Giấc mơ dùng điện thay thế thuốc

Trên hành trình liên tục tìm cách chiến thắng bệnh tật, con người đang kỳ vọng vào phương pháp điều trị mới - điện tử sinh học và "điện dược phẩm" (electroceutical), dùng xung điện để điều chỉnh các mạch thần kinh, thay thế cho các biện pháp can thiệp bằng thuốc.

Lối tiếp cận đầy tham vọng này đã có những thành công bước đầu, song vẫn còn nhiều thách thức.

Bất cập của thuốc

Trụ cột chính trong điều trị bệnh lý hiện nay bao gồm: thuốc, phẫu thuật, vật lý trị liệu và điều chỉnh lối sống. Trong đó, thuốc được coi là "cốt lõi" nhưng từ lâu chưa có nhiều thay đổi, chủ yếu được dùng ở dạng uống hoặc tiêm, trong khi các bệnh lý có xu hướng trở nên phức tạp và khó kiểm soát. Từ đây, thuốc bộc lộ nhiều bất cập.

Lấy ví dụ bệnh đái tháo đường. Ban đầu, việc kiểm soát đường máu dựa vào các thuốc uống, sau đó chuyển sang thuốc tiêm khi không đạt được mục tiêu. Tuy nhiên, một loạt tác dụng phụ của thuốc đã được ghi nhận: hạ đường máu có thể dẫn tới hôn mê hoặc tử vong; đầy hơi, tiêu chảy, đau dạ dày… 

Ở những người mắc nhiều bệnh lý khác đi kèm, thuốc tiểu đường có thể làm tăng hoặc giảm hiệu quả điều trị của các thuốc khác, thậm chí làm tăng độc tính.

Mặt khác, để có một loại thuốc mới, hiệu quả vô cùng gian nan: phải mất từ 10-15 năm, tiêu tốn từ 2-3 tỉ USD, và phải vượt qua các quy trình thử nghiệm lâm sàng phức tạp với rủi ro thất bại cao mới ra được thị trường. Điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu đi tìm phương pháp điều trị mới thay cho thuốc.

Thí nghiệm của nhà sinh vật học Luigi Galvani năm 1781 trên ếch cho thấy sự kích thích điện lên dây thần kinh của ếch gây ra sự co cơ. Đây là cơ sở đầu tiên của điện sinh lý học (electrophysiology) hiện nay, khi xác định có tồn tại hoạt động điện và truyền xung động điện giữa các tế bào thần kinh và từ tế bào thần kinh đến cơ quan đáp ứng (gân, xương…). 

Các tế bào này thường kết nối với nhau thông qua các mạch thần kinh (gọi là synap), tạo thành các sợi, bó thần kinh và có thể thay đổi điện thế hoạt động để cho mục đích điều trị bằng máy móc.

Chẳng hạn, máy điều hòa nhịp tim và máy khử rung tim cứu sống hàng triệu người mỗi năm; máy kích thích não sâu cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống cho người mắc bệnh Parkinson và trầm cảm; kích thích dây thần kinh cùng giúp phục hồi một số chức năng kiểm soát bàng quang ở những người bị liệt hai chân. Điều này cũng mở đường cho phương pháp điều trị điện tử sinh học.

Mặc dù đã đạt những tiến bộ đáng kể song các thiết bị trên thường chỉ có tác dụng với một vài nhóm bệnh hiếm gặp, kích thước lớn (từ vài milimet đến vài centimet) và đặc biệt, chúng không nhắm vào mục tiêu cụ thể - chúng gây "sốc" cho một vùng mô thần kinh lớn để đạt được mục đích điều trị, do vậy cũng làm ảnh hưởng đến nhiều cơ quan khác. 

Ví dụ, kích thích não sâu đối với bệnh Parkinson ảnh hưởng đến nhiều tế bào khác ngoài những tế bào kiểm soát chuyển động, dẫn đến tác dụng phụ về cảm xúc và nhận thức.

Giới khoa học muốn tiến xa hơn, làm ra các thiết bị điện nhỏ gọn, nhắm vào các sợi thần kinh cụ thể và có hiệu quả trên nhiều nhóm bệnh lý khác.

Thành công bước đầu

Dẫn đầu trong các nỗ lực nghiên cứu phương pháp điều trị mới là giáo sư Kenvin Tracy, giám đốc Viện Nghiên cứu y khoa Feinstein (Mỹ). Hơn 10 năm trước, khi tiêm một phân tử thử nghiệm vào não chuột đang trong cơn đột quỵ, Tracy và các cộng sự đã nhận thấy một điều kỳ lạ: can thiệp này không chỉ ngăn ngừa phù não - một phản ứng viêm tại não thành công, mà còn ngăn chặn phản ứng viêm của hệ miễn dịch toàn cơ thể. 

Nguyên nhân là thuốc tác động lên dây thần kinh phế vị - một dây thần kinh ngoại biên lớn, xuất phát từ thân não xuống ổ bụng, chạy sát bề mặt vùng cổ và kết nối với hầu hết các tạng trong cơ thể. 

Trayce phấn khích chia sẻ với Wired.co.uk lúc bấy giờ: "Thuốc này đã kích thích dây thần kinh phế vị và hãm lại hệ thống miễn dịch. Khi chúng tôi hiểu điều đó, đó là khoảnh khắc eureka".

Một kỳ vọng lớn được đặt ra về sự ra đời của "điện dược phẩm", có khả năng xâm nhập hệ thống mạch điện của cơ thể, từ đó kiểm soát một loạt bệnh lý mạn tính, gây ra do phản ứng viêm và đang có xu hướng gia tăng và điều trị phức tạp hiện nay: viêm khớp dạng thấp, hen phế quản, đái tháo đường, tim mạch… Cứ như thể lập trình lại hệ thống miễn dịch như một chiếc máy tính.

Kỳ vọng trên được củng cố khi có sự kết hợp của nhà nghiên cứu, nhà sinh học, kỹ sư điện và đặc biệt là sự đầu tư lớn từ các gã khổng lồ dược phẩm. 

Thành công đầu tiên trên người đã được báo cáo trên Nature năm 2013: Tracy và các cộng sự đã cấy ghép một thiết bị điện lên dây thần kinh phế vị ở vùng cổ ở một nam bệnh nhân mắc viêm khớp dạng thấp nhiều năm. Kết quả các cơn đau khớp thuyên giảm và sau tám tuần anh ta đã trở lại làm việc, lao động chân tay và lái được xe tải giao hàng.

Trong một bài phỏng vấn với tờ Medgadget năm 2012, Anthony Arnold - giám đốc điều hành của SetPoint Medical (một công ty dược phẩm do Tracy cùng hợp tác) đã giới thiệu một thiết bị điện mà họ ấp ủ tạo ra: nhỏ gọn hơn 95% so với các thiết bị đang sử dụng, giảm 75% chi phí chăm sóc sức khỏe và không có bất kỳ rủi ro nghiêm trọng nào dù bị kích thích quá mức. 

Người bệnh còn gì mong đợi hơn nếu có một thiết bị điện như vậy. Tuy nhiên trong 10 năm qua, nhiều thách thức đặt ra cho phương pháp điều trị mới.

Thách thức bủa vây

Đầu tiên, cần lập bản đồ mạng lưới thần kinh liên quan đến bệnh lý ở độ phân giải cao nhất. Ở cấp độ giải phẫu, các nhà nghiên cứu cần lập bản đồ các dây thần kinh và vùng não liên quan đến bệnh tật và xác định những điểm tốt nhất để can thiệp. 

Ở cấp độ tế bào, tín hiệu thần kinh tại các điểm can thiệp này phải được "giải mã" để phát triển một "từ điển" các mô hình liên quan đến sức khỏe và bệnh tật - tương tự lập bản đồ bộ não con người.

Trong các mạch thần kinh bị thay đổi do bệnh, điều quan trọng là phải xác định xem xung điện được đưa vào ảnh hưởng như thế nào đến bệnh và mô hình nào điều trị hiệu quả nhất. Điều này không dễ thực hiện. Ví dụ, dây thần kinh phế vị có khoảng 100.000 sợi, mỗi sợi kết nối với nhiều cơ quan khác nhau. Do vậy, việc chọn ra các sợi dẫn đến cơ quan cụ thể gặp nhiều khó khăn. 

"Bộ não chứa một trăm nghìn tế bào thần kinh, được kết nối bởi một tỉ khớp thần kinh trong mỗi milimét khối và những tế bào thần kinh đó hoạt động bằng điện ở khoảng thời gian mili giây - đó là một thách thức lớn, xét từ quan điểm hiểu biết hoặc kỹ thuật!" - Ed Boyden, nhà thần kinh học tại Phòng thí nghiệm MIT, cho biết.

Năm 2014, Viện Y tế quốc gia (NIH) Mỹ đã công bố sáng kiến nghiên cứu SPARC - kích thích hoạt động thần kinh ngoại vi để giảm bớt tình trạng bệnh, tập hợp nguồn lực toàn cầu (nhà sinh học, kỹ sư, khoa học máy tính, nhà thần kinh học) với số tiền đầu tư khổng lồ 248 triệu USD để tìm ra bản đồ mạch thần kinh này. Kết quả tích cực ban đầu đã được ghi nhận, làm cơ sở cho thiết bị cấy ghép trong tương lai.

Ngoài ra là thách thức về mặt kỹ thuật để tạo ra thiết bị điện vi mô có hệ mạch xử lý được lượng thông tin lớn theo thời gian thực, phù hợp sinh học với cơ thể con người và các bác sĩ phẫu thuật thần kinh có thể cấy ghép được vào sợi thần kinh mục tiêu. 

Mặt khác, các nhà nghiên cứu cần tìm cách cung cấp năng lượng cho các thiết bị này, giúp chúng tồn tại đủ lâu trong cơ thể để việc cấy ghép trở nên có giá trị và thực sự hiệu quả.

Hướng phát triển mới

Tin vui là giới khoa học đã có những gợi mở rõ ràng và đa dạng hơn cho hướng phát triển điện dược phẩm trong những năm tới.

Ví dụ, với bệnh viêm khớp dạng thấp, SetPoint Medical tiếp tục phát triển thiết bị có thiết kế vỏ sò quấn quanh dây thần kinh phế vị ở vùng cổ để ức chế hệ thống miễn dịch thông qua dây thần kinh này. Thiết bị sẽ kích thích dây thần kinh mỗi ngày một lần, kéo dài trong một phút và sự kích thích này không gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng. Dự kiến kết quả nghiên cứu sẽ được công bố vào cuối năm nay.

Galvani Bioelectronics, công ty điện tử sinh học có trụ sở tại Anh, chọn hướng tiếp cận khác khi sử dụng thiết bị cấy ghép chính xác hơn, nhắm vào điểm mà dây thần kinh lách (một nhánh của dây thần kinh phế vị) gặp lá lách. Thử nghiệm này sẽ kết thúc vào năm 2029 nhưng dự kiến công bố kết quả ban đầu vào cuối năm 2024.

Tuy nhiên, thực tế là ngoài các tế bào chịu sự kiểm soát của thần kinh thì vẫn có hàng tỉ tế bào khác (tế bào da, tế bào miễn dịch, tế bào gốc…) nằm ngoài tầm kiểm soát này. Do vậy, nhiều nhà nghiên cứu đã khám phá ra vai trò của điện trường giữa các tế bào.

Ví dụ, ở các loài được nghiên cứu, vết thương trên da tạo ra một điện trường tức thời và hướng các tế bào sửa chữa vào giữa vết thương để bắt đầu quá trình tái tạo và làm lành. 

Ứng dụng điều này, tại Đại học Stanford, Đại học Arizona và Northwestern, các nhà nghiên cứu đang tạo ra các loại băng điện thông minh có thể cấy dưới da. Chúng cũng có thể theo dõi trạng thái vết thương theo thời gian thực, tăng cường kích thích nếu quá trình lành vết thương quá chậm. 

Đặc biệt, chúng có thể tiếp xúc với những vùng cơ thể khó tiếp cận hơn. Công cụ mới này đang hé lộ những giải pháp sáng tạo hấp dẫn trong tương lai.