Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã có thể tạo ra một cấu trúc in 3D được cấu thành từ tế bào sống đủ lớn và đủ mạnh để thay thế mô người. Một máy in sinh học (bioprinter) được sử dụng để làm ra tai, xương và các cấu trúc cơ khác từ loại chất liệu giống như nhựa và tế bào sống lấy từ người cũng như một số động vật khác như thỏ hay chuột. Việc các tế bào sống sót sau quá trình in là một kỳ công không dễ thực hiện trong quá khứ. Không những thế, cấu trúc ra đời cũng đã đủ ổn định để có thể cấy ghép thành công trên cơ thể chuột. Nếu công nghệ này hiệu quả ở người, các bác sĩ có thể sẽ sớm sử dụng bioprinter để sản xuất sụn và xương thay thế cho những người bị thương, thông qua chính tế bào của họ.
Việc sản xuất các cơ quan và mô in 3D không phải hoàn toàn mới; các nhà khoa học đã và đang làm việc trong nhiều năm qua để nghiên cứu quá trình này, cho nhiều mục đích khác nhau. Điển hình là công ty có tên Organavo cho biết họ đã in 3D thành công thận đung trong thử nghiệm thuốc. Và năm ngoái, các nhà nghiên cứu ở Australia cũng đã tạo ra mô não in 3D. Tuy nhiên cho đến nay, “hầu hết các cấu trúc tạo thành thường không ổn định, quá đơn giản, hoặc quá nhỏ để cấy ghép cho người. Đó là lý do tại sao nghiên cứu mới này là một bước tiến quan trọng”, Ali Khademhosseini - kỹ sư y sinh học tại Đại học Harvard (Mỹ), người đã không tham gia làm việc với bioprinter cho biết.
Về nguyên lý, Bioprinter cũng có cơ chế hoạt động tương tự các máy in 3D thông thường, bằng cách sử dụng nguyên liệu để xây dựng một cấu trúc phức tạp theo từng lớp. Nhưng thay vì sử dụng chất dẻo, nhựa và một số kim loại, bioprinter sử dụng vật liệu sinh học đặc biệt với tính chất gần như mô sống. Quá trình in ấn được tinh chỉnh để đảm bảo các tế bào vẫn còn sống cho đến khi diễn ra phẫu thuật cấy ghép. Một khi được cấy vào cơ thể sinh vật, thành phần nhựa trong cơ quan sẽ phân hủy từ từ. Đồng thời, các tế bào cũng tiết ra một bộ khung hỗ trợ giúp duy trì hình dạng của bộ phận. Cuối cùng, các tế bào tự tổ chức lại cấu trúc mà không cần bất cứ can thiệp nào khác.
Để kiểm tra hiệu quả của bộ phận in 3D, các nhà khoa học đã đưa chúng vào dưới da của chuột. Hai tháng sau, tai được cấy vào chuột đã giữ nguyên hình dạng và mô sụn tương thích cũng đã hình thành, một kết quả đầy hứa hẹn. Đối với cơ bắp, các nhà nghiên cứu phát hiện chỉ hai tuần sau phẫu thuật, cơ cấy ghép đã bắt đầu hình thành dây thần kinh ở chuột. Cuối cùng, đối với cấy ghép xương, được in nhờ sử dụng các tế bào gốc của con người và cấy vào chuột, kích hoạt sự hình thành của hệ thống mạch máu sau 5 tháng.
Toàn bộ nghiên cứu nói trên được tiến hành bởi các nhà khoa học tại trường Y Wake Forest, dẫn đầu bởi giáo sư Anthony Atala và nhận tài trợ một phần bởi quân đội Mỹ. Mặc dù đã thành công bước đầu, họ vẫn còn nhiều việc cần làm trong thời gian tới. Vì chưa kiểm tra hoạt động của mô trên cơ thể người, do đó tính an toàn của nó vẫn chưa được đảm bảo. Nhưng kỹ thuật này có vẻ khả thi, Feinberg cho biết - đặc biệt là với sụn. Cấu trúc sụn có khả năng được thử nghiệm trên người đầu tiên, bởi vì không giống như cơ bắp và xương, sụn có thể hoạt động tốt mà không cần có hệ thống mạch máu mở rộng.
Khi các cấu trúc 3D được chứng minh an toàn và hiệu quả, các nhà nghiên cứu có thể bắt đầu nghĩ đến việc thử nghiệm trên người. Để đạt được điều đó, đòi hỏi phải trải qua rất nhiều thử nghiệm trong tương lai.
Việc sản xuất các cơ quan và mô in 3D không phải hoàn toàn mới; các nhà khoa học đã và đang làm việc trong nhiều năm qua để nghiên cứu quá trình này, cho nhiều mục đích khác nhau. Điển hình là công ty có tên Organavo cho biết họ đã in 3D thành công thận đung trong thử nghiệm thuốc. Và năm ngoái, các nhà nghiên cứu ở Australia cũng đã tạo ra mô não in 3D. Tuy nhiên cho đến nay, “hầu hết các cấu trúc tạo thành thường không ổn định, quá đơn giản, hoặc quá nhỏ để cấy ghép cho người. Đó là lý do tại sao nghiên cứu mới này là một bước tiến quan trọng”, Ali Khademhosseini - kỹ sư y sinh học tại Đại học Harvard (Mỹ), người đã không tham gia làm việc với bioprinter cho biết.
Về nguyên lý, Bioprinter cũng có cơ chế hoạt động tương tự các máy in 3D thông thường, bằng cách sử dụng nguyên liệu để xây dựng một cấu trúc phức tạp theo từng lớp. Nhưng thay vì sử dụng chất dẻo, nhựa và một số kim loại, bioprinter sử dụng vật liệu sinh học đặc biệt với tính chất gần như mô sống. Quá trình in ấn được tinh chỉnh để đảm bảo các tế bào vẫn còn sống cho đến khi diễn ra phẫu thuật cấy ghép. Một khi được cấy vào cơ thể sinh vật, thành phần nhựa trong cơ quan sẽ phân hủy từ từ. Đồng thời, các tế bào cũng tiết ra một bộ khung hỗ trợ giúp duy trì hình dạng của bộ phận. Cuối cùng, các tế bào tự tổ chức lại cấu trúc mà không cần bất cứ can thiệp nào khác.
Để kiểm tra hiệu quả của bộ phận in 3D, các nhà khoa học đã đưa chúng vào dưới da của chuột. Hai tháng sau, tai được cấy vào chuột đã giữ nguyên hình dạng và mô sụn tương thích cũng đã hình thành, một kết quả đầy hứa hẹn. Đối với cơ bắp, các nhà nghiên cứu phát hiện chỉ hai tuần sau phẫu thuật, cơ cấy ghép đã bắt đầu hình thành dây thần kinh ở chuột. Cuối cùng, đối với cấy ghép xương, được in nhờ sử dụng các tế bào gốc của con người và cấy vào chuột, kích hoạt sự hình thành của hệ thống mạch máu sau 5 tháng.
Theo kỹ sư y sinh Adam Feinberg đến từ Đại học Carnegie Mellon (Pennsylvania, Hoa Kỳ), đối với những bệnh nhân đã bị mất một tai, hình ảnh phản chiếu của tai còn lại giúp họ nghe tốt hơn, so với một bộ phận giả. “Hình dạng của tai là chìa khóa” để thu âm. “Họ đã có thể tạo ra cấu trúc lớn và khả thi để cấy ghép, việc đó không phải đơn giản”, Gordana Vunjak-Novakovic, kỹ sư y sinh học tại Đại học Columbia chia sẻ. “Đây là một nghiên cứu quan trọng, cho thấy mô với thiết kế mong muốn có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm, mang kích thước và hình dạng chính xác về phương diện giải phẫu học, cùng với các rãnh tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của các tế bào và cũng như chất lỏng khác”.
Toàn bộ nghiên cứu nói trên được tiến hành bởi các nhà khoa học tại trường Y Wake Forest, dẫn đầu bởi giáo sư Anthony Atala và nhận tài trợ một phần bởi quân đội Mỹ. Mặc dù đã thành công bước đầu, họ vẫn còn nhiều việc cần làm trong thời gian tới. Vì chưa kiểm tra hoạt động của mô trên cơ thể người, do đó tính an toàn của nó vẫn chưa được đảm bảo. Nhưng kỹ thuật này có vẻ khả thi, Feinberg cho biết - đặc biệt là với sụn. Cấu trúc sụn có khả năng được thử nghiệm trên người đầu tiên, bởi vì không giống như cơ bắp và xương, sụn có thể hoạt động tốt mà không cần có hệ thống mạch máu mở rộng.
Khi các cấu trúc 3D được chứng minh an toàn và hiệu quả, các nhà nghiên cứu có thể bắt đầu nghĩ đến việc thử nghiệm trên người. Để đạt được điều đó, đòi hỏi phải trải qua rất nhiều thử nghiệm trong tương lai.
Nguồn: Nature Biotechnology, Ảnh: Wake Forest
