Nhà khoa học Việt Nam làm chủ công nghệ in 3D mạch máu nhân tạo

Nhóm liên ngành Việt Nam chinh phục công nghệ in 3D mạch máu từ tế bào gốc

Một nhóm nghiên cứu liên ngành trong nước vừa làm chủ hoàn toàn hệ máy in 3D sinh học và tạo ra mạch máu nhân tạo — tiền đề mở ra khả năng sản xuất da, sụn, giác mạc phục vụ nhu cầu cấy ghép y tế.

Xuất phát từ bài toán khan hiếm tạng ghép

Hơn 2 năm miệt mài theo đuổi công nghệ in 3D sinh học, nhóm dự án do PGS.TS Nguyễn Ngọc Đỉnh — Trưởng khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội — đồng chủ nhiệm, đã xây dựng thành công hệ máy in do người Việt Nam làm chủ toàn bộ quy trình.

Ý tưởng ban đầu bắt nguồn từ cuộc trao đổi giữa PGS Đỉnh và PGS.BS.TS Đỗ Xuân Hai — Chủ nhiệm Bộ môn Phẫu thuật thực hành, thực nghiệm tại Học viện Quân y — về thực trạng thiếu hụt nguồn tạng trong y tế hiện nay.

Số liệu từ Bộ Y tế cho thấy, Việt Nam hiện có khoảng 8.000–9.000 bệnh nhân đang chờ ghép thận, 10.000 người cần ghép gan, 1.000 người cần ghép tim, và hàng nghìn ca chờ cấy ghép giác mạc. Con số này không ngừng tăng theo từng năm, trong khi lượng tạng hiến tặng không đủ đáp ứng. Đây cũng là vấn đề mang tính toàn cầu, buộc giới khoa học phải tìm kiếm các hướng đi mới — và in 3D sinh học nổi lên như một giải pháp đầy triển vọng.

PGS.TS Nguyễn Ngọc Đỉnh (phải), đồng chủ nhiệm dự án, cùng PGS.BS.TS Đỗ Xuân Hai bên cạnh hệ máy in 3D sinh học sử dụng mực in tế bào gốc. Ảnh: VNU

Liên kết đa ngành để giải mã công nghệ lõi

Tin tưởng rằng đội ngũ khoa học trong nước đủ năng lực theo đuổi hướng này, PGS Đỉnh cùng các đồng nghiệp tại Khoa Sinh học — Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Viện nghiên cứu Tế bào gốc và Công nghệ gene Vinmec thuộc VinUni, và Học viện Quân y đã cùng nhau hình thành một dự án liên ngành quy mô.

Theo đó, Khoa Vật lý phụ trách nghiên cứu và chế tạo hệ máy in; Khoa Sinh học phối hợp với VinUni phát triển mực in sinh học; còn Học viện Quân y đảm nhận việc đưa sản phẩm đầu ra — mạch máu nhân tạo — vào thử nghiệm trực tiếp trên chuột.

TS Thân Thị Trang Uyên từ VinUni, thành viên phụ trách vật liệu sinh học, lý giải rằng việc nhập khẩu thiết bị hoàn chỉnh không khó, nhưng như vậy đội ngũ trong nước sẽ mãi chỉ là người vận hành trong một hệ sinh thái do nước ngoài kiểm soát với nhiều công thức và linh kiện độc quyền. "Mục đích của chúng tôi là nắm giữ công nghệ nền tảng để có thể cải tiến theo hướng đặc thù của nghiên cứu Việt Nam", bà giải thích.

Hai năm tìm công thức cho những viên "gạch sống"

Gần 2 năm được nhóm dành để thử nghiệm nhiều công thức phối trộn vật liệu sinh học nhằm tìm ra tỷ lệ và thành phần tối ưu cho mực in — hay còn gọi là các khối cầu tế bào, được ví như những viên "gạch sống". Mỗi khối cầu được nuôi cấy từ tế bào gốc và phải đạt độ đồng nhất cao về kích thước lẫn mật độ tế bào để máy in hoạt động ổn định, không bị tắc hay lệch tọa độ.

Cơ chế hoạt động của hệ thống khá đặc biệt: một cánh tay robot sẽ gắp và cắm từng khối cầu tế bào lên bàn chông — một tấm nền tạo thành từ các mũi kim siêu nhỏ — theo đúng thiết kế đã lập trình. Theo thời gian, các khối cầu tự liên kết nhau hình thành mô hoàn chỉnh. Khi mô đủ bền vững, toàn bộ cấu trúc được rút ra khỏi bàn kim, các lỗ nhỏ tự đóng lại nhờ quá trình di cư tế bào — cơ chế tương tự như khi cơ thể tự lành vết thương.

Nhóm lựa chọn phương pháp in trên bàn kim Kenzan thay vì đùn ép thông thường. Ưu điểm của Kenzan là tạo ra cấu trúc mô có mật độ tế bào và chất nền ngoại bào gần giống mô tự nhiên hơn, qua đó nâng cao khả năng tương thích sinh học sau khi ghép vào cơ thể. Đây cũng là phương pháp mà các dự án in 3D nội tạng tiên tiến nhất thế giới hiện đang áp dụng.

TS Thân Thị Trang Uyên (VinUni), thành viên dự án. Ảnh: NVCC

Bài toán cơ khí chính xác và linh kiện tự chế

Dù nguyên lý đã được các nhóm quốc tế thực hiện, vô số chi tiết kỹ thuật vẫn buộc nhóm phải trải qua hàng loạt lần thử và sai để tìm ra đáp án riêng. Bàn kim Kenzan yêu cầu các cây kim được bố trí với mật độ cao và sai số chỉ ở mức 0,001 mm. Kim phải đủ cứng, bề mặt hoàn toàn nhẵn và trơ về mặt sinh học để không gây tổn thương hay biến tính tế bào khi tiếp xúc.

Khác với đùn ép, phương pháp Kenzan đòi hỏi robot phải cầm nắm từng khối cầu tế bào cực kỳ mong manh và đặt chính xác vào tọa độ 3D đã định sẵn. Hệ thống cơ học phải kiểm soát lực hút nhả vừa đủ — không được mạnh tới mức nghiền nát khối tế bào sống.

"Nhiều linh kiện siêu nhỏ và cảm biến độ nhạy cao gần như không có trên thị trường. Chúng tôi phải tự chế tạo hoặc tùy chỉnh từ nhiều nguồn rồi tích hợp lại thành một hệ thống hoàn chỉnh", PGS Đỉnh chia sẻ.

Tiềm năng tạo da, sụn, giác mạc và mô thử nghiệm thuốc

Kết quả bước đầu ghi nhận sự thành công khi nhóm in và ghép mạch máu nhân tạo — được nuôi cấy từ tế bào gốc trung mô cuống rốn người — vào động mạch chủ bụng phần dưới thận của chuột Wistar. Mạch máu ghép thể hiện mức tương thích sinh học cao, ít nguy cơ đào thải. Toàn bộ chuột thí nghiệm duy trì lưu thông máu bình thường, huyết áp ổn định, vận động tốt và các chỉ số xét nghiệm không có bất thường.

Dù vậy, PGS Đỉnh thận trọng nhấn mạnh rằng in 3D sinh học chưa thể giải quyết ngay bài toán khan hiếm tạng, nhưng đây là con đường nghiên cứu để làm chủ một công nghệ lõi đầy tiềm năng.

PGS Hai cho rằng, với hạ tầng và nhu cầu thực tế của ngành y tế Việt Nam, những sản phẩm có tác động lâm sàng đầu tiên sẽ không phải là các cơ quan nội tạng phức tạp mà là các cấu trúc mô mỏng hoặc mô hình mô phỏng phục vụ thử nghiệm thuốc. Cụ thể, hướng gần nhất là in sụn tai cho trẻ dị tật bẩm sinh, sụn khớp gối cho bệnh nhân thoái hóa khớp, hay các mảnh da biểu bì nuôi cấy từ chính tế bào gốc của bệnh nhân để điều trị vết thương. Nhu cầu ghép giác mạc tại Việt Nam cũng được nhóm xác định là hướng phát triển khả thi cao do nguồn hiến tặng vô cùng hạn chế.

Hệ máy in 3D sinh học được phát triển trong dự án VINIF.2020.DA07. Ảnh: VNU

Hành lang pháp lý — rào cản lớn nhất trước khi ứng dụng

Theo PGS Đỉnh, trở ngại lớn nhất hiện nay không nằm ở kỹ thuật mà ở khung pháp lý. Vì sử dụng tế bào gốc sống, sản phẩm in 3D sinh học được phân loại là mô sống hoặc thuốc sinh học đặc biệt — khác hoàn toàn với xương nhân tạo trơ — trong khi chưa có bộ tiêu chuẩn và quy trình kiểm định rõ ràng nào cho loại sản phẩm này tại Việt Nam cũng như trên thế giới.

Quy trình phê duyệt y tế truyền thống yêu cầu thử nghiệm lâm sàng trên hàng nghìn mẫu đồng nhất, nhưng bản chất của in 3D sinh học là cá thể hóa theo từng bệnh nhân — mỗi lần sản xuất là một phiên bản độc lập, khiến bài toán cấp phép trở nên nan giải. Ngoài ra, rủi ro dài hạn từ tế bào gốc sau cấy ghép — bao gồm nguy cơ biến đổi bất thường hoặc hình thành khối u — cũng là vấn đề cần kiểm soát nghiêm ngặt.

"Để chứng minh và đảm bảo an toàn tuyệt đối nhằm được cơ quan pháp lý phê duyệt lâm sàng có thể mất từ 5 đến 10 năm", PGS Hai cho biết.

Ứng dụng thương mại sớm nhất: thử nghiệm thuốc trên mô người

Song song với con đường lâm sàng còn nhiều vướng mắc, hướng ứng dụng có thể tạo ra giá trị kinh tế sớm hơn là dùng mô in 3D để thử nghiệm dược phẩm. Nhóm đặt mục tiêu in các cấu trúc mô thu nhỏ như mô gan, mô thận, hay mô hình khối u ung thư từ tế bào bệnh nhân Việt Nam.

Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp dược trong nước có thể dùng những mô sống này để kiểm tra độc tính thuốc, thay thế thử nghiệm trên động vật — vốn bị hạn chế cả về đạo đức lẫn độ chính xác. Phương pháp này còn cho phép sàng lọc phác đồ hóa trị cá thể hóa: thử nghiệm loại thuốc nào hiệu quả nhất trên mô khối u nuôi cấy từ chính tế bào của bệnh nhân trước khi đưa vào điều trị thực tế.

"Với sự hợp tác của các bệnh viện và trung tâm y tế đầu ngành, Việt Nam hoàn toàn có cơ hội xây dựng các quy trình thử nghiệm trên mô sống, phục vụ ngành dược phẩm nội địa", PGS Đỉnh kỳ vọng.

• Phát hiện bất ngờ giúp nhà khoa học Việt tạo vật liệu nano trị ung thư
• Công nghệ có thể biến 'cải lão hoàn đồng' thành hiện thực

Cảm ơn bạn đã dành thời gian theo dõi bài viết. Nếu chủ đề khoa học và công nghệ y tế trong nước khiến bạn thấy thú vị, đừng bỏ qua các bài viết liên quan ngay bên dưới.