Từ nước tiểu chuột phát tín hiệu đến ý tưởng xét nghiệm bệnh bằng hạt nano

Nhóm nghiên cứu của Sangeeta Bhatia ban đầu không định tạo ra một xét nghiệm nước tiểu. Họ đang phát triển hạt nano làm chất tương phản thông minh cho chụp cộng hưởng từ, với hy vọng có thể cung cấp thêm thông tin về hoạt động bên trong cơ thể. Rồi trong thí nghiệm trên những con chuột có khối u, nước tiểu bất ngờ phát tín hiệu. Khoảnh khắc ấy gợi ra một câu hỏi đơn giản nhưng quan trọng: nếu cơ thể đã biến đổi tín hiệu của hạt nano thành thứ có thể đi ra ngoài theo nước tiểu, có cần đến máy chụp ảnh nữa không? [1]

Theo cuộc phỏng vấn đăng trên Science History Institute năm 2019, câu trả lời được nhóm nghiên cứu theo đuổi là một hệ thống gồm hạt nano, enzyme liên quan bệnh và xét nghiệm nước tiểu. Ý tưởng này chưa đồng nghĩa với một công cụ chẩn đoán dùng rộng rãi, nhưng nó cho thấy một phát minh đôi khi bắt đầu từ việc nhận ra thí nghiệm đang cho mình một loại tín hiệu khác với dự kiến. [1]

Tín hiệu đã xuất hiện như thế nào?

Hạt nano trong ý tưởng này được thiết kế để lưu thông trong cơ thể và phản ứng với một số enzyme gắn với bệnh. Enzyme là những phân tử giúp thúc đẩy các phản ứng hóa học. Khi hạt nano gặp đúng enzyme, một phản ứng xảy ra và giải phóng một phân tử chỉ dấu tổng hợp. Phân tử này vốn không có sẵn trong cơ thể, sau đó đi vào nước tiểu để có thể được phát hiện bằng một xét nghiệm đơn giản hơn so với việc quan sát trực tiếp khối u. [1]

Điểm đáng chú ý nằm ở cách biến một hoạt động khó nhìn thấy thành tín hiệu bên ngoài cơ thể. Người bệnh, theo mô hình được mô tả, có thể được tiêm hạt nano; khoảng một giờ sau, nhân viên y tế kiểm tra nước tiểu để tìm phân tử chỉ dấu. Đây là cơ chế “báo tin” hóa học: hạt nano không nhất thiết phải làm khối u phát sáng hay tạo ra hình ảnh, mà ghi nhận enzyme rồi gửi kết quả qua một chất có thể lọc ra ngoài. [1]

Vì sao enzyme có thể trở thành cảm biến?

Nhóm của Bhatia tập trung vào các enzyme liên quan đến nhiều quá trình bệnh lý, từ ung thư và nhiễm trùng đến viêm và đông máu. Theo bà, họ có thể đo khoảng 550 enzyme trong cùng một họ phân tử. Lý do hướng tiếp cận này có tiềm năng là một bệnh hoặc một trạng thái bệnh có thể làm thay đổi hoạt động enzyme; hạt nano được thiết kế phù hợp sẽ phản ứng với thay đổi đó và tạo ra tín hiệu tương ứng. [1]

Một xét nghiệm đơn lẻ thường chỉ trả lời một câu hỏi hẹp. Nhưng nếu nhiều loại hạt nano cùng được sử dụng, mỗi loại nhận biết một enzyme khác nhau, nước tiểu có thể chứa một “mẫu tín hiệu” gồm nhiều thành phần. Nhóm nghiên cứu cho biết họ đã thử tạo các bảng cảm biến kiểm tra từ 10 đến 20 tình trạng cùng lúc và đến năm 2019 đã làm việc với khoảng một chục bệnh. Cách này gần với việc đọc một bảng điều khiển hơn là tìm một dấu hiệu duy nhất. [1]

Phát hiện bất ngờ đã đổi hướng nghiên cứu ra sao?

Mục tiêu ban đầu là tạo chất tương phản thông minh cho chụp cộng hưởng từ. Trong hướng đó, hạt nano cần giúp hình ảnh y khoa cho biết thêm thông tin chức năng, chẳng hạn một vùng mô đang hoạt động thế nào. Khi nước tiểu của chuột có khối u phát tín hiệu, nhóm nghiên cứu nhận ra sản phẩm phản ứng đã rời khỏi cơ thể theo một con đường dễ lấy mẫu hơn. Phát hiện này không phải một kế hoạch được chuẩn bị sẵn, mà là sự chuyển hướng từ tín hiệu quan sát được trong thí nghiệm. [1]

Câu chuyện cũng cho thấy vai trò của việc quan sát ngoài mục tiêu chính. Nếu chỉ tập trung vào hình ảnh cộng hưởng từ, nhóm có thể bỏ qua thay đổi trong nước tiểu vì đó không phải kết quả họ đang tìm. Từ một dấu hiệu ngoài dự kiến, họ đặt lại câu hỏi về nơi cần đo: thay vì đưa người bệnh vào một thiết bị lớn để xem bên trong cơ thể, liệu có thể lấy một mẫu chất thải và đọc thông tin hóa học mà hạt nano đã ghi nhận? [1]

Công nghệ này có thể giúp tránh can thiệp không cần thiết?

Một ứng dụng được Bhatia nêu là bệnh gan nhiễm mỡ không do rượu kèm viêm, thường gọi là NASH. Khi gan tích tụ mỡ, gan bị tổn thương và dần hình thành mô sẹo. Hiện tại, sinh thiết là cách duy nhất để kiểm tra tình trạng này. Đây là thủ thuật xâm lấn và có nguy cơ biến chứng nhất định. Nếu các enzyme liên quan quá trình bệnh có thể được đo qua tín hiệu trong nước tiểu, xét nghiệm như vậy về lý thuyết có thể cung cấp thêm thông tin mà không cần lấy một mảnh mô. [1]

Nhóm cũng quan tâm đến việc phân biệt những tình huống dễ dẫn đến xử trí quá mức. Ở phổi, hình ảnh bất thường trên chụp cắt lớp liều thấp có thể giống ung thư dù không phải ung thư, đặc biệt ở người từng hút thuốc lâu năm. Ở tuyến tiền liệt, vấn đề không chỉ là có khối u hay không, mà còn là khối u có xu hướng phát triển mạnh hay chậm. Bhatia cho biết hồ sơ enzyme của ung thư tiến triển khác với ung thư phát triển chậm; giả thuyết được đưa ra là khối u xâm lấn cần các enzyme giúp nó phá qua mô xung quanh. [1]

Từ phòng thí nghiệm đến xét nghiệm thực tế còn bao xa?

Một ý tưởng có thể hoạt động trong mô hình chuột vẫn phải trải qua nhiều bước trước khi trở thành công cụ cho người bệnh. Hệ thống cần cho kết quả đủ đáng tin, được đánh giá trên nhóm bệnh nhân phù hợp, xác định cách sử dụng và chứng minh rằng kết quả thực sự cải thiện quyết định điều trị. Những xét nghiệm sàng lọc còn khó hơn vì phải nghiên cứu trên số lượng lớn người có nguy cơ, trong đó nhiều người chưa chắc mắc bệnh. [1]

Tại thời điểm cuộc phỏng vấn năm 2019, công ty Glympse do nhóm khởi xướng đang chuẩn bị bắt đầu các thử nghiệm lâm sàng vào quý III cùng năm. Vì vậy, mốc này chỉ cho biết kế hoạch phát triển khi đó, không phải bằng chứng rằng công nghệ đã trở thành xét nghiệm phổ biến. Bhatia cũng mô tả một hướng sử dụng trong tương lai: dạng thuốc uống kết hợp que thử nước tiểu, thậm chí chụp que thử bằng điện thoại để gửi kết quả cho nhân viên y tế. Đây là tầm nhìn thiết kế cho nơi thiếu hạ tầng y tế, chưa phải sản phẩm đã hoàn thiện. [1]

Điều đáng nhớ nằm ở khoảng cách giữa tín hiệu và chẩn đoán

Nước tiểu chuột phát tín hiệu là bước ngoặt về ý tưởng, không phải điểm kết thúc của quá trình phát minh. Hạt nano phải nhận đúng enzyme, chất chỉ dấu phải đi đến nước tiểu với lượng có thể đo, và kết quả phải được diễn giải trong bối cảnh từng bệnh. Một tín hiệu có thể cho biết cơ thể đang tạo ra một hoạt động hóa học nào đó, nhưng để gọi tên bệnh, đánh giá mức độ nguy hiểm và quyết định điều trị, hệ thống còn cần nhiều lớp kiểm tra khác. [1]

Nhìn theo cách ấy, đóng góp quan trọng của ý tưởng không chỉ là thay máy chụp bằng một cốc mẫu. Nó mở ra cách suy nghĩ về chẩn đoán: dùng hạt nano như người phát hiện, enzyme như dấu hiệu của quá trình bệnh và nước tiểu như nơi nhận thông báo. Từ một kết quả bất ngờ, phòng thí nghiệm đã chuyển câu hỏi từ “làm sao nhìn thấy khối u?” sang “làm sao để cơ thể gửi ra một tín hiệu dễ lấy mẫu hơn?” [1]