Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hình ảnh của ở miếng vá với các sợi nano vàng và alginate. Cụm hình sao của các sợi nano vàng có thể được nhìn thấy trong những hình ảnh này.
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT và Bệnh viện Nhi Boston, Hoa Kỳ, đã chế tạo những miếng vá tim sử dụng các sợi dây nhỏ xíu làm bằng vàng (gold) được sử dụng để tạo ra các mẫu mô tế bào mà tất cả chúng có khả năng co bóp đồng thời, bắt chước các động thái tự nhiên của cơ tim. Kết quả của nghiên cứu này trong tương lai, sẽ giúp ích cho việc điều trị cho những bệnh nhân đau tim.
Miếng vá tim mới, sử dụng các sợi dây nano vàng để tăng cường tín hiệu điện giữa các tế bào, một bước tiến đầy hứa hẹn trong điều trị hiệu quả hơn cho bệnh nhân đau tim.
Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Nature Nanotechnology, hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả điều trị tốt hơn so với những miếng vá tim đang được sử dụng hiện nay, vốn không đạt yêu cầu về mức độ tăng cường lưu thông tín hiệu điện giữa các tế bàođể đảm bảo cơ tim trơn, liên tục co bóp.
"Trái tim là cơ cấu khá tinh vi bao gồm cả tín hiệu điện", theo giáo sư Daniel Kohane, làm việc tại Phòng Khoa học Y tế và Công nghệ (HST), Harvard-MIT và là tác giả chính của Nghiên cứu này. "Điều quan trọng là các tế bào cơ tim phải co bóp nhịp nhàng, nếu không thì các mô sẽ không hoạt động đúng".
Cách tiếp cận mới và độc đáo sử dụng các dây nano vàng nằm rải rác giữa các tế bào cơ tim khi các tế bào cơ tim này đang phát triển trong ống nghiệm, một kỹ thuật "tăng cường đáng kể hiệu suất của các miếng vá tim", Kohane nói. Các nhà nghiên cứu tin rằng công nghệ này cuối cùng có thể dẫn đến sự ra đời của các miếng vá tim, sẽ được cấy ghép để thay thế các mô bị hư hại sau một cơn đau tim.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hình ảnh của dây nano
Các đồng tác giả của nghiên cứu này gồm: tiến sĩ Brian Timko, làm việc tại MIT và tiến sĩ Tal Dvir, cựu sinh viên, hiện đang làm việc tại Đại học Tel Aviv ở Israel, các tác giả khác là đồng nghiệp của họ đến từ Phòng Khoa học Y tế và Công nghệ (HST), Bệnh viện Nhi Boston và Phân Khoa Hoá học của MIT trong đó có Robert Langer, the David H. Koch Institute Professor.
Để xây dựng mô mới, các kỹ sư sinh học thường sử dụng các miếng vật liệu giống như miếng bọt biển xốp để tổ chức các tế bào thành các hình dạng chức năng khi chúng lớn lên. Theo truyền thống, tuy nhiên, những miếng vật liệu này đã được làm từ vật liệu có độ dẫn điện kém, trong khi các tế bào cơ tim, dựa trên các tín hiệu điện để phối hợp tạo ra sự co bóp đồng thời, đây là một vấn đề lớn.
"Trong trường hợp của các tế bào cơ tim đặc trưng: mối tiếp giáp giữa các tế bào phải có khả năng dẫn truyền tín hiệu điện tốt giữa các tế bào", theo Timko. Tuy nhiên miếng vật liệu lại hoạt động như một chất cách điện, ngăn chặn tín hiệu lưu thông giữa các tế bào và làm cho gần như tất cả các mô tế bào không thể phối hợp nhịp nhàng.
Để giải quyết vấn đề, Timko và Dvir đã hợp tác bổ sung lẫn nhau: Timko thiết kế các dây nano bán dẫn bằng vàng (gold), Dvir trong kỹ thuật cấy ghép mô cơ tim - để thiết kế miếng vá tim mà sẽ cho phép các tín hiệu điện đi qua.
"Chúng tôi bắt đầu động não, và tôi nhận ra rằng khá dễ dàng để phát triển các dây nano truyền dẫn tín hiệu điện, làm bằng vàng (gold), và tất nhiên là vàng có tính dẫn điện cao", Timko nói thêm. "Chỉ cần có hai sợi nano truyền dẫn tín hiệu được làm bằng vàng, dài vài microns là truyền tín hiệu được rồi".
Nhóm nghiên cứu đã trộn alginate (một chất hữu cơ như kẹo cao su) với một dung dịch chứa các dây nano vàng để tạo ra một miếng vá tổng hợp với hàng tỷ các cấu trúc kim loại nhỏ xíu chạy qua nó.
Sau đó, họ cấy tế bào cơ tim lên miếng vá hỗn hợp vàng - alginate, thử nghiệm tính dẫn của mô phát triển trên miếng vá hỗn hợp này so với mô phát triển trên miếng vá làm bằng alginate tinh khiết. Vì tín hiệu được hướng dẫn bằng ion canxi và trong số tế bào, nhà nghiên cứu có thể kiểm tra tín hiệu điện lan truyền giữa các tế bào đi bao xa bằng cách quan sát lượng canxi có mặt trong các khu vực khác nhau của mô.
"Về cơ bản, canxi là cách mà các tế bào cơ tim giao tiếp với nhau, vì vậy chúng tôi quan sát tế bào với dấu hiệu đặc trưng canxi và đặt miếng vá lên kính hiển vi", Timko nói. Ở đây, nhóm nghiên cứu quan sát: có sự cải tiến thật ấn tượng trong tế bào phát triển trên miếng vá hỗn hợp: loạt tín hiệu dẫn truyền cải thiện bằng khoảng ba ước dưới dạng luỹ thừa 10.
"Trong mô tim bẩm sinh khoẻ mạnh, có sự dẫn truyền qua nhiều cm", Timko nói. Trước đây, mô phát triển trên miếng vá alginate nguyên chất dẫn truyền đi chỉ khoảng một vài trăm (đo bằng dụng cụ đo vi lượng) hoặc vài ngàn milimét. Nhưng ở miếng vá với các sợi nano vàng và alginate đạt được sự dẫn truyền tín hiệu vượt qua quy mô nhiều milimét, Timko nói.
"Đây là một sự so sánh khập khiễng. Việc sử dụng các miếng vá tim được làm từ những vật liệu nano thì tốt hơn nhiều", Kohane nói.
Charles Lieber, một giáo sư hóa học tại Đại học Harvard nói: "thật tuyệt vời". "Tôi nghĩ rằng kết quả đã khá rõ ràng, và rất thú vị cả về cơ bản: thể hiện rằng nhóm nghiên cứu đã cải thiện tính dẫn điện của những miếng vá và sau đó rõ ràng đã tạo ra sự khác biệt trong việc tăng cường khả năng co bóp đồng thời của mô tế bào cơ tim".
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch để theo đuổi các nghiên cứu trên cơ thể người để xác định làm thế nào các chức năng mô phức hợp tiếp tục phát triển sau khi được cấy ghép vào cơ thể sống. Ngoài ra, đối với bệnh nhân đau tim, Kohane nói thêm rằng các thử nghiệm thành công "sẽ mở ra một loạt các cánh cửa cho các loại kỹ thuật khác liên quan đến mô tế bào". Lieber nhất trí với nhận định trên.
"Tôi nghĩ rằng: các nhà khoa học trong các lĩnh vực khác có thể tận dụng lợi thế của ý tưởng này cho các hệ thống khác: Trong tế bào cơ khác, cấu trúc mạch máu khác, có lẽ ngay cả trong hệ thống thần kinh, đây là một cách đơn giản để có một tác động lớn đến các hình thức thông tin liên lạc tập thể của các tế bào", Lieber nói . "Rất nhiều người sẽ tận dụng kết quả của nghiên cứu này".