Công ty Mỹ nuôi tham vọng in phổi người từ máy in 3D sinh học

Bản sao này được làm tại Manchester, New Hampshire (Mỹ) từ một máy in 3-D to cỡ một chiếc tủ lạnh của United Therapeutics, công ty kiếm được hơn một tỷ đô la mỗi năm từ việc bán thuốc trị bệnh phổi.

Một ngày nọ, United Therapeutics ra tuyên bố sử dụng một máy in tương tự để sản xuất phổi người với "số lượng không giới hạn" và khắc phục sự thiếu hụt nghiêm trọng của nguồn nội tạng hiến tặng.

In mô sinh học không mới lạ gì. Máy in 3-D có thể tạo da người, thậm chí cả võng mạc. Tuy nhiên cho đến nay, phương pháp này mới chỉ giới hạn trong các mô rất nhỏ hoặc rất mỏng và thiếu mạch máu.

Thay vào đó, United Therapeutics đang phát triển một máy in mà họ tin rằng trong một vài năm nữa sẽ có thể tạo ra mô hình phổi người rất chắc chắn, đàn hồi với chi tiết tinh tế, bao gồm cả 23 động mạch chủ của khí quản, phế nang trao đổi khí và mạng lưới mao mạch.

Phổi làm từ collagen là thứ vô tác dụng: giống như khi bạn so sánh con gà bằng cao su với một con gà bằng xương thịt. Do đó, United cũng đang tìm cách đưa các mô và tế bào của người vào phổi nhân tạo để mang lại sự sống.

Derek Morris, người đứng đầu dự án sản xuất nội tạng của United cho biết: "Chúng tôi đang cố gắng xây dựng những ngôi nhà nhỏ cho các tế bào sống".

Kinh doanh tạng

Dự án in 3-D là một trong những nỗ lực cao nhất của Giám đốc điều hành United Therapeutics, Martine Rothblatt, từng là một doanh nhân trong ngành hàng không vũ trụ (bà là Giám đốc điều hành sáng lập của Sirius Satellite Radio), người đã chuyển nghề từ những năm 1990 sau khi con gái bà phát hiện mắc một bệnh phổi hiếm.

Trong quá trình thành lập United Therapeutics, Rothblatt đầu tư mạo hiểm 25.000 USD vào một loại thuốc không được đánh giá cao và biến nó thành một công ty lớn. Bà trở thành CEO có thu nhập cao nhất trong ngành công nghiệp dược phẩm năm 2017. Rothblatt nói rằng bà hy vọng một ngày nào đó máy bay không người lái sẽ mang các nội tạng từ nhà máy của mình đến bất cứ nơi nào có nhu cầu.

United Therapeutics đã rất liều lĩnh làm một số cơ quan nội tạng. Một trong những công ty con của United Therapeutics có tên Revivicor, chuyên cung cấp dịch vụ phẫu thuật tim, thận và phổi từ lợn được biến đổi gen (đã được thử nghiệm trên khỉ đầu chó). Một phương pháp khác có tên Lung Bioengineering thì lại "tân trang" phổi từ người hiến tặng thông qua việc bơm dung dịch ấm. Đã có 250 lá phổi được cải tạo và đến tay người cần điều trị thay vì bị vứt vào sọt rác.

Bạn chưa nên quá mong đợi vào nhóm nội tạng được "sản xuất" này. Trong dự đoán của United Therapeutics, việc này chưa thể xảy ra trong 12 năm tới. Rothblatt thừa nhận rằng cấu trúc in chỉ là một sự khởi đầu. "Chỉ có hai nhánh và không có tế bào," bà nói.

Dù vậy, nỗ lực in toàn bộ nội tạng của United Therapeutics năm ngoái là lớn nhất trong ngành công nghiệp này. Hãng đã thuê 3D Systems, một công ty ở Nam Carolina (Mỹ) chế tạo máy in và thuê cho một công ty khác, 3Scan, để chia nhỏ phổi và tạo ra các bản đồ chi tiết về cấu trúc phổi.

Nhóm sản xuất nội tạng của United Therapeutics được đặt tại vị trí gần với viện nghiên cứu BioFabUSA, một dự án đầu tư nghiên cứu in mô sinh học trị giá 80 triệu USD của Bộ Quốc phòng, Mỹ. Dean Kamen, nhà phát minh nổi tiếng đứng đầu BioFabUSA cho biết: những cuộc gặp gỡ với Rothblatt đã dẫn ông tới việc xin chính phủ mở viện nghiên cứu này. "Tôi đã thấy những điều kỳ diệu mà bà ấy đang làm nhưng lại khá thất vọng về trang thiết bị được sử dụng". Đối với Kamen, các nhà sinh vật học đang bị cản trở bởi những công cụ thí nghiệm mà ông coi là "công nghệ từ thế kỷ 19".

In 3D

Hệ thống máy in 3D dùng collagen hiện nay hoạt động theo phương pháp có tên stereolithography. Một tia laser tia cực tím nháy qua một hồ collagen cạn được pha tạp với các phân tử nhạy cảm. Bất cứ nơi nào laser đọng lại, collagen cứng lại và trở nên rắn chắc. Dần dần, các lớp in mới sẽ chồng lên lớp in cũ và tạo thành vật thể in.

Theo United Therapeutics, máy in hiện nay có thể giảm khoảng cách giữa các hạt collagen xuống khoảng 20micromet. Tuy nhiên, in các chi tiết giải phẫu của phổi sẽ yêu cầu các tính năng có kích thước nhỏ hơn micromet.

"Khi bạn nhìn thấy sự phức tạp của phổi, thứ mà tạo hóa đã làm ra từ lúc thụ tinh đến khi chào đời, bạn không thể chế tạo hay đúc ra nó (phổi). In 3-D là cách duy nhất chúng ta có thể tạo ra hình dạng đó", Pedro Mendoza, giám đốc phát triển phim 3DSystems cho biết.

Mendoza cho biết 3D Systems có kế hoạch nhập khẩu công nghệ từ ngành công nghiệp bán dẫn như mặt nạ, gương và các tia laser mạnh hơn để cải thiện độ phân giải của máy in. Tốc độ in cũng là một vấn đề. Mô hình khí quản và 2 phế quản phải mất tới 12 giờ để in. Bởi vậy, một khuôn in phổi hoàn chỉnh và chi tiết có thể mất tới 12 tháng để hoàn thành.

In sinh học

Một số mô được in sinh học khá giống với việc sử dụng thuốc. Một nhóm nghiên cứu ở Tây Ban Nha đã in da người và cho rằng có thể được sử dụng trên bệnh nhân bỏng. Tuy nhiên, tất cả các mô làm được cho đến nay đều rất mỏng. Chúng mỏng bởi vì thiếu mạch máu. Bất kỳ mô nào lớn hơn đều sẽ chết.

Trong khi một số nhà nghiên cứu đã từng in nguyên mẫu của các mạch máu sống, thì hiện nay nỗ lực này vẫn cần phát triển tiếp. Hiện vẫn chưa có ai nhận giải thưởng trị giá 300,000 USD được NASA dành cho nhà khoa học đầu tiên có thể in mô sống dày 1 cm. Trong khi đó, một lá phổi người có kích cỡ dày hơn nhiều, và nặng tới 1,3kg.

Một số công ty cho biết vẫn còn quá sớm để nói về việc in toàn bộ nội tạng. "Tất cả chúng ta đều nghĩ rằng nó sẽ có thể xảy ra tại một thời điểm nào đó trong tương lai. "Sharon Presnell, nhà khoa học đầu ngành của Organovo, một công ty ở California, đã in những mảng gan mỏng có độ đàn hồi. "Bạn có thể tạo một thứ nhỏ như mạch máu không? Nó có thể chịu được áp lực sinh học không? Hầu hết chúng ta đều phải tập đi trước khi biết chạy (phải nghiên cứu từng bước).

Thêm tế bào

Không chỉ United Therapeutics, mọi người nói rằng vấn đề là việc sử dụng phương pháp"bơm"các tế bào và protein thông qua kim tiêm. Luis Alvarez, nhà sinh học, người đứng đầu nhóm sản xuất nội tạng của United Therapeutics mô tả việc in tế bào như "đẩy bong bóng nước qua ống hút." Ông nói, "độ phân giải in của bạn bị giới hạn bởi kích thước của tế bào".

Thay vào đó, kế hoạch của United Therapeutics là in một "khuôn đúc" phổi đầu tiên và sau đó truyền tế bào vào, một quá trình gọi là tái tế bào hóa.

Bằng chứng về một ma trận collagen có thể trở thành lá phổi đã sớm được phát hiện. Năm 2018, trong một thí nghiệm được United Therapeutics tài trợ, Harald Ott - nhà phẫu thuật thực nghiệm của Đại học Harvard đã công bố việc bơm hàng tỷ tế bào người (tế bào lấy từ dây rốn) vào một lá phổi lợn đã bị lấy mất các tế bào. Khi Ott kết nối lại với hệ tuần hoàn của lợn, kết quả cho thấy đã thực hiện được những chức năng thô sơ dù thí nghiệm này chỉ kéo dài một giờ.

"Bạn nhận được máu thông qua hệ thống, và bạn nhận được việc trao đổi khí, "Finn Hawkins, một nhà sinh học tế bào gốc tại Đại học Boston, người không tham gia vào dự án của United Therapeutics nói. "Rất đáng chú ý. Nhưng đó là một chặng đường dài để cấy ghép nội tạng".

Hawkins nói rằng các cơ quan của Ott thiếu các loại tế bào quan trọng. Hơn nữa, vẫn chưa rõ làm thế nào để có được tế bào người với số lượng cần thiết để cung cấp cho một nhà máy sản xuất tạng trong tương lai. Không có đủ phổi người từ những người hiến tặng đủ để đáp ứng nhu cầu.

United Therapeutics cho biết họ có kế hoạch sử dụng tế bào gốc để chế tạo mô cần thiết trong phòng thí nghiệm của mình, nhưng đó cũng không phải là một nhiệm vụ dễ dàng.

"Tôi nghĩ rằng việc in sinh học chỉ là một phần của vấn đề", Hawkins nói. "Ngay sau khi bạn đề cập đến bất cứ thứ gì lớn hơn một con chuột, tôi sẽ nói thật khó để "kiếm" đủ số lượng tế bào tương ứng để "in" ra thứ đó".

Các cơ quan mới

Nếu các cơ quan nội tạng có thể được sản xuất với số lượng lớn, nó sẽ không chỉ giải quyết tình trạng thiếu hụt nội tạng. Cuối cùng có thể định hình lại nhịp sống của con người. Sẽ thế nào nếu một người 80 tuổi được một trái tim hoặc phổi mới?

Để đạt được điều đó, United Therapeutics sẽ phải cần không chỉ một mà là nhiều chuyên gia. Tuy nhiên, Alvarez cũng cho hay United Therapeutics dự đoán rằng các dự án công nghệ như: giá in 3 chiều, kỹ thuật tái tổ chức và nỗ lực chế tạo mô phổi từ tế bào gốc - tất cả sẽ giao thoa với nhau trong tương lai.

"Qua thời gian, chúng tôi đã có được phần in đẹp nhất của lá phổi", ông nói "Chúng tôi sẽ biết làm thế nào để tái tế bào hóa lại nó".

Nguyễn Huyền

Tham khảo Technology Review