Thiết bị cấy dưới da giúp người tiểu đường thoát nguy trong tích tắc

Công nghệ này hứa hẹn giúp người mắc tiểu đường tuýp 1 tránh được nguy cơ hạ đường huyết đột ngột, ngay cả khi đang ngủ hoặc không kịp nhận biết triệu chứng.

Nguy cơ luôn hiện hữu

Với bệnh nhân tiểu đường tuýp 1, duy trì mức đường huyết ổn định là nhiệm vụ hằng ngày. Họ thường xuyên phải tiêm insulin để cơ thể hấp thụ đường, ngăn ngừa đường huyết tăng cao gây nguy hiểm.

Tuy nhiên, ở chiều ngược lại, khi lượng đường trong máu giảm xuống mức quá thấp - gọi là hạ đường huyết - nguy cơ tử vong cũng luôn rình rập. Bệnh nhân có thể xuất hiện các triệu chứng như run rẩy, tim đập nhanh, chóng mặt, lú lẫn; nếu không được xử lý kịp thời, có thể dẫn đến co giật hoặc hôn mê.

Phương pháp điều trị tiêu chuẩn hiện nay là tiêm một liều glucagon - hormone giúp gan giải phóng glucose vào máu, đưa đường huyết trở về mức an toàn. Mặc dù vậy, không phải lúc nào bệnh nhân cũng kịp nhận biết triệu chứng, đặc biệt vào ban đêm khi đang ngủ. Với trẻ em, nguy cơ càng cao hơn vì trẻ chưa đủ khả năng tự xử lý. Điều này khiến nhu cầu về một giải pháp can thiệp tự động, an toàn và luôn sẵn sàng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

“Người gác cổng” dưới da

Trước thực trạng đó, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thiết kế một thiết bị cấy ghép nhỏ có thể đặt dưới da lâu dài và tự động giải phóng thuốc trong các tình huống khẩn cấp. Giáo sư Daniel Anderson - Khoa Kỹ thuật Hóa học - MIT, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết đây là thiết bị nhỏ, dùng trong trường hợp khẩn cấp, có thể đặt dưới da và luôn sẵn sàng hoạt động khi đường huyết của bệnh nhân giảm quá thấp.

“Mục tiêu của chúng tôi là tạo ra một thiết bị luôn sẵn sàng bảo vệ bệnh nhân khỏi hạ đường huyết. Điều này cũng có thể giúp giảm nỗi sợ hạ đường huyết mà nhiều bệnh nhân và phụ huynh đang phải đối mặt”, GS Daniel Anderson nói và cho biết thêm, nhóm nghiên cứu còn phát hiện thiết bị có thể phân phối epinephrine - loại thuốc được sử dụng trong trường hợp nhồi máu cơ tim hoặc ngăn ngừa sốc phản vệ - một phản ứng dị ứng nghiêm trọng có thể đe dọa tính mạng.

Đồng tác giả Siddharth Krishnan, hiện là Trợ lý Giáo sư kỹ thuật điện tại Đại học Stanford (Mỹ), cho biết nhóm đã hoàn thành thử nghiệm ban đầu đầy hứa hẹn. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Nature Biomedical Engineering.

Ngoài GS Anderson và GS Krishnan, nhóm nghiên cứu còn có sự tham gia của nhiều nhà khoa học khác tại MIT. Điều này cho thấy đây là một nỗ lực hợp tác quy mô lớn, kết hợp nhiều chuyên môn khác nhau từ kỹ thuật hóa học, kỹ thuật y sinh đến điện tử và vật liệu.

Cơ chế hoạt động đặc biệt

Thiết bị có kích thước chỉ khoảng bằng một đồng xu (2,5cm), dễ dàng cấy dưới da mà không gây cản trở sinh hoạt hằng ngày. Bên trong là khoang chứa thuốc làm từ chất polymer in 3D, đảm bảo độ bền và an toàn. Khoang này được bịt kín bằng hợp kim có trí nhớ hình dạng - lập trình để thay đổi hình dạng khi gặp nhiệt độ nhất định.

Nhóm nghiên cứu sử dụng hợp kim niken-titan, được thiết lập để uốn cong từ dạng tấm phẳng sang hình chữ U khi đạt 40°C, mở khoang chứa và giải phóng thuốc bên trong. Thách thức lớn nhất là đặc tính dễ phân hủy của glucagon - loại protein không thể lưu trữ lâu dưới dạng dung dịch trong cơ thể. Để khắc phục, các nhà khoa học MIT đã phát triển glucagon ở dạng bột, có thể giữ ổn định lâu dài và chỉ giải phóng khi cần.

Mỗi thiết bị có thể chứa 1 đến 4 liều glucagon. Ngoài ra, thiết bị được trang bị ăng-ten tinh chỉnh để nhận tín hiệu từ tần số vô tuyến nhất định. Khi nhận tín hiệu kích hoạt, ăng-ten dẫn dòng điện nhỏ làm nóng hợp kim, khiến nó uốn cong và mở khoang chứa.

Nhờ khả năng nhận tín hiệu không dây, thiết bị có thể kết nối với các thiết bị theo dõi đường huyết liên tục mà nhiều bệnh nhân đang sử dụng. Khi đường huyết giảm xuống dưới mức an toàn, thiết bị theo dõi sẽ phát tín hiệu để thiết bị cấy ghép lập tức giải phóng thuốc, mà bệnh nhân không cần làm gì.

Ông Siddharth Krishnan nhấn mạnh: “Một điểm then chốt của hệ thống phân phối thuốc kỹ thuật số này là khả năng giao tiếp với cảm biến. Các thiết bị giám sát đường huyết liên tục hiện nay có thể dễ dàng kết nối với công nghệ này”.

Triển vọng dài hạn

Khi thử nghiệm trên chuột mắc tiểu đường, nhóm nghiên cứu đã kích hoạt thiết bị để giải phóng glucagon khi mức đường huyết giảm. Kết quả cho thấy chỉ trong vòng chưa đầy 10 phút, đường huyết đã bắt đầu ổn định trở lại và duy trì trong ngưỡng an toàn, ngăn chặn tình trạng hạ đường huyết.

Nhóm cũng thử nghiệm với epinephrine dạng bột, ghi nhận nồng độ thuốc trong máu tăng lên rõ rệt trong vòng 10 phút sau khi giải phóng, kèm theo nhịp tim của động vật thử nghiệm tăng theo.

Thiết bị có thể hoạt động bình thường khi được cấy dưới da trong tối đa 4 tuần. Tuy nhiên, mục tiêu dài hạn là nâng thời gian sử dụng lên ít nhất một năm. Ông Krishnan chia sẻ: “Nhóm hướng tới thiết bị chứa đủ liều thuốc để bảo vệ người dùng trong thời gian dài. Hiện chưa xác định chính xác thời gian đó là bao lâu - có thể một năm, có thể vài năm - và chúng tôi đang tìm cách tối ưu hóa”.

Một vấn đề phổ biến với thiết bị cấy ghép là sự hình thành mô sẹo quanh vùng cấy, có thể ảnh hưởng đến hoạt động. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, ngay cả khi mô xơ hình thành, thiết bị vẫn hoạt động tốt khi được kích hoạt - một tín hiệu tích cực cho thấy thiết bị có thể duy trì chức năng lâu dài trong cơ thể. Nhóm nghiên cứu đang tiếp tục thử nghiệm trên động vật và dự kiến bắt đầu thử nghiệm lâm sàng trong vòng 3 năm tới.

Giáo sư Robert Langer, đồng tác giả nghiên cứu, nhận định: “Thật phấn khích khi chứng kiến thành tựu này. Tôi hy vọng thiết bị sẽ sớm mang lại lợi ích cho bệnh nhân tiểu đường, đồng thời mở ra mô hình mới trong phân phối thuốc cấp cứu”.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ từ thiện Leona M. và Harry B. Helmsley, Viện Y tế quốc gia Mỹ, Quỹ học bổng sau tiến sĩ JDRF và Viện quốc gia về Hình ảnh và Kỹ thuật Sinh y. Sự hậu thuẫn tài chính từ nhiều tổ chức lớn cho thấy mức độ quan trọng của dự án, cũng như kỳ vọng rằng công nghệ có thể sớm được chuyển giao sang giai đoạn thử nghiệm lâm sàng trên người.

Nếu thành công trên người, công nghệ này sẽ mang lại lớp bảo vệ bổ sung - đặc biệt hữu ích cho người sống một mình, người cao tuổi hoặc những người từng bị hạ đường huyết nghiêm trọng. Với hàng triệu người đang phải kiểm soát bệnh tiểu đường mỗi ngày, thiết bị này có thể đồng nghĩa với ít tình huống nguy hiểm hơn và nhiều sự an tâm hơn.

Ứng dụng mở rộng

Ngoài các tình huống hạ đường huyết và sốc phản vệ, nền tảng này có thể mở rộng để xử lý nhiều tình huống khẩn cấp khác. Với cơ chế cấy dưới da và khả năng giải phóng thuốc chính xác theo lệnh, thiết bị hoàn toàn có thể được điều chỉnh để phân phối thuốc chống co giật trong cơn động kinh, thuốc giảm đau mạnh cho bệnh nhân ung thư hoặc thuốc kháng đông cho người có nguy cơ huyết khối.

Khả năng tự động hóa việc tiêm đúng thời điểm không chỉ giúp bệnh nhân tránh biến chứng, mà còn giảm tải cho nhân viên y tế trong cấp cứu. Triển vọng này mở ra khả năng hình thành “kho thuốc khẩn cấp di động” nằm ngay trong cơ thể, sẵn sàng đáp ứng nhiều tình huống y khoa chỉ bằng một thiết bị duy nhất.