Mới đây, các nhà khoa học thuộc Đại học Northwestern đã phát triển một liệu pháp tiêm phân tử nhằm cải thiện tình trạng bại liệt và sửa chữa các mô cột sống bị chấn thương nghiêm trọng.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã tiêm một liều duy nhất vào các mô xung quanh cột sống của chuột bị bại liệt và chỉ sau bốn tuần, những con chuột bị bệnh đã có thể di chuyển được. Công trình này được công bố vào tháng 11 năm 2021 trên tạp chí Science.

Bằng cách đưa một phân tử tín hiệu, liệu pháp này sẽ kích thích các tế bào sửa chữa và tái tạo, từ đó cải thiện các chấn thương cột sống thông qua 5 con đường: (1) phục hồi lại các axon của neuron, (2) sửa chữa các mô sẹo, (3) tái tạo các bao myelin, bao xung quanh sợi trục, (4) hình thành mạch máu, và (5) nâng cao khả năng sống của các tế bào thần kinh vận động.

Sau khi thực hiện chức năng của mình, các phân tử này sẽ trở thành nguồn dinh dưỡng cho tế bào và sau 12 tuần, chúng sẽ được đào thải ra khỏi cơ thể mà không có bất cứ tác dụng phụ nào. Đây là nghiên cứu đầu tiên mà các nhà khoa học đã kiểm soát thành công các phân tử sau khi đưa vào cơ thể bằng cách thay đổi cấu trúc hóa học của chúng, từ đó là tăng hiệu quả điều trị.

“Nghiên cứu của chúng tôi nhằm tìm kiếm một liệu pháp có thể ngăn ngừa khả năng bại liệt sau chấn thương hoặc bại liệt do bệnh lý”, Giáo sư Samuel I. Stupp, trưởng nhóm nghiên cứu phát biểu. “Trong nhiều thập kỷ, hệ thần kinh trung ương của người, bao gồm não bộ và cột sống, gần như không có khả năng tự sửa chữa sau các chấn thương hoặc sau khi mắc các bệnh thoái hóa thần kinh, do đó chúng tôi sẽ liên hệ với FDA để thử nghiệm liệu pháp mới này trên các bệnh nhân”.

Ông Stupp là Giáo sư Hội đồng Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Hóa học, Y học và Kỹ thuật Y sinh của Đại học Northwestern, ông cũng là giám đốc sáng lập ra Viện Vông nghệ Nano Sinh học Simpson Querrey (SQI) và Trung tâm Y học Nano Tái tạo.

Tuổi thọ không được cải thiện nhiều kể từ những năm 1980

Theo Trung tâm Phân tích Chấn thương Cột sống Quốc gia Hoa Kỳ, có khoảng gần 300 nghìn người đang phải sống với các chân thương cột sống và cuộc sống của họ đang cực kỳ khó khăn. Không tới 3% trong số họ có thể phục hồi các chức năng vật lý cơ bản, khoảng 30% bệnh nhân phải tái khám ở bệnh viện ít nhất một lần mỗi năm sau khi chấn thương và tiêu tốn hàng triệu đô để chăm sóc sức khỏe hàng ngày cho mỗi bệnh nhân. Tuổi thọ của các bệnh nhân chấn thương cột sống cũng vì thế mà thấp hơn nhiều so với trung bình kể từ những năm 1980.

Theo Giáo sự Stupp, “Hiện nay, không có liệu pháp nào kích thích cột sống tự tái tạo”. Nghiên cứu này được cho là sẽ tạo ra sự khác biết về kết quả điều trị chấn thương cột sống, từ đó nâng cao chất lượng sống của các bệnh nhân. Ngoài ra, nó còn mở ra một hướng nghiên cứu và điều trị mới đối với các bệnh thoái hóa thần kinh và chấn thương lớn.

Các phân tử điều trị sẽ tấn công và các mục tiêu di động

Điểm đặc biệt trong liệu pháp của giáo sư Stupp là gia tăng sự chuyển động của các phân tử, từ đó khiến chúng có thể nhanh chóng tìm thấy các thụ thể tương ứng trên tế bào. Ngay sau được tiêm vào cơ thể, dung dịch sẽ được chuyển thành dạng gel, hình thành một mạng lưới các sợi nano tương tự như chất nền ngoại bào của cột sống. Nhờ sự tương đồng về cấu trúc này, các phân tử tín hiệu có thể di chuyển, tương tác với các thụ thể và truyền thông tin tới các tế bào.

“Các thụ thể của các tế bào thần kinh liên tục di chuyển xung quanh”, cải tiến trong nghiên cứu của Stupp đó là “kiểm soát được chuyển động chung của hơn 100,000 phân tử trong các sợi nano”. Bằng cách khiến cho các phân tử chuyển động, chúng có thể tìm kiếm và liên kết hiệu quả hơn với các thụ thể.

Stupp và cộng sự đã phát hiện ra rằng việc tinh chỉnh các chuyển động của phân tử trong mạng lưới sợi nano sẽ khiến chúng nhanh hơn, từ đó tăng hiệu quả điều trị cho các con chuột bị liệt. Bên cạnh thử nghiệm trên chuột, liệu phát này cũng đã được thử nghiệm in vitro trên tế bào người và các phân tử được tăng cường hoạt động này cũng đã hoạt động tốt, cho thấy hoạt tính sinh học và tín hiệu của tế bào tăng lên.

Ông cho biết: “Do bản thân tế bào và các thụ thể liên tục chuyển động, có thể hình dung các phân tử di chuyển càng nhanh thì cơ hội chạm trán với các thụ thể càng cao”. “Nếu các phân tử này di chuyển chậm lại và không theo một hệ thống, chúng rất khó có thể tương tác được với tế bào”.

Một mũi tiêm, hai tín hiệu

Ngay sau khi liên kết với các thụ thể, các phân tử này sẽ kích hoạt hai dòng tín hiệu, cả hai dòng đều có chung một chức năng là kích hoạt sửa chữa các tế bào cột sống. Một dòng tín hiệu sẽ kích thích tái tạo axon của các neuron trong cột , các axon này có các cấu trúc tương tự như sợi dây điện, chúng truyền tín hiệu qua lại giữa não bộ và phần còn lại của cơ thể. Các tổn thương nghiêm trọng trên axon có thể khiến mất cảm giác hoặc bại liệt. Việc sửa chữa các axon sẽ làm tăng khả năng truyền tin giữa cơ thể và não bộ.

Dòng tín hiệu thứ hai giúp neuron tăng sinh trở lại sau thương tổn và thúc đẩy sự phát triển trở lại của mạch máu đã mất, từ đó thúc đẩy sửa chữa tế bào và mô. Liệu pháp này còn tái cấu trúc lại các bao myelin xung quanh axon và giảm sẹo thần kinh đệm.

Zaida Álvarez , tác giả chính của bài báo cho hay “Các tín hiệu được sử dụng trong nghiên cứu này mô phỏng cấu trúc của các protein tự nhiên, từ đó kích thích các đáp ứng sinh học. Tuy nhiên, các protein có thời gian tồn tại ngắn và rất khó để sản xuất”. “Các tín hiệu được tổng hợp nhân tạo của chúng tôi là các peptide ngắn, kích thước nhỏ, có thể liên kết với nhau và tồn tại trong nhiều tuần để có hoạt tính sinh học. Nhờ vậy liệu pháp này có chi phí sản xuất rẻ hơn và các phân tử có thể tồn tại lâu hơn”.

Đa dụng

Liệu pháp mới này có thể được sử dụng để ngăn ngừa bại liệt sau các chấn thương lớn (tai nạn xe hơi, tai nạn thể thao, vết thương do đạn bắn) cũng như sau khi mắc một số bệnh. Giáo sư Stupp tin rằng khám phá này có thể được áp dụng cho các liệu pháp và mục tiêu khác.

Ông cho biết “các mô của hệ thần kinh trung ương được tái tại thành công trong cột sống bị tổn thương có cấu trúc tương tự như các mô trong não bị ảnh hưởng bởi đột quỵ và các bệnh thoái hóa thần kinh như ALS, Parkinso và Alzheimer”. “Ngoài ra, việc kiểm soát chuyển động của các tổ hợp phân tử không chỉ có thể áp dụng trên tế bào thần kinh mà còn có thể ứng dụng trên nhiều đích sinh học khác”.

Các tác giả khác của nghiên cứu này bao gồm Evangelos Kiskinis, trợ lý giáo sư thần kinh học và khoa học thần kinh ở Feinberg; kỹ thuật viên nghiên cứu Feng Chen; các nghiên cứu sinh Ivan Sasselli, Alberto Ortega và Zois Syrgiannis; và các học viên cao học Alexandra Kolberg-Edelbrock, Ruomeng Qiu và Stacey Chin. Peter Mirau của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân và Steven Weigand của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne cũng là đồng tác giả.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Louis A. Simpson và Kimberly K. Querrey Trung tâm Y học Nano Tái tạo tại Viện Công nghệ Nano Sinh học Simpson Querrey, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không quân (số FA8650-15-2-5518), Viện Quốc gia về Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ và Viện Quốc gia về Lão hóa (số R01NS104219, R21NS107761 và R21NS107761-01A1), Tổ chức Les Turner ALS, Tổ chức Tế bào gốc New York, Tổ chức Nghiên cứu Cựu chiến binh Mỹ bị liệt (số PVA17RF0008), Tổ chức Khoa học Quốc gia và Hiệp hội Loạn dưỡng cơ Pháp.

Biên dịch: Phạm Ngọc Sơn

Nguồn tham khảo

Z. Álvarez, A. N. Kolberg-Edelbrock, I. R. Sasselli, J. A. Ortega, R. Qiu, Z. Syrgiannis, P. A. Mirau, F. Chen, S. M. Chin, S. Weigand, E. Kiskinis, S. I. Stupp. Bioactive scaffolds with enhanced supramolecular motion promote recovery from spinal cord injury. Science, 2021; 374 (6569): 848 DOI: 10.1126/science.abh3602