Chip phát sóng siêu âm điều trị ung thư

TS Nguyễn Đức Thành và nhóm nghiên cứu tại Đại học Connecticut (Mỹ) đã phát minh thiết bị cấy ghép não làm từ các sợi nano glycine-polycaprolactone, được phủ thêm lớp poly-L lactic axit (PLLA). Vật liệu có đặc tính áp điện với hiệu suất ổn định, công suất siêu âm cao, được sử dụng để chế tạo đầu dò siêu âm có khả năng tự phân hủy, đặc biệt thuận lợi cho việc đưa thuốc hóa trị liệu vào não.

TS Nguyễn Đức Thành sinh ra tại Đà Nẵng. Anh tốt nghiệp hệ kỹ sư tài năng ngành Vật lý, Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2007. Anh nhận học bổng tiến sĩ và sau tiến sĩ tại Mỹ và được quỹ từ thiện của Bill Gates tài trợ để làm nghiên cứu về vắc-xin.

TS Nguyễn Đức Thành chia sẻ: Ung thư não là một trong những căn bệnh ác tính với thời gian sống của bệnh nhân rất ngắn. Mặc dù có thuốc hóa trị rất mạnh để tiêu diệt các tế bào ung thư, song thuốc này rất khó xâm nhập vào các khối u ở não bởi rào cản sinh học, được gọi là rào cản máu não (blood brain barrier). Đây là rào cản tự nhiên nhằm cản trở sự xâm nhập của virus, vi khuẩn và các độc tố vào não nhưng đồng thời cũng ngăn cản các thuốc hóa trị điều trị ung thư.

Để mở các rào cản này ra mà không gây tổn hại lên các mạch máu ở não, rung siêu âm là biện pháp an toàn và hiệu quả nhất cho đến nay. Rất tiếc là các máy phát sóng siêu âm bên ngoài não cần phải sản sinh ra các sóng siêu âm vô cùng lớn để vượt qua hộp sọ dày của người. Điều này rất dễ gây ra các hư tổn cho não.

Ngoài ra, các bệnh nhân cần phải có mặt ở bệnh viện và theo dõi bởi các máy cộng hưởng từ để có thể điều chỉnh và tập trung (Focus) các sóng siêu âm vào các khối u trên não. Việc này chỉ cho phép đưa các thuốc hóa trị vào não một lần trong khi hóa trị liệu cần thực hiện nhiều lần sau khi phẫu thuật cắt bỏ khối u để tiêu diệt các tế bào ung thư còn sót lại.

Với bất cập này, việc cấp ghép các đầu phát sóng siêu âm vào não ở những vị trí có khối u sau khi cắt bỏ cho phép việc sử dụng các hóa trị liệu một cách hiệu quả, lặp đi lặp lại cho quá trình tiêu diệt các tế bào ung thư còn sót.

TS Nguyễn Đức Thành cho biết hiện, trên thị trường đã có thiết bị siêu âm cấy ghép được vào não bằng vật liệu gốm áp điện thông thường (như PZT hoặc polymer (PVDF). Tuy nhiên thiết bị này phải cần phẫu thuật loại bỏ sau khi điều trị xong, rất dễ gây tổn hại đến não.

Nhóm nghiên cứu (Nguyen Lab) do TS Thành đứng đầu đã khắc phục được điều trên khi tạo được thiết bị có thể cấy vào não một cách đơn giản, ít xâm lấn, cho phép thực hiện việc hóa trị lặp đi lặp lại nhiều lần để tiêu diệt các khối u và có khả năng tự tiêu một cách an toàn trong cơ thể sau khi cấy ghép.

Chip cấy ghép vào não

Từ năm 2020, TS Thành cùng cộng sự bắt đầu nghiên cứu việc tạo nên các chip phát sóng siêu âm có kích thước nhỏ, mềm dẻo như các mô não, có thể cấy ghép và tích hợp với các mô não để phát ra các sóng siêu âm đủ mạnh phục vụ việc đưa thuốc, và có khả năng tự tiêu. Theo đó các nhà nghiên cứu đã tạo ra các tinh thể glycine (một amino acid rất an toàn và phổ biến trong cơ thể người) và sau đó phá vỡ thành những mảnh có kích thước chỉ vài trăm nanomet.

Bằng cách quay áp điện (electrospinning) với polycaprolactone (PCL), một loại polymer có thể phân hủy sinh học, nhóm tạo ra màng áp điện rất mỏng, mềm và nhẹ bao gồm các sợi nano glycine và PCL.

Các màng áp điện này có thể tạo ra các sóng siêu âm rất mạnh, ví dụ ở mức 334 kiloPascal với áp điện ~ 100 mV, tương đương với vật liệu gốm áp điện như PZT. Nhóm nghiên cứu cũng phủ tấm polymer áp điện bởi một loại polymer tự phân hủy khác là PLLA, chỉ mất khoảng 6 tuần để phân hủy hoàn toàn.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị này trên chuột bị ung thư não. Kết quả cho thấy những khối u trong não chuột đều bị ức chế khi đưa các thuốc hóa trị vào não dưới các tác động rung siêu âm của các glycine/PCL chip, tạo nên bởi nhóm nghiên cứu.

Trong khi đó khối u trong những chú chuột chỉ nhận các hóa trị bình thường đều phát triển một cách không kiểm soát. Đồng nghĩa với việc này, các chú chuột nhận được hóa trị với tác động rung siêu âm của glycine/PCL chip có thời gian sồng gần gấp đôi so với các chú chuột còn lại. Kết quả này cho thấy sự hiệu quả trong điều trị ung thư não sử dụng hóa trị kết hợp với các đầu phát sóng siêu âm của TS Thành.

“Thiết bị phát sóng siêu âm này sẽ dược kiểm tra một lần nữa trên các động vật bậc cao gần với người trước khi thử nghiệm lâm sàng để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn” TS Thành cho biết.

Thiết bị tạo sóng siêu âm cấy ghép não là thành công nối dài trong hành trình nghiên cứu chuyển đổi vật liệu trong y học thành những vật liệu “thông minh” ứng dụng trong y khoa của TS Nguyễn Đức Thành.

Năm 2018, Nguyen Lab ở Đại học Connecticut là nhóm nghiên cứu đầu tiên chế tạo cảm biến điện tử được chuyển đổi từ vật liệu dùng cho chỉ tự tiêu. Thiết bị được cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân và truyền tín hiệu ra bên ngoài thông qua công nghệ không dây.

Chúng có khả năng tự tiêu hủy mà không cần thêm lần phẫu thuật lấy ra giống cảm biến thông thường. Năm 2021, TS Thành cùng cộng sự lần đầu tiên tái tạo miếng sụn đầu gối giúp điều trị tổn thương và tái tạo sụn, mang lại hy vọng cho người viêm khớp.