Ăng-ten nano tạo điện trường để tấn công ung thư não như thế nào?

Một thiết bị chỉ khoảng 150 nanomet, tương đương gần một phần trăm bề rộng sợi tóc người, có thể nhận năng lượng từ bên ngoài hộp sọ rồi tạo điện trường ngay tại mô não. Cốt lõi của ý tưởng không phải truyền điện trực tiếp vào não, mà là dùng từ trường tần số thấp để làm biến dạng hai lớp vật liệu trong thiết bị. Chuyển động cơ học cực nhỏ ấy được đổi thành điện trường cục bộ có khả năng gây rối loạn tế bào glioblastoma, một dạng ung thư não khó điều trị. [1]

Công nghệ này được nhóm tại MIT Media Lab đặt tên HITMAN, viết tắt của liệu pháp khối u bằng điện trường khu trú do ăng-ten nano kích hoạt từ tính. Kết quả ban đầu trên tế bào và chuột cho thấy tiềm năng đáng chú ý, nhưng đây vẫn là nghiên cứu tiền lâm sàng. Chưa có cơ sở để kết luận thiết bị sẽ đạt hiệu quả hoặc đủ an toàn khi sử dụng cho người. [1]

Thiết bị nhỏ như vậy lấy năng lượng từ đâu?

Ăng-ten nano không mang pin và cũng không cần dây nối xuyên qua hộp sọ. Một nguồn bên ngoài tạo từ trường có tần số không quá 200 kHz. Từ trường này có thể đi qua hộp sọ và mô não để kích hoạt thiết bị đã được đưa đến vùng cần điều trị. Nhóm nghiên cứu chọn dải tần thấp nhằm hạn chế hiện tượng làm nóng mô, nhờ đó cơ chế chính hướng tới tác động điện thay vì đốt nóng khối u. [1]

Có thể hình dung quá trình này như một chuỗi chuyển đổi năng lượng gồm ba bước: từ trường bên ngoài tạo chuyển động trong vật liệu, chuyển động làm biến dạng một lớp khác, rồi biến dạng sinh ra điện trường. So sánh này chỉ giúp hình dung nguyên lý; ở kích thước nano, thiết bị không rung theo cách mắt thường có thể quan sát và điện trường cũng chỉ tập trung trong vùng rất gần nó. [1]

Hai lớp vật liệu phối hợp ra sao?

Bộ phận nhận tín hiệu được làm từ vật liệu từ giảo, tức vật liệu có thể thay đổi hình dạng khi chịu tác động của từ trường. Khi nguồn ngoài được bật, lớp này xuất hiện ứng suất và biến dạng. Nó truyền lực sang một màng áp điện nằm kề bên. Vật liệu áp điện có đặc tính tạo ra hiệu điện thế khi bị ép, kéo hoặc uốn, vì vậy chuyển động cơ học được biến thành điện trường tại vị trí của ăng-ten. [1]

Sự kết hợp ấy giải quyết hai yêu cầu cùng lúc. Thành phần từ giảo cho phép thiết bị phản ứng không dây với tác nhân từ bên ngoài, còn màng áp điện đảm nhiệm việc tạo hiệu ứng điện tại chỗ. Vì điện trường phát sinh quanh thiết bị thay vì được đưa từ một điện cực ở xa, cách tiếp cận này hướng đến việc giới hạn tác động trong khu vực có các ăng-ten nano. [1]

Điện trường làm tế bào ung thư tổn thương thế nào?

Tế bào duy trì các dòng và trường điện sinh học gắn với hoạt động của màng cũng như nhiều chức năng bên trong. Theo kết quả của nhóm nghiên cứu, điện trường cục bộ từ ăng-ten nano làm xáo trộn trạng thái này ở tế bào glioblastoma. Những tác động được ghi nhận gồm tổn thương màng, protein bị tháo cuộn và stress lưới nội chất, tức tình trạng bộ phận phụ trách xử lý nhiều protein trong tế bào bị quá tải. [1]

Protein phải được gấp thành hình dạng thích hợp mới có thể thực hiện đúng chức năng. Khi quá trình ấy bị gián đoạn, tế bào vừa thiếu protein hoạt động bình thường, vừa phải xử lý lượng protein lỗi gia tăng. Nếu đồng thời màng tế bào và các bào quan cũng bị rối loạn, nhiều hệ thống sống còn có thể suy giảm cùng lúc. Trong các thí nghiệm được mô tả, chuỗi trục trặc này cuối cùng dẫn đến cái chết của tế bào ung thư. [1]

Vì sao tế bào tăng sinh nhanh có thể nhạy hơn?

Khả năng tác động chọn lọc được nhóm nghiên cứu giải thích bằng đặc điểm của tế bào ung thư. Glioblastoma tăng sinh nhanh nên có nhu cầu sản xuất và gấp protein cao. Tế bào của khối u cũng có những bất thường ở thành phần màng và các bào quan nội bào. Khi điện trường gây thêm áp lực lên những hệ thống vốn hoạt động căng thẳng hoặc khác biệt này, tế bào ung thư có thể dễ vượt quá giới hạn chịu đựng hơn tế bào khỏe mạnh. [1]

Điều đó không có nghĩa mọi tế bào phân chia nhanh đều chắc chắn bị tiêu diệt, hay mô khỏe mạnh hoàn toàn không thể chịu ảnh hưởng. Đây là cách giải thích cho tính chọn lọc quan sát được trong các mô hình đã thử nghiệm. Mức độ phân bố của thiết bị, cường độ điện trường tại từng vị trí và phản ứng của mô người vẫn là những yếu tố phải được đánh giá trước khi có thể nói đến ứng dụng điều trị thực tế. [1]

Các thí nghiệm đã chứng minh được điều gì?

Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu dùng tế bào lấy từ mô glioblastoma hung hãn và kháng hóa trị của bệnh nhân. Khi được kích hoạt bằng từ trường, hệ thống loại bỏ hơn một nửa số tế bào ung thư trong phép thử, cao hơn kết quả với thuốc temozolomide trong cùng nghiên cứu, trong khi không phát hiện tổn hại ở neuron và tế bào hình sao hỗ trợ não. Các thí nghiệm đối chứng cho thấy chỉ có ăng-ten nano hoặc chỉ có từ trường đều không tạo ra hiệu ứng tương tự. [1]

Nhóm tiếp tục cấy các tế bào có nguồn gốc từ bệnh nhân vào não chuột. Trong mô hình này, phương pháp làm chậm sự phát triển của khối u và kéo dài thời gian sống trung vị hơn 50%. Việc kiểm tra không phát hiện độc tính ở mô lành xung quanh hay các cơ quan chính được khảo sát. Đây là tín hiệu tiền lâm sàng, không phải bằng chứng về kết quả điều trị trên bệnh nhân. [1]

Khoảng cách từ chuột đến người còn bao gồm cách đưa đủ thiết bị đến đúng vùng u, kiểm soát phân bố của chúng, lựa chọn liều và chế độ kích hoạt, cũng như theo dõi ảnh hưởng lâu dài. Giá trị đáng chú ý của phát minh nằm ở nguyên tắc chuyển đổi năng lượng: một từ trường phát từ ngoài cơ thể có thể điều khiển thiết bị cực nhỏ để tạo tác động điện tại chỗ. Việc nguyên tắc đó có trở thành liệu pháp hay không sẽ phụ thuộc vào các bước thử nghiệm tiếp theo. [1]