Công nghệ mới mang tên Circulatronics đang được kỳ vọng mở ra một kỷ nguyên điều trị không cần phẫu thuật, sử dụng những con chip sinh học siêu nhỏ có thể tự di chuyển, tự định vị và tự kích hoạt trong não, tất cả chỉ thông qua một mũi tiêm vào cánh tay.
Đây là thành quả của sáu năm phát triển liên tục, nơi các nhà khoa học tại MIT, Đại học Wellesley và Đại học Harvard đã kết hợp các tiến bộ trong công nghệ nano, sinh học tế bào và điện tử để tạo ra một nền tảng hoàn toàn mới cho y học thần kinh.
Bài báo công bố nghiên cứu, do giáo sư Deblina Sarkar, Giám đốc Phòng thí nghiệm Nano-Cybernetic Biotrek của MIT làm tác giả chính, vừa được đăng tải trên tạp chí Nature Biotechnology, thu hút sự chú ý đặc biệt của giới khoa học toàn cầu.
Trong nhiều năm qua, các bệnh lý như trầm cảm nặng, Alzheimer, đa xơ cứng hay thậm chí u não đều được điều trị bằng phương pháp kích thích điện sâu, nhưng để làm được điều đó, bệnh nhân phải trải qua những ca phẫu thuật xâm lấn để gắn điện cực trực tiếp vào các vùng não mục tiêu.
Đây là thủ thuật đòi hỏi kỹ thuật cao, chi phí đắt đỏ, rủi ro nhiễm trùng và tổn thương mô não luôn thường trực, đồng thời không phù hợp với hàng tỷ bệnh nhân mắc rối loạn thần kinh trên toàn thế giới. Circulatronics xuất hiện như một hướng đi hoàn toàn khác: điều trị bằng điện nhưng không cần dao mổ, không cần mở hộp sọ và không hề xâm lấn.
Trọng tâm của công nghệ này nằm ở các thiết bị điện tử không dây có kích thước dưới mức tế bào, gọi là SWED. Những con chip này nhỏ đến mức chỉ bằng một phần tỷ chiều dài của hạt gạo, cấu tạo từ các lớp polymer bán dẫn hữu cơ xen giữa những lớp kim loại mỏng, đủ gọn nhẹ để nằm gọn trong một tế bào máu. Dù chỉ bé như vậy, chúng vẫn có thể tạo ra dòng điện nanowatt đủ để kích thích một nhóm tế bào thần kinh với độ chính xác siêu cao.
Điểm đặc biệt là SWED không cần pin. Chúng hoạt động theo nguyên lý quang điện: hấp thụ ánh sáng từ bên ngoài cơ thể, chuyển hóa thành điện năng. Tia laser cận hồng ngoại, loại ánh sáng có khả năng xuyên qua hộp sọ, được dùng làm nguồn kích hoạt từ bên ngoài. Điều này giúp việc điều trị trở nên nhẹ nhàng hơn rất nhiều: bác sĩ chỉ cần chiếu ánh sáng lên đầu bệnh nhân để kích hoạt chip, không dây dẫn, không phẫu thuật và không để lại bất kỳ vết mổ nào.
Tuy nhiên, câu hỏi lớn nhất là làm sao một con chip có thể tự tìm đường đến đúng vị trí trong não? Nhóm nghiên cứu đã tìm ra lời giải bằng cách kết hợp SWED với bạch cầu đơn nhân, một loại tế bào miễn dịch có khả năng vượt qua hàng rào máu não và luôn tìm đến những vùng bị viêm trong cơ thể.
Bằng việc tạo ra một "tế bào lai" mang cả chip điện tử lẫn khả năng định vị sinh học của bạch cầu, SWED có thể "quá giang" theo cơ chế tự nhiên của cơ thể để đến đúng vùng não cần điều trị. Khi vùng não bị viêm như trong Alzheimer hay sau chấn thương các tế bào lai sẽ tự động di chuyển đến đó và lưu trú tại vị trí tổn thương, đặt SWED vào đúng điểm mục tiêu mà không cần đến bất kỳ thiết bị định vị hay thao tác phẫu thuật nào.
Để kiểm chứng hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã tiến hành hai giai đoạn thử nghiệm trên chuột. Ở giai đoạn đầu, họ tạo ra một vùng viêm nhỏ trong não chuột để mô phỏng tổn thương. Sau khi tiêm tế bào lai chứa SWED vào máu, họ chờ 72 giờ để các chip có thời gian di chuyển. Kết quả cho thấy số lượng lớn thiết bị đã đến đúng vị trí viêm chứng minh khả năng tự định vị đáng kinh ngạc của hệ thống này.
Giai đoạn tiếp theo nhằm xác định xem chip có thể thực sự kích thích tế bào thần kinh hay không. Nhóm khoa học sử dụng tia laser cận hồng ngoại để kích hoạt SWED từ bên ngoài hộp sọ chuột. Sau đó, họ đo lượng protein c-Fos - chỉ dấu quan trọng chứng minh tế bào thần kinh đang hoạt động mạnh tại vùng mục tiêu. Kết quả thu được rất rõ ràng: những con chuột được cấy SWED có số lượng tế bào c-Fos tăng mạnh, trong khi khu vực bị kích thích chỉ nằm gọn trong phạm vi 30 µm quanh vùng viêm, cho thấy mức độ tập trung và chính xác rất cao.
Đây là điều mà các phương pháp kích thích điện truyền thống khó có thể đạt được, vì chúng thường tác động trên phạm vi rộng hơn nhiều.
Những tín hiệu tích cực này mở ra cánh cửa cho hàng loạt ứng dụng y học tương lai. Không chỉ dừng lại ở bệnh thần kinh, Circulatronics có thể mở rộng sang các cơ quan khác trong cơ thể. Giáo sư Sarkar cho biết công nghệ này có thể ứng dụng cho tim, gan, hệ miễn dịch, thậm chí giúp triển khai các thiết bị như máy tạo nhịp tim không dây. Việc đưa thiết bị đến đúng vị trí thông qua mạch máu có thể trở thành phương pháp tiêu chuẩn mới, loại bỏ nhu cầu mổ xẻ trong rất nhiều lĩnh vực y học hiện đại.
Hiện nhóm nghiên cứu đang mở rộng hướng ứng dụng SWED để điều trị ung thư não, Alzheimer và các bệnh đau mãn tính. Ngoài ra, họ cũng muốn tích hợp các mạch nano điện tử mới để biến SWED trở thành một hệ thống "hai chiều": vừa kích thích, vừa cảm biến tín hiệu thần kinh và thậm chí mô phỏng hoạt động của tế bào thần kinh người - một hướng đi có thể mở ra tương lai của những "tế bào thần kinh điện tử tổng hợp".
Dù tiềm năng rất lớn, con đường thương mại hóa vẫn còn nhiều bước phải đi. MIT đã thành lập công ty spin-off mang tên Cahira Technologies để đưa công nghệ này vào thử nghiệm lâm sàng trong vòng ba năm tới. Nếu mọi thứ diễn ra thuận lợi, Circulatronics sẽ cần thêm vài năm nữa để hoàn tất quy trình phê duyệt an toàn trước khi có thể xuất hiện tại các bệnh viện.
Sẽ còn mất thời gian để công nghệ này tiếp cận người bệnh, nhưng những gì nó hứa hẹn đang thổi một luồng gió mới vào ngành y học thần kinh. Một mũi tiêm vào cánh tay thay cho một ca phẫu thuật não? Điều đó từng là viễn tưởng, nhưng MIT đang biến nó thành hiện thực và có thể, trong tương lai không xa, hàng triệu bệnh nhân sẽ hưởng lợi từ cuộc cách mạng y học này.
Đức Khương
