Tiến bộ y học trong sản xuất bộ phận cơ thể thay thế: Có thể làm ra quả tim con người?

Từ da đến ruột nhân tạo

Các nhà khoa học đã thành công trong việc nuôi trong phòng thí nghiệm da nhân tạo gần giống như da người và thử nghiệm thành công trên động vật như chuột, chó. Tiến sĩ Karl Koehler, Viện Khoa học tế bào Allen (Mỹ), và các đồng nghiệp đã xây dựng một hệ thống để nuôi da người từ những tế bào gốc đa năng, có khả năng tạo ra nhiều loại mô khác nhau. Theo Viện Khoa học tế bào Allen, sau một thời gian dài nghiên cứu để có thể tạo nên các lớp da phức tạp cấu thành từ các loại tế bào khác nhau, nhóm nghiên cứu đã tạo ra những mẩu da nhỏ xíu có nang lông trong phòng thí nghiệm.

Dù đây là lần đầu tiên da nhân tạo phát triển đến mức có nang lông, ý nghĩa của thành công này ở chỗ: da nhân tạo nuôi trong phòng thí nghiệm đã trở nên thật hơn, giống da người hơn. Nghiên cứu của tiến sĩ Koehler và nhà sinh học Jiyoon Lee đã được công bố trên tạp chí Nature ngày 3-6-2020 là một tiến bộ lớn của ngành công nghệ y sinh. Mẩu da nhân tạo (gọi là organoids) gồm các tế bào và mô có thể được ứng dụng để điều trị các ca bệnh hiếm gặp về da như ung thư da, vàng da biểu bì do di truyền hoặc để cấy da cho bệnh nhân bị bỏng nặng và ứng dụng cho phẫu thuật tái tạo da. Da nhân tạo này mới được thí nghiệm trên chuột.

12% trẻ sinh non trên thế giới có thể bị viêm ruột hoại tử. Tỉ lệ tử vong của bệnh này có thể lên đến 50% ở những trẻ sinh non dưới 1,5kg. Đây là một trong những vấn đề khó điều trị nhất trong sơ sinh học và liệu pháp hiện nay vẫn là cắt bỏ phần ruột bị hư. Dù có thể vượt qua cuộc phẫu thuật, những trẻ em này sau đó gặp chứng ruột ngắn. Các em có thể không thể hấp thụ thức ăn và cần hỗ trợ dinh dưỡng suốt đời, dẫn đến nguy cơ nhiễm độc gan và nhiễm trùng tái phát. Thực tế, rất nhiều người cần ghép ruột nhưng lại rất khó có mô của người hiến tặng và liệu pháp ức chế miễn dịch sau ghép đặt ra những thách thức và rủi ro lâu dài. Đây là những vấn đề đặt ra để các nhà khoa học bắt tay nghiên cứu ruột nhân tạo.

Các kỹ sư về y sinh của ĐH Cornell, Mỹ đã tạo ra ruột nhân tạo từ tế bào gốc ruột và phát triển chúng trên bộ khung không gian ba chiều làm từ vật liệu tổng hợp có thể phân hủy sinh học. Nghiên cứu của họ đã tạo ra một cấu trúc có sự tương đồng đáng chú ý với ruột tự nhiên. Họ đã cấy thành công ruột nhân tạo lên chuột và chó con.

Xưởng sản xuất nội tạng?

Với những phòng thí nghiệm tối tân, sản xuất một quả tim hoàn chỉnh cho người cần đến nó có thể là việc của vài chục năm nữa nhưng chắc chắn không phải là chuyện tưởng tượng. Anthony Atala đang làm việc cho một phòng thí nghiệm sản xuất bộ phận cơ thể như vậy. Anh là giám đốc của Viện Y học tái sinh Wake Forest ở Winston-Salem, bang North Carolina, Mỹ. Tại đây, họ đã sử dụng tế bào người để nuôi cơ, mạch máu, da và thậm chí là bàng quang hoàn chỉnh.

Theo tạp chí Smithsonian, phần lớn các nghiên cứu này đang ở giai đoạn thử nghiệm và chưa được thử nghiệm trên bệnh nhân. Riêng bàng quang nuôi trong phòng thí nghiệm đã được thí điểm ghép cho hơn 20 trẻ em và thanh niên bị dị tật bẩm sinh về bàng quang, không thể tiểu sạch - tình trạng có thể gây ra tổn thương cho thận. Bàng quang là bộ phận nuôi trong phòng thí nghiệm đầu tiên được cấy cho con người. Nếu kết quả lâm sàng tốt, việc điều trị không chỉ áp dụng đối với dị tật bàng quang bẩm sinh mà còn cho bệnh nhân ung thư bàng quang...

Bàng quang nhân tạo thay thế được tạo ra từ chính cơ thể bệnh nhân. Họ tách một mẩu nhỏ từ bàng quang của bệnh nhân, tách riêng các tế bào cơ và tế bào tiết niệu. Sau đó đặt các tế bào này vào dung dịch nuôi trong phòng thí nghiệm để chúng có thể nhân lên. Sau 6 tuần, các nhà khoa học có đủ tế bào sống để tạo nên một bàng quang hoàn chỉnh. Tiếp đó, họ đổ các tế bào cơ được nuôi cấy lên bên ngoài một bộ khung làm từ collagen - loại protein cần trong liên kết tế bào và axit polyglycolic, một nguyên liệu trong chỉ phẫu thuật tự tiêu.

Sau hai ngày, bộ khung tiếp tục được phủ lên với các tế bào tiết niệu. Bàng quang mới được nuôi dưỡng trong lồng ấp mô phỏng các điều kiện cơ thể, cho phép các tế bào phát triển và đan vào nhau. Cuối cùng, nó được cấy vào cơ thể bệnh nhân, khi bộ khung collagen dần dần tan ra. Các nhà nghiên cứu đã chuẩn hóa quy trình tạo ra bàng quang nhân với cỡ nhỏ, vừa, lớn và cực lớn. Atala và các đồng nghiệp cũng đã nghiên cứu tạo ra thận trong phòng thí nghiệm có thể lọc nước tiểu khi cấy vào động vật thí nghiệm.

Công nghệ in 3D sinh học

Ngày nay, một bộ công nghệ đang nổi lên nhanh chóng trong y học là công nghệ bioprinting. Bioprinting sử dụng máy in 3D và các kỹ thuật tái tạo cấu trúc ba chiều của vật liệu sinh học bằng cách định vị từng lớp chính xác. Công nghệ này có thể tái tạo mô và cả bộ phận cơ thể, sau đó cấy ghép trở lại vào người bệnh nhân.

Trong y khoa, các bác sĩ và nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ in 3D cho nhiều mục đích: tái tạo một cách chính xác một bộ phận cơ thể người như nguyên mẫu như xương đùi, động mạch vành, các nếp gấp bên ngoài não người... dẫu đang là thử nghiệm và chưa được ghép cho người. Tuy quá trình in hoàn thiện một cơ quan nội tạng còn cần nhiều thời gian, các nhà khoa học tin rằng họ có thể in bằng công nghệ 3D sinh học mọi bộ phận. Phương pháp in 3D sinh học trong lĩnh vực nha khoa đã có những tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây.

Hiện các nhà khoa học chưa thể in 3D sinh học một bộ phận cơ thể hoàn chỉnh vì họ vẫn chưa kết nối các cấu trúc in với các hệ thống mạch máu có chức năng đưa máu và bạch huyết giúp duy trì sự sống trên khắp cơ thể. Một số thành công trong in 3D sinh học hiện nay là in mô không có mạch máu như một số loại sụn. Một số nghiên cứu trên động vật liên quan đến mô tim, mạch máu và da, cũng cho kết quả hứa hẹn, cho thấy lĩnh vực này đang tiến gần hơn đến mục tiêu cuối cùng của nó: in các bộ phận cơ thể hoàn chỉnh.

Trong năm 2019, rất nhiều nhóm nghiên cứu đã công bố hàng loạt kết quả đột phá: Các kỹ sư sinh học của ĐH Rice và ĐH Washington đã sử dụng hydrogel để in thành công nhiều mạng lưới mạch máu phức tạp đầu tiên. Các nhà khoa học tại ĐH Tel Aviv (Israel) in được trái tim bằng công nghệ 3D sinh học đầu tiên gồm các tế bào, mạch máu, tâm thất và các ngăn tim với các tế bào và vật liệu sinh học từ một bệnh nhân. Tại Vương quốc Anh, một nhóm nghiên cứu từ ĐH Swansea đã phát triển một quy trình in sinh học để tạo ra xương nhân tạo.■

Với những tiến bộ được công bố liên tục, nhiều người tin rằng việc nuôi trồng các bộ phận cơ thể trong phòng thí nghiệm sẽ sớm xảy ra trong tương lai. Theo Jordan Miller, giáo sư về kỹ thuật y sinh của ĐH Rice: “Nhờ tiến bộ công nghệ, các nhà khoa học đã có nhiều hiểu biết hơn trước đây. Hàng ngàn phòng thí nghiệm có thể nghiên cứu để tạo ra các tế bào tốt hơn, mô phỏng hoạt động của bộ phận cơ thể tự nhiên. Tuy nhiên, việc tạo ra môi trường tốt nhất để phát triển tế bào hoặc công thức dinh dưỡng tốt nhất để nuôi chúng chỉ là một phần của thành công. Những tế bào đó cần được tổ chức đúng cách để chúng hoạt động bình thường khi được đổ vào các bộ khung 3D”.