Mô hình tim nhân tạo (cardiac organoid) là những cụm tế bào tim người 3D được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, phục vụ việc đánh giá độ an toàn và hiệu quả của các loại thuốc mới trước khi tiến hành thử nghiệm lâm sàng cũng như phục vụ nghiên cứu bệnh.
Dù không tái tạo đầy đủ cấu trúc của một trái tim người, các cơ quan nhân tạo siêu nhỏ này có thể mô phỏng những đặc điểm hoạt động quan trọng, đặc biệt là cách cơ tim co bóp khi thuốc được đưa vào.
Do có thể nuôi cấy từ tế bào người với số lượng lớn, các cơ quan nhân tạo ngày càng được xem là một giải pháp thay thế đầy tiềm năng cho mô hình động vật, vốn thường không thể phản ánh đầy đủ hoạt động sinh học con người.
Các phương pháp hiện có để theo dõi những cơ quan thu nhỏ ấy có hoạt động bình thường hay không thường dựa vào hình ảnh quang học - chủ yếu là quay phim các organoid dưới kính hiển vi rồi phân tích đoạn phim. Quá trình này tốn nhiều thời gian, khó mở rộng quy mô và có thể làm xáo trộn môi trường mong manh mà các mô cần để tồn tại.
Organoid là những mô tim và mạch máu nhỏ được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, mô phỏng cấu trúc và chức năng chính của hệ tim mạch người, phục vụ cho nghiên cứu và thử nghiệm thuốc. Ảnh: Adobe Stock
Bởi vậy, các nhà nghiên cứu tại Đại học New South Wales và Viện Nghiên cứu Tim mạch Victor Chang đặt mục tiêu phải tạo ra một nền tảng cảm biến không dây, không xâm lấn, có khả năng đo các đặc tính cơ sinh học của lực co bóp ở những mô tim thu nhỏ theo thời gian thực.
"Chúng tôi muốn phát triển một công cụ mới có thể hỗ trợ nghiên cứu sinh học trên các mô hình cơ quan người, từ đó khắc phục những hạn chế hiện nay của các mô hình động vật", PGS Phan Hoàng Phương (Đại học New South Wales), tác giả liên hệ của nghiên cứu, cho biết.
Sau quá trình nghiên cứu, nhóm đã cho ra đời một hệ thống mới, tạm gọi là đĩa giếng cơ sinh học (biomechanical-well-plate - BWP), và áp dụng một phương pháp tiếp cận rất khác biệt.
Theo đó, thay vì trực tiếp đo chuyển động của mô, hệ thống phát hiện những thay đổi áp suất cực nhỏ được tạo ra khi organoid co lại trong chất lỏng, tương tự cách những gợn sóng lan ra khi một viên đá rơi xuống nước.
Những rung động rất nhỏ trên bề mặt chất lỏng khiến không khí xung quanh bị nén và giãn ra. Khi đó, một cảm biến có độ nhạy cao đặt bên dưới chất lỏng sẽ ghi nhận những biến thiên áp suất và chuyển chúng thành tín hiệu điện.
"Chúng tôi đặt cơ quan nhân tạo vào một buồng chứa đầy chất lỏng, sau đó đo sự co bóp của nó thông qua áp suất lan truyền bên trong môi trường chất lỏng", TS Nguyễn Chí Công - giảng viên tại Đại học New South Wales và tác giả thứ nhất của nghiên cứu, cho biết.
"Hiện tượng này tương đối giống với cách những gợn sóng hình thành trên mặt ao khi bạn ném một viên đá xuống nước. Khi cơ quan nhân tạo co lại, chúng tôi quan sát được một biến dạng rất nhỏ trên bề mặt chất lỏng và có thể đo được biến dạng đó bằng một cảm biến dựa trên silicon có độ nhạy rất cao", PGS Timothée Mouterde (Đại học Tokyo), đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu, nói thêm.
Nhóm nghiên cứu cho biết, công trình lấy cảm hứng từ hệ thống cảm giác đường bên của cá. Đây là một dãy các cảm biến tự nhiên nhỏ nằm dọc cơ thể cá, giúp chúng phát hiện chuyển động và những thay đổi áp suất trong nước, từ đó nhận biết các vật thể ở gần, động vật săn mồi, con mồi và những con cá khác.
Nhờ cảm biến mới, các nhà khoa học có thể thu được tín hiệu đo liên tục theo thời gian thực về cách thức mô hoạt động về mặt cơ sinh học mà không cần sử dụng kính hiển vi hay gắn thiết bị vật lý vào mô.
"Với phương pháp mới, chúng tôi đã có một công cụ rất đơn giản, cho phép định lượng trực tiếp các đặc tính cơ học và sinh lý của organoid mà không cần sử dụng kính hiển vi", theo PGS Phan Hoàng Phương.
Thử nghiệm thuốc nhanh hơn và hướng đến y học cá nhân hóa
Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của công nghệ này là thử nghiệm thuốc.
Vì hệ thống có thể theo dõi những thay đổi theo thời gian thực, các nhà nghiên cứu có thể quan sát chính xác cách một mô hình tim nhân tạo phản ứng khi thuốc được đưa vào, cũng như sự thay đổi của phản ứng đó theo thời gian.
Bước tiến này giúp xác định sớm những phương pháp điều trị có triển vọng, đồng thời loại bỏ những phương pháp ít có khả năng phát huy hiệu quả trên người, nhờ đó đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc.
Một tiềm năng khác là ứng dụng cảm biến để hỗ trợ lĩnh vực y học cá nhân hóa - phương pháp điều trị được thiết kế riêng cho từng bệnh nhân dựa trên các tế bào được lấy từ chính cơ thể họ.
Từ những dữ liệu thu được theo thời gian thực, nhóm nghiên cứu có thể tính toán phản ứng động của cơ quan nhân tạo, theo dõi cách nó phát triển và phản ứng với bất kỳ loại thuốc nào được đưa vào trong quá trình thử nghiệm.
"Tất cả những thông tin đó đều được phản ánh trong tín hiệu rung động mà chúng tôi có thể ghi nhận bằng các cảm biến có độ chính xác rất cao", PGS Timothée Mouterde cho biết.
Giảm thử nghiệm trên động vật
Trong bối cảnh các cơ quan quản lý ngày càng khuyến khích những phương pháp thay thế việc thử nghiệm trên mô hình động vật, những công cụ giúp nghiên cứu cơ quan nhân tạo hiệu quả hơn và dễ mở rộng quy mô hơn cũng đóng vai trò ngày càng quan trọng.
Với khả năng thực hiện các thử nghiệm với số lượng lớn (có thể trên hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm mẫu cùng lúc), cảm biến của nhóm nghiên cứu có thể mở rộng đáng kể việc sử dụng các mô hình dựa trên tế bào người trong nghiên cứu giai đoạn đầu và quá trình phát triển thuốc tiền lâm sàng.
TS Jordan Thorp, đồng tác giả nghiên cứu từ Viện Victor Chang, nói thêm: "Chúng ta biết rằng một tỷ lệ rất lớn các loại thuốc - khoảng 90% - được phát triển và đã trải qua thử nghiệm trên động vật cuối cùng vẫn thất bại trong các thử nghiệm lâm sàng. Do đó, với việc sử dụng cơ quan nhân tạo người, chúng ta có thể bỏ qua bước đó và chuyển thẳng sang kiểm tra xem thuốc có phù hợp với con người hay không, qua đó tiết kiệm đáng kể thời gian và chi phí."
Mặc dù đầy hứa hẹn, công nghệ mới vẫn cần cải thiện thêm trước khi được ứng dụng rộng rãi.
Trước hết, các cảm biến phải được sản xuất một cách ổn định với chi phí thấp, đồng thời duy trì hiệu suất đồng đều giữa các lô sản xuất lớn. Điều này đòi hỏi phải tiếp tục cải tiến và hoàn thiện về mặt kỹ thuật, nhóm nghiên cứu cho biết.
Đồng thời, nhóm hướng tới việc tăng độ nhạy của cảm biến để nghiên cứu được những cơ quan nhân tạo nhỏ hơn - những mô hình mà tín hiệu yếu hơn và khó phát hiện hơn.
Nhóm còn muốn điều chỉnh cảm biến để có thể sử dụng với những loại cơ quan nhân tạo khác, trong đó có mô thần kinh-cơ, qua đó mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ.
Công trình của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature Sensors.
Kim Dung dịch
---
Nguồn:
New way to ‘listen’ to mini hearts could transform drug development. UNSW. https://www.unsw.edu.au/newsroom/news/2026/06/new-way-listen-mini-hearts-drug-development?utm_source=linkedin&utm_medium=social