Ứng dụng chip đường thở nhằm tăng tốc thử nghiệm các phương pháp điều trị Covid-19

Nhóm các chuyên gia do nhà nghiên cứu Sinh học tế bào và kỹ thuật sinh học Donald Ingber, Giám đốc sáng lập Viện kỹ thuật cảm ứng sinh học Wyss thuộc Đại học Y Harvard (Mỹ) đứng đầu, đang tiến hành nghiên cứu tại phòng thí nghiệm, nhằm tạo ra chip điện tử mô phỏng các cơ quan của cơ thể người. Đây là một mô hình 3D nhỏ và phức tạp.

Nghiên cứu này đã được Trung tâm Khoa học lâm sàng và dịch mã quốc gia (NCATS) thuộc Viện Y tế quốc gia Mỹ (NIH) hỗ trợ trong nhiều năm. Hiện với nguồn tài trợ bổ sung từ NCATS và các nguồn khác, nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm một chip đường thở có thể giúp tìm kiếm các phương pháp điều trị mới cho bệnh nhân mắc Covid-19.

Tiến sĩ Danilo A. Tagle, Phó Giám đốc Sáng kiến đặc biệt tại NCATS cho biết, những phương pháp sàng lọc thuốc đang áp dụng hiện nay chưa phải là tối ưu, bên cạnh đó, các thử nghiệm thuốc trên động vật cũng phải mất rất nhiều thời gian.

Vì thế, sử dụng các chip nội tạng bắt chước cấu trúc và chức năng của các cơ quan của con người, đồng thời có thể mô hình hóa các bệnh như Covid-19 sẽ giúp dự đoán được hoạt động kháng virus của thuốc chính xác, nhanh chóng hơn so với các nghiên cứu trên động vật.

Mới đây, Giáo sư Donald Ingber đã có cuộc trao đổi với nhóm nghiên cứu bệnh Covid-19 của NIH về việc phát triển chip đường thở và sử dụng công nghệ này như một phương pháp để xác định nhanh chóng các phương pháp điều trị những bệnh nhiễm trùng do virus như cúm và Covid-19.

Cấu tạo các chip đường thở ra sao?

Các chip đường thở được làm bằng polymer dẻo, trong suốt. Chúng chứa hai vi kênh song song bằng chiều rộng của một đầu bút chì. Một kênh nhỏ dành cho chất lỏng và kênh còn lại dành cho không khí. Ở giữa hai kênh có một màng xốp để ngăn cách các vi kênh này.

Các nhà nghiên cứu đã lấy các tế bào sơ cấp của con người - tế bào từ các mẫu mô đường thở - và áp các tế bào này lên màng. Các tế bào nhân lên, sau hai hoặc ba tuần, chúng phát triển thành các loại tế bào chuyên biệt của phổi - giống như chúng tồn tại trong phổi người.

Tế bào phổi phát triển ở mặt không khí của màng còn tế bào lót mạch máu phát triển ở mặt kia. Sử dụng một máy bơm di chuyển môi trường nuôi cấy qua kênh chất lỏng. Một số tế bào phổi trong chip đường thở tạo ra chất nhầy và thậm chí đã phát triển các lông mao, đó là những cấu trúc nhỏ như lông giúp di chuyển chất nhầy và bảo vệ cơ thể khỏi bị nhiễm trùng.

Bằng cách nào để biết được cách thức hoạt động của Covid-19 thông qua con chip đường thở?

Chip đường thở cho phép nghiên cứu tình trạng nhiễm virus và quan sát các phản ứng miễn dịch. Trong các nghiên cứu đã sử dụng pseudovirus - một loại virus vô hại xâm nhập vào các tế bào giống như cách của SARS-CoV-2.

Pseudovirus cho phép chúng ta nghiên cứu một cách an toàn các giai đoạn đầu của nhiễm trùng và sự xâm nhập của virus vào các tế bào phổi. Một số triệu chứng Covid-19 nghiêm trọng không phải do virus gây ra mà là do phản ứng viêm hoạt động quá mức (gây ra các tình trạng gọi là bão cytokine).

Với chip đường thở, chúng ta có thể nghiên cứu chất lỏng thoát ra khỏi hệ thống - giống như lấy mẫu máu - để tìm hiểu phản ứng của tế bào miễn dịch đối với nhiễm trùng. Nhóm của Giáo sư Donald Ingbe có thể tiến hành các thí nghiệm để có thể xác định cách thức ngăn ngừa và điều trị các chứng viêm quá mức nguy hiểm này.

Hình ảnh cho thấy con chip đường thở bao gồm các lớp tế bào phổi và mạch máu hoạt động giống như trong phổi của con người. Chất lỏng và không khí chảy qua các kênh ở hai bên của một màng xốp. Các nhà nghiên cứu đã truyền virus cúm và virus giả SARS-CoV-2 cho những con chip này. Sau đó, họ có thể quan sát các phản ứng của mô phổi và các tế bào miễn dịch.

Vai trò của chip đường thở trong việc phát triển các phương pháp điều trị Covid-19?

Có nhiều cách thức sử dụng, hiện nhóm đang sử dụng chip đường thở để sàng lọc thuốc làm phương pháp điều trị tiềm năng bệnh Covid-19.

Vì chip đường thở có kênh dẫn chất lỏng và kênh dẫn khí, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu các loại thuốc được đưa vào đường thở bằng cách tiêm hoặc hít (như với ống hít). Nghiên cứu của họ có thể xác định các loại thuốc có thể ngăn virus lây nhiễm sang các tế bào và làm dịu các phản ứng miễn dịch hoạt động quá mức và các cơn bão cytokine.

Nhóm nghiên cứu hiện đang sử dụng chip đường thở để xác định các biến thể SARS-CoV-2 phát triển khi chủng này tiếp xúc với thuốc kháng virus.

Các thử nghiệm sử dụng chip đường thở để sàng lọc các phương pháp điều trị Covid-19 ?

Để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của các loại thuốc trong điều trị các bệnh ở người, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các hợp chất tương tự trong các chip đường thở đã cho nhiễm virus giả SARS-CoV-2. Khi thử nghiệm với thuốc Chloroquine và Hydroxychloroquine, chúng tôi nhận thấy rằng cả hai loại thuốc này đều không ngăn chặn được virus, các sản phẩm khác cũng không có tác dụng.

Tuy nhiên, Amodiaquine (một loại thuốc trị sốt rét được sử dụng rộng rãi ở châu Phi) lại làm giảm đáng kể sự lây nhiễm pseudovirus trong các chip đường thở. Trong các thí nghiệm trên chuột đồng, Amodiaquine làm giảm nhiễm trùng và ngăn chặn sự lây lan của SARS-CoV-2. Thuốc hiện đang được thử nghiệm trong các nghiên cứu trên người như một phương pháp điều trị Covid-19 khả thi.

Tương lai của chip đường thở?

Hiện nhóm nghiên cứu đang sử dụng chip để phát triển các loại thuốc có tác dụng rộng rãi, có thể ngăn ngừa nhiễm trùng do nhiều loại virus corona và virus cúm khác. Ngoài ra, nhóm cũng đang nghiên cứu các phản ứng viêm đối với nhiễm virus trong phế nang của phổi, bằng cách sử dụng chip phế nang mô phỏng chuyển động thở và các hiệu ứng miễn dịch.

Nghiên cứu này đã xác định được các mục tiêu trong các tế bào mà thuốc có thể liên kết để ngăn chặn các phản ứng miễn dịch nghiêm trọng, bao gồm cả các cơn bão cytokine có thể làm tổn thương các cơ quan.

Để đưa các thí nghiệm về điều trị Covid-19 lên một tầm cao mới, nhóm muốn nghiên cứu dạng lây nhiễm của SARS-CoV-2 trong chip đường thở. Tuy nhiên, công việc này đòi hỏi môi trường bảo vệ nghiêm ngặt hơn, phải có phòng thí nghiệm an toàn sinh học cấp độ 3. Vì thế, nhóm đang bắt đầu thực hiện nghiên cứu này thông qua các hợp tác với bên ngoài.

Công nghệ chip đường thở đang rất được quan tâm vì nó có thể cắt giảm thời gian và chi phí phát triển các loại thuốc và vaccine mới. Khi đề cập các trường hợp khẩn cấp về sức khỏe cộng đồng như đại dịch Covid-19, nghiên cứu công nghệ trên chip nội tạng được xem như một phương pháp có thể cứu sống loài người.