Thiết bị phát sóng siêu âm tự phân hủy: Mở rào cản máu não trong điều trị ung thư

PGS.TS Nguyễn Đức Thành (Đại học Connecticut, Mỹ) và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển thành công một thiết bị phát sóng siêu âm có khả năng tự phân hủy sinh học.

Con chip mềm, mỏng, có khả năng phát sóng siêu âm và tự phân hủy.

Không chỉ có khả năng phát sóng mạnh ngang với các thiết bị thương mại làm bằng gốm, thiết bị mới này còn mở ra tiềm năng cung cấp các phương pháp điều trị ung thư não hiệu quả và an toàn hơn.

Đưa thuốc vào não an toàn hơn.

Khi một người được chẩn đoán có khối u não ung thư, họ thường sẽ được điều trị bằng cách phẫu thuật cắt bỏ khối u và sau đó trải qua hóa trị liệu để loại bỏ các tế bào ung thư còn sót lại. “Đây là phương pháp phổ biến nhất, tuy nhiên phương pháp này có một vấn đề rất lớn là thuốc chỉ có hiệu quả khi nó được đưa vào máu và từ máu len lỏi đi đến những tế bào, cơ quan khác nhau, đặc biệt là những tế bào ung thư để tiêu diệt chúng”, PGS. TS Nguyễn Đức Thành cho biết.

Với ung thư não và các bệnh khác về não, việc điều trị bằng hóa trị còn khó khăn hơn gấp bội bởi rất khó để thuốc xâm nhập được vào các mô não. “Giữa máu với não có một hàng rào gọi là rào cản máu não - được tạo nên bởi các tế bào máu nằm ở trong các thành mạch máu, liên kết với nhau rất chặt chẽ để ngăn không cho bất cứ thứ gì xâm nhập vào não, kể cả thuốc điều trị”, PGS.TS Nguyễn Đức Thành giải thích. Do đó cho đến nay, để thuốc có thể vượt qua hàng rào máu não một cách an toàn và hiệu quả, có một phương pháp đã được nghiên cứu là sử dụng sóng siêu âm để rung các tế bào, từ đó khiến các tế bào trong thành mạch máu giãn ra và mở các lỗ đủ lớn để thuốc đi qua.

Song, để sóng siêu âm có thể xuyên qua hộp sọ dày của con người lại không phải là điều đơn giản. Với phương pháp này, các thiết bị sóng siêu âm phải có cường độ rất lớn, được đặt xung quanh hộp sọ một cách hợp lý và tập trung vào vị trí của khối u, do đó có thể gây tổn hại rất nhiều cho mô não. Thêm vào đó, do có thể gây hại đến não như vậy, các bác sỹ buộc phải tập trung các sóng siêu âm vào phần bị ung thư chứ không được để sóng xâm lấn đến những phần an toàn khác ở trong não. Để tập trung được sóng siêu âm như vậy, bệnh nhân phải được chụp cộng hưởng từ, phải được đo đạc bởi máy cộng hưởng từ trong khi rung sóng siêu âm và các bác sỹ phải điều chỉnh các thiết bị này bên ngoài não sao cho dần dần cường độ tập trung vào phần tế bào ung thư.

“Quá trình ấy này rất phức tạp, diễn ra rất lâu, mất đến vài giờ đồng hồ trong bệnh viện. Vì quá phức tạp, tốn kém và gây mệt mỏi cho bệnh nhân nên phương pháp này hầu như chỉ diễn ra một lần ở bên ngoài não để giúp đưa thuốc vào trong các tế bào ung thư”, PGS. TS Nguyễn Đức Thành cho biết, trong khi đó, hầu hết bệnh nhân bị ung thư não ác tính cần được hóa trị trong nhiều tháng.

“Chúng ta có thể tránh được tất cả những điều đó bằng cách sử dụng một thiết bị cấy ghép phát sóng siêu âm” trong chính bộ não, PGS.TS Nguyễn Đức Thành cho biết. Bằng cách này, “chúng ta có thể sử dụng thiết bị đó nhiều lần, giúp cho thuốc có thể thâm nhập vào não và tiêu diệt các tế bào của khối u”. Thực tế, hiện nay trên thị trường đã có một thiết bị sóng siêu âm cấy ghép, tuy nhiên thiết bị này lại làm bằng vật liệu gốm - tương đối cứng, có khả năng gây độc, xâm lấn, cũng như đòi hỏi phải phẫu thuật lấy thiết bị ra sau khi điều trị xong.

Điểm hạn chế này đã khiến cho nhóm nghiên cứu Nguyen lab của PGS.TS Thành - chuyên về polyme áp điện (một vật liệu dao động khi có một dòng điện nhỏ chạy qua nó) và phân hủy sinh học - nảy ra ý tưởng về việc chế tạo ra một con chip - một thiết bị phát sóng siêu âm mềm, mỏng, tương thích tốt hơn với mô não, có khả năng phân hủy sinh học và tự biến mất trong não, tương tự như chỉ tự tiêu vẫn hay được sử dụng trong phẫu thuật.

Trước đó, họ cũng là nhóm nghiên cứu đầu tiên chế tạo ra một bộ cấy ghép não phát sóng siêu âm áp điện an toàn, có thể phân hủy sinh học, tuy nhiên thiết bị đó không mạnh bằng thiết bị áp điện làm từ gốm truyền thống. Do vậy, năm 2020, PGS. TS Nguyễn Đức Thành và các cộng sự đã bắt tay vào nghiên cứu một kỹ thuật hoàn toàn mới để tạo ra thiết bị phát sóng siêu âm polyme phân hủy sinh học mạnh ngang với thiết bị làm bằng gốm sứ.
Lúc này, nhóm nghiên cứu nghĩ đến các tinh thể glycine - một loại axit amin là một loại protein phổ biến trong cơ thể và gần đây đã được phát hiện là có tính áp điện mạnh. Glycine an toàn và có thể phân hủy sinh học, song cái khó nằm ở chỗ, nó rất dễ bị hòa tan trong nước. Thêm vào đó, “các tinh thể áp điện glycine cũng rất giòn và dễ vỡ, nếu rung mạnh quá thì nó sẽ vỡ ngay lập tức, do đó việc xử lý vật liệu và chế tạo nó thành một thiết bị siêu âm hữu ích vô cùng khó khăn”, PGS. TS Nguyễn Đức Thành giải thích.

Bởi vậy, bài toán thách thức nhất và cũng chính là điểm mấu chốt tạo nên công nghệ này mà nhóm nghiên cứu phải giải quyết chính là: làm thế nào để tạo nên các axit amin vừa có tính áp điện tốt, vừa có khả năng mềm dẻo và không bị tan nhanh trong nước khi được cấy ghép vào não.

Để làm được điều này, nhóm của PGS. TS Thành đã nghiên cứu và tìm ra một giải pháp mới: phá các tinh thể này ra thành những hạt nano và đưa nó vào bên trong những cái sợi polymer mềm dẻo có khả năng tự phân hủy. Cụ thể, nhóm nghiên cứu phát triển các tinh thể glycine và sau đó cố tình phá vỡ chúng thành những mảnh có kích thước chỉ vài trăm nanomet. Sau đó, họ quay chúng (dưới điện áp cao trong một quy trình gọi là quay điện) bằng polycaprolactone (PCL) - một loại polymer có thể phân hủy sinh học, để tạo ra màng áp điện bao gồm các sợi nano glycine và PCL.

Dưới một điện áp nhỏ được điều khiển (xấp xỉ 0,15 Vrms), lớp màng có thể tạo ra sóng siêu âm ở mức 334 kilo-Pascal, tương đương với mức sóng của thiết bị phát sóng bằng gốm cấy ghép trong não. “Các sợi nano và tinh thể nano tạo nên một cấu trúc rất mềm dẻo, có thể bẻ cong được mà không vỡ, cũng như có thể rung rất dễ dàng, tạo nên các tính chất áp điện rất tốt và tạo nên những sóng siêu âm rất mạnh để mở được các rào cản máu não, kể cả ở sâu bên trong của não”, PGS.TS Thành cho biết.

Không chỉ vậy, thiết bị này còn có thể tự tiêu tùy theo thời gian mong muốn. Nhóm của PGS.TS Thành đã phủ màng glycine-PCL trong các polyme có thể phân hủy sinh học khác để bảo vệ. Poly-L-Lactide (PLLA), một lớp phủ khả thi, mất khoảng sáu tuần để phân hủy. “Mình có thể điều chỉnh lớp polymer bao bọc đấy, làm cho nó phân hủy lâu hơn hay nhanh hơn tùy nhu cầu, từ đó kiểm soát được thời gian mà thiết bị đầu phát sóng siêu âm có thể tồn tại được trong não”, PGS.TS Thành giải thích.

Kết quả nghiên cứu này mới đây đã được nhóm nghiên cứu công bố trong bài báo Highly piezoelectric, biodegradable, and flexible amino acid nanofibers for medical applications trên tạp chí Science Advances.

Mở ra nhiều hướng nghiên cứu

Để đánh giá hiệu quả của thiết bị trên thực tế, nhóm của PGS. TS Nguyễn Đức Thành đã thử nghiệm con chip trên chuột bị ung thư não. Những con chuột này được cho sử dụng thuốc PTX (paclitaxel) - một hóa chất hóa trị liệu mạnh có tác dụng chống ung thư não nhưng vốn rất khó để vượt qua được hàng rào máu não. Với thiết bị phát sóng siêu âm glycine-PCL, nhóm nghiên cứu đã kích hoạt thành công PTX vượt qua hàng rào máu não. Nhờ đó, các khối u co lại, việc điều trị cũng giúp tăng gấp đôi thời gian sống của những con chuột bị ung thư não so với những con chuột không được điều trị. Không chỉ vậy, việc điều trị kết hợp siêu âm glycine-PCL và thuốc PTX trên chuột cũng hiệu quả hơn nhiều so với việc điều trị bằng PTX đơn thuần, hoặc so với việc dùng PTX và và thiết bị phát sóng siêu âm phân hủy sinh học phiên bản đầu tiên của nhóm nghiên cứu.

Ngoài hiệu quả điều trị đã nói ở trên, nhóm của PGS. TS Nguyễn Đức Thành đã thực hiện một cuộc kiểm tra độ an toàn trong sáu tháng đối với thiết bị được cấy bên trong não và nhận thấy nó không có tác dụng phụ đối với sức khỏe của chuột. Trong thời gian tới, nhóm cũng sẽ tiếp tục thử nghiệm tính an toàn và hiệu quả ở động vật bậc cao như lợn hoặc khỉ trước khi làm thí nghiệm lâm sàng.

Trong tương lai, “có rất nhiều thứ mà sóng siêu âm có thể được sử dụng. Chẳng hạn, nếu sóng siêu âm đủ mạnh thì chúng ta có thể sử dụng trực tiếp đầu phát sóng siêu âm này để tiêu diệt các tế bào ung thư mà không cần phải dùng đến thuốc”, PGS. TS Nguyễn Đức Thành đưa ra một gợi ý. Điều đáng nói là tiềm năng nghiên cứu và ứng dụng của thiết bị này sẽ không chỉ dừng lại ở việc điều trị ung thư não. Các mô khác (ví dụ như ở tủy sống) cũng có các rào cản máu não, và rất nhiều bệnh về cột sống, tủy sống cần phải mở được rào cản máu não để đưa thuốc vào bên trong. “Ngoài ung thư, còn rất nhiều bệnh khác như Parkinson, Alzheimer - những bệnh này đều chịu ảnh hưởng bởi rào cản máu não, do đó thiết bị của chúng tôi cũng có thể được sử dụng trong điều trị những căn bệnh này”, PGS.TS Nguyễn Đức Thành nói thêm.

Bên cạnh đó, việc kiểm soát hoạt động của các tế bào thần kinh ở những vùng khác nhau của não cũng như hiểu được làm thế nào để các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau ở trong não cũng là một vấn đề quan trọng được rất nhiều người quan tâm. “Với đầu phát sóng siêu âm này, mình có thể sử dụng các sóng siêu âm để kiểm soát các tế bào thần kinh, giúp hiểu được làm thế nào để não hoạt động cũng như kiểm soát được não người, từ đó giúp cho những người bị bại liệt có thể bằng một cách nào đấy liên kết, giao tiếp giữa các tế bào thần kinh với máy tính chẳng hạn”, PGS.TS Thành hình dung về những ứng dụng của nghiên cứu trong tương lai.

Khoahocphattrien