Thật khó tưởng tượng, nhưng đây là chuyện có thật: Tai nhân tạo trên đĩa petri.
Alexa, 20 tuổi, người Mexico là bệnh nhân đầu tiên được cấy ghép tai theo phương pháp mới. Trước đây, cô luôn phải che giấu phần tai dị dạng của mình dưới mái tóc lòa xòa. Nay, sau cuộc phẫu thuật ở Mỹ vào tháng 3, Alexa đã có một vành tai hoàn chỉnh được làm bằng công nghệ in 3D.
Vành tai mới này của Alexa được công ty 3DBio Therapeutics phát triển từ tế bào sụn của bản thân người bệnh nhằm giảm thiểu tối đa nguy cơ đào thải. “Chúng tôi nhận được một mẫu mô và trên cơ sở đó đã tạo ra được một cái tai sống”, Daniel Cohen – nhà đồng sáng lập doanh nghiệp – chia sẻ trên New York Times.
Michael Gelinsky, giáo sư của Translational Bone, đánh giá: “cuộc cấy ghép vành tai được in sinh học từ các tế bào sống này là một cột mốc quan trọng đối với lĩnh vực y học tái tạo vốn còn tương đối non trẻ. Không chỉ vậy, đây còn là một sự kiện đặc biệt đối với lĩnh vực kỹ thuật mô, tức là tái tạo nhân tạo mô sinh học”. Do đó, sự tiến bộ này khiến nhiều người kỳ vọng rằng chúng ta sẽ có thể tạo ra các đĩa đệm hoặc mũi, và cuối cùng là tạo ra các cơ quan nội tạng chức năng như thận và gan trong tương lai.
Trong những tháng qua, lĩnh vực y học tái tạo cũng đã ghi nhận một số tiến bộ vượt bậc. Chẳng hạn, ở Mỹ, lần đầu tiên một bệnh nhân bị bệnh nặng đã được cấy thành công một quả tim lợn biến đổi gene và kéo dài sự sống thêm hai tháng. United Therapeutics – công ty cung cấp quả tim lợn này – cũng đang thử nghiệm chế tạo các bộ phận của phổi bằng in 3D để cấy ghép. Ở Israel, các nhà khoa học cũng đang kỳ vọng có thể tiến hành in mạch máu vào mùa thu tới.
Sản xuất các bộ phận giả bằng máy in 3D
Thực tế, một số dạng máy in 3D phục vụ mục đích y học đã ra đời từ những năm 2000. Thông qua điều khiển bằng máy tính, các máy in này đã sản xuất ra các bộ phận như chân, tay giả bằng nhựa hoặc kim loại nhẹ với độ khít cao và chính xác hơn. Người ta cũng đã sản xuất thử cánh tay bionic hoặc hộp sọ bằng titan thiết kế riêng cho chó.
Các nhà nghiên cứu đặc biệt chú ý đến sự phát triển nhân tạo của mô sinh học bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật mô khác nhau: trong in sinh học 3D, các tế bào sống của con người được tích hợp trực tiếp vào quy trình in tự động.
Theo đó, hộp in sẽ chứa đầy mực sinh học, sau đó ép thành sợi thông qua một vòi phun rất mỏng gắn vào đầu phun để có thể bảo đảm việc in liên tục. Và các nhà khoa học rất ngạc nhiên khi thấy các tế bào có khả năng sinh tồn trong quá trình thực hiện thao tác in.
Mực sinh học bao gồm hydrogel, một mạng lưới ba chiều gồm các chuỗi polyme dài. Đây là vật liệu chứa nhiều nước và tương tự như chất liệu giữa các tế bào của các mô mềm trong cơ thể. Chất nền nhân tạo này cũng có thể chứa hàng triệu tế bào và các chất độn vô cơ có hoạt tính sinh học giúp thúc đẩy tăng trưởng và giao tiếp giữa các tế bào.
Trong nghiên cứu của Michael Gelinsky, các xương có vai trò trung tâm. Ông và các cộng sự đã dùng mực sinh học có pha trộn với các chất như Calci phosphat (xi măng) của xương – yếu tố giúp cho chúng rắn lại khi tiếp xúc với nước. Phương pháp này có thể ứng dụng làm các mô hình mô để nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các loại tế bào khác nhau, hoặc để thử nghiệm thành phần hoạt tính trong quá trình phát triển các loại thuốc mới. Đáng chú ý, phương pháp này có thể sử dụng trong lâm sàng, ví dụ như cấy ghép cho người bệnh.
Alexa không phải là bệnh nhân duy nhất được trải nghiệm sản phẩm từ phương pháp in này. Công ty 3DBio Therapeutics đang tiến hành một nghiên cứu lâm sàng với 11 bệnh nhân trong độ tuổi từ 6 đến 25, tuy nhiên dữ liệu cụ thể chưa được công bố do lo ngại có thể phát sinh các vấn đề phức tạp. Cho đến nay, người ta mới chỉ biết quá trình này diễn ra như sau: một lượng nhỏ tế bào sụn của cơ thể, có tên là chondrocytes, được dùng để phối trộn với một số thành phần khác để tạo thành mô sụn của con người – thành phần này được lấy từ chiếc tai dị dạng của người bệnh để nhân lên hàng tỷ lần trong một dung dịch dinh dưỡng. Ở bước tiếp theo, những tế bào này được trộn với “mực sinh học” dựa trên collagen và được dùng để in ra một chiếc tai nhân tạo chỉ sau 10 phút.
Hình ảnh minh họa quá trình in một chiếc tai.
Công nghệ in sinh học 3D này còn có thể in được những gì nữa? Theo Gelinsky, câu trả lời là “tất cả những thứ có cấu trúc tương đối đơn giản hoặc có thể đơn giản hóa được”. Chẳng hạn, da nhân tạo là loại da đã được đơn giản hóa, không có bã nhờn, tuyến mồ hôi, chân tóc và mạch máu. Sau khi được bôi lên vết thương, các mạch máu sẽ nhanh chóng phát triển từ bên dưới và nuôi dưỡng các tế bào mô liên kết.
Bên cạnh đó, công nghệ này cũng có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác. Mới đây, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã giới thiệu một loại da nhân tạo dành cho robot. Loại da này bao gồm các tế bào của con người và vẫn phải được giữ ẩm trong giai đoạn phát triển, sau đó chúng sẽ được sử dụng để che phủ các bộ xương bằng thép và nhựa của robot.
Có thể in nội tạng?
Hiện tại, nhiều nhóm nghiên cứu đang nỗ lực để tạo ra các mô phức tạp hơn. Trong đó, sụn là một bộ phận được nhiều bên lựa chọn vì chúng không có mạch máu đi qua như các loại mô khác. “Do đó, có thể sản xuất sụn bằng công nghệ in sinh học. Tuy nhiên, cho đến nay công nghệ này mới chỉ có tác dụng trong các trường hợp bị tổn thương nhẹ”, Gelinsky nói. Nhiều người mơ ước một ngày nào đó, phương pháp in sinh học 3D có thể cho ra đời những bộ phận phức tạp như tim, gan, thận để cứu sống bệnh nhân trong thời gian chờ tạng thay thế. Tuy nhiên, đó còn là một chặng đường rất dài phải vượt qua.
Lý do là bởi, các cơ quan nội tạng vốn có cấu trúc lớn và phức tạp. Trong khi đó, in sinh học đòi hỏi phải được thực hiện với độ phân giải cao, do đó phương pháp này chỉ có thể tạo ra những những cấu trúc nhỏ, nếu không quy trình in sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian. Khi in, các tế bào phải nhanh chóng được đưa về dung dịch dinh dưỡng ở nhiệt độ 37 °C. Nếu giảm độ phân giải, máy có thể in một cấu trúc lớn hơn và rút ngắn được thời gian in, tuy nhiên, điều này lại khiến cho cơ quan nhân tạo ấy không thể phát triển với đầy đủ chức năng của mình. Ngoài ra, một vấn đề khác là: nếu tế bào được lấy từ một bộ phận bị bệnh, chúng sẽ trở nên vô dụng. Vậy chúng ta có thể lấy tế bào từ đâu?
Về nguyên tắc, có thể lập trình lại các tế bào da để thu được các tế bào gốc đa năng, từ đó phát triển ra tất cả các loại tế bào khác. Dù về lý thuyết, quá trình này có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung chính xác chất thúc đẩy sự phát triển để tế bào gốc trở thành loại tế bào mong muốn, chẳng hạn như tế bào gan, song theo Gelinsky, “chúng ta vẫn chưa biết tất cả các yếu tố để kiểm soát quá trình này”.
Câu hỏi ở đây vẫn là làm thế nào để có thể tích hợp một hệ thống mạch máu vào một cơ quan lớn. Dù đã có thể tạo ra các mạch máu riêng lẻ, song việc tạo ra cả một hệ thống vẫn vô cùng khó khăn, do đó chỉ khi nào làm được việc này thì chúng ta mới có thể tạo ra một cơ quan chức năng của con người ở bên ngoài cơ thể.
Các nhà khoa học ở Viện Wyss, Đại học Harvard và công sự đã cố gắng giải quyết câu hỏi này. Họ đã sử dụng hàng trăm nghìn khối có nguồn gốc từ tế bào gốc, tạo thành một ma trận dày đặc với độ đặc tương tự như sốt mayonnaise ở nhiệt độ chỉ trên 0°C. Loại “mayonnaise” này giúp cho việc in ấn trở nên khả thi: một vòi phun mỏng di chuyển qua ma trận và đọng lại thành một sợi được gọi là mực thay thế, đẩy các tế bào ra khỏi đường đi mà không làm hỏng chúng. Hệ thống mạch máu được tạo ra theo cách này sẽ cứng lại dưới tác dụng của nhiệt. Mực tế bào tan chảy và có thể được rửa sạch, cuối cùng còn lại các kênh.
“Tuy nhiên, những mạch máu giả này không có máu chạy qua mà là một trường nuôi cấy tế bào cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho tế bào”, Gelinsky cho biết. Do đó, mục tiêu hiện tại mà các nhà nghiên cứu hướng đến là sử dụng các sản phẩm này trong phòng thí nghiệm, hoặc làm các mô hình mô để thử nghiệm thuốc. “Phương pháp in sinh học có thể góp phần làm cho các hệ thống thử nghiệm trở nên phức tạp hơn và giống con người hơn”.
Ngoài ra, với các cơ quan nhân tạo đơn giản, Gelinsky cho rằng có thể sử dụng chúng để rút ngắn thời gian chờ đợi cơ quan hiến tặng cho bệnh nhân. Điều này đặc biệt quan trọng đối với gan, bởi trong trường hợp suy gan, nếu không tìm được gan cho phù hợp trong vòng 48 giờ, bệnh nhân sẽ tử vong.
