Robot DNA tí hon tiêu diệt ung thư theo chiến thuật "ngựa gỗ thành Troy"

Trong vòng 24 giờ sau khi xâm nhập vào chuột thí nghiệm, robot nano đã chặn nguồn cung máu tại khối u và tiêu diệt mô khối u mà không gây hiệu ứng phụ nào lên các mô khỏe mạnh.

Loại robot nano mới là một hệ thống robot DNA có thể đưa thuốc vào cơ thể một cách chính xác và được vận hành hoàn toàn tự động, Science Daily dẫn lời nhà nghiên cứu Hao Yan, giám đốc trung tâm mô phỏng sinh học và thiết kế phân tử thuộc học viện thiết kế sinh học đại học Arizona (ASU).

Công nghệ vừa được thực nghiệm thành công này là nghiên cứu đầu tiên ở động vật có vú, trong đó áp dụng với những con chuột bị ung thư phổi, ung thư buồng trứng, u ác tính và ung thư ngực. Theo ông Yan, công nghệ này có thể được dùng trong nhiều loại ung thư khác nhau vì mọi mạch máu nuôi dưỡng khối u dạng rắn về cơ bản đều giống nhau.

Robot "gián điệp" thế hệ mới

Y học nano là một nhánh mới của ngành y sử dụng công nghệ nano để thực hiện những phương thức điều trị mới, tiêu biểu như máy nano mang điện tích âm có kích cỡ phân tử được dùng trong chẩn đoán và điều trị các bệnh hiểm nghèo, đặc biệt là ung thư.

Điều thách thức lớn nhất hiện nay là thiết kế, xây dựng và kiểm soát các robot nano có khả năng chủ động tìm kiếm và tiêu diệt các khối u ung thư mà không gây hại cho các tế bào khỏe mạnh.

Để giải bài toán khó này, nhóm nghiên cứu quốc tế đã sử dụng một chiến lược khá đơn giản. Cách đây 5 năm (2013), họ bắt đầu hình thành ý tưởng cắt bỏ nguồn cung máu cho khối u bằng cách làm đông máu trong nhiều khối u dạng rắn. Để đạt kết quả điều trị cao và an toàn, các nhà nghiên cứu quyết định chế tạo các cỗ máy nano dựa trên DNA.

DNA origami - tạo hình bằng DNA là ngành học có 20 năm lịch sử chuyên về xây dựng các cấu trúc DNA phức tạp. DNA có thể tự xoắn lại thành mọi loại hình dạng và kích cỡ với quy mô bằng một phần ngàn bề rộng một sợi tóc người. Ngành học này hứa hẹn tạo nên cuộc cách mạng về điện toán, điện tử và y khoa.

Giáo sư Yan cho rằng nghiên cứu robot nano mới là một bước tiến quan trọng mở ra giai đoạn phát triển mới của ngành y học nano. (Ảnh: ASU).

Chuyên môn về DNA origami của giáo sư Hao Yan đã giúp nhóm nghiên cứu nâng cấp thiết kế máy nano cũ thành một hệ thống robot hoàn toàn có thể lập trình để tự mình thực hiện nhiệm vụ chữa bệnh, “vận chuyển phân tử và khóa nguồn cung máu ngay tại khối u để giết chết mô của nó và thu nhỏ nó”, theo một giáo sư đến từ trung tâm công nghệ và khoa học nano (NCNST) thuộc học viện khoa học Trung Quốc trụ sở tại Bắc Kinh, Trung Quốc.

Sau khi thiết kế được hệ thống mới, các nhà khoa học đã tiêm các hạt robot liti này vào những con chuột bị nhiễm tế bào ung thư vú, tế bào ung thư buồng trứng, u ác tính và tế bào ung thư phổi ở người.

Đầu tiên, các máy nano chữa bệnh được đưa vào cơ thể chuột. Mỗi robot nano được làm từ một tấm DNA phẳng hình chữ nhật với kích thước bé như một tờ giấy xếp origami tí hon, 90x60 nanomet (1 nanomet = 1 phần tỉ met). Bề mặt của tấm DNA có gắn enzyme thrombin. Enzyme thrombin này có chức năng ngăn chặn dòng máu ở khối u bằng cách làm đông máu bên trong các mao mạch nuôi dưỡng khối u, từ đó tấn công vào trung tâm khối u và giết chết mô của nó.

Robot nano DNA mới mang enzyme gây đông máu thrombin. (Ảnh: ASU).

Chìa khóa để lập trình các máy nano chỉ tấn công tế bào ung thư là một thành phần đặc biệt mang tên aptamer DNA, là các yếu tố di truyền cực nhỏ có khả năng nhận biết bề mặt tế bào ung thư để tránh các tế bào lành.

Sau khi đã xâm nhập bề mặt mạch máu của khối u, các máy nano sẽ đưa thuốc vào trung tâm khối u bằng cách phóng ra enzyme thrombin gây đông máu. Hoạt động “lén lút” tiêm thuốc vào khối u của các robot nano cũng giống như một "gián điệp" nổi tiếng trong thần thoại Hy Lạp là chú ngựa thành Trojan nên các còn được gọi là Trojan horse.

Theo kết quả nghiên cứu, các máy nano làm việc khá nhanh. Chỉ vài giờ sau khi được tiêm vào cơ thể chuột, chúng đã có thể nhanh chóng tập hợp số lượng lớn để bao vây và tiêu diệt khối u. Trong vòng 24 giờ sau khi xâm nhập vào chuột thí nghiệm, robot nano đã chặn nguồn cung máu tại khối u và tiêu diệt mô khối u mà không gây hiệu ứng phụ nào lên các mô khỏe mạnh. Sau đó, hầu hết các robot nano này sẽ tự đào thải khỏi cơ thể trong 24 giờ tiếp theo.

Robot nano dạng tấm DNA đang cuốn lại để tấn công khối u. (Ảnh: ASU).

Trong mỗi trường hợp, các kéo dài tuổi thọ của chuột và làm chậm quá trình phát triển hoặc thậm chí teo lại sự phát triển khối u. Trong trường hợp mô u ác tính, các robot nano thậm chí còn có thể ngăn ngừa sự lan rộng của u ác tính đến gan. Và với chú chuột bị ung thư phổi, các mô ung thư đã thu nhỏ sau hai tuần điều trị.

Triển vọng mới từ ngành khoa học của những máy móc tí hon

Trưởng nhóm nghiên cứu quốc tế, giáo sư Yuliang Zhao đến từ NCNST, cho biết, các máy nano hoạt động khá an toàn và hiệu quả. “Robot nano đã được chứng minh là an toàn và không gây miễn dịch khi sử dụng trên chuột và lợn Bama tí hon, không có hiệu ứng nào được phát hiện trong việc đông máu hoặc hình thái học tế bào bình thường”.

Điều quan trọng nhất là không có bằng chứng nào cho thấy các robot nano lan xa đến não và gây ra các tác dụng phụ không mong muốn như đột quỵ. “Các máy robot nano an toàn ở các mô bình thường của chuột và các động vật lớn”, Science Daily dẫn lời một thành viên chủ chốt của nhóm nghiên cứu, giáo sư Guangjun Nie cũng đến từ NCNST.

Trong bài nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Biotechnology, giáo sư Yan cho rằng đây là một bước ngoặt quan trọng mở ra giai đoạn phát triển tiếp theo của ngành y học nano. “Chúng ta đang tiếp cận nhiều hơn các ứng dụng công nghệ có tính thực tiễn trong y học. Sự kết hợp các nano robot mang theo các tác nhân khác nhau được thiết kế hợp lý có thể đạt được mục tiêu cao nhất của nghiên cứu ung thư. Đó là tiêu diệt các khối u rắn và sự lây lan của chúng trong mạch máu. Ngoài ra, những robot tí hon này cũng có thể được thiết kế lại để vận chuyển thuốc điều trị các loại bệnh khác”.

Hiện nay, Yan và các nhà khoa học cộng tác đang tích cực tìm kiếm các đối tác điều trị lâm sàng để tiếp tục phát triển công nghệ mới đầy hứa hẹn.