Các kỹ sư của MIT đã phát triển một thiết bị đột phá để điều trị bệnh tiểu đường loại 1, được thiết kế để thay thế việc tiêm insulin hàng ngày. Thiết bị cấy ghép chứa các tế bào sản xuất insulin và tạo ra oxy bằng cách tách hơi nước của cơ thể. Khi thử nghiệm trên chuột mắc bệnh tiểu đường, thiết bị này đã duy trì thành công lượng đường trong máu của chuột trong hơn một tháng. Thiết bị này chứa các tế bào được đóng gói để sản xuất insulin và một nhà máy sản xuất oxy nhỏ giúp giữ cho các tế bào khỏe mạnh.
Một phương pháp đầy hứa hẹn để điều trị bệnh tiểu đường loại 1 là cấy ghép các tế bào đảo tụy sản xuất insulin khi cần thiết, để bệnh nhân không phải tiêm insulin thường xuyên. Tuy nhiên, trở ngại lớn cho phương pháp này là một khi tế bào được cấy ghép, cuối cùng chúng sẽ ngừng sản xuất insulin do thiếu oxy.
Để vượt qua trở ngại này, các kỹ sư của MIT đã thiết kế một thiết bị cấy ghép mới không chỉ mang hàng trăm nghìn tế bào đảo sản xuất insulin mà còn có nhà máy oxy riêng trên tàu sản xuất oxy bằng cách tách nước trong cơ thể.
Kết quả của các nhà nghiên cứu cho thấy rằng việc cấy thiết bị vào chuột mắc bệnh tiểu đường có thể giữ cho lượng đường trong máu của chúng ổn định trong ít nhất một tháng. Các nhà nghiên cứu hiện hy vọng có thể tạo ra một phiên bản lớn hơn của thiết bị, có kích thước bằng một miếng kẹo cao su và cuối cùng sẽ thử nghiệm nó trên những người mắc bệnh tiểu đường loại 1.
Thông tin chi tiết từ nhóm nghiên cứu
" Bạn có thể coi nó như một thiết bị y tế sống bao gồm tế bào người tiết insulin và hệ thống hỗ trợ sự sống điện tử." Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại MIT và Viện Nghiên cứu Ung thư Tích hợp Koch tại MIT. Daniel Anderson, thành viên của eCancer Research và Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế (IMES) đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng về những tiến bộ mà chúng tôi đã đạt được cho đến nay và chúng tôi rất lạc quan rằng công nghệ này cuối cùng có thể giúp ích cho bệnh nhân”.
Mặc dù trọng tâm chính của các nhà nghiên cứu là điều trị bệnh tiểu đường nhưng họ cho biết thiết bị này cũng có thể được sử dụng để điều trị các bệnh khác đòi hỏi phải cung cấp protein điều trị nhiều lần.
Nhà khoa học nghiên cứu của MIT Siddharth Krishnan là tác giả đầu tiên của bài báo được xuất bản gần đây trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia. Nhóm nghiên cứu còn bao gồm một số nhà nghiên cứu khác của MIT, bao gồm Robert Langer, giáo sư tại Viện David Koch của MIT và là thành viên của Viện Koch, cũng như các nhà nghiên cứu tại Bệnh viện Nhi Boston.
Những thách thức hiện tại trong điều trị bệnh tiểu đường
Hầu hết bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường loại 1 phải theo dõi cẩn thận lượng đường trong máu và tiêm insulin vào lúc thích hợp ít nhất một lần một ngày. Tuy nhiên, quá trình này không tái tạo được khả năng tự nhiên của cơ thể trong việc kiểm soát lượng đường trong máu.
"Đại đa số những người mắc bệnh tiểu đường phụ thuộc insulin đang tự tiêm insulin và cố gắng hết sức, nhưng lượng đường trong máu của họ không tốt cho sức khỏe. Nếu bạn nhìn vào lượng đường trong máu của họ, ngay cả ở những người rất tận tâm và cẩn thận, lượng đường trong máu của họ không thể so sánh với tuyến tụy sống", Anderson nói.
Một giải pháp thay thế tốt hơn là cấy ghép các tế bào sản xuất insulin bất cứ khi nào phát hiện thấy lượng đường trong máu của bệnh nhân tăng đột biến. Một số bệnh nhân tiểu đường đã kiểm soát được bệnh tiểu đường lâu dài bằng cách cấy ghép tế bào đảo từ xác người; tuy nhiên, những bệnh nhân này phải dùng thuốc ức chế miễn dịch để ngăn cơ thể đào thải các tế bào được cấy ghép.
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã đạt được thành công tương tự khi sử dụng tế bào đảo nhỏ có nguồn gốc từ tế bào gốc, nhưng những bệnh nhân nhận được các tế bào này cũng cần dùng thuốc ức chế miễn dịch.
Đối phó với những thách thức về cung cấp oxy
Một cách khác để tránh sử dụng thuốc ức chế miễn dịch là đóng gói các tế bào được cấy ghép trong một thiết bị linh hoạt giúp bảo vệ các tế bào khỏi hệ thống miễn dịch. Tuy nhiên, việc tìm kiếm nguồn cung cấp oxy đáng tin cậy cho các tế bào được bao bọc này là một thách thức.
Một số thiết bị thí nghiệm, bao gồm một thiết bị đã được thử nghiệm lâm sàng, có buồng oxy cung cấp oxy cho tế bào, nhưng buồng này cần được nạp lại định kỳ. Các nhà nghiên cứu khác đã phát triển các thiết bị cấy ghép bao gồm các tác nhân hóa học tạo ra oxy, nhưng những tác nhân này cuối cùng cũng cạn kiệt.
Nhóm MIT đã thực hiện một phương pháp khác, tạo ra lượng oxy không giới hạn bằng cách tách nước. Phương pháp này đạt được thông qua màng trao đổi proton bên trong thiết bị, một công nghệ ban đầu được sử dụng để tạo ra hydro trong pin nhiên liệu. Màng này tách hơi nước (có nhiều trong cơ thể con người) thành hydro và oxy. Hydro khuếch tán một cách vô hại, trong khi oxy đi vào buồng lưu trữ và được cung cấp cho các tế bào đảo thông qua một màng mỏng thấm oxy.
Ưu điểm lớn của phương pháp này là không cần bất kỳ dây dẫn hay pin nào. Việc tách hơi nước này cần một điện áp nhỏ (khoảng 2 volt), được tạo ra bằng hiện tượng gọi là khớp nối cảm ứng cộng hưởng. Các cuộn dây từ tính được điều chỉnh nằm bên ngoài cơ thể truyền năng lượng tới một ăng-ten nhỏ, linh hoạt bên trong thiết bị, cho phép truyền năng lượng không dây. Nó đòi hỏi một cuộn dây bên ngoài mà các nhà nghiên cứu hình dung có thể được đeo dưới dạng miếng dán trên da bệnh nhân.
Kết quả thử nghiệm đầy hứa hẹn
Sau khi tạo ra một thiết bị có kích thước bằng một đồng 25 xu Mỹ, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nó trên những con chuột mắc bệnh tiểu đường. Một nhóm chuột nhận được một thiết bị có màng tạo oxy và tách nước, và một nhóm khác nhận được một thiết bị chứa các tế bào đảo nhỏ nhưng không có oxy bổ sung. Các thiết bị này được cấy dưới da ở những con chuột có hệ thống miễn dịch đầy đủ chức năng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những con chuột được cấy thiết bị tạo oxy có thể duy trì lượng đường trong máu bình thường, tương đương với những con vật khỏe mạnh. Tuy nhiên, những con chuột nhận được thiết bị không được cung cấp oxy sẽ bị tăng đường huyết (tăng lượng đường trong máu) trong vòng khoảng hai tuần.
Thông thường, khi bất kỳ loại thiết bị y tế nào được cấy vào cơ thể, sự tấn công của hệ thống miễn dịch sẽ dẫn đến sự tích tụ mô sẹo, gọi là xơ hóa, làm giảm hiệu quả của thiết bị. Mô sẹo này đã hình thành xung quanh thiết bị cấy ghép được sử dụng trong nghiên cứu này, nhưng thiết bị đã kiểm soát thành công lượng đường trong máu, cho thấy rằng insulin vẫn có thể khuếch tán ra khỏi thiết bị và glucose có thể đi vào thiết bị.
Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để cung cấp các tế bào sản xuất các loại protein trị liệu khác cần sử dụng lâu dài. Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thiết bị này còn giữ các tế bào sống sản xuất erythropoietin, một loại protein kích thích sản xuất hồng cầu.
Tầm nhìn tương lai
"Chúng tôi lạc quan rằng có thể tạo ra các thiết bị y tế in vivo có thể cư trú trong cơ thể và sản xuất thuốc theo yêu cầu. Có nhiều loại bệnh mà bệnh nhân cần sử dụng protein ngoại sinh", Anderson nói. chất lượng, thậm chí đôi khi còn phải dùng thuốc thường xuyên. Nếu chúng ta có thể thay thế nhu cầu truyền dịch mỗi tuần bằng một thiết bị cấy ghép có tác dụng lâu dài, tôi nghĩ điều đó thực sự có thể giúp ích cho rất nhiều bệnh nhân."
Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch điều chỉnh thiết bị để thử nghiệm trên động vật lớn và cuối cùng là con người. Để sử dụng cho con người, họ hy vọng sẽ phát triển một thiết bị cấy ghép có kích thước bằng một miếng kẹo cao su. Họ cũng có kế hoạch kiểm tra xem thiết bị có thể tồn tại trong cơ thể lâu hơn hay không.
Krishnan cho biết: "Các vật liệu chúng tôi sử dụng vốn đã ổn định và tồn tại lâu dài, vì vậy tôi nghĩ loại hoạt động lâu dài này là có thể thực hiện được và đó là điều chúng tôi đang hướng tới."
Langer nói thêm: "Chúng tôi rất vui mừng về những phát hiện này và chúng tôi tin rằng những phát hiện này một ngày nào đó có thể cung cấp một phương pháp mới để điều trị bệnh tiểu đường và các bệnh khác. "
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ JDRF, Quỹ từ thiện Leona M. và Harry B. Helmsley cũng như Viện Hình ảnh Y sinh và Kỹ thuật Sinh học Quốc gia của Viện Y tế Quốc gia.