Châu Âu phát triển "nhà máy mô sống" bằng công nghệ in sinh học 3D

Dự án mang tên PRISM-LT kéo dài 5 năm, được Liên minh châu Âu (EU) tài trợ và dự kiến kết thúc vào năm 2027. Điều phối viên khoa học của dự án là Giáo sư Massimo Vassalli, chuyên gia kỹ thuật sinh học tại Đại học Glasgow (Anh). Theo ông Vassalli, mục tiêu của nhóm không chỉ là tìm hiểu cách các mô sống hình thành trong tự nhiên mà còn tìm cách tái tạo quá trình này trong phòng thí nghiệm. Trọng tâm của dự án là phát triển "vật liệu sống được thiết kế" (ELM) - loại vật liệu được cấu thành một phần hoặc hoàn toàn từ tế bào sống, trong đó có các vi sinh vật như vi khuẩn hoặc nấm. Khác với những vật liệu tĩnh thông thường, ELM có khả năng phát triển, phản ứng và thích nghi với môi trường, đồng thời có thể tự tổ chức và tự sửa chữa. Chính những đặc tính động này tạo ra những khả năng mà vật liệu truyền thống khó có thể tái tạo.

In tế bào sống thành mô xương, mỡ và cơ

Một trong những thách thức lớn nhất đối với công nghệ in sinh học 3D là làm thế nào đưa các tế bào sống vào những cấu trúc phức tạp mà không làm chúng chết hoặc mất khả năng kiểm soát quá trình phát triển. Nhóm PRISM-LT đang giải quyết vấn đề này bằng những viên nang siêu nhỏ chứa tế bào sống cùng một loại vật liệu nâng đỡ dạng gel, được gọi là "mực sinh học".

Bà Laura Martinelli, điều phối viên dự án PRISM-LT và Giám đốc điều hành tổ chức nghiên cứu In Society có trụ sở tại Udine (Italy), cho biết thay vì tạo ra một dòng mực sinh học liên tục như các phương pháp thông thường, nhóm nghiên cứu sử dụng những thành phần sống dạng mô-đun được bao bọc trong các viên nang. Các viên nang có thể được cánh tay robot đặt vào những vị trí xác định hoặc được in từng lớp để hình thành cấu trúc mô phức tạp. Mỗi viên nang hoạt động như một đơn vị sinh học, chứa cả khung nâng đỡ và các vi sinh vật được thiết kế nhằm hỗ trợ định hướng sự phát triển của tế bào.

Các vi sinh vật này được biến đổi gene để đóng vai trò như những "người dẫn đường" sinh học. Chúng nhận biết thời điểm tế bào gốc - loại tế bào có khả năng phát triển thành nhiều loại mô khác nhau - bắt đầu biệt hóa, sau đó giải phóng các tín hiệu hóa học được gọi là yếu tố tăng trưởng, qua đó hướng tế bào phát triển thành loại mô mong muốn. Công đoạn chế tạo ban đầu chỉ mất từ vài phút đến khoảng một giờ. Tuy nhiên, mô sau đó cần khoảng ba tuần để trưởng thành, trong thời gian này tế bào gốc phát triển thành mô xương, mỡ hoặc cơ.

Hiện nhóm nghiên cứu có thể tạo ra khoảng 1 cm2 mô mỏng và đang hướng tới việc sản xuất khối mô có thể tích 1 cm3. Quá trình này đặc biệt phức tạp vì các nhà khoa học phải tạo môi trường chung cho những thành phần sống vốn không tự nhiên tồn tại cùng nhau. Giáo sư Vassalli lấy ví dụ về việc tạo ra mối quan hệ cộng sinh giữa nấm men và tế bào gốc. Môi trường phải đáp ứng được nhu cầu của nấm men hoặc vi khuẩn, đồng thời bảo đảm điều kiện cho tế bào gốc trong quá trình biệt hóa. Sự tương tác giữa các hệ thống sinh học khác nhau là một trong những điểm khởi đầu của dự án.

Từ mô hình tủy xương đến thịt nuôi cấy

PRISM-LT hiện tập trung tái tạo hai loại cấu trúc mô. Loại thứ nhất là vùng tiếp giáp giữa xương và mô mỡ trong tủy xương, phục vụ nghiên cứu y sinh. Loại thứ hai là cấu trúc kết hợp giữa cơ và mỡ nhằm tái tạo những vân mỡ góp phần tạo nên kết cấu và hương vị của thịt tự nhiên. Trong lĩnh vực y tế, nhóm nghiên cứu hướng tới xây dựng mô hình tủy xương ba chiều để nghiên cứu các loại thuốc điều trị những bệnh ảnh hưởng đến tủy xương, trong đó có bệnh bạch cầu.

Nền tảng này cũng có thể được sử dụng để tạo các mô hình mô thu nhỏ mô phỏng cấu trúc cơ quan của con người, phục vụ thử nghiệm thuốc và hỗ trợ nghiên cứu y học cá thể hóa. Mục tiêu của PRISM-LT là xây dựng một nền tảng có thể thiết kế nhiều loại mô cho những mục đích khác nhau dựa trên cùng một hệ nguyên lý. Đối với thực phẩm, thách thức là tái tạo sự phân bố phù hợp giữa mô cơ và mô mỡ. Đây là yếu tố quan trọng tạo nên kết cấu của thịt và cũng là một trong những vấn đề mà thịt nuôi cấy khó tái tạo. Nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ in sinh học có thể giúp kiểm soát sự phân bố mô mỡ, qua đó tạo kết cấu phù hợp hơn cho các sản phẩm thịt thay thế.

Tuy nhiên, bà Martinelli nhấn mạnh công nghệ vẫn còn cách khá xa giai đoạn ứng dụng thực tế. Nhóm hiện tập trung xác định các nguyên lý và cơ chế khả thi, đồng thời bắt đầu xem xét những trở ngại có thể xuất hiện trong tương lai. Trong nghiên cứu thịt nuôi cấy, nhóm lựa chọn nấm men thay vì vi khuẩn, một phần do cân nhắc cách người tiêu dùng có thể tiếp nhận sản phẩm. Một thách thức khác nằm ở hệ thống quản lý. Do ELM kết hợp tế bào sống và trong một số trường hợp cả vi sinh vật biến đổi gene, loại vật liệu này không hoàn toàn phù hợp với những khuôn khổ pháp lý hiện nay vốn được thiết kế cho thuốc hoặc thực phẩm thông thường.

Phối hợp với Hội đồng Đổi mới sáng tạo châu Âu, nhóm PRISM-LT đã tiếp xúc với các cơ quan quản lý, trong đó có Cơ quan Dược phẩm châu Âu, để nghiên cứu những quy định và thủ tục cấp phép có thể cần thiết trong tương lai. Giáo sư Vassalli cho biết khi bắt đầu dự án, nhóm đặt ra hai câu hỏi chính: công nghệ có khả thi hay không và liệu có thể mở rộng quy mô hay không. Đến nay, các nhà nghiên cứu cho rằng câu hỏi đầu tiên đã có câu trả lời tích cực. Khả năng mở rộng quy mô sản xuất hiện là thách thức tiếp theo trước khi những vật liệu sống này có thể tiến gần hơn tới các ứng dụng thực tế.