Sản xuất bất kỳ loại thuốc nào ngay trong nhà bạn: "Nhà máy thuốc" bằng nấm men của MIT

Quá trình sản xuất dược phẩm sinh học là một trong những nguyên nhân lớn nhất làm tăng chi phí cho việc chăm sóc sức khỏe. Lý do là vì quá trình phát hiện và phát triển các dược phẩm khá dài, phức tạp và tốn nhiều chi phí. Thêm vào đó, việc xây dựng cơ sở vật chất và tăng quy mô sản xuất cũng rất đắt đỏ. Các hệ thống sản xuất dược phẩm sinh học không thích hợp với việc sản xuất di động hoặc phân tán các chế phẩm sinh học, do chúng thường đòi hỏi sự phát triển các dòng tế bào sản xuất một chế phẩm sinh học đặc biệt, duy nhất, sau đó nuôi cấy chúng ở quy mô rất lớn. Vì thế, điều này vẫn là thách thức lớn trong việc điều trị cho các bệnh nhân trong khoảng thời gian ngắn, đặc biệt là ở những vùng xa xôi nơi có cơ sở vật chất thiếu thốn.

Để vượt qua những trở ngại này, các nhà khoa học tại MIT, với sự tài trợ của Cơ quan phụ trách các dự án nghiên cứu cao cấp về quốc phòng Mỹ (Defense Advanced Research Projects Agency -DARPA) đã phát triển một hệ thống cơ động sử dụng các chủng nấm men Pichia pastoris cải biến di truyền cho phép sản xuất nhiều loại dược phẩm sinh học theo nhu cầu. Hệ thống này có thể lập trình trong một thiết bị vi lỏng quy mô mililit, dạng bàn thấp, tích hợp. Trong một bài báo được công bố ngày 29/7 trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng hệ thống này có thể sản xuất được một liều trị liệu chỉ từ một thiết bị nhỏ gọn chứa một giọt nhỏ tế bào nấm men trong dung dịch.

Tiến sĩ Tim Lu- tác giả chính của công trình, chuyên gia đa lĩnh vực gồm kỹ thuật sinh học, kỹ thuật điện và khoa học máy tính, trưởng nhóm Sinh học tổng hợp tại phòng nghiên cứu điện tử tại MIT cho biết: “Hệ thống có thể được áp dụng trên chiến trường và được sử dụng để tạo ra các phương pháp trị liệu tại điểm chăm sóc sức khỏe. Nó còn có thể được sử dụng để sản xuất vaccine phòng dịch bệnh bùng phát ở các ngôi làng xa trung tâm.”

"Tưởng tượng chúng ta đang ở trên sao Hỏa hoặc trên một sa mạc xa xôi, không được tiếp cận với thuốc men một cách đầy đủ thì chúng ta vẫn có thể sử dụng nấm men để tạo ra thuốc điều trị bệnh theo nhu cầu ở nơi đó", tiến sĩ Lu cho biết.

Hệ thống hoạt động dựa trên chủng nấm men cải biến di truyền, Pichia pastoris, sử dụng chất hóa học đặc biệt để cảm ứng nhằm biểu hiện một trong hai protein có hoạt tính trị liệu. Các nhà nghiên cứu lựa chọn P. pastoris vì chúng có khả năng sinh trưởng nhanh chỉ từ các nguồn cacbon đơn giản và không đắt đỏ, đồng thời có thể biểu hiện số lượng protein lớn.

Khi các nhà nghiên cứu kích hoạt các chủng nấm men được cải biến bằng estrogen β-estradiol, các tế bào này biểu hiện hormone tăng trưởng tái tổ hợp của người (recombinant human growth hormone - rHGH). Ngược lại, khi họ kích hoạt các tế bào này bằng methanol, chủng nấm men lại biểu hiện protein interferon. Các tế bào này được giữ bên trong máy phản ứng vi sinh để bàn quy mô milimet, chứa chip vi lỏng, ban đầu được phát triển bởi Tiến sĩ Rajeev Ram, giáo sư về kỹ thuật điện ở MIT, và nhóm của ông, sau đó được thương mại hóa nhờ Kevin Lee, một cử nhân của MIT và là đồng tác giả nghiên cứu.

Đầu tiên, dung dịch chứa tín hiệu kích hoạt sinh học mong muốn được cho vào máy phản ứng và trộn với các tế bào này. Bên trong máy phản ứng, hỗn hợp hóa chất và các tế bào được bao quanh ba chiều bởi polycarbonat; chiều thứ tư là màng cao su silicon có khả năng đàn hồi, cho phép khí đi qua. Bằng việc nén khí bên trên màng này, các nhà nghiên cứu có khả năng massage nhẹ nhàng giọt chất lỏng nhỏ để đảm bảo hàm lượng của nó được trộn đều với nhau.

Do màng này cho phép khí đi qua nên nó cũng cho phép oxy đi vào các tế bào này, trong khi phân tử cacbon dioxit mà các tế bào thải ra có thể được loại bỏ dễ dàng. Thiết bị sẽ giám sát các điều kiện bên trong chip vi lỏng, bao gồm nồng độ oxy, nhiệt độ, và độ pH để đảm bảo môi trường tối ưu cho sự tăng trưởng tế bào. Đồng thời, thiết bị cũng giám sát mật độ tế bào.

Nếu muốn sử dụng nấm men để sản xuất các protein khác thì dung dịch sau đó sẽ được sục rửa qua màng lọc và chỉ để lại các tế bào. Dung dịch mới chứa tín hiệu cảm ứng hóa học sau đó sẽ được thêm vào nhằm kích thích sản xuất protein tiếp theo.

Hệ thống sản xuất mới có khả năng di dời được thiết kế để sản xuất nhiều loại dược phẩm sinh học theo nhu cầu. Thành phần cơ bản của thiết bị phản ứng sinh học siêu nhỏ này là một con chip bằng nhựa được bao quanh bởi dung dịch vi lỏng (xanh lá cây), cảm biến quang để giám sát nồng độ oxy và độ axit (các vòng tròn màu xanh và đỏ), và một lưới lọc để giữ các tế bào lại khi protein có hoạt tính điều trị được chiết ra (vòng tròn màu trắng.

Mặc dù, trước đây, có nhiều nhóm nghiên cứu khác đã cố gắng xây dựng các thiết bị phản ứng sinh học siêu nhỏ, tuy nhiên, các hệ thống này lại không có khả năng giữ lại các tế bào sản xuất protein trong quá trình sục rửa loại bỏ dung dịch được trộn cùng. "Các nhà khoa học muốn giữ lại các tế bào nấm men này vì chúng là các nhà máy sản xuất protein cho chúng ta" ông nói. "Nhưng họ cũng muốn thay đổi nhanh chóng môi trường hóa học của chúng để thay đổi tín hiệu kích hoạt cho việc sản xuất protein."

Cách nhà nghiên cứu hiện đang tiếp tục tìm hiểu về việc sử dụng hệ thống này trong điều trị kết hợp, trong đó có nhiều chất có hoạt tính điều trị, chẳng hạn như các kháng thể, có thể được sử dụng cùng nhau. Việc kết hợp nhiều thành phần có hoạt tính điều trị theo cách này có thể sẽ có giá thành cao nếu mỗi thành phần này yêu cầu một dây chuyền sản xuất riêng, tiến sĩ Lu giải thích. "Nhưng nếu chúng ta có thể thiết kế một chủng duy nhất, hoặc thậm chí là một tập hợp các chủng sinh trưởng cùng nhau, để sản xuất các tổ hợp chế phẩm sinh học hoặc kháng thể, thì đây sẽ là con đường vô cùng hiệu quả để sản xuất dược phẩm với giá thành hợp lý”, ông cho biết.

Tài liệu tham khảo:

1. "MIT Team Develops Portable Drug Production System", genengnews, Aug 1, 2016.

2. "Synthetic biology and microbioreactor platforms for programmable production of biologics at the point-of-care", Nature Communications, July 29, 2016, doi:10.1038/ncomms12211.

Lược dịch và tổng hợp Nguyễn Minh Hảo