Nhìn vào bên trong cơ thể nhờ những viên thuốc kỹ thuật số

Đường ruột con người là một chiếc hộp đen bí ẩn dài tới gần 1 mét. Mà đúng ra, nên gọi nó là ống đen mới phải. Suốt nhiều thập kỷ, các bác sĩ đã cố gắng giải mã cái địa hình tối tăm và nhầy nhụa bên trong đường ống đó.

Họ thăm dò đường tiêu hóa từ cả hai đầu, bằng máy ảnh, thiết bị nội soi, thậm chí thu thập và phân tích gián tiếp thông qua các chất dịch. Nhưng bây giờ, tất cả những công nghệ cũ kỹ này sắp sửa bị bỏ lại, với sự ra đời của những viên thuốc kỹ thuật số. Chúng là những viên nang gắn cảm biến và thiết bị điện tử, có thể được nuốt vào bụng.

Một khi có mặt bên trong cơ thể, những viên thuốc sẽ thu thập và truyền thông tin ra ngoài, tới điện thoại thông minh của bạn. Ngay lúc này, một vài phiên bản thuốc kỹ thuật số đã có mặt trên thị trường. Ở những phiên bản đầu tiên này, chúng chưa làm được gì đáng kể:

Hầu hết chỉ là đo pH, nhiệt độ và áp suất, hoặc theo dõi xem bệnh nhân (những người già hay quên) đã thực sự uống thuốc hay chưa. Nhưng các nhà nghiên cứu đang liên tục thử nghiệm những công nghệ cảm biến mới để nâng cấp những thiết bị thăm dò của họ, hướng tới khả năng phát hiện phạm vi rộng lớn các phân tử y tế.

Giữa xu hướng này, tiến sĩ Timothy Lu và các đồng nghiệp của mình tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã phát triển một viên thuốc kỹ thuật số có kích thước bằng viên pin AA. Ông chỉnh sửa gen và đưa vào đó hàng triệu vi khuẩn huỳnh quang phát sáng. Một khi được nuốt vào ống tiêu hóa, viên thuốc có thể phát hiện và cảnh báo chảy máu dạ dày.

Vi khuẩn, như bạn nhận thấy ở đây, đóng vai trò là những cảm biến vi mô. Chúng là những con Lactococcus lactis, một loại vi khuẩn nhỏ thân thiện giúp con người biến sữa thành phô mai.

Nhóm nghiên cứu của Lu sử dụng DNA đã được chỉnh sửa của L. lactis, kết hợp nó với một số mã di truyền cho phép vi khuẩn phát quang sinh học. Toàn bộ mạch di truyền này được đưa vào bên trong một chủng E. coli thân thiện với ruột khác, thường được bán dưới dạng men tiêu hóa.

Những tế bào đã biến đổi này lại được đưa vào bên trong một viên nang an toàn cho cơ thể. Một nửa viên nang có màng bán thấm cho phép dịch lỏng trong ruột đi vào. Nửa còn lại chứa các linh kiện bán dẫn truyền tín hiệu không dây đặt bên trong một vỏ trong suốt có thể nhìn qua được.

Toàn bộ viên thuốc được cung cấp năng lượng bằng pin siêu nhỏ.

Các nhà khoa học đã thử nghiệm nguyên mẫu của viên thuốc kỹ thuật số này trên những con chuột bị chảy máu đường tiêu hóa và những con lợn bị chảy máu dạ dày. Khi vi khuẩn L. lactis gặp heme, phân tử mang sắt vận chuyển oxy trong máu rò rỉ, nó sẽ phát quang.

Tín hiệu phát quang được ghi nhận bởi cảm biến ánh sáng trong viên thuốc. Nó chuyển tín hiệu này đến vi xử lý rồi truyền ra bên ngoài cơ thể, đến một điện thoại thông minh chạy Android. Một sinh viên đại học chưa ra trường đang được giao nhiệm vụ thiết kế và phát triển ứng dụng theo dõi viên thuốc.

Trước khi chuyển sang thử nghiệm ở người, nhóm nghiên cứu muốn thu nhỏ viên thuốc xuống còn khoảng một phần ba so với khối lượng hiện tại. Ở kích thước 1 inch rưỡi (tương đương 3,8 cm) như bây giờ, có thể mọi người sẽ không nuốt được nó.

Để thu nhỏ được viên thuốc, các nhà nghiên cứu dự định sẽ tích hợp tất cả các thành phần điện tử khác nhau của nó —cảm biến, xử lý, truyền tín hiệu - vào một con chip đơn. Điều đó cũng sẽ giúp họ thu nhỏ pin hoặc thậm chí không cần đến pin nữa.

Phiên bản hiện tại đòi hỏi 13 microwatt điện. Các nhà khoa học hoàn toàn có thể tạo ra một máy phát hiện từ axit dạ dày tích hợp vào viên thuốc để cung cấp năng lượng cho nó. Tất cả những tiến bộ công nghệ này hợp lại sẽ biến tương lai của những cảm biến bên trong ruột thành hiện thực.

“Bế tắc chính trong lĩnh vực này là vấn đề cung cấp năng lượng”, Pietro Valdastri, một nhà nghiên cứu robot tại Đại học Leeds, người không tham gia vào nghiên cứu nhưng đang phát triển một robot nội soi điều khiển bằng từ tính cho biết.

“Tuy nhiên, với những tiến bộ nhanh về công nghệ pin, trong vòng 5 đến 10 năm tới, chúng ta có thể chứng kiến sự ra đời của những robot y tế không dây có thể đo được các thông số sinh lý và tương tác với mô cơ thể”, ông nói.

Nghiên cứu mới của tiến sĩ Lu được đăng trên tạp chí Science.

Tham khảo Theverge, Wired