Kỳ tích khoa học từ việc đưa robot siêu nhỏ vào xương sống của chuột và cá

Ngành y học tái tạo vừa chứng kiến một bước tiến mang tính đột phá lớn, khi các nhà khoa học Thụy Sĩ thử nghiệm thành công phương pháp sử dụng robot siêu nhỏ (microrobot) mang tế bào gốc để chữa trị tổn thương tủy sống.

Bằng cách đưa các robot này vào vùng tủy sống bị tổn thương của cá ngựa vằn và chuột thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã giúp các con vật hồi phục đáng kể chức năng vận động chỉ sau vài ngày đến vài tuần ngắn ngủi.

Công trình nghiên cứu mang tính cách mạng này đã được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Materials, đánh dấu sự hợp tác chặt chẽ giữa các chuyên gia đến từ Đại học Kỹ thuật Liên bang Zurich (ETH Zurich) và Đại học Zurich.

Thành quả cốt lõi của họ là việc phát triển thành công loại "robot lai sinh học" mang tên NPCbots với kích thước siêu vi, chỉ khoảng 6 micromet. Cấu tạo của mỗi robot là sự kết hợp tinh vi giữa tế bào tiền thân thần kinh (NPC) được biệt hóa từ tế bào gốc đa năng cảm ứng với các hạt nano từ tính đặc biệt.

Nhờ cấu trúc độc đáo này, chúng có thể được dẫn đường chính xác bằng hệ thống từ trường ngoài cơ thể để di chuyển đến đúng vị trí tủy sống bị tổn thương, từ đó kích thích tế bào gốc phát triển và chữa lành mô tổn thương mà không cần cấy ghép điện cực xâm lấn.

Robot siêu nhỏ mang tế bào gốc giúp vùng tủy sống bị tổn thương của cá ngựa vằn và chuột được phục hồi đáng kể. hình minh họa: Getty Images

Từ trước đến nay, tổn thương tủy sống luôn là thách thức nan y vì tế bào thần kinh rất khó tự tái tạo tự nhiên, chưa kể mô sẹo hình thành tại vết thương càng cản trở sự hồi phục.

Các liệu pháp dùng tế bào gốc truyền thống gặp nhiều hạn chế như tỷ lệ sống sót thấp, khả năng tích hợp vào mô kém và phải cấy điện cực gây xâm lấn. Nhóm nghiên cứu Thụy Sĩ đã khắc phục bài toán này bằng cách kết hợp công nghệ nano từ điện với tế bào sống, tạo ra những robot siêu nhỏ điều hướng từ xa.

Quy trình chế tạo NPCbots diễn ra khép kín trong hệ thống vi lưu (lab-on-a-chip) quy mô nhỏ. Hạt nano 2 lớp - gồm 1 lớp đáp ứng từ trường và lớp vỏ chuyển đổi thành tín hiệu điện - được trộn đều với các NPC. Chỉ sau 30 phút, từ hàng trăm nghìn đến vài triệu NPCbots đã sẵn sàng hoạt động.

Khi thử nghiệm trên ấu trùng cá ngựa vằn bị cắt tủy, các nhà khoa học tiêm trực tiếp NPCbots vào vết thương rồi áp dụng trường điện từ. Kết quả vô cùng kinh ngạc khi chỉ sau 3 ngày, cá đã có thể bơi lội linh hoạt bình thường và khôi phục hành vi khám phá xung quanh.

Thử nghiệm trên chuột bị cắt đứt hoàn toàn tủy sống - mô hình vốn không thể tự tái tạo như cá - còn mang lại kết quả ấn tượng hơn. Sau khi được tiêm hàng triệu NPCbots, các sợi thần kinh tại vị trí chấn thương đã kết nối lại sau 28 ngày. Chuột thí nghiệm dần hồi phục dáng đi, chiều dài bước chân, sự phối hợp vận động và đặc biệt là không xuất hiện phản ứng đào thải miễn dịch hay tác dụng phụ rõ rệt nào.

Hình minh họa sơ đồ quá trình phục hồi tế bào thần kinh ở vùng tủy sống của cá ngựa vằn và chuột được cấy robot siêu nhỏ. Hình minh họa: ETH Zurich

Theo Giáo sư Salvador Pané i Vidal từ Phòng thí nghiệm Robot học Đa quy mô thuộc ETH Zurich, ưu điểm lớn của cách tiếp cận này là tính chính xác và ít xâm lấn. Từ trường có thể xuyên sâu vào các lớp mô phức tạp bên trong cơ thể mà không cần dây dẫn hay thiết bị cấy ghép cố định, đồng thời dễ dàng điều chỉnh tần số và cường độ cho phù hợp.

Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các NPCbots sẽ tự phân hủy sinh học một cách an toàn trong mô, kết hợp với lớp phủ barium titanate giúp giảm thiểu tối đa các phản ứng viêm hay kích ứng.

Dù mới dừng ở giai đoạn tiền lâm sàng trên động vật, công nghệ này mở ra chân trời hy vọng mới cho y học con người. Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục tối ưu hóa hệ thống trường từ phù hợp với cơ thể người, xác định thời gian kích thích lý tưởng và mở rộng quy mô sản xuất.

Bên cạnh việc chữa trị các chấn thương tủy sống, NPCbots còn sở hữu tiềm năng ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực y khoa khác như điều trị bệnh lý tim mạch, tiêu diệt tế bào ung thư, thúc đẩy tốc độ chữa lành vết thương diện rộng cũng như các liệu pháp điều trị nhắm mục tiêu chuyên sâu khác.