Thạc sĩ tạo khung xương nhân tạo từ…vỏ tôm, rong biển

GD&TĐ - Sử dụng chitosan từ vỏ tôm và algynate trong rong biển, ThS Vũ Thanh Bình tạo ra khung xương nhân tạo giúp phục hồi phần xương bị khuyết.



Mày mò nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian ThS Vũ Thanh Bình, làm việc tại Phòng Thí nghiệm kỹ thuật mô và y học tái tạo, Khoa Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TPHCM).

Nói về về các hướng điều trị khiếm khuyết xương hiện nay, ThS Bình cho biết, y học hiện đại sử dụng phương pháp ghép từ người hiến hoặc ghép từ xương động vật. Tuy nhiên, các phương pháp này có nhược điểm hạn chế về nguồn mô ở người hiến cũng như nguy cơ lây truyền bệnh, thải loại miễn dịch khi ghép từ xương động vật.

Từ thực tế này, ThS Bình cùng nhóm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mô tạo ra khung giá thể giúp các tế bào xương làm nơi bám lên, tăng sinh và canxi hóa khôi phục phần xương khiếm khuyết. Khung giá thể xương được tạo ra trong phòng thí nghiệm có cấu trúc gần giống mô xương tự nhiên cơ thể nhất.

Anh Bình cho biết, mô xương tự nhiên cơ thể có các thành phần polyme, bó sợi collagen và các thành phần gốm sinh học (canxi phosphat). Các thành phần này tạo ra cấu trúc mô xương có khả năng chịu tải, thực hiện chức năng nâng đỡ, tạo ra tủy xương… Từ cơ sở này, nhóm tạo ra polyme tự nhiên sử dụng từ nguyên liệu chitosan có trong vỏ tôm, cua cùng với vật liệu algynate có trong rong biển.

Theo ThS Bình, ngoài đặc tính có sẵn trong tự nhiên, dễ tìm kiếm, các nguyên liệu này có thể kháng khuẩn, khả năng tương thích sinh học cao là điều kiện để tạo vật liệu làm khung xương nhân tạo tốt nhất.

Chitosan và algynate được kết hợp với một dạng dịch khớp bôi trơn giúp tăng khả năng đàn hồi, giảm tổn thương đầu khớp xương. “Các nguyên liệu này cần được liên kết với nhau để tạo thành khung xương nhân tạo”, ThS Bình nói.

Thành công trên động vật

Theo nhóm nghiên cứu, việc liên kết các nguyên liệu có thể sử dụng chất phụ gia. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm tạo ra dạng liên kết chéo ngoại sinh, có khả năng gây độc tế bào xương.

Từ đó, nhóm nghiên cứu thực hiện phương pháp biến đổi cấu trúc các nguyên liệu bằng cách gắn thêm các nhóm chức, giúp chúng có khả năng tự liên kết mà không cần sử dụng phụ gia.

Từ vật liệu dạng gel, khung xương đông cứng tạo ra cấu trúc lỗ xốp giúp tế bào mô xương tự nhiên liên kết bám trên khung để tăng sinh.

Ngoài ra, khung xương nhân tạo có khả năng phân hủy sinh học tức biến mất sau khi tế bào xương người bám dính, phát triển và có thể tiết ra chất để tạo khung xương của chính nó để lấp đầy phần xương bị khuyết.

Dựa vào tính chất, vị trí mô xương bị khuyết, nhóm có thể điều chỉnh thời gian phân hủy sinh học của khung xương nhân tạo sao cho thời gian phân hủy tương đồng thời gian tế bào xương tiết ra và tạo ra khung xương.

Theo tính toán của nhóm, tế bào xương cần vài tháng đến hàng năm để tái tạo khung xương mới và khôi phục hoàn toàn vị trí bị khuyết.



Để đánh giá nghiên cứu, nhóm thử nghiệm trên chuột bằng cách gây mê, khoan một vị trí ở nắp sọ để tạo khiếm khuyết xương và không làm tổn hại não của chúng. Nhóm tiến hành bơm gel vào khu vực khuyết xương chuột.

Sau khi tỉnh, chuột được theo dõi chỉ số sinh tồn như cân nặng, chế độ ăn uống, di chuyển… trong vòng một tháng. Theo ThS Bình, vì vật liệu dạng gel nên khi vào nắp sọ nó có thể làm đầy vị trí bị khiếm khuyết dù ở dạng nào.

Sau vài giờ, gel sẽ đóng rắn và bắt đầu quá trình tạo khung xương nhân tạo. Sau 1 tháng, nhóm tiến hành làm chết nhân đạo chuột, phẫu thuật não để đánh giá khả năng tái tạo mô xương dựa trên khung xương nhân tạo bằng phương pháp nhuộm mô sinh học.

Kết quả cho thấy ở công thức Agl-NOCC-AHA-BCP 40% cho tỷ lệ lấp đầy 80 - 90% vị trí khiếm khuyết trên nắp sọ chuột, khả năng tương thích sinh học cao.

Đây là cơ sở để nhóm có thể thử nghiệm trên động vật lớn với điều kiện bệnh lý gần giống người hơn, củng cố chứng cứ khoa học ứng dụng trên người.

Tuy nhiên theo ThS Bình, từ mô hình động vật để ứng dụng trên người là khoảng cách khá xa, qua nhiều quy trình, thủ tục và Hội đồng đạo đức để chứng minh tính hiệu quả, an toàn của sản phẩm.

Trước mắt, nhóm nghiên cứu muốn phát triển gel tạo khung xương thành một dạng mực in sinh học có thể thương mại. Gel sau khi in sinh học có thể tạo thành các khung xương nhân tạo phục vụ cho việc nghiên cứu lĩnh vực y sinh cũng như thử nghiệm trên động vật thay thế các sản phẩm ngoại nhập có giá thành cao.

Theo PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp, Trưởng khoa Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TPHCM), trong nước đã có một số nghiên cứu tại các viện trường thực hiện, hướng đến điều trị cá nhân hóa các tổn thương xương trên người.

Điều này khắc phục vấn đề điều trị từ khung xương có sẵn, trong nhiều trường hợp không phù hợp với từng người. Việc nhóm tạo ra loại gel sau khi bơm vào khu vực xương khuyết có thể định hình và phù hợp cho bất cứ người nào.

Tuy nhiên, PGS Hiệp cho rằng, nghiên cứu cần thực hiện các bước thử nghiệm trên động vật lớn để đánh giá độ an toàn, tính khả thi trên kích thước xương lớn hơn, tiến tới các thử nghiệm lâm sàng trên người.



Mày mò nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong thời gian ThS Vũ Thanh Bình, làm việc tại Phòng Thí nghiệm kỹ thuật mô và y học tái tạo, Khoa Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TPHCM).

Nói về về các hướng điều trị khiếm khuyết xương hiện nay, ThS Bình cho biết, y học hiện đại sử dụng phương pháp ghép từ người hiến hoặc ghép từ xương động vật. Tuy nhiên, các phương pháp này có nhược điểm hạn chế về nguồn mô ở người hiến cũng như nguy cơ lây truyền bệnh, thải loại miễn dịch khi ghép từ xương động vật.

Từ thực tế này, ThS Bình cùng nhóm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mô tạo ra khung giá thể giúp các tế bào xương làm nơi bám lên, tăng sinh và canxi hóa khôi phục phần xương khiếm khuyết. Khung giá thể xương được tạo ra trong phòng thí nghiệm có cấu trúc gần giống mô xương tự nhiên cơ thể nhất.

Anh Bình cho biết, mô xương tự nhiên cơ thể có các thành phần polyme, bó sợi collagen và các thành phần gốm sinh học (canxi phosphat). Các thành phần này tạo ra cấu trúc mô xương có khả năng chịu tải, thực hiện chức năng nâng đỡ, tạo ra tủy xương… Từ cơ sở này, nhóm tạo ra polyme tự nhiên sử dụng từ nguyên liệu chitosan có trong vỏ tôm, cua cùng với vật liệu algynate có trong rong biển.

Theo ThS Bình, ngoài đặc tính có sẵn trong tự nhiên, dễ tìm kiếm, các nguyên liệu này có thể kháng khuẩn, khả năng tương thích sinh học cao là điều kiện để tạo vật liệu làm khung xương nhân tạo tốt nhất.

Chitosan và algynate được kết hợp với một dạng dịch khớp bôi trơn giúp tăng khả năng đàn hồi, giảm tổn thương đầu khớp xương. “Các nguyên liệu này cần được liên kết với nhau để tạo thành khung xương nhân tạo”, ThS Bình nói.

Thành công trên động vật

Theo nhóm nghiên cứu, việc liên kết các nguyên liệu có thể sử dụng chất phụ gia. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm tạo ra dạng liên kết chéo ngoại sinh, có khả năng gây độc tế bào xương.

Từ đó, nhóm nghiên cứu thực hiện phương pháp biến đổi cấu trúc các nguyên liệu bằng cách gắn thêm các nhóm chức, giúp chúng có khả năng tự liên kết mà không cần sử dụng phụ gia.

Từ vật liệu dạng gel, khung xương đông cứng tạo ra cấu trúc lỗ xốp giúp tế bào mô xương tự nhiên liên kết bám trên khung để tăng sinh.

Ngoài ra, khung xương nhân tạo có khả năng phân hủy sinh học tức biến mất sau khi tế bào xương người bám dính, phát triển và có thể tiết ra chất để tạo khung xương của chính nó để lấp đầy phần xương bị khuyết.

Dựa vào tính chất, vị trí mô xương bị khuyết, nhóm có thể điều chỉnh thời gian phân hủy sinh học của khung xương nhân tạo sao cho thời gian phân hủy tương đồng thời gian tế bào xương tiết ra và tạo ra khung xương.

Theo tính toán của nhóm, tế bào xương cần vài tháng đến hàng năm để tái tạo khung xương mới và khôi phục hoàn toàn vị trí bị khuyết.



Để đánh giá nghiên cứu, nhóm thử nghiệm trên chuột bằng cách gây mê, khoan một vị trí ở nắp sọ để tạo khiếm khuyết xương và không làm tổn hại não của chúng. Nhóm tiến hành bơm gel vào khu vực khuyết xương chuột.

Sau khi tỉnh, chuột được theo dõi chỉ số sinh tồn như cân nặng, chế độ ăn uống, di chuyển… trong vòng một tháng. Theo ThS Bình, vì vật liệu dạng gel nên khi vào nắp sọ nó có thể làm đầy vị trí bị khiếm khuyết dù ở dạng nào.

Sau vài giờ, gel sẽ đóng rắn và bắt đầu quá trình tạo khung xương nhân tạo. Sau 1 tháng, nhóm tiến hành làm chết nhân đạo chuột, phẫu thuật não để đánh giá khả năng tái tạo mô xương dựa trên khung xương nhân tạo bằng phương pháp nhuộm mô sinh học.

Kết quả cho thấy ở công thức Agl-NOCC-AHA-BCP 40% cho tỷ lệ lấp đầy 80 - 90% vị trí khiếm khuyết trên nắp sọ chuột, khả năng tương thích sinh học cao.

Đây là cơ sở để nhóm có thể thử nghiệm trên động vật lớn với điều kiện bệnh lý gần giống người hơn, củng cố chứng cứ khoa học ứng dụng trên người.

Tuy nhiên theo ThS Bình, từ mô hình động vật để ứng dụng trên người là khoảng cách khá xa, qua nhiều quy trình, thủ tục và Hội đồng đạo đức để chứng minh tính hiệu quả, an toàn của sản phẩm.

Trước mắt, nhóm nghiên cứu muốn phát triển gel tạo khung xương thành một dạng mực in sinh học có thể thương mại. Gel sau khi in sinh học có thể tạo thành các khung xương nhân tạo phục vụ cho việc nghiên cứu lĩnh vực y sinh cũng như thử nghiệm trên động vật thay thế các sản phẩm ngoại nhập có giá thành cao.

Theo PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp, Trưởng khoa Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TPHCM), trong nước đã có một số nghiên cứu tại các viện trường thực hiện, hướng đến điều trị cá nhân hóa các tổn thương xương trên người.

Điều này khắc phục vấn đề điều trị từ khung xương có sẵn, trong nhiều trường hợp không phù hợp với từng người. Việc nhóm tạo ra loại gel sau khi bơm vào khu vực xương khuyết có thể định hình và phù hợp cho bất cứ người nào.

Tuy nhiên, PGS Hiệp cho rằng, nghiên cứu cần thực hiện các bước thử nghiệm trên động vật lớn để đánh giá độ an toàn, tính khả thi trên kích thước xương lớn hơn, tiến tới các thử nghiệm lâm sàng trên người.