Trúc Hà Nhân
Intern Writer
Trong hành trình kiến tạo những cơ quan nhân tạo để thay thế cho các bộ phận bị tổn thương trong cơ thể, các nhà khoa học đã đối mặt với một thách thức tưởng chừng như không thể vượt qua: làm sao để tạo ra một mạng lưới mạch máu tinh vi, nuôi dưỡng sự sống cho những "bộ phận" mới này? Dù đã có thể nuôi cấy thành công cơ, gan, thận, da và nhiều loại mô nhân tạo khác, việc tạo ra một hệ thống mạch máu được định hình chính xác, với những mao mạch nhỏ hơn cả sợi tóc người, vẫn là một bài toán khó. Bởi lẽ, không có mạng lưới mạch máu để cung cấp dưỡng chất, bất kỳ mô nhân tạo nào, dù có giống thật đến đâu, cũng không thể hoạt động được.
Giờ đây, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra một phương pháp đột phá: họ có thể điều khiển sự phát triển của mạch máu bằng cách kéo giãn chúng một cách cơ học.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị gọi là "mạch máu trên chip" của con người. Thiết bị này bao gồm một động mạch trung tâm được tạo từ các tế bào nội mô của người, nhúng trong một loại gel có chứa một nam châm nhỏ. Các nhà khoa học đã nghiên cứu cách động mạch chính phản ứng khi họ lắc qua lắc lại khối gel bằng một nam châm bên ngoài để di chuyển nam châm bên trong gel.
Họ phát hiện ra rằng hành động cơ học đơn giản là liên tục lắc động mạch đã kích thích nó nảy sinh ra các mao mạch nhỏ hơn. Bằng cách thay đổi hướng lắc hoặc kéo giãn động mạch, các nhà nghiên cứu có thể định hướng lại sự phát triển của các mạch máu mới. Hơn nữa, việc kéo giãn động mạch ở các mức độ khác nhau cũng ảnh hưởng đến số lượng mạch máu mới nảy sinh.
Những kết quả này, được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, đã mở ra một hướng đi mới cho các nhà khoa học trong việc chế tạo mạch máu nhân tạo và lập trình các mô hình phát triển của chúng. Giáo sư Ritu Raman, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ rằng: "Các mô khỏe mạnh phụ thuộc vào mạng lưới mạch máu có tổ chức, nhưng các giao thức hiện đại không cho phép chế tạo những mạng lưới như vậy trong các mô được thiết kế. Khả năng lập trình sự phát triển của mạch máu bằng các tín hiệu vật lý có thể giúp chế tạo các mô được thiết kế một cách có thể tái tạo và mở rộng, để cấy ghép vào cơ thể nhằm phục hồi chức năng sau bệnh tật hoặc chấn thương nghiêm trọng."
Các đồng tác giả khác của nghiên cứu tại MIT bao gồm Sina Kheiri, Jessica Shah, Shashaank Venkatesh và Roger Kamm, cùng với Peiyuan Chai và Ryan Flynn từ Đại học Harvard.
Việc nuôi cấy và kiểm soát mạch máu bằng các kỹ thuật chế tạo thông thường vốn rất phức tạp. Mặc dù máy in 3D có thể tạo ra các mạch máu ở quy mô động mạch và tĩnh mạch lớn, công nghệ này vẫn chưa đủ chính xác để in các mạng lưới mao mạch tinh vi, mỏng như sợi chỉ. Các nhà khoa học đã đạt được một số thành công trong việc nuôi cấy mạch máu từ các tế bào riêng lẻ, bằng cách nuôi chúng trong đĩa Petri chứa dưỡng chất và yếu tố tăng trưởng. Tuy nhiên, việc kiểm soát cách thức và vị trí chúng phát triển vẫn là một thách thức lớn.
Giáo sư Raman giải thích: "Bạn có thể cố gắng tạo ra các tín hiệu hóa học, như yếu tố tăng trưởng, để định hướng nơi mạch máu phát triển, nhưng bạn không thể làm điều này một cách chính xác. Do đó, chúng ta cần các loại tín hiệu có thể định hình khác để giúp chúng ta xây dựng các mô với mạch máu có tổ chức."
Bà và các sinh viên của mình đã tự hỏi liệu họ có thể nuôi cấy và kiểm soát các mạch máu mới bằng một giao thức mà họ đã phát triển trước đây để nuôi cấy cơ nhân tạo và dây thần kinh. Trong các công trình trước, nhóm đã thiết kế một con chip nhỏ chứa đầy gel được truyền dưỡng chất và yếu tố tăng trưởng. Họ nhúng một nam châm nhỏ vào trong gel, sau đó phủ bề mặt gel bằng các tế bào cơ hoặc thần kinh sống. Sau đó, họ sử dụng một nam châm bên ngoài để kéo nam châm nhúng và khối gel phủ tế bào qua lại. Công trình này đã tiết lộ rằng "tập thể dục" cơ học, tức là kéo các tế bào qua lại, ảnh hưởng trực tiếp đến cách các tế bào phát triển.
Trong công trình mới này, nhóm đã sử dụng một thiết lập tương tự để xem liệu họ có thể nuôi cấy và kiểm soát các mạch máu mới hay không.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một "mạch máu trên chip" nhỏ hơn một con tem bưu điện, và đổ đầy một loại gel giàu dưỡng chất tương tự có chứa một nam châm nhỏ. Họ đâm một ống mỏng theo chiều dài qua gel để tạo ra một kênh rỗng, và phủ kênh này bằng các tế bào nội mô sống, vốn tự nhiên phát triển và hợp nhất để tạo thành mạch máu trong cơ thể. Khi các tế bào hình thành theo hình dạng của kênh, chúng bắt đầu nảy sinh các mạch máu mới, giống như mao mạch, trong gel.
Đặt thiết bị dưới một bàn máy có động cơ được trang bị các nam châm nhỏ, lơ lửng, các nhà nghiên cứu đã di chuyển các nam châm qua lại theo các hướng khác nhau, và ở các mức độ khác nhau, sau đó quan sát xem mạch máu có nảy sinh từ động mạch trung tâm hay không và cách chúng phản ứng.
Giáo sư Raman cho biết: "Điểm mấu chốt là: Kéo giãn mạch máu qua lại dường như làm tăng số lượng mao mạch mới phát triển."
Nếu động mạch chính chỉ được để yên trong gel, nó sẽ phát triển một số mạch máu mới ở các vị trí ngẫu nhiên dọc theo chiều dài của nó. Nhưng khi động mạch bị lắc, số lượng mạch máu nảy sinh tăng lên đáng kể. Khi nhóm sử dụng nam châm để kéo giãn gel qua lại, với mức 5% tổng chiều rộng của gel, nhiều mạch máu mới đã mọc ra từ động mạch chính. Khi họ kéo giãn 15%, ít mạch máu hơn nảy sinh, nhưng những mạch máu đó lại dài hơn. Và khi nhóm thay đổi hướng kéo giãn, các mạch máu mới đã đi theo phản ứng, rẽ hướng và tuân theo mô hình kích thích cơ học của nhóm.
"Chúng tôi nhận thấy rằng việc di chuyển là tốt, đó luôn là kết quả của mọi thứ chúng tôi làm trong phòng thí nghiệm," Giáo sư Raman nói. "Các lực cơ học đóng một vai trò quan trọng trong cơ thể chúng ta. Điều đó có nghĩa là nếu bạn muốn nuôi cấy nhiều hay ít mạch máu hơn, hoặc mạch máu ngắn hơn hay dài hơn, hoặc mạch máu theo những hướng nhất định, giờ đây chúng tôi đã biết cách làm điều đó."
Các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước để tìm hiểu lý do tại sao mạch máu phát triển để phản ứng với các lực cơ học. Để làm được điều đó, họ đã xem xét chỉnh sửa gen và vai trò của một gen cụ thể: Piezo1.
Giáo sư Raman gần đây đã tham dự một buổi nói chuyện của nhà sinh học phân tử Ardem Patapoutian. Năm 2021, Patapoutian đã nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho khám phá của ông về các kênh ion trong màng tế bào mở và đóng để phản ứng với áp lực cơ học. Các kênh này, được đặt tên là PIEZO1 và PIEZO2, hoạt động như những "người gác cổng" của tế bào, kiểm soát những gì đi vào và đi ra khỏi tế bào. Cả hai loại kênh, Patapoutian phát hiện, đều được điều hòa bởi các gen tương ứng của chúng, cũng được đặt tên là PIEZO1 và PIEZO2.
Sau buổi nói chuyện của mình, Giáo sư Raman đã trình bày cho Patapoutian kết quả thí nghiệm của nhóm bà, cho thấy mối liên hệ giữa sự phát triển của mạch máu và kích thích cơ học. Patapoutian sau đó đã đề xuất rằng lời giải thích có thể là kênh PIEZO1; bằng cách "tập thể dục" cơ học cho động mạch trung tâm, Giáo sư Raman có thể đã kích thích các kênh ion trong tế bào động mạch mở ra, kích hoạt các mạch máu mới phát triển.
Để kiểm tra giả thuyết này, Giáo sư Raman đã tìm cách làm giảm hoạt động của gen PIEZO1. Nếu gen này ít hoạt động hơn, và kết quả là ít mạch máu hơn phát triển, thì điều đó có nghĩa là mạch máu thực sự phát triển để phản ứng với kích thích cơ học, và cụ thể là thông qua việc kích hoạt các kênh ion PIEZO1.
Nhóm đã lặp lại các thí nghiệm của họ, lần này với các tế bào nội mô đã được chỉnh sửa gen để ức chế gen PIEZO1. Chắc chắn, họ đã quan sát thấy rằng ít mạch máu mới nảy sinh hơn đáng kể, ngay cả khi họ vẫn "tập thể dục" cơ học cho động mạch trung tâm.
Giờ đây, khi nhóm đã tìm ra cách nuôi cấy và kiểm soát sự phát triển của mạch máu, họ dự định áp dụng giao thức này để nuôi cấy các mạng lưới mạch máu có tổ chức nhằm cung cấp cho các cơ quan và mô nhân tạo. Đồng tác giả Jessica Shah cho biết: "Chúng tôi hiện đang nghiên cứu cách định hình chính xác sự phát triển của mạch máu có thể giúp cải thiện chức năng cơ bắp."
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Chương trình Sớm của Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Trợ cấp PECASE, cùng với Trợ cấp Chương trình DURIP của Bộ Quốc phòng.
Giờ đây, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra một phương pháp đột phá: họ có thể điều khiển sự phát triển của mạch máu bằng cách kéo giãn chúng một cách cơ học.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một thiết bị gọi là "mạch máu trên chip" của con người. Thiết bị này bao gồm một động mạch trung tâm được tạo từ các tế bào nội mô của người, nhúng trong một loại gel có chứa một nam châm nhỏ. Các nhà khoa học đã nghiên cứu cách động mạch chính phản ứng khi họ lắc qua lắc lại khối gel bằng một nam châm bên ngoài để di chuyển nam châm bên trong gel.
Họ phát hiện ra rằng hành động cơ học đơn giản là liên tục lắc động mạch đã kích thích nó nảy sinh ra các mao mạch nhỏ hơn. Bằng cách thay đổi hướng lắc hoặc kéo giãn động mạch, các nhà nghiên cứu có thể định hướng lại sự phát triển của các mạch máu mới. Hơn nữa, việc kéo giãn động mạch ở các mức độ khác nhau cũng ảnh hưởng đến số lượng mạch máu mới nảy sinh.
Những kết quả này, được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, đã mở ra một hướng đi mới cho các nhà khoa học trong việc chế tạo mạch máu nhân tạo và lập trình các mô hình phát triển của chúng. Giáo sư Ritu Raman, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ rằng: "Các mô khỏe mạnh phụ thuộc vào mạng lưới mạch máu có tổ chức, nhưng các giao thức hiện đại không cho phép chế tạo những mạng lưới như vậy trong các mô được thiết kế. Khả năng lập trình sự phát triển của mạch máu bằng các tín hiệu vật lý có thể giúp chế tạo các mô được thiết kế một cách có thể tái tạo và mở rộng, để cấy ghép vào cơ thể nhằm phục hồi chức năng sau bệnh tật hoặc chấn thương nghiêm trọng."
Các đồng tác giả khác của nghiên cứu tại MIT bao gồm Sina Kheiri, Jessica Shah, Shashaank Venkatesh và Roger Kamm, cùng với Peiyuan Chai và Ryan Flynn từ Đại học Harvard.
Việc nuôi cấy và kiểm soát mạch máu bằng các kỹ thuật chế tạo thông thường vốn rất phức tạp. Mặc dù máy in 3D có thể tạo ra các mạch máu ở quy mô động mạch và tĩnh mạch lớn, công nghệ này vẫn chưa đủ chính xác để in các mạng lưới mao mạch tinh vi, mỏng như sợi chỉ. Các nhà khoa học đã đạt được một số thành công trong việc nuôi cấy mạch máu từ các tế bào riêng lẻ, bằng cách nuôi chúng trong đĩa Petri chứa dưỡng chất và yếu tố tăng trưởng. Tuy nhiên, việc kiểm soát cách thức và vị trí chúng phát triển vẫn là một thách thức lớn.
Giáo sư Raman giải thích: "Bạn có thể cố gắng tạo ra các tín hiệu hóa học, như yếu tố tăng trưởng, để định hướng nơi mạch máu phát triển, nhưng bạn không thể làm điều này một cách chính xác. Do đó, chúng ta cần các loại tín hiệu có thể định hình khác để giúp chúng ta xây dựng các mô với mạch máu có tổ chức."
Bà và các sinh viên của mình đã tự hỏi liệu họ có thể nuôi cấy và kiểm soát các mạch máu mới bằng một giao thức mà họ đã phát triển trước đây để nuôi cấy cơ nhân tạo và dây thần kinh. Trong các công trình trước, nhóm đã thiết kế một con chip nhỏ chứa đầy gel được truyền dưỡng chất và yếu tố tăng trưởng. Họ nhúng một nam châm nhỏ vào trong gel, sau đó phủ bề mặt gel bằng các tế bào cơ hoặc thần kinh sống. Sau đó, họ sử dụng một nam châm bên ngoài để kéo nam châm nhúng và khối gel phủ tế bào qua lại. Công trình này đã tiết lộ rằng "tập thể dục" cơ học, tức là kéo các tế bào qua lại, ảnh hưởng trực tiếp đến cách các tế bào phát triển.
Trong công trình mới này, nhóm đã sử dụng một thiết lập tương tự để xem liệu họ có thể nuôi cấy và kiểm soát các mạch máu mới hay không.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một "mạch máu trên chip" nhỏ hơn một con tem bưu điện, và đổ đầy một loại gel giàu dưỡng chất tương tự có chứa một nam châm nhỏ. Họ đâm một ống mỏng theo chiều dài qua gel để tạo ra một kênh rỗng, và phủ kênh này bằng các tế bào nội mô sống, vốn tự nhiên phát triển và hợp nhất để tạo thành mạch máu trong cơ thể. Khi các tế bào hình thành theo hình dạng của kênh, chúng bắt đầu nảy sinh các mạch máu mới, giống như mao mạch, trong gel.
Đặt thiết bị dưới một bàn máy có động cơ được trang bị các nam châm nhỏ, lơ lửng, các nhà nghiên cứu đã di chuyển các nam châm qua lại theo các hướng khác nhau, và ở các mức độ khác nhau, sau đó quan sát xem mạch máu có nảy sinh từ động mạch trung tâm hay không và cách chúng phản ứng.
Giáo sư Raman cho biết: "Điểm mấu chốt là: Kéo giãn mạch máu qua lại dường như làm tăng số lượng mao mạch mới phát triển."
Nếu động mạch chính chỉ được để yên trong gel, nó sẽ phát triển một số mạch máu mới ở các vị trí ngẫu nhiên dọc theo chiều dài của nó. Nhưng khi động mạch bị lắc, số lượng mạch máu nảy sinh tăng lên đáng kể. Khi nhóm sử dụng nam châm để kéo giãn gel qua lại, với mức 5% tổng chiều rộng của gel, nhiều mạch máu mới đã mọc ra từ động mạch chính. Khi họ kéo giãn 15%, ít mạch máu hơn nảy sinh, nhưng những mạch máu đó lại dài hơn. Và khi nhóm thay đổi hướng kéo giãn, các mạch máu mới đã đi theo phản ứng, rẽ hướng và tuân theo mô hình kích thích cơ học của nhóm.
"Chúng tôi nhận thấy rằng việc di chuyển là tốt, đó luôn là kết quả của mọi thứ chúng tôi làm trong phòng thí nghiệm," Giáo sư Raman nói. "Các lực cơ học đóng một vai trò quan trọng trong cơ thể chúng ta. Điều đó có nghĩa là nếu bạn muốn nuôi cấy nhiều hay ít mạch máu hơn, hoặc mạch máu ngắn hơn hay dài hơn, hoặc mạch máu theo những hướng nhất định, giờ đây chúng tôi đã biết cách làm điều đó."
Các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước để tìm hiểu lý do tại sao mạch máu phát triển để phản ứng với các lực cơ học. Để làm được điều đó, họ đã xem xét chỉnh sửa gen và vai trò của một gen cụ thể: Piezo1.
Giáo sư Raman gần đây đã tham dự một buổi nói chuyện của nhà sinh học phân tử Ardem Patapoutian. Năm 2021, Patapoutian đã nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho khám phá của ông về các kênh ion trong màng tế bào mở và đóng để phản ứng với áp lực cơ học. Các kênh này, được đặt tên là PIEZO1 và PIEZO2, hoạt động như những "người gác cổng" của tế bào, kiểm soát những gì đi vào và đi ra khỏi tế bào. Cả hai loại kênh, Patapoutian phát hiện, đều được điều hòa bởi các gen tương ứng của chúng, cũng được đặt tên là PIEZO1 và PIEZO2.
Sau buổi nói chuyện của mình, Giáo sư Raman đã trình bày cho Patapoutian kết quả thí nghiệm của nhóm bà, cho thấy mối liên hệ giữa sự phát triển của mạch máu và kích thích cơ học. Patapoutian sau đó đã đề xuất rằng lời giải thích có thể là kênh PIEZO1; bằng cách "tập thể dục" cơ học cho động mạch trung tâm, Giáo sư Raman có thể đã kích thích các kênh ion trong tế bào động mạch mở ra, kích hoạt các mạch máu mới phát triển.
Để kiểm tra giả thuyết này, Giáo sư Raman đã tìm cách làm giảm hoạt động của gen PIEZO1. Nếu gen này ít hoạt động hơn, và kết quả là ít mạch máu hơn phát triển, thì điều đó có nghĩa là mạch máu thực sự phát triển để phản ứng với kích thích cơ học, và cụ thể là thông qua việc kích hoạt các kênh ion PIEZO1.
Nhóm đã lặp lại các thí nghiệm của họ, lần này với các tế bào nội mô đã được chỉnh sửa gen để ức chế gen PIEZO1. Chắc chắn, họ đã quan sát thấy rằng ít mạch máu mới nảy sinh hơn đáng kể, ngay cả khi họ vẫn "tập thể dục" cơ học cho động mạch trung tâm.
Giờ đây, khi nhóm đã tìm ra cách nuôi cấy và kiểm soát sự phát triển của mạch máu, họ dự định áp dụng giao thức này để nuôi cấy các mạng lưới mạch máu có tổ chức nhằm cung cấp cho các cơ quan và mô nhân tạo. Đồng tác giả Jessica Shah cho biết: "Chúng tôi hiện đang nghiên cứu cách định hình chính xác sự phát triển của mạch máu có thể giúp cải thiện chức năng cơ bắp."
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Chương trình Sớm của Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ và Trợ cấp PECASE, cùng với Trợ cấp Chương trình DURIP của Bộ Quốc phòng.
