tuần hoàn, siêu hạt nano sẽ trải qua 3 giai đoạn vận hành liên tục đầy nghiêm ngặt. 

Đầu tiên, các hạt này được bơm vào cơ thể và bắt đầu hành trình tuần hoàn trong máu để chủ động săn lùng, bắt giữ các chất trung gian miễn dịch. Trong quá trình đó, các protein mục tiêu cùng nhiều thành phần máu khác sẽ bám chặt vào bề mặt hạt nano để tạo nên một lớp màng sinh học bao bọc bên ngoài. 

Tiếp theo, sự xuất hiện của hai loại protein đặc hiệu trong cơ thể sẽ đóng vai trò như chiếc la bàn điều hướng, giúp kéo phần lớn hạt nano này tập trung về gan và một phần nhỏ về lách. Ngay sau khi dịch chuyển thành công vào gan, các siêu hạt nano sẽ bị các tế bào gan nuốt chửng. 

Do tế bào gan là nơi tập trung mật độ tiêu thể đậm đặc nhất cơ thể, kết hợp với áp lực cơ học mạnh mẽ từ lõi cứng của hạt nano lên màng tế bào, toàn bộ các phức hợp độc hại sẽ bị giữ lại và phân hủy một cách triệt để bên trong các tiêu thể này.

Hy vọng mới chặn đứng "cơn đau đầu" cytokine

Trong khuôn khổ nghiên cứu, các tác giả đã tiến hành thử nghiệm phiên bản tối ưu hóa của hạt nano trên các mô hình chuột bị nhiễm trùng huyết và tổn thương phổi cấp tính. Nhóm nghiên cứu lập trình lớp vỏ ngoài của hạt nano để chúng nhắm trúng hai chất trung gian miễn dịch điển hình gây viêm là cytokine IL-6 và oligonucleotide CpG1826. 

Kết quả thực nghiệm cho thấy các hạt nano thế hệ mới đạt hiệu suất dọn dẹp chất độc vượt trội hơn hẳn những liệu pháp kháng thể hay công nghệ kiểu cũ. Nhờ vậy, trạng thái bệnh lý nguy hiểm ở các mô hình động vật đã được đảo ngược và điều trị thành công một cách rõ rệt mà không gây ra bất kỳ sự can thiệp tiêu cực nào đến chức năng sinh lý tự nhiên của cơ thể.

Thành công bước đầu này mở ra triển vọng ứng dụng vô cùng rộng lớn trong việc đối phó với hiện tượng bão cytokine, một biến chứng cực kỳ nguy hiểm thường gặp ở các ca nhiễm virus nặng hoặc trong các liệu pháp miễn dịch điều trị ung thư. 

Các chuyên gia nhận định, công nghệ mới hoàn toàn có thể được cá nhân hóa cho từng bệnh nhân thông qua việc điều chỉnh lớp vỏ ngoài để phân hủy chọn lọc các cytokine cụ thể, bảo vệ các cơ quan nội tạng khỏi sự tàn phá của phản ứng viêm hệ thống. 

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu hóa công nghệ nhằm hướng các hạt nano đến nhiều cơ quan khác nhau để điều trị các bệnh lý đặc thù tại chỗ. 

Dù cần thêm nhiều thử nghiệm nghiêm ngặt về tính an toàn trước khi áp dụng trên cơ thể người, phát kiến này vẫn được đánh giá là một cột mốc quan trọng, làm thay đổi tư duy thiết kế vật liệu y sinh khi biến đặc tính cơ học của hạt nano thành một công cụ điều trị bệnh trực tiếp.