Vi mạch sinh học - tiềm năng của “hiệu thuốc sống" cấy ghép

Đây là nghiên cứu mới về một phương pháp cấy ghép "thuốc" giúp nâng cao chu kỳ thức - ngủ cho những bệnh nhân khó ngủ, hoặc không ngủ được.

Vi mạch sinh học tự điều trị bệnh

Vi mạch sinh học đang được phát triển bởi Cơ quan chỉ đạo các dự án nghiên cứu quốc phòng tiến bộ (DARPA) kết hợp với trường đại học Tây Bắc và Đại học Rice (Mỹ). Các nhà nghiên cứu đã hình dung ra một nhà máy siêu nhỏ được đặt ngay bên trong một vi mạch mà có thể sản xuất ra các loại thuốc ngay chính trong cơ thể. Tiếp đó, các loại thuốc sẽ được chuyển đến những mục tiêu chính xác theo lệnh phát đi từ một ứng dụng điện thoại. Mục tiêu khởi đầu của DARPA khá khiêm tốn với thời hạn 4.5 năm và đã trao hợp đồng cho các nhà nghiên cứu vào tháng 5/2021 nhằm làm giảm bớt tình trạng rối loạn thay đổi múi giờ.

Vi mạch cấy ghép điều trị hội chứng thay đổi múi giờ

Theo đó, Hội chứng thay đổi múi giờ (viết tắt HCTĐMG) là một chứng rối loạn nhịp ngày đêm: Nhịp chuyển động sinh học thường nhật thường chi phối thời gian bên trong cơ thể của mọi cơ thể sinh học trên trái đất. Khi chúng ta bay qua các múi giờ, sự sai lệch bên trong có thể gây nên các triệu chứng mệt mỏi, khó chịu và mất phương hướng.

Đối với lực lượng vũ trang, chứng rối loạn đó sẽ là mối nguy cho sự sẵn sàng của binh lính - những người đến từ những địa điểm khác nhau và rất khó để thực hiện nhiệm vụ với hiệu suất cao nhất.

Tương tự, một nghiên cứu năm 2019 cho thấy rằng sự tỉnh táo cùng hiệu quả công việc của các nhân viên chăm sóc y tế đã bị sụt giảm nghiêm trọng khi làm việc ca đêm. Nhân viên làm việc theo ca thuộc mọi ngành nghề thì thường xuyên bị mắc các chứng rối loạn nhịp sinh học, khiến cho họ có nguy cơ cao mắc các hội chứng chuyển hóa và tim mạch... Đó là lý do cho ý tưởng “hiệu thuốc sống cấy ghép” ra đời và đi vào nghiên cứu.

“Hiệu thuốc sống cấy ghép” đang trong giai đoạn phát triển. Đây là 2 thiết bị riêng biệt: 1 bộ cấy vi mạch và 1 cái băng tay. Bộ phận cấy ghép sẽ chứa một lớp tế bào tổng hợp sống cùng với cảm ứng đo nhiệt độ, một máy phát không dây tầm ngắn và một máy dò ảnh. Những tế bào được lấy từ nguồn hiến tặng, được tái cấu trúc để thực hiện những chức năng cụ thể. Những lớp tế bào này sẽ được sản xuất đại trà trong phòng thí nghiệm rồi được gắn trên một lớp đèn LED tí hon.

Mã hóa vi mạch để nhận dạng riêng biệt

Riêng bộ vi mạch sẽ được thiết lập với một số nhận dạng riêng biệt cùng khóa mã hóa. Tiếp đó sẽ được cấy dưới da trong một phẫu thuật ngoại trú. Vi mạch sẽ được kiểm soát bằng một trung tâm hoạt động bằng pin gắn với một chiếc băng tay. Trung tâm này sẽ nhận các tín hiệu phát ra từ một ứng dụng điện thoại. Nếu người lính muốn đặt lại đồng hồ cơ thể, thì chỉ cần dùng điện thoại rồi đăng nhập vào ứng dụng và nhập hành trình chuyến đi sắp tới của mình.

Bằng cách sử dụng liên lạc không dây tầm ngắn, trung tâm sẽ nhận các tín hiệu và kích hoạt đèn LED bên trong vi mạch. Đèn sẽ chiếu sáng các tế bào tổng hợp, kích thích chúng tạo ra 2 hợp chất được sản sinh tự nhiên trong cơ thể. Các hợp chất sẽ được giải phóng trực tiếp vào máu và chạy đến những nơi được nhắm mục tiêu như một cấu trúc nhỏ xíu nằm giữa bộ não được gọi là “nhân trên chéo” (SCN) đóng vai trò là máy điều hòa chính của nhịp ngày đêm.

Theo các nhà khoa học, hệ thống này có thể hoạt động trơn tru mà không cần dùng pin. Giờ đây, GS.Josiah Hester của Đại học Tây Bắc đang cùng phối hợp thiết kế trung tâm bên ngoài của “hiệu thuốc sống” từ phòng thí nghiệm của ông ở Evanston (tiểu bang Illinois, Mỹ). Đối mặt với những câu hỏi âu lo, GS.Hester đã kiên nhẫn mô tả những biện pháp an toàn sẽ được triển khai trong thời gian nghiên cứu.

Tương lai của "hiệu thuốc sống"

Đã có những tín hiệu tích cực cho dự án, một số người đã sẵn sàng đón nhận tương lai. Ông Rivnay đã bắt đầu nhận được một số thư điện tử (email) từ những người rối loạn giấc ngủ nghiêm trọng, họ đề nghị đăng ký làm đối tượng thử nghiệm.

GS.Russell Foster là người đứng đầu viện thần kinh học ngày đêm và giấc ngủ (SCNI, Đại học Oxford) nhấn mạnh rằng, khả năng giải phóng thuốc của vi mạch trong thời điểm chính xác đã mang lại lợi ích rất quan trọng, đặc biệt là với số đông dân số dễ bị tổn thương.

Nếu mọi sự diễn ra theo đúng kế hoạch thì một ngày nào đó những vi mạch sinh học điều khiển từ xa có thể trở thành một dạng công nghệ thông minh thân thiết nhất trong đời sống loài người. Những cảm biến nội thể quản lý sức khỏe khi chúng ta đi lại và đánh giá thông qua thuật toán để tạo ra loại thuốc thích hợp và khi nào thì phân phối nó.

Nhưng làm thế nào để người ta có thể đánh giá hậu quả nếu cấy các vi mạch sinh ra thuốc có chức năng phát tín hiệu và lưu trữ dữ liệu vào những người lính có thể hình cường tráng? Nếu công nghệ được cung cấp cho đại chúng thì cần phải có những điều kiện y tế nào? Thái độ của người khỏe mạnh là gì khi họ được đề cập cấy một viên thuốc vi mạch vào người?

Ông Paul Sheehan, quản lý chương trình giám sát phát triển vi mạch, một nhà hóa vật lý làm việc trong Văn phòng công nghệ sinh học của DARPA, giải thích: “Vi mạch sẽ phải trải qua nhiều vòng thử nghiệm trước khi được FDA chính thức phê chuẩn”. Ông Sheehan cũng đã chỉ ra nhiều thiết bị cấy ghép trên thị trường như máy tạo nhịp tim và máy bơm morphine.

GS Josiah Hester nhấn mạnh: “Thiết bị cấy ghép sẽ phản hồi với những thứ đang xảy ra trong cơ thể và thích ứng trong thời gian thực”. Nhóm nghiên cứu hiện đang trong giai đoạn thiết kế và họ sớm hy vọng sẽ bắt đầu thử nghiệm các thành phần riêng rẽ của "hiệu thuốc" trên những mô hình loài gặm nhấm để cuối cùng là một nguyên mẫu hoạt động thực sự.