Các cơ quan trên chip có thể thay đổi việc nghiên cứu thuốc

Nắm giữ tiềm năng tạo ra những bước đột phá trong khám phá thuốc.
Các cơ quan trên chip có thể thay đổi việc nghiên cứu thuốc
Organ trên một con chip. Nguồn: Wikimedia Commons

Đưa một loại thuốc mới ra thị trường tiêu tốn hàng tỷ đô la và có thể mất hơn một thập kỷ. Những khoản đầu tư lớn về tiền bạc và thời gian này đều là những yếu tố góp phần mạnh mẽ vào chi phí chăm sóc sức khỏe tăng vọt ngày nay và là những trở ngại đáng kể trong việc cung cấp các liệu pháp mới cho bệnh nhân. Một lý do lớn đằng sau những rào cản này là các mô hình phòng thí nghiệm mà các nhà nghiên cứu sử dụng để phát triển thuốc ngay từ đầu.

Các thử nghiệm tiền lâm sàng, hoặc các nghiên cứu kiểm tra hiệu quả và độc tính của thuốc trước khi đưa vào thử nghiệm lâm sàng ở người, chủ yếu được tiến hành trên nuôi cấy tế bào và động vật. Cả hai đều bị hạn chế bởi khả năng bắt chước các điều kiện của cơ thể con người kém. Nuôi cấy tế bào trong đĩa petri không thể tái tạo mọi khía cạnh của chức năng mô, chẳng hạn như cách các tế bào tương tác trong cơ thể hoặc động lực học của các cơ quan sống. Và động vật không phải là con người ngay cả những khác biệt nhỏ về di truyền giữa các loài cũng có thể được khuếch đại thành những khác biệt lớn về sinh lý.

Ít hơn 8% nghiên cứu thành công trên động vật đối với các liệu pháp điều trị ung thư được đưa vào thử nghiệm lâm sàng trên người. Bởi vì các mô hình động vật thường không dự đoán được tác dụng của thuốc trong các thử nghiệm lâm sàng ở người, những thất bại ở giai đoạn cuối này có thể làm tăng đáng kể cả chi phí và rủi ro sức khỏe bệnh nhân.

Để giải quyết vấn đề dịch thuật này, các nhà nghiên cứu đã và đang phát triển một mô hình đầy hứa hẹn có thể mô phỏng gần giống cơ thể con người hơn đó là cơ quan trên chip.

ADDAFFI

Cơ quan trên chip là gì?

Vào cuối những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tạo lớp polyme đàn hồi để kiểm soát và kiểm tra chất lỏng ở cấp độ vi mô. Điều này đã khởi xướng lĩnh vực vi lỏng, đối với khoa học y sinh liên quan đến việc sử dụng các thiết bị có thể bắt chước dòng chảy động của chất lỏng trong cơ thể, chẳng hạn như máu.

Những tiến bộ trong lĩnh vực vi lỏng đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu một nền tảng để nuôi cấy các tế bào hoạt động gần giống với chức năng của chúng trong cơ thể con người, đặc biệt là với các cơ quan trên chip. “Con chip” đề cập đến thiết bị vi lỏng bao bọc các tế bào. Chúng thường được tạo ra bằng công nghệ tương tự như chip máy tính.

Các cơ quan trên chip không chỉ bắt chước dòng máu chảy trong cơ thể mà các nền tảng này còn có các vi ngăn cho phép các nhà nghiên cứu tích hợp nhiều loại tế bào để bắt chước nhiều loại tế bào khác nhau thường có trong một cơ quan. Dòng chất lỏng kết nối nhiều loại tế bào này, cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu cách chúng tương tác với nhau.

Công nghệ này có thể khắc phục những hạn chế của cả nuôi cấy tế bào tĩnh và nghiên cứu trên động vật theo nhiều cách. Đầu tiên, sự hiện diện của chất lỏng chảy trong mô hình cho phép nó bắt chước cả những gì tế bào trải qua trong cơ thể, chẳng hạn như cách nó nhận chất dinh dưỡng và loại bỏ chất thải cũng như cách một loại thuốc sẽ di chuyển trong máu và tương tác với nhiều loại tế bào. Khả năng kiểm soát dòng chất lỏng cũng cho phép các nhà nghiên cứu tinh chỉnh liều lượng tối ưu cho một loại thuốc cụ thể.

Ví dụ, mô hình phổi trên chip có thể tích hợp cả đặc tính cơ học và vật lý của phổi người sống. Nó có thể bắt chước sự giãn ra và co lại, hoặc hít vào và thở ra của phổi và mô phỏng giao diện giữa phổi và không khí. Khả năng tái tạo những phẩm chất này cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu tốt hơn tình trạng suy giảm chức năng phổi do các yếu tố khác nhau.

ADDAFFI

Đưa nội tạng lên quy mô lớn

Trong khi nội tạng trên chip mở rộng ranh giới của nghiên cứu dược phẩm giai đoạn đầu, công nghệ này vẫn chưa được tích hợp rộng rãi vào các quy trình phát triển thuốc. Tôi tin rằng một trở ngại cốt lõi đối với việc áp dụng rộng rãi những con chip như vậy là độ phức tạp cao và tính thực tế thấp của nó.

Các mô hình organ-on-a-chip hiện tại rất khó sử dụng đối với các nhà khoa học bình thường. Ngoài ra, bởi vì hầu hết các mô hình đều sử dụng một lần và chỉ cho phép một đầu vào, điều này giới hạn những gì các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu tại một thời điểm nhất định, nên chúng vừa tốn kém, vừa tốn nhiều thời gian và công sức để triển khai. Các khoản đầu tư cao cần thiết để sử dụng các mô hình này có thể làm giảm nhiệt tình áp dụng chúng. Rốt cuộc, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các mô hình ít phức tạp nhất có sẵn cho các nghiên cứu tiền lâm sàng để giảm thời gian và chi phí.

Việc hạ thấp tiêu chuẩn kỹ thuật để sản xuất và sử dụng nội tạng trên chip là rất quan trọng để cho phép toàn bộ cộng đồng nghiên cứu tận dụng tối đa lợi ích của họ. Nhưng điều này không nhất thiết yêu cầu đơn giản hóa các mô hình. Ví dụ, phòng thí nghiệm đã thiết kế nhiều chip mô “cắm là chạy” được tiêu chuẩn hóa và mô-đun hóa, cho phép các nhà nghiên cứu dễ dàng lắp ráp các bộ phận làm sẵn để chạy thí nghiệm của họ.

Sự ra đời của công nghệ in 3D cũng đã tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho sự phát triển của cơ quan trên chip, cho phép các nhà nghiên cứu trực tiếp sản xuất toàn bộ mô hình mô và cơ quan trên chip. In 3D lý tưởng cho việc tạo mẫu nhanh và chia sẻ thiết kế giữa những người dùng, đồng thời giúp dễ dàng sản xuất hàng loạt vật liệu tiêu chuẩn hóa.

Các cơ quan trên chip có tiềm năng tạo ra những bước đột phá trong khám phá thuốc và cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các cơ quan đối với sức khỏe và bệnh tật. Việc tăng khả năng tiếp cận của công nghệ này có thể giúp loại bỏ mô hình phát triển trong phòng thí nghiệm và để nó ghi dấu ấn trong ngành y sinh.

Tác giả: Chengpeng Chen, Trợ lý Giáo sư Hóa học và Hóa sinh, Đại học Maryland, Hạt Baltimore.

Quốc Huy
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM