MỞ ĐẦUCông nghệ sinh học là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra các công nghệ khai thác các hoạt động
Trang 1I MỞ ĐẦU
Công nghệ sinh học là một lĩnh vực công nghệ cao dựa trên nền tảng khoa học về sự sống, kết hợp với quy trình và thiết bị kỹ thuật nhằm tạo ra các công nghệ khai thác các hoạt động sống của vi sinh vật, tế bào thực vật và động vât để sản xuất ở quy mô công nghiệp các sản phẩm sinh học có chất lượng cao, phục vụ cho lợi ích, nhu cầu của con người đồng thời phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường
Ngày nay, công nghệ sinh học đang được ứng dụng vào trong rất nhiều các lĩnh vực của cuộc sống: công nghiệp, nông nghiệp, y học Bằng những kiến thức sinh học về thực vật, động vật, nấm, vi khuẩn và sử dụng "công nghệ DNA tái tổ hợp" các nhà khoa học đang cố gắng tạo ra những cây trồng, vật nuôi có năng suất và chất lượng cao, những loại thực phẩm, dược phẩm phục
vụ cho việc chữa bệnh ở người và công nghệ tế bào và kĩ thuật chuyển gen hiện nay rất phát triển ở Việt Nam Ở đây, chúng ta sẽ bàn về những ứng dụng của công nghệ sinh học trong y học
Những ứng dụng của Công nghệ sinh học (CNSH) trong y tế được phân thành hai loại như sau : (1) Những ứng dụng có liên quan đến việc thao tác các tế bào, mô, bộ phận hoặc toàn bộ cơ thể ( chẳng hạn như sinh sản được hỗ trợ, kỹ thuật mô và nhân bản vô tính );
(2) Những ứng dụng liên quan tới việc nhận dạng sự thực thi chức năng ở cấp phân tử của ADN, protein và enzym và mối quan hệ của chúng với sự phát sinh bệnh tật lẫn sức khoẻ
II NHỮNG CÔNG NGHỆ MỚI NỔI
1.1 Y học hệ gen ( Genomic Medicine )
Hệ gen học là bộ môn chuyên nghiên cứu chức năng và mối tương tác của tất cả các gen trong cơ thể Y học hệ gen có nhiệm vụ nhận dạng các gen tham gia làm phát sinh bệnh tật và vạch
ra chiến lược chữa trị dựa vào tri thức này Đây là bộ môn mới ở giai đoạn phát triển ban đầu Khi việc lập Bản đồ hệ gen người được hoàn thành vào năm 2000, nhiều chuyên gia đã nhanh chóng dự đoán rằng sẽ có sự phát triển rất nhiều ứng dụng y học dựa vào gen Điều này cho đến nay vẫn chưa được thực hiện, vì bản đồ hệ gen người chỉ thuần tuý cung cấp một bản đồ của các bộ phận (“Map
of Parts”) Vẫn còn phải thu thập nhiều dữ liệu hơn nữa, cả ở cấp tế bào lẫn cấp quần thể Và điều quan trọng là vẫn phải diễn giải nhiều dữ liệu hơn nữa mới mong bước đầu hiểu được những mấu chốt phức tạp về gen và môi trường của sự phát triển bệnh tật
Mặc dù nhiệm vụ đặt ra phức tạp và cần phải thu thập và phân tích những dữ liệu khổng lồ, nhưng y học hệ gen hứa hẹn sẽ làm thay đổi ngành y tế và quá trình phát triển dược phẩm- tuy không nhanh như trước đây mọi người vẫn tưởng
Những công nghệ đang nổi lên tạo động lực cho sự phát triển của y học hệ gen gồm:
- Các công cụ chẩn đoán;
- Các dược phẩm thích hợp với từng người;
- Các liệu pháp dựa vào gen;
1.1.1 Công cụ chẩn đoán
Các công cụ chẩn đoán nhanh tạo ra “làn sóng” quan trọng thứ nhất của các ứng dụng lâm sàng trong y học hệ gen Có thể thấy trước một tương lai, khi năng lực xét nghiệm gen sẽ đạt tới trình độ đo được chính xác hàng chục, hàng trăm, hàng ngàn, thậm chí hàng chục ngàn mARN (ARN Messenger-ARN thông tin), protein hoặc các thành phần phân tử nhỏ của máu Những thành phần ( hoặc các phần tử đánh dấu- “marker” ) này khác nhau đối với từng loại bệnh, cũng như từng giai đoạn trong quá trình phát sinh bệnh Dự đoán rằng một khi có thể nhận dạng chính xác từng phân tử đánh dấu thì sẽ có khả năng áp dụng được đúng phương pháp điều trị vào giai đoạn thích hợp nhất của căn bệnh
Phần lớn các phép xét nghiệm gen hiện nay được dùng để phát hiện những trục trặc di truyền hoặc những trục trặc cá lẻ do khuyết tật của một gen hoặc nhiễm sắc thể (ví dụ như các bệnh
Trang 2Huntington và chứng ưa chảy máu) Tuy nhiên, Dự án Hệ gen Người giúp nhận dạng dễ dàng hơn một loạt các gen tham gia vào những bệnh phức tạp hơn như ung thư, bệnh tim và tiểu đường Phép xét nghiệm gen có thể giúp hiểu biết dần về các hiện tượng di truyền phức tạp, ngoài ra cũng giúp ta hiểu được vì sao có một số người lại dễ bị mắc những căn bệnh nhất định, trên cơ sở đó có thể phát triển được các công cụ xét nghiệm thích hợp
Khi bản chất gen của những căn bệnh phức tạp hơn được khám phá, và nếu như các dụng cụ chẩn đoán và xét nghiệm gen trở nên rẻ hơn và được kết hợp nhiều hơn vào công tác y tế thì phép xét nghiệm gen sẽ trở thành một công cụ đắc lực và phổ biến
Các công nghệ tạo điều kiện xét nghiệm ADN nhanh bao gồm các chip, có khả năng đo được mức biểu hiện của hàng vạn gen trong một lần thử
Chip ADN không phải là công nghệ duy nhất có tác động tới công tác chẩn đoán Sự kết hợp của Công nghệ sinh học và Công nghệ Nano có triển vọng sẽ tạo ra những dụng cụ chẩn đoán mạnh Chúng sẽ tạo ra khả năng quan sát được các mối tương tác phức tạp của các phân tử ở mức
độ đặc thù hơn nhiều
Một số các ứng dụng đầu tiên của Công nghệ sinh học nano có thể sẽ ở lĩnh vực chẩn đoán phân tử Các nhà nghiên cứu tin chắc rằng sau chip ADN sẽ là thế hệ của chip protein, hoạt động ở cấp nano Các chip này sẽ có khả năng xét nghiệm nhiều protein hoặc các phân tử gắn với protein hoặc ADN khác ở 1 lần thử duy nhất Năng lực này có tầm quan trọng để xét nghiệm hiệu quả các bệnh phức tạp liên quan đến nhiều gen và đánh giá được giai đoạn phát triển của bệnh
Những kỹ thuật có tên gọi là “Vạch mô thức protein” ( Protein Pattern Profiling ) đang bắt đầu được áp dụng để nhận dạng sự tiến triển của một số bệnh ung thư Dựa vào thuật toán của bộ môn Trí tuệ nhân tạo, các nhà khoa học Mỹ bước đầu nhận dạng được một số mô thức ung thư nhờ xét nghiệm máu Một xét nghiệm đối với bệnh ung thư buồng trứng hiện đang được đánh giá đối với các phụ nữ để làm giảm căn bệnh này
Các công nghệ hiển thị hình ảnh gần đây cũng đặc biệt hứa hẹn Ví dụ, thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) giúp ta quan sát được các mô, các bộ phận và chức năng của chúng Các chuyên gia tin rằng trong vòng 5 năm tới sẽ có được thiết bị chụp ảnh phân tử để quan sát được sự biểu hiện gen ở người ( công nghệ này hiện đã được dùng cho động vật ) Điều này không chỉ đem lại khả năng cho chẩn đoán mà còn cho phép quan sát, đánh giá ở thời gian thực những tác dụng của nhiều loại dược phẩm và liệu pháp gen
Những hạt nano, đặc biệt là điểm lượng tử ( Quantum Dot ) sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đang nổi là phát triển phần tử đánh dấu sinh học (Biomarker) Điểm lượng tử là những cấu trúc tinh thể có tính chất phát quang khi chịu tác dụng của tia laser Chúng có thể được dùng làm các phần tử đánh dấu hiệu quả của bệnh tật Không như những thuốc nhuộm hữu cơ thường được dùng làm tác nhân phát quang có cường độ ánh sáng suy giảm sau vài phút, điểm lượng tử phát sáng được trong vài tuần hoặc lâu hơn, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát được chức năng tế bào Chúng cho phép sử dụng đồng thời nhiều màu sắc
1.1.2 Gen dược học ( Pharmacogenetics )
Gen dược học: một bộ môn chuyên nghiên cứu về ảnh hưởng của sự khác biệt gen đối với phản ứng của từng cá nhân lên dược phẩm
Một số phản ứng này là do những khác biệt ở cách bố trí gen Những người có cách bố trí gen đặc biệt có thể khiến cho một số loại thuốc mất công hiệu, hoặc cần áp dụng liều lượng cao hơn hoặc thấp hơn mới có hiệu quả Điều này là do cơ thể của họ phân giải các chất nhanh hơn hoặc chậm hơn Có một số lượng lớn nhưng xác định các hệ thống mà cơ thể có thể sử dụng để xử lý thuốc, và khi hiểu biết của chúng ta về chúng được tăng cường lên thì việc xét nghiệm gen có khả năng giúp xác định lại loại dược phẩm cần bào chế và liều lượng của chúng
Trang 3Ứng dụng thương mại đầu tiên của Gen dược học là chip ADN dùng để xét nghiệm 2 enzym then chốt chịu trách nhiệm đối với quá trình trao đổi chất của thuốc Những enzym này được tìm thấy trong gan, tham gia vào quá trình trao đổi chất của gần 40% của tất cả các loại thuốc hiện đang được bào chế Ứng dụng của Gen dược học cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển dược phẩm, đặc biệt là thử nghiệm lâm sàng Việc có được khả năng sàng lọc chính xác những
cá nhân để thử nghiệm trước cũng có thể có tác động lớn tới cách thức thiết kế và quản lý thử nghiệm để giảm bớt phí tổn
1.1.3 Các liệu pháp
Người ta đặt nhiều hy vọng rằng việc lập chuỗi hệ gen người sẽ tạo ra cuộc cách mạng cho quá trình phát minh dược phẩm Nhưng trên thực tế, hệ gen vẫn chỉ là một “danh mục các bộ phận” không hơn không kém của các gen, mà sự liên hệ của chúng với bệnh tật vẫn còn chưa được biết Một khối lượng lớn thông tin đã được tạo ra ở dạng ký sinh, vì các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết được chính xác những bộ phận nào có liên quan đến những căn bệnh nào Nếu thiếu kiến thức thì không thể phát triển được những liệu pháp gen thích hợp Bởi vậy, những dự báo lạc quan trước đây hiện đã lắng xuống do hiểu biết được nhiều hơn về tính phức tạp của nhiệm vụ đặt ra,
Mặc dù tràn ngập dữ liệu, nhưng chúng ta đang trong xu hướng tiến tới rời bỏ mô hình phát triển dược phẩm ở dạng những “quả bom tấn” hoá chất để chuyển sang sản xuất các dược phẩm sinh học thích hợp với từng cá nhân Gần 16% các dược phẩm mới được bào chế từ 1997 là dựa vào Công nghệ Sinh Học Theo dự báo của một số nhà quan sát, tới năm 2015, tỷ lệ trên sẽ tăng lên 40% Dự báo này là có cơ sở, bởi lẽ trên 30% số dược phẩm được phát triển hiện nay là sản phẩm sinh học Chỉ có một số ít dược phẩm trị liệu gen nhằm vào những mục tiêu cụ thể được đưa ra thị trường Hai dược phẩm được biết đến nhiều nhất là Herceptin chữa ung thư vú và Glecvec chữa bệnh bạch cầu Những dược phẩm này chỉ phục vụ cho một số người có gen đặc thù Ví dụ, Herceptin là một kháng thể đơn dòng, nhằm vào những tế bào ung thư nào biểu thị quá mức loại protein có tên là HER-2 Chỉ có khoảng 25-30% số người bị ung thư vú là có loại gen này và loại thuốc được bào chế tỏ ra là có nhạy cảm
Tuy nhiên, trong một phát triển gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng ngay cả những liệu pháp thành công như Glecvec, có khoảng 15-20% bệnh nhân sử dụng loại dược phẩm này sau 3 năm trở nên nhờn thuốc Sở dĩ như vậy vì loại enzym mà dược phẩm trên tác dụng vào trở nên kháng thuốc
Kinh nghiệm dựa vào các dược phẩm đã đưa ra thị trường cho thấy rằng liệu pháp hệ gen phần lớn đều chỉ nhằm vào một bộ phận bệnh nhân Việc đưa dược phẩm ra thị trường rất tốn kém và tốn nhiều thời gian Do vậy, nếu dược phẩm chỉ phục vụ cho một bộ phận nhỏ trong số các bệnh nhân mắc bệnh thì các công ty dược phẩm không thu được nhiều lợi nhuận Một hy vọng là nếu có thể nhận dạng chính xác những nhóm người có gen mục tiêu ngay ở giai đoạn thử nghiệm lâm sàng thì
sẽ giúp việc thử nghiệm được nhanh hơn và đỡ tốn phí hơn
1.1.4 Liệu pháp dựa vào gen
Liệu pháp dựa vào gen hay gọi tắt là liệu pháp gen gen là “một kỹ thuật điều trị, trong đó một gen thực hiện chức năng được nạp vào tế bào mục tiêu để sửa chữa sai sót bẩm sinh hoặc cung cấp chức năng mới cho tế bào” Nếu nạp thành công, các tế bào sẽ sản xuất được protein trị liệu để thay thế hoặc bổ sung cho gen bị hư hỏng hoặc xử lý những ảnh hưởng của các bệnh bị mắc như ung thư Những ứng dụng liệu pháp gen hứa hẹn sẽ giúp cơ thể sản xuất được những phân tử trị liệu một cách lâu bền
Thoạt đầu, người ta cho rằng những trục trặc gen di truyền là những mục tiêu hiển nhiên để những liệu pháp gen nhằm vào Tuy nhiên, những khó khăn lớn đã nảy sinh trong việc:
(1) Nạp gen đúng mục tiêu vào các loại tế bào đặc thù
Trang 4(2) Đảm bảo để tế bào sản xuất được đúng loại protein trị liệu.
(3) Tìm ra được phương pháp để tránh được phản ứng tiêu cực của hệ miễn dịch
Bởi vậy, liệu pháp gen vẫn chưa đạt được tiềm năng như đã dự đoán
Phần lớn các thử nghiệm liệu pháp gen hiện nay đều nhằm vào bệnh ung thư Công trình “Dự báo Công nghệ” của Nhật Bản nêu rằng tới năm 2017, liệu pháp gen để chữa trị ung thư sẽ được sử dụng phổ biến Cho tới nay, chỉ có duy nhất một sản phẩm trị liệu gen nhận được giấy phép sử dụng tại thị trường Trung Quốc, đó là Gendicine Sản phẩm này sử dụng vectơ adenovirus để mang gen P53 vào tế bào khối u
1.1.5 Giao thoa ARN
Giao thoa ARN (RNAi) là tác nhân vô hiệu hóa gen ( Gene Silencing ), được coi là một công nghệ đang nổi đầy hứa hẹn mà giới nghiên cứu và thương mại đang hết sức quan tâm Một công trình then chốt đã cho thấy rằng một số phân tử ARN có công dụng làm “vô hiệu hóa” biểu thị của gen Đây là một trong những tiến bộ quan trọng nhất gần đây của sinh học Ngay từ khi phát hiện
ra, RNAi đã chứng tỏ là một công cụ thí nghiệm cực kỳ hữu ích để kiểm định các mục tiêu dược phẩm Tuy nhiên, về lý thuyết, ứng dụng khả năng vô hiệu hóa gen có thể chữa trị được mọi bệnh
có liên quan đến sự quá hoạt tính của một gen hoặc nhiều gen Nó cũng có tiềm năng giảm bớt nguy
cơ biểu thị quá mức của những vật liệu gen khi nạp vào cơ thể, tránh sự phát triển thành khối u Theo dự báo, thị trường RNAi sẽ tăng 31,5%/năm, đạt giá trị 328 triệu USD vào năm 2010 ( trong khi giá trị của nó vào năm 2003 là 48 triệu USD ) Phần lớn sự tăng trưởng này có lẽ là nhờ việc sử dụng RNAi làm công cụ thí nghiệm Tuy nhiên, tháng 8/2004, một loại dược phẩm mới dựa vào RNAi đã được đăng ký cấp bằng sáng chế, do Công ty Acuity Pharmaceutical của Mỹ phát triển Một trong những trở ngại lớn nhất cho liệu pháp RNAi là vấn đề nạp gen
1.1.6 Các công nghệ nạp gen
Nạp gen trị liệu vào tế bào là một trong những trở ngại kỹ thuật lớn nhất trong liệu pháp gen
Có một số phương pháp nạp gen tiềm năng và mỗi phương pháp đều có nhược điểm và ưu điểm Trước đây, các virus lành tính thường được dùng để tải các gen trị liệu vào tế bào Các nhà khoa học
đã lợi dụng khả năng tự nhiên của virus trong việc truyền ADN vào tế bào Tuy nhiên, virus cũng làm phát sinh vấn đề như gây độc hại, gây phản ứng miễn dịch và viêm nhiễm Do đó, những phương pháp khác thay thế virus đã được tìm kiếm Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm đưa trực tiếp ADN vào tế bào và sử dụng các tế bào gốc làm vectơ Hiện nay, các thử nghiệm đang được tiến hành đối với tế bào gốc để chữa trị các bệnh về hệ tuần hoàn Mục đích đặt ra là đưa những gen khoẻ mạnh vào máu để tạo thành các tế bào gốc, từ đó có thể chuyên biệt thành tất cả các tế bào máu
Các nhiễm sắc thể nhân tạo của người (HAC) cũng được coi là một công nghệ có tiềm năng
1.1.7 Vacxin
Trong số các biện pháp can thiệp y tế, vacxin là một trong những phương pháp đã có từ lâu
và ít tốn kém, có tác động lớn nhất tới công tác chăm sóc sức khoẻ cộng đồng
Công nghệ này đã đạt được nhiều tiến bộ nhờ sự hiểu biết gia tăng về bản chất của các vi khuẩn lây nhiễm, nhưng sẽ tiếp tục phát triển bởi động lực của một số bệnh đang đặt ra thách thức cho y học, chẳng hạn như AIDS, sốt rét và cúm Sự nhấn mạnh gần đây đến nguy cơ xảy ra chiến tranh sinh học cũng thúc đẩy công tác phát triển vacxin
Từ thập kỷ 80, nhiều vacxin mới và hoàn thiện đã được đưa ra, kể cả các chủng loại được tạo ra bằng công nghệ gen đầu tiên trên thế giới Những vacxin này đã được phát triển theo phương pháp truyền thống để phòng chống các bệnh lây nhiễm cấp tính
Tuy nhiên, những loại vacxin trị liệu mới đang nổi lên, được thiết kế cho những bệnh nhân đã bị lây nhiễm , với mục đích tăng cường phản ứng miễn dịch Những vacxin trị liệu cũng đã được thử
Trang 5nghiệm lâm sàng để chữa các bệnh không lây nhiễm, ví dụ để tăng phản ứng miễn dịch đối với những chủng loại khối u ung thư Hiện nay, vẫn chưa có các loại vacxin trị liệu được đưa ra thị trường, nhưng có một số ứng dụng được dùng trong các thử nghiệm lâm sàng quy mô nhỏ Trong số các vacxin trị liệu có được, loại tiên tiến nhất là để chống bệnh ung thư, đồng thời cũng có sự chú trọng gia tăng để chống HIV/AIDS và chữa các bệnh thần kinh
Cũng có sự quan tâm ngày càng tăng đến lĩnh vực vacxin ADN, trong đó ADN được dùng thay cho protein để tạo ra phản ứng miễn dịch Về lý thuyết, vacxin ADN có một số ưu điểm so với các vacxin khác Ví dụ, các vacxin ADN có tác dụng từ bên trong tế bào, có tiềm năng tạo ra phản ứng mạnh hơn và hy vọng sẽ có khả năng chống lại các loại virus biến đổi liên tục, chẳng hạn như virus cúm Tuy nhiên, cho dù đã có thành công ở động vật, nhưng những thử nghiệm lâm sàng ban đầu ở người cho thấy rằng vacxin AND vẫn không đủ công hiệu Điều này dẫn tới việc tìm kiếm sử dụng các công nghệ cận kề, chẳng hạn như dùng vectơ virus để làm phương tiện dẫn nạp và điều này có hứa hẹn nhiều hơn Hiện có một số vacxin ADN đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng
1.2 Y học tái sinh ( Regenerative Medicine )
Sự nổi lên của bộ môn Y học tái sinh là dấu hiệu thay đổi khuôn mẫu, từ chỗ chú trọng thay thế mô sang sửa chữa và tái sinh mô bị bệnh và lão hoá, cũng như các bộ phận hư hỏng, thông qua phương pháp sinh học Dự báo từ nay đến 2025, các biện pháp tái sinh dựa vào tế bào sẽ thâm nhập vào y tế
để chữa trị những bệnh như Alzheimer, Parkinson, tiểu đường và bệnh tim Lâu dài hơn, mục tiêu cuối cùng đặt ra là tái sinh hoàn toàn các bộ phận
Một số động lực then chốt khiến gia tăng hoạt động nghiên cứu bộ môn này bao gồm sự thiếu hụt nghiêm trọng các bộ phận thay thế, máu và mô; tình trạng dân số già đi nhanh chóng ở các nước phát triển
Các công nghệ nơron cũng đang phát triển nhanh và những ứng dụng tiềm năng đang nổi lên, sẽ tạo khả năng cho những người tàn phế sử dụng tín hiệu từ bộ não để cử động chân tay giả (cũng như các thiết bị bên ngoài như xe lăn, bàn phím máy tính v.v ) Về lâu dài, các công nghệ này thậm chí
có khả năng kích hoạt các bộ phận bị liệt
Dưới đây sẽ đề cập đến sự phát triển trong tương lai của kỹ thuật mô:
Để sản xuất ở quy mô lớn các sản phẩm kỹ thuật mô đòi hỏi phải có kiến thức và sự kết hợp một số lĩnh vực R&D như : y học, vật liệu học, sinh học và kỹ thuật Các nhiệm vụ đòi hỏi của kỹ thuật mô bao gồm:
- Tạo nguồn và tăng cường các tế bào hoặc dòng tế bào ( Cell Line );
- Phát triển bộ giàn giáo ( Scaffold ) vật liệu sinh học để nuôi cấy tế bào ( đáp ứng cả nhu cầu nuôi cấy trong cơ thể và trong ống nghiệm );
- Biểu thị và nạp các phân tử sinh học để điều chỉnh sự tăng trưởng, chuyên biệt hoá tế bào;
- Giải pháp khắc phục phản ứng của hệ miễn dịch;
- Chế tạo các thiết bị phản ứng sinh học và các hệ thống bảo quản và sản xuất quy mô lớn phục vụ cho khâu sản xuất
Rõ ràng, đây là một lĩnh vực rất mới của Công nghệ sinh học Lĩnh vực này cũng phức tạp, vì giải pháp cho các nhiệm vụ nêu trên hiện đang ở giai đoạn phát triển khác nhau Ví dụ, sự phát triển các ứng dụng của vật liệu sinh học đang ở mức độ tiên tiến hơn so với hiểu biết về sự sinh sôi và chuyên biệt hoá của các loại tế bào
Cho tới nay đã có một số sản phẩm kỹ thuật mô vươn được ra thị trường Hiện ở trên thị trường có khoảng trên một chục loại sản phẩm thay thế da được tạo ra bằng kỹ thuật mô Cũng có mặt một số sản phẩm khác còn chưa hoàn thiện như sụn, xương, van tim
Khả năng áp dụng các cấu trúc đa tế bào tạo được bằng kỹ thuật mô đạt thành công rất ít Đó là do những vấn đề liên quan đến phản ứng miễn dịch và kiến thức còn hạn chế về sự điều chỉnh và duy
Trang 6trì chức năng tế bào Vẫn còn phải khắc phục một số vướng mắc về KH&CN trước khi thực thi được hứa hẹn của kỹ thuật mô Dưới đây đề cập đến một số vấn đề chủ yếu
1.2.1 Tìm kiếm tế bào
Một vấn đề quan trọng trong phát triển kỹ thuật mô là tìm kiếm và tăng cường các tế bào và dòng tế bào Tế bào và dòng tế bào có thể lấy từ những nguồn khác nhau Chúng có thể được lấy từ
cơ thể bệnh nhân, từ người cho hiến (Donor) và từ các loài khác Chúng có thể được lấy từ các dạng tách biệt (những tế bào vừa được chiết xuất, với tuổi thọ xác định) hoặc dòng tế bào, đòi hỏi phải tạo ra môi trường nuôi cấy trong ống nghiệm ở mỗi một nguồn thu nhận tế bào có thể có sự biến đổi tiếp thành các dạng tế bào khác, hứa hẹn nhất là các tế bào gốc
Tế bào gốc là những tế bào có khả năng tiếp tục phân chia và phát triển thành các loại mô khác nhau, khiến cho chúng đặc biệt có nhiều hứa hẹn cho các ứng dụng y học
Tế bào gốc lấy từ phôi (ESC), hay còn gọi là tế bào mầm, được coi là có tiềm năng nhất Tuy nhiên, ESC làm phát sinh vấn đề đạo đức
Các tế bào gốc trưởng thành (Adult) có mặt ở các bộ phận cơ thể (ví dụ gan, hệ thần kinh trung ương, tụy…) hiện đang được chú trọng nghiên cứu Mặc dù các tế bào gốc trưởng thành không có khả năng tương tự như ESC trong việc phát triển thành nhiều loại tế bào khác, nhưng có khả năng là chúng tham dự vào quá trình tái sinh các bộ phận
Ví dụ, gần đây đã quan sát thấy các tế bào gốc trong số các tế bào tủy xương không chỉ chuyên biệt hóa thành các tế bào hồng cầu, mà còn thành tế bào gan, nếu được cấy vào gan Tuỷ xương cũng chứa các tế bào gốc có tiềm năng chuyên biệt hoá thành xương, sụn hoặc cơ tim
Hoạt động nghiên cứu về liệu pháp dựa vào tế bào gốc đang ở giai đoạn rất sơ khai Các nhà khoa học sẽ còn phải tiếp tục khắc phục một số khó khăn về KH&CN trước khi đạt được ứng dụng lâm sàng, bao gồm:
- Hiểu biết về cơ chế điều chỉnh tăng trưởng và chuyên biệt hoá của tế bào gốc thành mô;
- Hạn chế nguy cơ tế bào gốc chuyên biệt hoá thành tế bào ung thư;
- Khắc phục sự chối bỏ của hệ miễn dịch có thể phát sinh khi bệnh nhân nhận tế bào gốc từ cơ thể khác, hoặc ESC
Nhiều quốc gia, đặc biệt là Trung Quốc, Singapo và Anh đang đầu tư mạnh cho nghiên cứu tế bào gốc Nước Mỹ do những vấn đề liên quan đến chính trị, tôn giáo và đạo đức nên kinh phí Liên bang chỉ tài trợ hạn chế cho nghiên cứu ESC
1.2.2 Vật liệu sinh học, phân tử sinh học và công nghệ giàn giáo
Vật liệu sinh học trong kỹ thuật mô được dùng để hỗ trợ và hướng dẫn sự tăng trưởng của các tế bào trong các cấu trúc 2 hoặc 3 chiều đặc thù, thường gọi là “giàn giáo” Một bộ giàn giáo lý tưởng là bắt chước chức năng của ma trận ngoại bào (ECM), tức là tạo ra cho tế bào một cấu trúc hỗ trợ bao gồm protein, carbohydrat và phân tử tín hiệu
Hoạt động nghiên cứu hiện nay đang chú trọng vào phát triển các vật liệu sinh học có những tính chất cơ học cần thiết ( chẳng hạn như khả năng chịu tải, khả năng phân hủy Mối quan tâm chủ yếu
là kết hợp các phân tử tín hiệu kích hoạt (chẳng hạn như protein có chức năng tác nhân tăng trưởng) vào bộ giàn giáo vật liệu sinh học Nghiên cứu việc dẫn nạp các phân tử sinh học đang chịu ảnh hưởng mạnh của những phát triển công nghệ về véctơ trị liệu gen Khả năng kết hợp các phân tử kích hoạt vào bộ giàn giáo và giải phóng có điều khiển đối với các tác nhân tăng trưởng cho phù hợp với điều kiện sinh lý là một trong những khâu then chốt tiếp theo của tiến bộ công nghệ
Khía cạnh thiết kế cấu trúc giàn giáo cũng có tầm quan trọng không kém để phát triển các vật liệu sinh học mới Một phát triển công nghệ có hứa hẹn đem lại tiến bộ trong lĩnh vực này là tạo nguyên mẫu nhanh (Rapid Prototyping) hoặc in ba chiều Công nghệ in 3 chiều, cùng với các công nghệ như chụp cắt lớp hay chụp cộng hưởng từ tạo khả năng có được những mô hình động chính xác của
Trang 7các bộ phận và hệ mạch của chúng Một trong những trở ngại kỹ thuật lớn để tái sinh bộ phận hoặc
mô là nhân bản các mao mạch Công nghệ in 3 chiều, với khả năng lập mô hình chính xác các hệ thống sinh vật, được coi là giải pháp đặc biệt hứa hẹn
Công nghệ Nano sinh học cũng có dấu hiệu sẽ giúp khắc phục trở ngại này Ví dụ, các kỹ thuật chế tạo vi mô đã giúp vi tiểu hình hoá các bộ giàn cho kỹ thuật mô, cho phép kiểm soát ở cấp vi mô các
bề mặt tế bào một cách hiệu quả hơn để mô phỏng tác dụng của thành mạch Các polyme sinh học cũng được chế tạo với các kênh kích thước như mao mạch và đã có triển vọng như những ống dẫn
có hiệu quả để hình thành các mạch máu Một ứng dụng trước mắt là thay thế các mô động mạch tim bị hư hỏng
1.2.3 Thiết kế kỹ thuật và sản xuất
Sau khi khẳng định được tính khả thi về kỹ thuật để tái sinh mô, vẫn cần phải khắc phục các thách thức quan trọng về thiết kế kỹ thuật thì mới tiến hành được việc sản xuất quy mô lớn
Các sản phẩm kỹ thuật mô được nuôi cấy ngoài cơ thể sẽ phụ thuộc vào việc phát triển của các công nghệ thiết bị phản ứng, những thiết bị quan trọng để bảo quản tế bào và mô trước khi đưa vào sử dụng lâm sàng Có một số vấn đề cần giải quyết như sau:
- Làm thích ứng công nghệ thiết bị phản ứng hiện có để có khả năng tăng cường tế bào và xản suất
mô ba chiều ở quy mô lớn;
- Sử dụng thiết bị phản ứng làm thiết bị hỗ trợ các bộ phận cơ thể;
- Xây dựng các chiến lược hỗ trợ lưu thông máu trong các mô được tạo;
- Phát triển các thiết bị phản ứng sinh học mô phỏng môi trường sinh lý
Cho dù các tế bào được nuôi cấy trong ống nghiệm hay trong cơ thể thì cũng đều làm nảy sinh những vấn đề đối với sự phát triển trong tương lai Người ta quan tâm nhiều đến trường hợp nuôi cấy mô tại chỗ (In Situ) nhờ các tế bào tiêm vào, do có ưu điểm là không cần phải mô phỏng môi trường sinh lý nhân tạo Nếu như các tế bào phải được tạo ra bên ngoài cơ thể để thành mô cấy ghép thì trước hết phải lấy được các tế bào thích hợp của bệnh nhân Nếu các tế bào được lấy từ cơ thể bệnh nhân thì sẽ cần phải có một hệ thống nuôi dưỡng kèm theo Điều này đem lại những vấn đề về luật pháp, đồng thời rất tốn kém
1.2.4 Các bộ phận sinh học nhân tạo
Sự phát triển các bộ phận sinh học nhân tạo thực chất là được dùng tạm thời trong thời gian chờ bệnh nhân hồi phục hoặc có được các phủ tạng của người hiến-đã có được khá nhiều tiến bộ Các bộ phận sinh học nhân tạo lấy plasma của bệnh nhân cần cấy ghép và lưu chuyển những tế bào này bên ngoài cơ thể trong thiết bị phản ứng thông qua các tế bào khỏe của bệnh nhân Công nghệ này có thể coi là chiếm vị trí trung gian giữa liệu pháp tế bào và tái sinh toàn bộ bộ phận Hiện tại, 2 loại thiết bị gan nhân tạo sử dụng tế bào gan người và 3 thiết bị sử dụng tế bào gan lợn đang trong quá trình thử nghiệm lâm sàng
1.3 Công nghệ sinh học hỗ trợ sinh sản
1.3.1 Công nghệ tử cung nhân tạo
Sự phát triển của công nghệ tử cung nhân tạo (Artificial Womb) còn ở giai đoạn sơ khai Nhóm nghiên cứu của Mỹ đã tách lấy tế bào từ thành tử cung và nuôi cấy ở trong phòng thí nghiệm
Họ đã sử dụng các hoocmôn và nhân tố tăng trưởng và kỹ thuật nuôi cấy mô Những phôi đã được cấy ghép vào tử cung nhân tạo này sống được tới 14 ngày Trái lại, nhóm của Nhật Bản đã tách lấy bào thai của dê và đặt vào trong một túi chất dẻo trong suốt, chứa nước ối, được duy trì ở nhiệt độ
cơ thể; những bào thai này đã sống được tới 10 ngày
Tử cung nhân tạo mở ra triển vọng “sinh” con hoàn toàn bên ngoài cơ thể
1.3.2 Sàng lọc và lựa chọn phôi
Trang 8Chẩn đoán gen trước khi cấy phôi (PGD) là một kỹ thuật in vitro (trong ống nghiệm), theo
đó các phôi non được phân tích để kiểm tra những đặc trưng gen hoặc nhiễm sắc thể xác định và được lựa chọn tương ứng để cấy vào cơ thể bệnh nhân PGD lần đầu tiên được thực hiện vào năm
1989 và đã được áp dụng ở khoảng 50 bệnh viện trên khắp thế giới, phần lớn là ở Mỹ Công nghệ này đã được dùng để tránh các bệnh di truyền như chứng ưa chảy máu (Haemophilia) và hội chứng Lesch Nyhan, các bất bình thường của nhiễm sắc thể như các bệnh Down và Turner Tuy nhiên, trước khi có thể được áp dụng tin cậy đối với các đặc trưng bệnh tật phức tạp, cần phải có những phát minh quan trọng xoay quanh các vấn đề như mối quan hệ giữa kiểu gen và kiểu hình, các nhân
tố môi trường và một số bệnh về biểu sinh
Công nghệ PGD có những nhược điểm, do chỉ thực hiện được mỗi lần một phôi, điều này hạn chế nghiêm trọng tới việc xét nghiệm nhiều đặc trưng Tuy nhiên, một kỹ thuật có tên là khuếch đại ADN có thể giúp khắc phục nhược điểm này Khuếch đại ADN không phải là một kỹ thuật mới, nhưng gần đây nó được hoàn thiện để áp dụng
Cuối năm 2002, 331 trẻ em đã ra đời với sự giúp đỡ của kỹ thuật lựa chọn tinh trùng Hiện tại, công nghệ này đã giúp tăng khả năng sinh con theo ý muốn, với xác suất 90% đối với con gái và 75% đối với con trai
1.4 Y học Nâng cao
Công nghệ sinh học còn được áp dụng cho các mục đích tăng cường thêm các đặc tính không thuộc về y học Những tiến bộ trong hiểu biết về những đặc trưng di truyền phức tạp và về hoạt động của não bộ đã đem lại tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực này Hiện ở các nước phát triển đã lưu hành nhiều loại dược phẩm liên quan đến “lối sống” (“Lifestyle”), nhằm cải thiện diện mạo, chứ không nhằm chữa bệnh Một số xu hướng đã tạo cơ sở cho sự phát triển các loại dược phẩm này bao gồm tình trạng già đi của dân số, sự gia tăng tuổi thọ và một điều rất quan trọng là sự thay đổi quan niệm Trong thế giới ngày nay, nhiều “hội chứng” liên quan đến tuổi già mà trước đây được coi là bình thường, thì nay trở nên khó chấp nhận đối với nhiều người và họ muốn được khắc phục bằng các biện pháp can thiệp y tế Ngoài ra, ngành này cũng có xu hướng sản xuất các loại dược phẩm để tăng cường các năng lực thể chất và tinh thần
Những tiến bộ công nghệ tiềm năng sẽ diễn ra ở các lĩnh vực sau :
- Ngăn chặn tình trạng lão hoá;
- Nâng cao thể lực;
- Nâng cao các đặc trưng gen: những trẻ em được thiết kế (Designer Babies), với những đặc trưng cần thiết;
- Nâng cao khả năng nhận thức/trí nhớ
a Dinh dưỡng
Những động lực thúc đẩy hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực thực phẩm và dinh dưỡng bao gồm: (1) Chi phí ngày càng gia tăng của dịch vụ y tế; (2) Tình trạng dân số ngày càng già đi; (3) Sự gia tăng các bệnh liên quan đến lối sống (như béo phì, tiểu đường…) Bên cạnh những nhân tố này, ở các nước phát triển hiện có xu hướng vươn tới các biện pháp tự chuẩn đoán và phòng ngừa bằng cách sử dụng thực phẩm và lối sống để duy trì sức khoẻ và quản lý bệnh tật
Những lĩnh vực nghiên cứu thực phẩm dưới đây sẽ có tác động quan trọng tới tương lai:
- Thiết kế các thực phẩm và món ăn để giảm trọng lượng cơ thể;
- Hoàn thiện các phương pháp nhận dạng và đánh giá những thành phần thực phẩm chức năng có thể giảm bớt nguy cơ bị mắc các căn bệnh mãn tính;
- Nâng cao dưỡng chất nông sản thông qua GM và nhân giống cây trồng có sự hỗ trợ của phần tử đánh dấu;
Trang 9- Đánh giá ảnh hưởng của quá trình chế biến, bảo quản và GM đối với giá trị dinh dưỡng của thực phẩm;
- Phát triển các thành phần thực phẩm có tác dụng cải thiện lượng mỡ trong máu
Thực phẩm chức năng và thức ăn bổ dưỡng
Hiện đang có những hoạt động nghiên cứu mạnh mẽ trên toàn cầu để tăng cường hiểu biết về hiệu quả của thực phẩm chức năng và thành phần của chúng để tối ưu hoá tình trạng sức khoẻ và phòng ngừa bệnh tật
b Dưỡng gen học (Nutrigenetics)
Làn sóng thứ hai của lĩnh vực y học thích hợp cho cá nhân, sau lĩnh vực Dược gen học (Pharmagenetics) là Dưỡng gen học Thực phẩm là một yếu tố góp phần rất lớn vào khả năng bị mắc các bệnh mãn tính và cấu trúc gen của mỗi người là một nhân tố quan trọng cho khả năng này Giữa Dược gen học và Dưỡng gen học có mối quan hệ kết năng với nhau Mục tiêu của 2 bộ môn này tương tự nhau: đó là làm cho liệu pháp thích hợp với mỗi cá nhân, phòng ngừa và quản lý bệnh tật Yếu tố then chốt tạo ra sự khác biệt giữa Dưỡng gen học và nghiên cứu dưỡng chất là: Dưỡng gen học có nhiệm vụ phân tích và so sánh phản ứng của từng cá nhân đối với món ăn, căn cứ vào đó
áp dụng loại thức ăn thích hợp
Từ thay thế mô sang sửa chữa và tái sinh
Những xu hướng đang nổi lên trong Y học tái sinh là dấu hiệu cho thấy sự thay đổi khuôn mẫu, từ chỗ chú trọng đến việc thay thế mô sang phương pháp dựa vào sinh học nhiều hơn để sửa chữa và tái sinh mô Xu hướng này cũng cho thấy sự tiến tới các biện pháp giải phẫu ít xâm phạp (Invasive) Cũng có những xu hướng đang nổi trong việc phát triển các thiết bị công nghệ thần kinh tái sinh, chẳng hạn như chân tay giả được điều khiển bằng ý nghĩ và các thiết bị giúp đỡ người tàn phế Những phát triển này đang bắt đầu làm nhoà ranh giới giữa “người” và “máy móc”
Từ việc phát triển dược phẩm hoá chất sang dược phẩm sinh học Một xu hướng đang nổi lên cho thấy sự thay đổi khuôn mẫu, từ mô hình phát triển dược phẩm ở dạng “bom tấn” hoá chất, dùng chung cho tất cả, sang phát triển những chế phẩm sinh học thích hợp cho từng cá nhân ( chẳng hạn như những dược phẩm được bào chế cho những người có kiểu gen ( Genotype ) đặc biệt, liên quan đến một bệnh đặc thù )
Từ điều trị sang nâng cao: Các công cụ để thực hiện chẩn đoán phân tử ( chip ADN, các công nghệ chụp ảnh…) đang phát triển nhanh Các xu hướng đang nổi lên trong phát triển các liệu pháp sinh học, dược phẩm và thực phẩm thích hợp với từng cá nhân được củng cố vững chắc bởi các công nghệ chẩn đoán gen Dự đoán rằng các công nghệ chẩn đoán-kết hợp với, ví dụ, các biện pháp trị liệu gen hướng mục tiêu-sẽ đem lại làn sóng thứ nhất của các ứng dụng thương mại cho y học hệ gen
Sự nổi lên các ngành mới, ví dụ ngành phân phối thuốc: Khi Công nghệ sinh học phát triển, các lĩnh vực kỹ thuật phức tạp mới cũng nổi lên, đòi hỏi các giải pháp Điều này dẫn tới sự nổi lên ngành công nghiệp mới để hỗ trợ những ứng dụng Sự tăng trưởng của ngành phân phối thuốc là một ví dụ Những liệu pháp, trong dó sử dụng các cấu trúc sinh học kích thước lớn trong cơ thể đã đặt những thách thức, do vậy đã nổi lên một lĩnh vực lớn, nhằm giải quyết vấn đề phân phối chúng sao cho hiệu quả
Sàng lọc và lựa chọn phôi: Một loạt các phương pháp xét nghiệm phôi trước đây, chẳng hạn như phương pháp chẩn đoán gen trước khi cấy (PGD) đã vấp phải những trở ngại Những xu hướng công nghệ đang nổi lên là tín hiệu cho thấy sẽ có được nhiều phép thử nghiệm gen của phôi đối với những đặc trưng di truyền phức tạp, liên quan đến nhiều gen
Qua những thông tin trên, ta thấy rằng công nghệ sinh học mang lại nhiều giải pháp và mông đợi cho y học Các nhà khoa học dự đoán rằng thế kỉ này là thế kỉ của sự bùng nổ công ghệ sinh học.