Từ bộ não sinh tổng hợp để dự đoán bệnh động kinh cho đến các thiết bị cấy ghép in 3D cực nhỏ để tái tạo cơ và xương, đây là nghiên cứu ở đỉnh cao của những gì có thể thực hiện được về mặt y tế.

Nhưng chính đội ngũ đằng sau những ý tưởng này – các kỹ sư, chuyên gia robot và nhà sinh học làm việc với các bác sĩ phẫu thuật và bác sĩ lâm sàng hàng đầu – mới tạo nên sự khác biệt giữa ước mơ và thành công.

Giáo sư Rob Kapsa là nhà nghiên cứu chính của RMIT tại Trung tâm Khám phá Y tế Aikenhead, nơi ông đứng đầu một nhóm nghiên cứu sử dụng phòng thí nghiệm chế tạo sinh học chuyên dụng của ACMD.

Có trụ sở tại Bệnh viện St Vincent's Melbourne, ACMD tập hợp các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng để tìm ra giải pháp cho một số thách thức y sinh lớn nhất của chúng ta.

Để ghi nhận vai trò quan trọng của trung tâm, Chính phủ Victoria đã bật đèn xanh cho một cơ sở được xây dựng có mục đích trị giá 206 triệu đô la để hỗ trợ sự phát triển liên tục của trung tâm.

Trước hết, chế tạo sinh học là gì và nó có thể biến đổi phương pháp điều trị y tế như thế nào?

Về cơ bản, đây là việc tạo ra những thứ có thể tích hợp hoàn toàn vào cơ thể chúng ta để chữa lành, sửa chữa và phục hồi chức năng.

Không giống như cấy ghép truyền thống, các cấu trúc và thiết bị chế tạo sinh học thực sự có thể gần giống với mức độ phức tạp phi thường của mô sống của con người.

Chế tạo sinh học kết hợp kỹ thuật vật liệu, khoa học sinh học, sản xuất phụ gia, công nghệ nano và công nghệ y sinh học.

Nó mở ra những cơ hội to lớn cho việc tạo ra các cấu trúc nhằm phục hồi, thay thế và tái tạo mọi thứ từ xương, cơ đến não, khớp và các mô liên kết.

Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các công nghệ chế tạo sinh học mới để sửa chữa tình trạng xương bị thoái hóa ở người lớn tuổi, phát triển tuyến tụy nhân tạo tự điều chỉnh, tùy chỉnh cho người mắc bệnh tiểu đường và xây dựng cơ thay thế cho bệnh nhân chấn thương.

Hãy cho chúng tôi biết về “bộ não” sinh tổng hợp mà bạn đang tạo ra.

Khi bạn đang cố gắng hiểu cách thức hoạt động của bộ não và cách khắc phục khi nó gặp trục trặc, việc quan sát các tế bào trên các slide hai chiều chỉ đưa bạn đi xa đến mức này. Vì vậy, giáo sư Kapsa cho biết chúng tôi xây dựng theo không gian ba chiều bằng cách sử dụng công nghệ in sinh học 3D.

'Bộ não' mà chúng ta tạo ra rất nhỏ, khoảng 3 mm x 3 mm, nhưng có đủ bộ não hoạt động để nghiên cứu và phân tích (và ngoài ra, vỏ não con người chỉ dày 3 mm).<

Các khối não nhỏ của chúng ta được làm từ tế bào da, chúng ta tái lập trình chúng thành tế bào gốc có thể tạo ra tế bào thần kinh. Khối ‘bộ não’ được treo trong ma trận collagen 3D và đặt trên dãy điện cực.

Sử dụng kích thích điện hoặc thêm các chất hóa học thần kinh, chúng ta có thể khiến các tế bào thần kinh hoạt động. Mảng điện cực ghi lại hoạt động đó – bắt chước hoạt động của hệ thần kinh – để cung cấp cho chúng ta bức tranh sâu sắc về những gì đang xảy ra.

Về cơ bản, đây là những cấu trúc não tổng hợp được cá nhân hóa, lý tưởng cho các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm hiểu và điều trị các tình trạng thần kinh.

Những “bộ não” này giúp chúng ta nghiên cứu bệnh động kinh như thế nào?

Bệnh động kinh ảnh hưởng đến 1 trên 100 người, nhưng chúng tôi biết rằng khoảng một nửa trong số đó phát triển bệnh này muộn hơn sau khi bị một số tổn thương ở não khi còn trẻ.

Chúng tôi nghĩ rằng điều đó có thể là do một số người có khuynh hướng di truyền, nhưng hiện tại chúng tôi không thể dự đoán ai có thể có nguy cơ mắc bệnh động kinh do chấn thương đầu.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi hợp tác với các nhà thần kinh học tại Viện nghiên cứu trẻ em Murdoch, những người đã phát hiện ra đột biến gen gây ra bệnh động kinh, cũng như các nhà thần kinh học tại Bệnh viện St Vincent's Melbourne.<

Chúng tôi lấy tế bào da từ những người có đột biến gen đó, loại bỏ đột biến và phát triển 'bộ não' sinh tổng hợp từ những tế bào được chỉnh sửa gen đó. Để so sánh, chúng tôi cũng tạo ra não từ các tế bào 'dương tính với bệnh động kinh', chưa được chỉnh sửa.

Sau đó, chúng tôi kiểm tra 'bộ não' mà chúng tôi tạo ra từ những tế bào này bằng cách gây ra một mức độ tổn thương nhất định và xem liệu – và khi nào – chúng có biểu hiện hoạt động giống như bệnh động kinh hay không.

Điều cuối cùng chúng tôi hướng tới là một xét nghiệm di truyền đơn giản có thể xác định xem bạn có khả năng phát triển bệnh động kinh do chấn thương đầu nhẹ hay không, chẳng hạn như do chơi bóng đá AFL hoặc các môn thể thao khác.

Những “bộ não” này có thể được sử dụng như thế nào khác trong tương lai?

'Bộ não' sinh tổng hợp của chúng ta cũng sẽ được sử dụng để lập mô hình cá nhân hóa các chứng rối loạn thần kinh.

Đây là nơi 'bộ não' được phát triển từ tế bào của chính bệnh nhân có thể giúp bác sĩ lâm sàng hiểu rõ hơn về tình trạng của họ, tối ưu hóa việc điều trị và cuối cùng là tiên lượng bệnh.<

Đối với RMIT, công việc này mở ra những con đường mới thú vị cho việc thiết kế, phát triển, chế tạo và dịch thuật các hệ thống và thiết bị lai cơ điện tử sinh học.

Là một phần của nghiên cứu nhằm phát triển các phương pháp điều trị chứng loạn dưỡng cơ, nhóm của bạn đã đi tiên phong trong kỹ thuật “ngựa trojan” kết hợp kỹ thuật tạo cơ và chỉnh sửa gen. Nó hoạt động như thế nào?

Ý tưởng cơ bản là lấy tế bào từ những người mang đột biến gây ra chứng loạn dưỡng cơ, chỉnh sửa đột biến đó rồi đưa những tế bào đó trở lại cơ để khiến nó hoạt động trở lại.

Đã có lâm sàng các thử nghiệm về liệu pháp tế bào tái tạo, đặc biệt là liệu pháp cấy ghép nguyên bào cơ, nhưng thật đáng buồn là những thử nghiệm này đã thất bại vì các tế bào được cấy ghép không phát triển và nhân lên.

Sự khác biệt trong phương pháp của chúng tôi là thay vì cấy trực tiếp các tế bào, chúng tôi bảo vệ chúng trong một loại thạch đặc biệt làm từ rong biển. Đó chính là “ngựa trojan” – một miếng thạch rong biển chứa tế bào cơ được cơ thể dễ dàng chấp nhận và sau đó cho phép các tế bào khỏe mạnh “xâm chiếm” cơ bắp ốm yếu.

Kỹ thuật của chúng tôi mang lại sự lan rộng đáng kinh ngạc của các tế bào cơ còn sống, với các nghiên cứu tiền lâm sàng trên chuột cho thấy hàng triệu nhân phát sinh từ 10.000 tế bào mà chúng tôi cấy ghép ban đầu.

In 3D và in sinh học đóng vai trò gì trong công việc của nhóm bạn?

Tại ACMD, chúng tôi may mắn được tiếp cận với các công nghệ sản xuất tiên tiến và chế tạo sinh học tiên tiến, bao gồm máy in sinh học chuyên dụng được thiết kế để in tế bào sống 3D và lò phản ứng sinh học để nuôi cấy tế bào 3D. Làm việc với những công nghệ này tạo nên sự khác biệt lớn cho sự hợp tác của chúng ta.

Ví dụ: chúng tôi sử dụng quy trình in 3D được gọi là 'viết điện tan chảy' trong công việc của mình để khuyến khích mạng lưới mạch máu phát triển trong các mô được thiết kế. Hệ thống này cũng có thể được sử dụng trong các cấu trúc mô hình mô của chúng tôi để chúng giống với mô có mạch hơn.

Nhưng đôi khi công việc của chúng tôi không phải là về công nghệ mới nhất mà là nghĩ ra những cải tiến mới trên nền tảng cũ.

Các nhà nghiên cứu trong nhóm của chúng tôi đã thay đổi công nghệ in 3D truyền thống để tạo ra các cấu trúc y sinh cực kỳ phức tạp trong công việc tái tạo xương và mô của họ. Phương pháp đột phá của họ sử dụng máy in 3D tiêu chuẩn để tạo ra các bộ phận cấy ghép nhỏ có thể hỗ trợ tái phát triển tế bào.

Gần đây chúng tôi cũng đã xuất bản công thức tạo cơ, trong đó nêu chi tiết các thành phần, thiết bị và kỹ thuật bạn cần để tạo ra mô cơ xương chức năng.

Đây là bản tóm tắt công việc của chúng tôi trong nhiều năm trong việc hoàn thiện các phương pháp in sinh học và mực sinh học để tạo ra các cấu trúc cơ xương in 3D khả thi. Chúng tôi hy vọng công việc này cuối cùng sẽ cho phép tạo ra cơ bắp cho những người đã trải qua chấn thương và bệnh về cơ.

Bạn có mối quan hệ hợp tác lâu dài với các bác sĩ lâm sàng và bác sĩ phẫu thuật tại Bệnh viện St Vincent's Melbourne. Việc thành lập ACMD đã thúc đẩy quá trình nghiên cứu của nhóm bạn như thế nào?

Trong nhiều thập kỷ, khi nhóm của chúng tôi phát triển phương pháp tiếp cận kỹ thuật cơ và thần kinh, chúng tôi luôn hợp tác chặt chẽ với các bác sĩ lâm sàng và bác sĩ phẫu thuật để phát triển các giải pháp thực tế cho các vấn đề sức khỏe cũ mà công nghệ hiện tại chưa đáp ứng được.

Công việc của chúng tôi không chỉ là những ý tưởng thú vị hay khả năng lý thuyết – mà còn là giải quyết những vấn đề mà các bác sĩ lâm sàng và có lẽ quan trọng hơn là bệnh nhân, phải vật lộn hàng ngày.

Chúng tôi đang làm việc trực tiếp với những người một ngày nào đó sẽ sử dụng nghiên cứu của chúng tôi trong thực hành lâm sàng của họ và trong các phòng phẫu thuật. Họ đang chia sẻ những thách thức và những điều họ cần để giúp đỡ bệnh nhân.

Và đó cuối cùng là điều chúng tôi muốn nghiên cứu của mình thực hiện – tiếp cận và giúp đỡ mọi người.

Bộ não sinh tổng hợp, cơ bắp được thiết kế, ngựa trojan… một số ý tưởng này gần giống như khoa học viễn tưởng. Vậy khi nào chúng thực sự có thể trở thành hiện thực lâm sàng?

Đúng là những gì chúng tôi đang làm đang ở trên giới hạn của khoa học. Tuy nhiên, các công nghệ sản xuất tiên tiến đang tạo ra sự khác biệt trong cuộc sống của bệnh nhân, chẳng hạn như thiết bị cấy ghép cột sống in 3D đầu tiên được sản xuất tại địa phương ở Úc.

Hoạt động thực hiện sáng kiến ​​đó của RMIT đã dẫn đến những hướng đi mới trong việc thiết kế bộ cấy ghép thế hệ tiếp theo cho bệnh nhân ung thư xương, một dự án trọng tâm trong ACMD.

Một số dự án tiên tiến hơn về mặt lâm sàng của chúng tôi có thể cần 5-10 năm nữa mới có thể dịch thuật lâm sàng, nhưng chúng tôi vẫn đang ở những ngày đầu của cuộc cách mạng in sinh học 3D.<

Điều tuyệt vời là cách tiếp cận hợp tác khoa học-lâm sàng của chúng tôi có nghĩa là chúng tôi có thể bỏ qua những ý tưởng không thực tế trước đây và không bao giờ có tác dụng trong đời thực và tập trung vào nghiên cứu có tiềm năng tác động nhất.

Giáo sư Rob Kapsa đứng đầu nhóm nghiên cứu Kỹ thuật mô và chế tạo sinh học (BiTE) tại RMIT.

Mạng lưới BiTE, nhằm mục đích tập hợp các học giả và ứng viên tiến sĩ làm việc trong lĩnh vực kỹ thuật sinh học rộng hơn hướng tới các lĩnh vực định hướng BiTE mới, được hỗ trợ bởi Nền tảng kích hoạt năng lực cho Vật liệu tiên tiến, Sản xuất và Chế tạo, Y tế sinh học và Đổi mới.

ACMD là trung tâm nghiên cứu kỹ thuật y sinh đặt tại bệnh viện đầu tiên của Úc, với các đối tác bao gồm Bệnh viện St Vincent's Melbourne, Đại học RMIT, Đại học Melbourne, Đại học Công giáo Úc, Đại học Công nghệ Swinburne, Đại học Wollongong Úc, Viện Bionics, St. Viện Vincent và Trung tâm Nghiên cứu Mắt Úc.

 Trích từ Câu chuyện Tin tức của RMIT:  Gosia Kaszubska

Học RMIT Cử nhân Khoa học Y sinh tại Trường Y tế và Khoa học Y sinh để được đánh giá cao hơn của nghiên cứu mang tính đột phá này.

Ở mức độ linh hoạt này, bạn sẽ phát triển hiểu biết rộng về giải phẫu người, sinh lý học và bệnh lý từ tế bào đến cấp độ hệ thống.

Khoa học y sinh là nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của cơ thể con người và động vật cũng như các phản ứng của cơ thể đối với các bệnh khác nhau, tập thể dục, chế độ ăn uống, rối loạn nội bộ và ảnh hưởng của môi trường.

Đây là một lĩnh vực khoa học rộng lớn tập trung vào việc tìm hiểu cơ thể con người và cách nó tương tác với bệnh tật - bệnh xảy ra như thế nào, điều gì xảy ra và cách chúng ta có thể kiểm soát, chữa trị và ngăn ngừa bệnh tật. Khoa học y sinh liên quan đến sự hiểu biết về giải phẫu và sinh lý con người cũng như hóa sinh.

Ngoài hiểu biết cơ bản về khoa học y sinh, bạn sẽ có cơ hội chọn các môn tự chọn chuyên môn trong năm cuối. Bạn cũng sẽ hiểu biết về quá trình nghiên cứu và trải nghiệm với các công nghệ hiện đại được sử dụng trong nghiên cứu y sinh.

Hãy hỏi chúng tôi về bằng cấp này tại RMIT