Gai titan siêu nhỏ ngăn nhiễm trùng sau cấy ghép

Một tế bào Candida còn nguyên vẹn trên bề mặt titan được đánh bóng (trái) và một tế bào Candida bị vỡ trên bề mặt titan có gai vi mô (phải). Ảnh: INT

TS Lê Hoàng Phúc (30 tuổi) cùng cộng sự tại Đại học RMIT (Australia) chế tạo mô hình gai siêu nhỏ khắc được trên titan cấy ghép nhằm bảo vệ bệnh nhân trước vi khuẩn và nấm mà không cần dùng thuốc.

Kháng vi khuẩn và nấm

TS Lê Hoàng Phúc cho biết, từ năm 2020 các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu về tương tác bề mặt giữa các chủng nấm có hại khác nhau trên vật liệu có cấu trúc nano. Nghiên cứu mới chứng minh được các bề mặt gồ ghề có cấu trúc siêu nhỏ lấy cảm hứng từ những chiếc gai diệt vi khuẩn trên cánh côn trùng (ve sầu, chuồn chuồn) giúp chống hiệu quả các siêu vi khuẩn kháng thuốc, bao gồm cả nấm.

Hiện nay, tỉ lệ nhiễm trùng do kháng thuốc ngày càng tăng khiến chuyên gia y tế trên toàn cầu lo ngại. Để tránh nhiễm trùng quanh những chỗ cấy ghép, chẳng hạn như hông titan hay phục hình nha khoa, bác sĩ thường sử dụng một loạt các lớp phủ kháng khuẩn, hóa chất và kháng sinh, nhưng các biện pháp này không ngăn chặn được các chủng kháng kháng sinh và thậm chí còn có thể khiến các chủng này mạnh hơn.

Hướng tiếp cận của nhóm tập trung loại bỏ các vi sinh vật ngay khi tiếp xúc, qua đó hạn chế can thiệp bằng hóa chất. TS Phúc cùng với TS Denver Linklater, thành viên nhóm nghiên cứu, thử nghiệm với một số bề mặt trụ titan siêu nhỏ.

Nhóm nhà khoa học sau đó cũng tìm cách thiết kế mô hình gai siêu nhỏ bằng titan nhằm bảo vệ bệnh nhân trước vi khuẩn và nấm mà không cần dùng thuốc. Các gai được thiết kế đặc biệt: Mỗi gai có chiều cao tương tự như một tế bào vi khuẩn và có khả năng phá hủy khoảng một nửa số tế bào gây hại ngay khi tiếp xúc.

Đáng chú ý, hơn nửa số tế bào nấm gây hại còn lại bám trên bề mặt dù không bị tiêu diệt ngay lập tức nhưng đều không thể sống sót do bị thương tích, khiến chúng không thể sinh sản hay gây ra nhiễm trùng.

Hơn nửa số tế bào nấm gây hại còn lại bám trên bề mặt dù không bị tiêu diệt ngay lập tức nhưng đều không thể sóng sót do bị thương tích, khiến chúng không thể sinh sản hay gây ra nhiễm trùng.

Các phân tích chuyển hóa hoạt động protein cho thấy cả nấm Candida albicans và nấm Candida auris (một loại nấm kháng đa thuốc) bị thương tích rồi sẽ chết. Các tế bào Candida bị tổn thương tiếp tục trải qua áp lực trao đổi chất diện rộng trong khoảng thời gian lên tới 7 ngày. Điều này chặn đứng quy trình sinh sản tạo ra màng sinh học nấm chết người.

Ngay cả trong một môi trường không áp lực thì chúng cũng không thể được hồi sinh và cuối cùng ngừng hoạt động trong một quá trình được gọi là apoptosis hay tế bào chết theo lập trình.

TS Denver Linklater, TS Lê Hoàng Phúc và các cộng sự (từ trái qua phải). Ảnh: NVCC

Mầm bệnh chết theo lập trình

Việc thiết kế bề mặt có khả năng tiêu diệt siêu vi khuẩn ngay khi tiếp xúc đã có những bước tiến trong thập kỷ qua. Tuy nhiên, việc tìm ra các mẫu bề mặt phù hợp nhằm loại bỏ 100% vi khuẩn, tức không cho vi khuẩn nào có cơ hội sống sót để trở nên kháng kháng sinh, vẫn đang là một thách thức.

“Nghiên cứu mới nhất của chúng tôi cho thấy rằng có thể không cần thiết phải loại bỏ tất cả các mầm bệnh ngay khi tiếp xúc nếu có thể chỉ ra rằng những bề mặt này sẽ khiến các tế bào sống sót chết theo lập trình, nghĩa là kiểu gì chúng cũng chết”, TS Lê Hoàng Phúc nói.

Theo TS Denver Linklater, các phân tích chuyển hóa hoạt động protein cho thấy các tế bào nấm Candida albicans bị tổn thương đã bị ức chế trao đổi chất trên diện rộng trong khoảng thời gian lên tới 7 ngày, sẽ ngăn chặn quá trình sinh sản và cuối cùng chúng tự chết đi. Với những tế bào còn lại, chúng không còn khả năng sống sót và sẽ ngừng hoạt động (gọi là apoptosis, tức tế bào chết theo lập trình).

Phát hiện này chứng minh cách thiết kế bề mặt kháng nấm có thể ngăn chặn việc hình thành màng sinh học từ các loại nấm men nguy hiểm, đa kháng thuốc. TS Phúc cho hay, các gai siêu nhỏ bằng titan đang trong giai đoạn kiểm tra tính khả thi. Nhóm cũng hướng tới việc thử nghiệm đặc tính kháng nấm của mẫu này đối với các chủng vi sinh vật khác nhau nhằm tối ưu hóa kích thước vi gai để đạt hiệu quả chống và diệt vi sinh tối ưu.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu vật liệu diệt khuẩn cơ học đa chức năng của Đại học RMIT đã dẫn đầu thế giới về phát triển các bề mặt kháng khuẩn lấy cảm hứng từ các trụ nano bao phủ cánh chuồn chuồn và ve sầu.

Kỹ thuật biến đổi bề mặt mới này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị y tế, nhưng cũng có thể dễ dàng điều chỉnh cho các ứng dụng nha khoa hoặc cho các vật liệu khác như băng ghế bằng thép dùng trong sản xuất thực phẩm và nông nghiệp.

Nghiên cứu của nhóm được công bố trên tạp chí Advanced Materials Interfaces đầu tháng 9/2023 đã kiểm tra tính hiệu quả của bề mặt titan được hiệu chỉnh này trong việc tiêu diệt Candida đa kháng thuốc - một loại nấm có thể gây tử vong và là nguyên nhân dẫn đến một trong mười loại nhiễm trùng thiết bị y khoa trong bệnh viện.

Chi Nhật