I. Những cụng nghệ đang nổ
3.2. Y học tỏi sinh (Regenerative Medicine)
Sự nổi lờn của bộ mụn Y học tỏi sinh là dấu hiệu thay đổi khuụn mẫu, từ chỗ chỳ trọng thay thế mụ sang sửa chữa và tỏi sinh mụ bị bệnh và lóo hoỏ, cũng như cỏc bộ phận hư hỏng, thụng qua phương phỏp sinh học. Dự bỏo từ nay đến 2025, cỏc biện phỏp tỏi sinh dựa vào tế bào sẽ thõm nhập vào y tế để chữa trị những bệnh như Alzheimer, Parkinson, tiểu đường và bệnh tim. Lõu dài hơn, mục tiờu cuối cựng đặt ra là tỏi sinh hoàn toàn cỏc bộ phận.
Một số động lực then chốt khiến gia tăng hoạt động nghiờn cứu bộ mụn này bao gồm sự thiếu hụt nghiờm trọng cỏc bộ phận thay thế, mỏu và mụ; tỡnh trạng dõn số già đi nhanh chúng ở cỏc nước phỏt triển.
Cỏc cụng nghệ nơron cũng đang phỏt triển nhanh và những ứng dụng tiềm năng đang nổi lờn, sẽ tạo khả năng cho những người tàn phế sử dụng tớn hiệu từ bộ nóo để cử động chõn tay giả (cũng như cỏc thiết bị bờn ngoài như xe lăn, bàn phớm mỏy tớnh v.v...). Về lõu dài, cỏc cụng nghệ này thậm chớ cú khả năng kớch hoạt cỏc bộ phận bị liệt.
Dưới đõy sẽ đề cập đến sự phỏt triển trong tương lai của kỹ thuật mụ:
Kỹ thuật mụ
Để sản xuất ở quy mụ lớn cỏc sản phẩm kỹ thuật mụ đũi hỏi phải cú kiến thức và sự kết hợp một số lĩnh vực R&D như: y học, vật liệu học, sinh học và kỹ thuật. Cỏc nhiệm vụ đũi hỏi của kỹ thuật mụ bao gồm:
Tạo nguồn và tăng cường cỏc tế bào hoặc dũng tế bào (Cell Line);
Phỏt triển bộ giàn giỏo (Scaffold) vật liệu sinh học để nuụi cấy tế bào (đỏp ứng cả nhu cầu nuụi cấy trong cơ thể và trong ống nghiệm);
Biểu thị và nạp cỏc phõn tử sinh học để điều chỉnh sự tăng trưởng, chuyờn biệt hoỏ tế bào;
Giải phỏp khắc phục phản ứng của hệ miễn dịch;
Chế tạo cỏc thiết bị phản ứng sinh học và cỏc hệ thống bảo quản và sản xuất quy mụ lớn phục vụ cho khõu sản xuất.
Rừ ràng, đõy là một lĩnh vực rất mới của CNSH. Lĩnh vực này cũng phức tạp, vỡ giải phỏp cho cỏc nhiệm vụ nờu trờn hiện đang ở giai đoạn phỏt triển khỏc nhau. Vớ dụ, sự phỏt triển cỏc ứng dụng của vật liệu sinh học đang ở mức độ tiờn tiến hơn so với hiểu biết về sự sinh sụi và chuyờn biệt hoỏ của cỏc loại tế bào.
Cho tới nay đó cú một số sản phẩm kỹ thuật mụ vươn được ra thị trường. Hiện ở trờn thị trường cú khoảng trờn một chục loại sản phẩm thay thế da được tạo ra bằng kỹ thuật mụ. Cũng cú mặt một số sản phẩm khỏc cũn chưa hoàn thiện như sụn, xương, van tim.
Khả năng ỏp dụng cỏc cấu trỳc đa tế bào tạo được bằng kỹ thuật mụ đạt thành cụng rất ớt. Đú là do những vấn đề liờn quan đến phản ứng miễn dịch và kiến thức cũn hạn chế về sự điều chỉnh và duy trỡ chức năng tế bào. Vẫn cũn phải khắc phục một số vướng mắc về KH&CN trước khi thực thi được hứa hẹn của kỹ thuật mụ. Dưới đõy đề cập đến một số vấn đề chủ yếu.
3.2.1.1. Tỡm kiếm tế bào
Một vấn đề quan trọng trong phỏt triển kỹ thuật mụ là tỡm kiếm và tăng cường cỏc tế bào và dũng tế bào.
Tế bào và dũng tế bào cú thể lấy từ những nguồn khỏc nhau. Chỳng cú thể được lấy từ cơ thể bệnh nhõn, từ người cho hiến (Donor) và từ cỏc loài khỏc. Chỳng cú thể được lấy từ cỏc dạng tỏch biệt (những tế bào vừa được chiết xuất, với tuổi thọ xỏc định) hoặc dũng tế bào, đũi hỏi phải tạo ra mụi trường nuụi cấy trong ống nghiệm. ở mỗi một nguồn thu nhận tế bào cú thể cú sự biến đổi tiếp thành cỏc dạng tế bào khỏc, hứa hẹn nhất là cỏc tế bào gốc.
Tế bào gốc là những tế bào cú khả năng tiếp tục phõn chia và phỏt triển thành cỏc loại mụ khỏc nhau, khiến cho chỳng đặc biệt cú nhiều hứa hẹn cho cỏc ứng dụng y học.
Tế bào gốc lấy từ phụi (ESC), hay cũn gọi là tế bào mầm, được coi là cú tiềm năng nhất. Tuy nhiờn, ESC làm phỏt sinh vấn đề đạo đức. Cỏc quốc gia khỏc nhau cú sự phõn hoỏ theo cỏch tiếp cận luật phỏp đối với ESC và việc phỏt triển cỏc ứng dụng ESC sẽ phụ thuộc rất nhiều vào cỏch tiếp cận này.
Cỏc tế bào gốc trưởng thành (Adult) cú mặt ở cỏc bộ phận cơ thể (vớ dụ gan, hệ thần kinh trung ương, tụy…) hiện đang được chỳ trọng nghiờn cứu. Mặc dự cỏc tế bào gốc trưởng thành khụng cú khả năng tương tự như ESC trong việc phỏt triển thành nhiều loại tế bào khỏc, nhưng cú khả năng là chỳng tham dự vào quỏ trỡnh tỏi sinh cỏc bộ phận. Vớ dụ, gần đõy đó quan sỏt thấy cỏc tế bào gốc trong số cỏc tế bào tủy xương khụng chỉ chuyờn biệt húa thành cỏc tế bào hồng cầu, mà cũn thành tế bào gan, nếu
được cấy vào gan. Tuỷ xương cũng chứa cỏc tế bào gốc cú tiềm năng chuyờn biệt hoỏ thành xương, sụn hoặc cơ tim.
Hoạt động nghiờn cứu về liệu phỏp dựa vào tế bào gốc đang ở giai đoạn rất sơ khai. Cỏc nhà khoa học sẽ cũn phải tiếp tục khắc phục một số khú khăn về KH&CN trước khi đạt được ứng dụng lõm sàng, bao gồm:
Hiểu biết về cơ chế điều chỉnh tăng trưởng và chuyờn biệt hoỏ của tế bào gốc thành mụ;
Hạn chế nguy cơ tế bào gốc chuyờn biệt hoỏ thành tế bào ung thư;
Khắc phục sự chối bỏ của hệ miễn dịch cú thể phỏt sinh khi bệnh nhõn nhận tế bào gốc từ cơ thể khỏc, hoặc ESC.
Nhiều quốc gia, đặc biệt là Trung Quốc, Singapo và Anh đang đầu tư mạnh cho nghiờn cứu tế bào gốc. Nước Mỹ do những vấn đề liờn quan đến chớnh trị, tụn giỏo và đạo đức nờn kinh phớ Liờn bang chỉ tài trợ hạn chế cho nghiờn cứu ESC.
3.2.1.2. Vật liệu sinh học, phõn tử sinh học và cụng nghệ giàn giỏo
Vật liệu sinh học trong kỹ thuật mụ được dựng để hỗ trợ và hướng dẫn sự tăng trưởng của cỏc tế bào trong cỏc cấu trỳc 2 hoặc 3 chiều đặc thự, thường gọi là “giàn giỏo”. Một bộ giàn giỏo lý tưởng là bắt chước chức năng của ma trận ngoại bào (ECM), tức là tạo ra cho tế bào một cấu trỳc hỗ trợ bao gồm protein, carbohydrat và phõn tử tớn hiệu.
Vật liệu sinh học phục vụ cho y học hiện đại đó phỏt triển từ thập kỷ 60, với những tiến bộ nổi bật như sau:
Giai đoạn Đặc trưng
Thế hệ thứ nhất:
Thập kỷ 60 – 70. Được phỏt triển để sử dụng cho cơ thể người, giảm thiểu được tớnh độc hại và khả năng chối bỏ.
Lành tớnh về mặt sinh học. Thế hệ thứ hai:
Thập kỷ 80 đến năm 2000
Hoạt tớnh sinh học: cỏc cấu phần cú thể gợi được tỏc động và phản ứng được kiểm soỏt trong mụi trường sinh lý học.
Khả năng phõn giải. Thế hệ thứ ba:
Từ 2000 đến nay Được thiết kế để kớch hoạt phản ứng tế bào đặc thự ở cấp phõn tử.
Kết hợp hoạt tớnh sinh học và khả năng phõn giải.
Kớch hoạt cỏc gen để kớch thớch khả năng tỏi sinh của cỏc mụ sinh vật.
Hoạt động nghiờn cứu hiện nay đang chỳ trọng vào phỏt triển cỏc vật liệu sinh học cú những tớnh chất cơ học cần thiết (chẳng hạn như khả năng chịu tải, khả năng phõn hủy. Mối quan tõm chủ yếu là kết hợp cỏc phõn tử tớn hiệu kớch hoạt (chẳng hạn như protein cú chức năng tỏc nhõn tăng trưởng) vào bộ giàn giỏo vật liệu sinh học. Nghiờn cứu việc dẫn nạp cỏc phõn tử sinh học đang chịu ảnh hưởng mạnh của những phỏt triển cụng nghệ về vộctơ trị liệu gen. Khả năng kết hợp cỏc phõn tử kớch hoạt vào bộ giàn giỏo và giải phúng cú điều khiển đối với cỏc tỏc nhõn tăng trưởng cho phự hợp với điều kiện sinh lý là một trong những khõu then chốt tiếp theo của tiến bộ cụng nghệ.
Khớa cạnh thiết kế cấu trỳc giàn giỏo cũng cú tầm quan trọng khụng kộm để phỏt triển cỏc vật liệu sinh học mới. Một phỏt triển cụng nghệ cú hứa hẹn đem lại tiến bộ
trong lĩnh vực này là tạo nguyờn mẫu nhanh (Rapid Prototyping) hoặc in ba chiều. Cụng nghệ in 3 chiều, cựng với cỏc cụng nghệ như chụp cắt lớp hay chụp cộng hưởng từ tạo khả năng cú được những mụ hỡnh động chớnh xỏc của cỏc bộ phận và hệ mạch của chỳng. Một trong những trở ngại kỹ thuật lớn để tỏi sinh bộ phận hoặc mụ là nhõn bản cỏc mao mạch. Cụng nghệ in 3 chiều, với khả năng lập mụ hỡnh chớnh xỏc cỏc hệ thống sinh vật, được coi là giải phỏp đặc biệt hứa hẹn.
CNNN sinh học cũng cú dấu hiệu sẽ giỳp khắc phục trở ngại này. Vớ dụ, cỏc kỹ thuật chế tạo vi mụ đó giỳp vi tiểu hỡnh hoỏ cỏc bộ giàn cho kỹ thuật mụ, cho phộp kiểm soỏt ở cấp vi mụ cỏc bề mặt tế bào một cỏch hiệu quả hơn để mụ phỏng tỏc dụng của thành mạch. Cỏc polyme sinh học cũng được chế tạo với cỏc kờnh kớch thước như mao mạch và đó cú triển vọng như những ống dẫn cú hiệu quả để hỡnh thành cỏc mạch mỏu. Một ứng dụng trước mắt là thay thế cỏc mụ động mạch tim bị hư hỏng.
3.2.1.3. Thiết kế kỹ thuật và sản xuất
Sau khi khẳng định được tớnh khả thi về kỹ thuật để tỏi sinh mụ, vẫn cần phải khắc phục cỏc thỏch thức quan trọng về thiết kế kỹ thuật thỡ mới tiến hành được việc sản xuất quy mụ lớn.
Cỏc sản phẩm kỹ thuật mụ được nuụi cấy ngoài cơ thể sẽ phụ thuộc vào việc phỏt triển của cỏc cụng nghệ thiết bị phản ứng-những thiết bị quan trọng để bảo quản tế bào và mụ trước khi đưa vào sử dụng lõm sàng. Cú một số vấn đề cần giải quyết như sau:
Làm thớch ứng cụng nghệ thiết bị phản ứng hiện cú để cú khả năng tăng cường tế bào và xản suất mụ ba chiều ở quy mụ lớn;
Sử dụng thiết bị phản ứng làm thiết bị hỗ trợ cỏc bộ phận cơ thể;
Xõy dựng cỏc chiến lược hỗ trợ lưu thụng mỏu trong cỏc mụ được tạo;
Phỏt triển cỏc thiết bị phản ứng sinh học mụ phỏng mụi trường sinh lý.
Cho dự cỏc tế bào được nuụi cấy trong ống nghiệm hay trong cơ thể thỡ cũng đều làm nảy sinh những vấn đề đối với sự phỏt triển trong tương lai. Người ta quan tõm nhiều đến trường hợp nuụi cấy mụ tại chỗ (In Situ) nhờ cỏc tế bào tiờm vào, do cú ưu điểm là khụng cần phải mụ phỏng mụi trường sinh lý nhõn tạo. Nếu như cỏc tế bào phải được tạo ra bờn ngoài cơ thể để thành mụ cấy ghộp thỡ trước hết phải lấy được cỏc tế bào thớch hợp của bệnh nhõn. Nếu cỏc tế bào được lấy từ cơ thể bệnh nhõn thỡ sẽ cần phải cú một hệ thống nuụi dưỡng kốm theo. Điều này đem lại những vấn đề về luật phỏp, đồng thời rất tốn kộm.
3.2.2. Cỏc bộ phận sinh học nhõn tạo
Sự phỏt triển cỏc bộ phận sinh học nhõn tạo-thực chất là được dựng tạm thời trong thời gian chờ bệnh nhõn hồi phục hoặc cú được cỏc phủ tạng của người hiến-đó cú được khỏ nhiều tiến bộ. Cỏc bộ phận sinh học nhõn tạo lấy plasma của bệnh nhõn cần cấy ghộp và lưu chuyển những tế bào này bờn ngoài cơ thể trong thiết bị phản ứng thụng qua cỏc tế bào khỏe của bệnh nhõn. Cụng nghệ này cú thể coi là chiếm vị trớ trung gian giữa liệu phỏp tế bào và tỏi sinh toàn bộ bộ phận. Hiện tại, 2 loại thiết bị gan nhõn tạo sử dụng tế bào gan người và 3 thiết bị sử dụng tế bào gan lợn đang trong quỏ trỡnh thử nghiệm lõm sàng.