Thiên nhiên đã hoàn thiện nghệ thuật tạo ra các tế bào sống qua hàng tỷ năm tiến hóa. Giờ đây, một nhóm nhà nghiên cứu đang học hỏi từ quá trình đó, tìm cách đẩy nhanh việc hình thành các mô sống. Với Massimo Vassalli, Chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật sinh học tại Đại học Glasgow (Anh), mục tiêu không chỉ là tìm hiểu cách các mô sống hình thành mà còn tái tạo chúng trong phòng thí nghiệm.
Theo tờ El Pais, Vassalli là điều phối viên khoa học của PRISM-LT, dự án kéo dài 5 năm do Liên minh châu Âu (EU) tài trợ, dự kiến kết thúc vào năm 2027. Nhóm nghiên cứu đang phát triển một nền tảng in sinh học 3D nhằm tạo ra các mô sống phức tạp, phục vụ nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu y sinh đến sản xuất thịt nuôi cấy.
Ý tưởng cốt lõi của dự án nghe như bước ra từ khoa học viễn tưởng: vật liệu sống được thiết kế (ELMs). Đây là những vật liệu tổng hợp được cấu thành hoàn toàn hoặc một phần từ tế bào sống, bao gồm cả các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm. Chúng có khả năng phát triển, phản ứng và thích nghi với môi trường. Khác với vật liệu thông thường vốn có cấu trúc tĩnh, ELMs có thể tự tổ chức và tự sửa chữa.
“Vật liệu sống được thiết kế có thể sở hữu những đặc tính linh hoạt, năng động mà chúng ta không thể tái tạo bằng các vật liệu tĩnh truyền thống”, ông Vassalli cho biết.
Kiến tạo bằng tế bào sống
ELMs có thể làm thay đổi nhiều lĩnh vực, từ chăm sóc sức khỏe đến sản xuất thực phẩm. Tuy nhiên, để biến tiềm năng này thành hiện thực, các nhà khoa học phải giải quyết một vấn đề sinh học phức tạp: làm thế nào in các tế bào sống thành những cấu trúc phức tạp mà không làm chết tế bào hoặc mất khả năng kiểm soát quá trình phát triển của chúng.
Nhóm PRISM-LT giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra mô sống từ những viên nang siêu nhỏ chứa tế bào sống và một loại vật liệu hỗ trợ dạng gel, được gọi là mực sinh học (bioink).
“Thay vì in một dòng mực sinh học liên tục, chúng tôi sử dụng các thành phần sống dạng mô-đun đã được bao bọc trong những viên nang”, Laura Martinelli, điều phối viên dự án PRISM-LT kiêm Giám đốc điều hành tổ chức nghiên cứu In Society có trụ sở tại Udine (Italy), cho biết.
Theo bà Martinelli, các viên nang này có thể được đặt chính xác bằng cánh tay robot hoặc in thành từng lớp để tạo nên những cấu trúc mô phức tạp. Các phương pháp truyền thống thường in tế bào theo dòng vật liệu liên tục, không tận dụng được khả năng định hướng sinh học của vi sinh vật. Trong phương pháp mới, mỗi viên nang là một đơn vị sinh học, bao gồm cả khung nâng đỡ và các vi sinh vật nhân tạo giúp định hướng quá trình phát triển của tế bào.
Những vi sinh vật này đã được biến đổi gien để đảm nhiệm vai trò như những người dẫn đường sinh học. Chúng có khả năng nhận biết khi tế bào gốc, loại tế bào có thể phát triển thành nhiều dạng mô khác nhau, bắt đầu biệt hóa. Sau đó, chúng giải phóng các tín hiệu hóa học gọi là yếu tố tăng trưởng, giúp định hướng tế bào phát triển thành loại mô mong muốn.
Quá trình chế tạo diễn ra tương đối nhanh, chỉ mất từ vài phút đến một giờ. Tuy nhiên, giai đoạn tiếp theo cần nhiều thời gian hơn. Các mô phải trải qua khoảng ba tuần trưởng thành, trong đó tế bào gốc phát triển thành mô xương, mỡ hoặc cơ. Hiện nay, nhóm nghiên cứu có thể tạo ra khoảng 1 cm² mô mỏng và đang nỗ lực tạo ra một khối mô có thể tích 1 cm³.
Từ tủy xương đến thực phẩm
Các nhà nghiên cứu đang tập trung tái tạo hai loại mô cụ thể. Loại thứ nhất là cấu trúc tiếp giáp giữa xương và mô mỡ trong tủy xương, phục vụ nghiên cứu y sinh. Loại thứ hai là cấu trúc kết hợp giữa cơ và mỡ, mô phỏng những vân mỡ xen kẽ tạo nên kết cấu và hương vị đặc trưng của thịt tự nhiên. Đây vốn là đặc điểm mà công nghệ sản xuất thịt nuôi cấy lâu nay vẫn chưa thể tái tạo thành công.
Nền tảng này cũng sẽ được sử dụng để tạo ra các mô hình mô thu nhỏ, mô phỏng cấu trúc của những cơ quan trong cơ thể người. Các mô hình này có thể phục vụ thử nghiệm thuốc và góp phần thúc đẩy y học cá thể hóa.
“Dự án hướng tới xây dựng một nền tảng cho phép thiết kế nhiều loại mô phục vụ những mục đích rất khác nhau, nhưng cùng dựa trên những nguyên lý chung”, bà Martinelli cho biết.
Trong lĩnh vực y tế, mục tiêu là tạo ra các mô hình tủy xương ba chiều để nghiên cứu những loại thuốc điều trị các bệnh liên quan, chẳng hạn như bệnh bạch cầu.
Trong lĩnh vực thực phẩm, việc kiểm soát sự phân bố của mô mỡ đóng vai trò quan trọng đối với khả năng được người tiêu dùng chấp nhận. Bà Martinelli cho biết công nghệ in sinh học 3D có thể tạo ra kết cấu phù hợp cho các sản phẩm thịt thay thế, qua đó mở ra cơ hội thương mại hóa.
Tuy nhiên, việc đưa công nghệ này vào ứng dụng thực tế vẫn cần thêm thời gian. “Chúng tôi vẫn còn cách khá xa các ứng dụng trong đời sống. Hiện tại, chúng tôi tập trung tìm hiểu những nguyên lý và cơ chế để xác định điều gì khả thi. Dù vậy, chúng tôi đã bắt đầu tính đến những thách thức trong tương lai”, bà nói.
Vượt khỏi phòng thí nghiệm: Thách thức về quản lý
Tiến bộ khoa học mới chỉ là một phần của thách thức. Việc đưa các vật liệu sống đã được biến đổi gene vào lĩnh vực y tế hoặc sản xuất thực phẩm cũng đòi hỏi một cách tiếp cận mới về quản lý và cấp phép.
Do kết hợp tế bào sống và, trong một số trường hợp, cả vi sinh vật biến đổi gene, ELMs không hoàn toàn phù hợp với các khuôn khổ pháp lý hiện hành. Những quy định này chủ yếu được xây dựng cho các loại thuốc thông thường hoặc sản phẩm thực phẩm tiêu chuẩn, chứ chưa tính đến những vật liệu có thể được xem là mang đặc tính sống.
Phối hợp với Hội đồng Đổi mới sáng tạo châu Âu, nhóm nghiên cứu đã làm việc với các cơ quan quản lý, trong đó có Cơ quan Dược phẩm châu Âu (EMA), nhằm tìm hiểu những quy định và thủ tục cấp phép cần thiết cho các vật liệu này trong tương lai.
Khả năng mở rộng quy mô là thách thức tiếp theo. Nếu nhóm nghiên cứu thành công, đây sẽ là một bước tiến hướng tới tương lai, khi vật liệu sống được ứng dụng song song với những vật liệu thông thường vốn đã quen thuộc trong đời sống.
