Với sự phát triển của công nghệ y tế, ngày nay, nhiều loại bệnh tật có thể được phát hiện, ngăn ngừa và chữa trị thông qua việc sử dụng tế bào chuyên biệt thay vì dùng thuốc như trước đây.
Phương pháp chữa trị này được gọi là liệu pháp tế bào. Trong quá khứ, liệu pháp này đã từng được cấp phép sử dụng để điều trị một số loại bệnh khác nhau, ví dụ như cấy ghép hệ vi sinh vật trong phân để điều trị bệnh nhiễm trùng đường ruột hay cấy ghép tủy xương để điều trị ung thư máu.
Biến đổi vi khuẩn nhờ kỹ thuật chuyển gene
Theo một nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí Science, một nhóm các nhà khoa học ở Mỹ đã ứng dụng công nghệ sinh học tổng hợp để thiết kế ra một loại vi khuẩn có thể giúp các bác sỹ phát hiện ra tế bào ung thư.
Dự án nghiên cứu khởi đầu từ ý tưởng được đề cập tới trong bài thuyết trình của nhà sinh học Rob Cooper tại một buổi họp nhóm nghiên cứu Đại học California San Diego. Vào thời điểm đó, Rob đang nghiên cứu về gene và quá trình chuyển gene ở vi khuẩn.
Chuyển gene là quá trình đưa vật chất di truyền từ tế bào này vào tế bào khác. Chuyển gene có thể được thực hiện theo hàng dọc, khi một tế bào phân chia thành hai tế bào con. Đây là quá trình kế thừa gene từ bố mẹ sang con cái thông qua sinh sản.
Chuyển gene cũng có thể được thực hiện theo chiều ngang. Điều này xảy ra khi vật chất di truyền được trao đổi giữa các tế bào cùng thế hệ, không có quan hệ họ hàng, không thông qua quá trình sinh sản như thông thường.
Chuyển gene ngang khá phổ biến trong thế giới vi sinh vật. Một số loại vi khuẩn hấp thu gene từ các ADN tự do được tìm thấy ở môi trường xung quanh. ADN tự do thường được giải phóng khi một tế bào chết đi.
Những vi khuẩn có khả năng tiếp nhận ADN tự do được gọi là vi khuẩn khả biến. Vi khuẩn khả biến có thể khảo sát môi trường xung quanh chúng và hấp thu các gene có lợi.
Từ cơ chế trên, nhóm nghiên cứu nảy ra ý tưởng sử dụng vi khuẩn như một chất chỉ dấu ung thư. Nói cách khác, nếu có thể thiết kế ra một loại vi khuẩn có những phản ứng đặc trưng khi tương tác với tế bào ung thư thì về mặt lý thuyết, chúng ta có thể xác định được ung thư.
Ung thư đại trực tràng được lựa chọn để làm minh họa cho ý tưởng này vì trong ruột chứa có chứa một hệ vi sinh vật đa dạng và quan trọng là có chứa ADN do các khối u ung thư sản sinh ra.
Khi vi khuẩn trở thành “cảm biến” báo bệnh
Acinetobacter baylyi, một loại vi khuẩn khả biến, đã được chọn làm “cảm biến” cho thử nghiệm này.
Nhóm nghiên cứu đã sửa đổi bộ gen của A. baylyi để chứa các chuỗi DNA dài có trình tự tương tự như DNA trong các gen ung thư. Các chuỗi DNA này giúp vi khuẩn dễ dàng tích hợp DNA của khối u ung thư vào bộ gen hơn.
Việc tích hợp DNA của khối u vào bên trong vi khuẩn là vô cùng quan trọng. Nguyên nhân là bởi DNA của khối u có thể kích hoạt một gene khác, cụ thể ở đây là kích hoạt gene kháng kháng sinh hoạt động.
Đem nuôi cấy mẫu vi khuẩn trong môi trường chứa đầy kháng sinh, nếu mẫu vi khuẩn vẫn có thể phát triển được có nghĩa gene kháng kháng sinh đã được kích hoạt, hay nói cách khác là vi khuẩn đã có tiếp xúc với tế bào ung thư.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thí nghiệm khác nhau, nâng dần độ phức tạp lên để nghiên cứu khả năng tương tác của hai thành phần này trong các điều kiện khác nhau.
Ban đầu, nhóm cho mẫu vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp với DNA ung thư. Ở giai đoạn tiếp theo của thí nghiệm, các nhà nghiên cứu nuôi cấy mẫu vi khuẩn cùng với khối u ung thư sống. Trong cả hai lần, mẫu vi khuẩn đều phát hiện thành công sự hiện diện của DNA ung thư.
Ở bước cuối cùng, các nhà nghiên cứu đưa mẫu vi khuẩn vào cơ thể chuột sống, chia thành hai nhóm: một nhóm có khối u và nhóm không có khối u.
Nghiên cứu tập trung vào phân tích kịch bản mô phỏng ung thư đại trực tràng ở chuột, bởi vậy nhóm đã đưa các tế bào ung thư đại trực tràng vào ruột già của chuột.
Sau vài tuần, nhóm những con chuột bị tiêm tế bào ung thư phát triển khối u, trong khi nhóm không được tiêm thì phát triển bình thường. Mẫu vi khuẩn một lần nữa phân biệt được hai nhóm này.
Tiềm năng đầy hứa hẹn, nhưng cần thử nghiệm thêm
Sau những kết quả tích cực từ các thí nghiệm trước đó, các nhà nghiên cứu tiếp tục sửa đổi và cải tiến mẫu vi khuẩn trên. Giờ đây chúng có khả năng phân biệt sự thay đổi của chỉ một cặp bazơ trong trình tự DNA của khối u, cho phép “cảm biến” này nhắm mục tiêu chính xác hơn. Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho công nghệ trên là CATCH.
Nguyên lý hoạt động của CATCH là sử dụng DNA tự do để làm nguyên liệu tạo mạch sinh học tổng hợp. Công nghệ này có triển vọng đầy hứa hẹn trong việc chẩn đoán nhiều loại bệnh khác nhau, đặc biệt là nhiễm trùng và ung thư.
Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điều cần phải làm trước khi công nghệ này có thể được ứng dụng vào trong các cơ sở y tế. Một trong những mục tiêu của nhóm là tăng hiệu quả phát hiện DNA lên cao hơn nữa.
Bên cạnh đó, nhóm cũng đang đánh giá hiệu suất của công nghệ này so với các phương pháp chẩn đoán khác cũng như đảm bảo công nghệ đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cho bệnh nhân cũng như môi trường.
Không chỉ dừng lại ở việc chẩn đoán bệnh, liệu pháp tế bào này còn có tiềm năng điều trị bệnh. Các nhà khoa học có thể lập trình phản ứng của “cảm biến” khi tiếp xúc với một chuỗi DNA cụ thể.
Nói cách khác, mẫu tế bào có thể giải phóng liệu trình điều trị cụ thể phù hợp với căn bệnh được phát hiện, trực tiếp tại vị trí nơi phát hiện bệnh, ngay lập tức sau khi phát hiện bệnh, theo thời gian thực./.
