Sóng siêu âm diệt tế bào chọn lọc: Cách điều trị ung thư đột phá?

Một bức miêu tả các sóng siêu âm phá hủy một tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến tế bào khỏe mạnh. Nguồn: California Institute of Technology

Các sóng siêu âm – những sóng âm thanh với những tần số cao hơn tần số con người có thể nghe được – đã được sử dụng như một cách điều trị ung thư trước đây, mặc dù trong một cách tiếp cận trên diện rộng: các chớp sáng cường độ cao của sóng siêu âm có thể gia nhiệt cho các mô, diệt cả tế bào ung thư và tế bào lành trong một vùng đã định trước. Hiện tại các nhà khoa học và kỹ sư đang khám phá việc sử dụng các sóng siêu âm xung cường độ thấp (LIPUS) để có thể tạo ra một cách điều trị có khả năng chọn lọc tế bào hơn.

Nghiên cứu “Selective ablation of cancer cells with low intensity pulsed ultrasound” (Sự cắt bỏ có chọn lọc các tế bào ung thư với sóng siêu âm xung cường độ thấp) đã miêu tả tính hiệu quả của một cách tiếp cận mới trong các mô hình tế bào được xuất bản trên Applied Physics Letters. Các nhà nghiên cứu thực hiện công trình này cho biết đây vẫn còn là giai đoạn sơ khởi – vẫn chưa được thử nghiệm trên động vật sống trước khi kiểm tra trên người, và vẫn còn những thách thức quan trọng cần giải quyết – nhưng các kết quả thu được rất hứa hẹn.

Nghiên cứu này được bắt đầu từ năm năm trước khi Michael Ortiz, Frank và Ora Lee Marble, giáo sư của Kỹ thuật hàng không và cơ khí Caltech cân nhắc liệu những khác biệt vật lý giữa các tế bào ung thư và tế bào khỏe mạnh như kích thước, độ dày thành tế bào, và kích thước của các cơ quan tế bào trên trong chúng – có thể ảnh hưởng như thế nào đến việc chúng dao động khi “bắn phá” với các sóng âm và cách những dao động đó có thể kích hoạt cái chết của tế bào ung thư. “Tôi đã có những khoảnh khắc truyền cảm hứng cho nghiên cứu này như vậy”, Ortiz nói một cách hơi ài hước.

Và vì vậy mà Ortiz đã xây dựng một mô hình toán học để nhìn vào cách các tế bào sẽ tương tác với các tần số và luồng xung sóng âm khác nhau. Cùng với nghiên cứu sinh Stefanie Heyden (tôt nghiệp năm 2014), hiện làm việc tại ETH Zurich, Ortiz đã xuất bản một bài báo năm 2016 trên the Journal of the Mechanics and Physics of Solids cho thấy có một khoảng trống trong cái gọi là các tỉ lệ tăng trưởng cộng hưởng của các tế bào ung thư và khỏe mạnh. Khoảng trống này nghĩa là về lý thuyết, việc đưa sóng âm một cách cẩn trọng có thể là nguyên nhân khiến các màng tế bào của tế bào ung thư dao động quanh điểm mà chúng bị phá vỡ trong khi không làm tổn thương các tế bào khỏe mạnh. Ortiz gọi quá trình này là “oncotripsy” (phá vỡ khối u): oncos trong tiếng Hi Lap là khối u (tumor) và tripsy là phá vỡ.

Được các kết quả này khuyến khích, Ortiz đã gửi hồ sơ xin tài trợ và nhận được đầu tư tiếp tục nghiên cứu thông qua Sáng kiến Đổi mới sáng tạo Rothenberg của Caltech (RI2), một chương trình cấp vốn từ kinh phí của Jim Rothenberg và vợ ông, Anne Rothenberg, nhằm hỗ trợ các dự án nghiên cứu có tiềm năng thương mại hóa cao. Ortiz đã tuyển dụng nghiên cứu sinh Erika F. Schibber (cao học năm 2016, tiến sĩ  năm 2019), vốn có nghiên cứu liên quan đến dao động của các vệ tinh, để thực hiện dự án.

Jian Ye và Peter P. Lee của City of Hope. Nguồn: TS Eliza Barragan/City of Hope

Ortiz sau đó đã mời TS Mory Gharib, giáo sư Kỹ thuật hàng không và sinh học Hans W. Liepmann để tham gia nhóm nghiên cứu của mình. Gharib, một nhà phát minh, đã từng tham gia nhiều phát triển nghiên cứu các kết quả từ phòng thí nghiệm đến thị trường. Ví dụ, một van tim polymer nhân tạo do ông thiết kế đã được cấy trên người lần đầu tiên vào tháng 7/2019, và ông đã tạo được một ứng dụng trên điện thoại thông minh để giám sát sức khỏe tim mạch; một cấy ghép mắt do ông thiết kế để tránh mù do tăng nhãn áp đã được cấy ghép cho trên 500.000 bệnh nhân kể từ năm 2012.

Bị dự án thu hút, Gharib đã trao đổi ý tưởng với một trong những cố vấn của mình, David Mittelstein. Là một nghiên cứu sinh của chương trình ThS- TS của Caltech và trường Y Keck USC, Mittelstein mới nghiên cứu về van polymer nhân tạo với Gharib. Nhưng trong dự án về phá vỡ ung thư này, anh thấ cơ hội để tham gia nghiên cứu từ khái niệm lý thuyết đến gốc rễ của khái niệm đó.

“Mory và Michael thực sự trao cơ hội cho tôi để tôi dẫn dắt dự án này, thiết kế và xây dựng những cách để kiểm tra lý thuyết của Michael trong thế giới thực”, Mittelstein nói. Anh sẽ kết thúc luận án tại Caltech vào trung tuần tháng hai trước khi trở lại USC để hoàn tất công việc của mình.

Mittelstein đã tập hợp một nhóm nghiên cứu để thực hiện dự án, tuyển dụng chuyên gia sóng siêu âm Mikhail Shapiro, một giáo sư kỹ thuật hóa học tại Caltech. Shapiro mới đây đã phát minh ra một hệ cho phép sóng âm để tiết lộ biểu hiện gene trong cơ thể và thiết kế vi khuẩn phản xạ các sóng âm, vì vậy có thể dò được chúng trong cơ thể bằng sóng âm.

Trong Phòng thí nghiệm Shapiro, Mittelstein bắt đầu công việc với hepatocellular carcinoma, một dạng ung thư gan thông thường, cùng các tần số và luồng xung khác nhau của sóng âm, và đo đạc kết quả.

Trong khi đó, TS Eduardo A. Repetto giới thiệu Ortiz với Peter P. Lee, chủ tịch Phòng Miễn dịch  - ung thư tại City of Hope, một trung tâm nghiên cứu ung thư ở Duarte. Là một nhà vật lý, Lee bị những ý tưởng điều trị bệnh nhân mới thu hút. “Khi nghe thấy điều đó, tôi nghĩ nó thật hấp dẫn, và nếu được triển khai, có thể nó tạo ra một cách điều trị đột phá về ung thư”, Lee kể lại. Những nhà nghiên cứu khác của City of Hope, bao gồm cả postdoc Jian Ye và nhà ung thư học M. Houman Fekrazad, cũng tham gia vào dự án này.

Erika F. Schibber. Nguồn: California Institute of Technology

Với kinh phí tăng thêm từ Amgen và Sáng kiến nghiên cứu y sinh Caltech–City of Hope, Mittelstein đã thiết kế một thiết bị ở quy mô pilot tại City of Hope giống thiết bị ở Caltech, cho phép các đồng nghiệp của mình ở đây để xét nghiệm các mẫu thử mà không cần phải chuyển mẫu qua lại giữa Duarte và Pasadena. Theo thời gian, Lee và nhóm nghiên cứu của mình tại City of Hope mở rộng phạm vi nghiên cứu các dòng tế bào ung thư được xét nghiệm, thu các mẫu bệnh phẩm từ người và chuột mang bệnh ung thư vú, ruột kết. Họ cũng xét nghiệm một số lượng đa dạng các tế bào người khỏe mạnh, bao gồm các tế bào miễn dịch, để kiểm tra cách điều trị ảnh hưởng như thế nào đến các tế bào này.

Lee nói, hi vọng là sóng siêu âm sẽ diệt được các tế bào ung thư trong một cách cụ thể mà sẽ gắn kết hệ miễn dịch và đánh thức nó để tấn công bất kỳ tế bào ung thư nào còn lại sau khi điều trị.

“Tình trạng bên trong các tế bào ung thư hoàn toàn hỗn tạp, ngay cả bên trong một khối u thường”, Lee giải thích, “vì vậy có thể không thể tìm ra một phạm vi bố trí sóng siêu âm có thể diệt mọi tế bào ung thư đơn lẻ. Điều này có thể để “sổng” nhiều tế bào ung thư và khiến khối u tái phát triển”.

Hơn 50 triệu tế bào chết trong cơ thể mỗi ngày. Phần lớn những cái chết này xuất hiện khi các tế bào đơn giản là hết chu kỳ tồn tại và chết một cách tự nhiên thông qua một quá trình mà người ta gọi là cơ chế gây chết tế bào theo chương trình (apoptosis). Thi thoảng, dẫu sao, các tế bào chết đi vì lây nhiễm hoặc thương tổn. Một hệ miễn dịch khỏe mạnh có thể nhận thấy sự khác biệt giữa cơ chế gây chết tế bào theo chương trình và thương tổn, phớt lờ vấn đề trước đây trong khi theo đuổi vị trí của “người đến sau” để tấn công bất cứ mầm bệnh xâm lấn nào.

Nếu sóng siêu âm có thể được sử dụng để diệt tế bào theo cách hệ miễn dịch của cơ thể ghi nhận là thương tổn thay vì cơ chế gây chết tế bào theo chương trình, điều này có thể dẫn đến vị trí của khối u ngập trong các tế bào bạch huyết mà có thể tấn công các tế bào ung thư còn lại

Tất cả các thí nghiệm đều mới được thực hiện trên tế bào được nuôi cấy trên đĩa petri, tuy nhiên nhóm nghiên cứu Caltech–City of Hope đã lập kế hoạch mở rộng việc thử  nghiệm trên các khối u rắn và cuối cùng trên động vật sống. Trở lại phòng thí nghiệm của Ortiz, Schibber dùng các kết quả của phòng thí nghiệm để tối ưu các mô hình toán học, đào sau hơn để đảm bảo cho các nhà nghiên cứu hiểu một cách chính xác cách các sóng âm diệt tế bào ung thư.

Nguồn: David Mittlestein

“Chúng tôi đang nghiên cứu nhiều hơn về sự khác biệt của các tế bào ung thư dao động và duy trì sự tổn hại qua nhiều chu kỳ bị ngăn cách, một tiến trình mà chúng tôi gọi là ‘sự mỏi của tế bào’”,  Schibber nói. Anh đã bảo vệ luận văn về chủ đề tài vào năm 2019 và hiện là postdoct tại trung tâm hàng không của Caltech. Trong phòng thí nghiệm của Shapiro, Mittelstein tìm thấy sự hình thành của các bong bóng nhỏ (một tiến trình gọi là hiện tượng khí thực) có thể là nguyên nhân của một số tổn tại. Cùng với nhau, những phát triển này đang đem đến một khái niệm cơ bản cho những hiểu biết về các xu hướng được quan sát trong các thực nghiệm.

Mittelstein hi vọng sẽ được tham gia vào dự án vì anh háo hức thấy nghiên cứu này được tiếp tục và một ngày nào đó sẽ dẫn đến một cách điều trị ung thư hiệu quả.

“Đây là một khái niệm thú vị cho một liệu pháp điều trị ung thư mới không đòi hỏi ung thư phải có các dấu hiệu phân tử riêng biệt hoặc được cô lập một cách riêng rẽ khỏi các tế bào khỏe mạnh để hướng đích. Thậm chí chúng tôi có thể có khả năng hướng đích đến các tế bào ung thư trên cơ sở các đặc tính vật lý độc đáo”, anh nói.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-02-ultrasound-cancer-cells.html