Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng khả năng tái sinh và sinh sản của loài thủy tức, một họ hàng của sứa, có thể được tăng cường nhờ sử dụng các hạt nano vàng phát nhiệt. Độ chính xác và khả năng kiểm soát mà phương pháp này mang lại rất hứa hẹn trong việc nhắm mục tiêu đến từng tế bào riêng lẻ, một mục tiêu quan trọng của y học tái tạo.

Nhiệt độ cao đã từng được sử dụng như một vũ khí để tiêu diệt tế bào ung thư; và các loại mặt nạ ánh sáng đỏ và xanh cường độ thấp đã trở thành công cụ thời thượng trong việc chống lão hóa và cải thiện các tình trạng da như mụn trứng cá. Tuy nhiên, chỉ gần đây các nhà khoa học mới bắt đầu khám phá việc sử dụng nhiệt và ánh sáng trong quá trình tái tạo mô.

Các hạt nano vàng tạo nhiệt cục bộ

Claudia Tortiglione, một nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Ứng dụng và Hệ thống Thông minh thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Ý, cùng nhóm của bà đã đặt ra câu hỏi liệu việc làm nóng nhẹ loài thủy tức có thể thúc đẩy quá trình tái sinh của chúng hay không.

Để thực hiện điều này, họ sử dụng các hạt nano vàng có khả năng tạo ra nhiệt khi được chiếu ánh sáng cận hồng ngoại (Near-Infrared Light), loại ánh sáng vô hình đối với mắt người.

“Các hạt nano vàng, dưới sự kích thích bằng ánh sáng hồng ngoại, phát triển một lượng nhiệt rất nhỏ bên trong tế bào, không gây tổn thương hay chết tế bào, nhưng có thể mang lại tác dụng có lợi, cuối cùng làm tăng hiệu quả của quá trình tái sinh”, Tortiglione cho biết.

Tuy nhiên, hình dạng của hạt nano cũng đóng vai trò quan trọng. Trong nghiên cứu của mình, Tortiglione và nhóm đã sử dụng các hạt nano vàng có hình lăng trụ tam giác để khai thác một hiện tượng gọi là cộng hưởng plasmon bề mặt.

“Các hạt nano vàng dạng lăng trụ […] thể hiện hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt trong vùng ánh sáng cận hồng ngoại nhờ vào hình dạng tam giác của chúng, và có thể hấp thụ ánh sáng một cách hiệu quả để chuyển đổi bức xạ đó thành nhiệt”, bà giải thích.

Bà cũng lưu ý rằng, mặc dù hạt nano dạng lăng trụ rất lý tưởng để tạo nhiệt, trong khi các hạt nano vàng hình cầu thông thường lại không có những đặc tính này.

Ưu điểm chính của việc sử dụng ánh sáng để kích hoạt là khả năng chọn chính xác vị trí tạo nhiệt. Điều này không thể thực hiện được nếu dùng nguồn nhiệt bên ngoài, vì nhiệt có thể gây hại đến các mô xung quanh, ví dụ như ở khu vực vết thương.

Thủy tức - Mô hình lý tưởng cho nghiên cứu tái tạo mô

Thủy tức là một loài polyp sống trong môi trường nước ngọt, có cấu trúc giải phẫu rất đơn giản, bao gồm một cơ thể mềm hình ống và phần miệng gọi là hypostome, được bao quanh bởi các xúc tu. Chúng không có não mà thay vào đó là một mạng lưới thần kinh (nerve net) và cũng không có cơ bắp.

Trong khi một số cơ quan trong cơ thể con người có khả năng tự phục hồi nhất định, nhưng năng lực tái tạo của con người vẫn rất hạn chế. Ngược lại, thủy tức có khả năng tái tạo toàn bộ cơ thể một cách liên tục. Trên thực tế, nếu cơ thể thủy tức bị phân tách thành từng tế bào đơn lẻ và sau đó được tái tổ hợp, một con thủy tức mới vẫn có thể hình thành. Siêu năng lực này khiến chúng trở thành mô hình lý tưởng để nghiên cứu về tái tạo mô. 

Tortiglione và nhóm của bà muốn kiểm tra liệu thủy tức có thể tái tạo phần đầu bị cắt đứt nhanh hơn sau khi hấp thụ các hạt nano vàng hình lăng trụ tam giác hay không.

"Các hạt nano vàng dạng lăng trụ đã được các mô thủy tức hấp thụ hiệu quả bằng cách đơn giản là ngâm các polyp trong một nước có chứa các hạt nano trong vài giờ" bà cho biết.

Thông thường, khi thủy tức bị cắt phần đầu, các tế bào biểu mô sẽ nhanh chóng phản ứng, đóng kín vết thương trong vòng một giờ đầu tiên. Sau đó, phần đầu mới sẽ dần được mọc lại, với toàn bộ quá trình kéo dài khoảng ba ngày.

Tuy nhiên, khi thủy tức hấp thụ hạt nano vàng bị cắt phần đầu và được chiếu tia laser cận hồng ngoại trong 5 giờ mỗi ngày, liên tục trong hai ngày, thì nhiều con đã đạt đến các giai đoạn tái tạo nhanh hơn so với nhóm không được điều trị.

Hướng tới kiểm soát ở cấp độ tế bào đơn

Khi đếm số lượng tế bào đang phân chia, nhóm nghiên cứu phát hiện sự gia tăng của tế bào gốc và tế bào biểu mô ở các cá thể thủy tức được xử lý bằng hạt nano vàng, điều này có thể giải thích cho khả năng tái sinh được cải thiện, theo lời của Tortiglione.

“Nhiệt độ kích hoạt quá trình phiên mã của các gene quan trọng liên quan đến sự tăng sinh tế bào gốc và phản ứng với căng thẳng nhiệt” bà giải thích. “Những gene này thường chỉ được kích hoạt sau khi thủy tức bị thương hoặc mất phần đầu, nhưng dưới tác động của ánh sáng cận hồng ngoại, quá trình kích hoạt đã diễn ra sớm hơn rõ rệt.”

Sử dụng camera nhiệt, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng nhiệt độ bên trong của thủy tức sau khi được xử lý bằng hạt nano vàng đã tăng lên và ổn định ở khoảng 7°C sau 20 phút chiếu sáng bằng ánh sáng cận hồng ngoại vừa đủ để thúc đẩy tái sinh mà không gây tổn thương mô. Nếu nhiệt độ cao hơn, có thể dẫn đến chết tế bào, theo lời của Tortiglione.

Nhóm nghiên cứu cũng theo dõi quá trình nảy chồi (hình thức sinh sản vô tính) của ba mẫu thủy tức mẹ được xử lý bằng hạt nano. Trong quá trình nảy chồi thông thường, các thủy tức con sẽ phát triển bên hông cơ thể mẹ và tách ra sau khoảng ba ngày.

Mỗi ngày trong hai tuần, nhóm nghiên cứu cho thủy tức mẹ ăn và chiếu tia hồng ngoại trong năm giờ. Họ nhận thấy rằng tỷ lệ sinh sản của nhóm được xử lý hơi cao hơn nhóm đối chứng, tạo ra số lượng con cái nhiều hơn. Sự gia tăng này là một tác động khác của việc tăng sinh tế bào biểu mô.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu muốn thử nghiệm các hạt nano vàng này trên các mô hình tái tạo da tiền lâm sàng, vì da là mô dễ tiếp cận ánh sáng.

“Chúng ta có thể tưởng tượng việc điều trị một vết thương bằng các hạt nano vàng, rồi chiếu sáng vào khu vực đó để thúc đẩy lành vết thương tại chỗ mà không ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh” Tortiglione chia sẻ.

Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng là có thể tác động đến từng tế bào đơn lẻ. Trong tất cả các thí nghiệm hiện tại, nhóm nghiên cứu chỉ chiếu sáng toàn bộ cơ thể thủy tức chứ chưa nhắm đến một tế bào riêng biệt và ghi nhận phản ứng tổng thể.

“Sẽ rất thú vị nếu có thể tập trung tia laser cận hồng ngoại vào một tế bào đơn và quan sát các hiệu ứng nhiệt gây ra” bà chia sẻ. “Đây chính là trọng tâm của dự án mà chúng tôi đang thực hiện".

Nguồn: https://www.advancedsciencenews.com/gold-nanoparticles-help-hydras-regrow-their-heads/