ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT TRONG Y HỌC

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT TRONG Y HỌCNhững ứng dụng của công nghệ sinh học động vật trong y - dược được phân thành hai loại như sau : 1 Những ứng dụng liên quan tới việc nhận

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỘNG VẬT TRONG Y HỌC

Những ứng dụng của công nghệ sinh học động vật trong y - dược được phân thành hai loại như sau :

(1) 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

(2) 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 )

1 Những công nghệ đang 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

Những dự án xây dựng ngân hàng gen quốc gia quy mô lớn như dự án HapMap, Dự án này được thiết kế để cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu sử dụng nhằm liên kết lại những phương pháp phòng ngừa, chẩn đoán và chữa trị mới 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 chuẩn 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 Công cụ xét nghiệm/chẩn đoán:

+ 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

+ 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

+ 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 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

+ Công nghệ cảm biến, chẳng hạn như cảm biến dựa vào dây nano- một ứng dụng đang nổi- xem ra nhạy cảm hơn 1000 lần so với xét nghiệm ADN và cho kết quả sau vài phút, những cảm biến cực nhạy này là một ví dụ về khả năng đo trực tiếp dòng điện của ADN bằng Công nghệ Nano

+ 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 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

1.1.2 Gen dược học (Pharmacogenetics)

+ Ứng dụng thương mại đầu tiên của Gen dược học được tung ra thị trường vào 2003, đó

là chip ADN dùng để xét nghiệm 2 enzym then chốt chịu trách nhiệm đối với quá trình trao đổi chất của thuốc

+ 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

1.1.3 Các liệu pháp gen

Liệu pháp 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

1.1.4 Giao thoa RNA

Giao thoa ARN (RNAi) là tác nhân vô hiệu hóa gen ( Gene Silencing ), được coi là một công nghệ đang nổi đầy hứa hẹn 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

1.1.5 Các công nghệ nạp gen

các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm đưa trực tiếp ADN vào tế bào và sử dụng các tế bào gốc làm vectơ

Các nhiễm sắc thể nhân tạo của người (HAC) cũng được coi là một công nghệ có tiềm năng Chúng được cho là phương tiện lý tưởng, kết hợp chức năng vectơ và tác nhân biểu thị gen

1.1.6 Vaccine

vacxin trị liệu bằng công nghệ gen hiện 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 nghiệm 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

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

1.2 Y học tái sinh (Regenerative Medicine ) tế bào, mô, bộ phận:

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

1.2.1 Tìm kiếm 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

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 quốc gia khác nhau có sự phân hoá theo cách tiếp cận luật pháp đối với ESC và việc phát triển các ứng dụng ESC sẽ phụ thuộc rất nhiều vào cách tiếp cận này

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

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

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

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

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

1.3 Công nghệ sinh học hỗ trợ sinh sản

1.3.1 Công nghệ tạo tử cung nhân tạo

một nhóm ở trường Đại học Cornell (Mỹ) và nhóm còn lại ở trường Đại học Juntendo, Tokyo đã đạt được một số thành công

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

1.3.2 Sàng lọc và lựa chọn phôi

Chẩn 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

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

1.3.3 Thụ tinh nhân tạo

Thụ tinh nhân tạo được áp dụng cho cặp vợ chồng vô sinh mong muốn có con; cụ thể như

vô sinh do: tinh trùng người chồng yếu, rối loạn phóng noãn, lạc nội mạc tử cung, yếu tố

cổ tử cung

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

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

2 Tóm lược các xu hướng áp dụng công nghệ sinh học động vật trong y học:

+ Làn sóng thứ nhất (2004 – 2010): Các mô cấu trúc (da, xương và sụn) Kết hợp nhân tố tăng trưởng vật liệu sinh học vào da nhân tạo Thay thế đĩa đệm cột sống bằng sụn nhân tạo

+ Làn sóng thứ hai (2010 – 2025): Các liệu pháp sử dụng tế bào ngoại lai (chẳng hạn cho não và tụy) Các liệu pháp dựa vào tế bào gốc để chữa bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch, Parkinson và Alzheimer Các bộ phận sinh học nhân tạo Liệu pháp tế bào gốc để điều trị bệnh thần kinh

+ Làn sóng thứ ba 2025: Tạo ra trọn bộ phủ tạng thay thế