Những trái tim mini này mô phỏng những gì diễn ra với tâm thất của một đứa trẻ.
Bên trong một vườn ươm tại trụ sở Novoheart ở Hồng Kông, hàng loạt những chiếc hộp kính nhỏ đang đựng những hạt đậu đập phập phồng trong dung dịch nước muối ấm. Mỗi hạt đậu này là một tiểu cơ quan 3D của con người — một phiên bản nội tạng thu nhỏ đơn giản hóa so với thực tế.
Trong số những hạt đậu ấy, có một trái tim thu nhỏ. Nó chỉ có 1 ngăn rỗng thay vì 4 ngăn như trái tim đang đập trong lồng ngực bạn. Nhưng chỉ 1 ngăn ấy thôi cũng đủ đáp ứng cho những thử nghiệm thuốc trong tương lai.
Mười năm và hàng tỷ USD là cái giá trung bình mà các hãng dược phẩm phải trả để nghiên cứu một loại thuốc, từ ban đầu cho đến khi thành phẩm và được phép bán trên thị trường. Các phiên bản thuốc thử nghiệm nhiều khả năng sẽ gây ra những tác dụng phụ nghiêm trọng, thường không thể được phát hiện cho đến khi thử nghiệm thuốc trên người thật.
Trái tim là một trong những nơi đầu tiên hứng chịu các tác dụng phụ ấy của thuốc. Vì vậy, các hãng dược phẩm luôn muốn tìm cách để xác định sớm các vấn đề mà loại thuốc mới của có thể gây ra cho trái tim. Đó là thị trường mà Novoheart muốn nhắm đến, sản xuất những trái tim thu nhỏ đựng trong hộp kính, với mục đích thử nghiệm thuốc.
Những trái tim được nuôi như trồng cây ở Hồng Kông sẽ mở ra tương lai cho ngành dược phẩm.
Các trái tim thu nhỏ đáp ứng với các loại thuốc theo những cách rất giống với mô tim thực: Chúng tăng hoặc giảm số nhịp đập mỗi phút, đập yếu hơn hoặc mạnh hơn. Các công ty sản xuất chúng như Novoheart hay Tara Biosystems của Mỹ (công ty từng làm ra những trái tim phẳng từ mô tim trong đĩa thí nghiệm) - có thể đo lường những thay đổi này và gửi dữ liệu đó cho các nhà sản xuất thuốc.
Từ dữ liệu, các nhà nghiên cứu dược phẩm có thể dự đoán trước bất kỳ vấn đề hoặc tổn thương tiềm năng nào có thể xảy ra trong thử nghiệm trên người của họ. Trong vài năm qua, các công ty này đã ký hợp đồng với nhiều hãng dược phẩm hàng đầu thế giới, để tạo ra được những hệ thống cảnh báo sớm như vậy.
Ý tưởng sử dụng các cơ quan nhân tạo thu nhỏ để thử nghiệm thuốc không phải mới. Nhưng phải có các thành tựu sinh học gần đây, chúng ta mới có khả năng phát triển chúng. Một trong những khó khăn lớn nhất để tạo ra những mô hình tim nhân tạo, là các tế bào tim được nuôi bên ngoài cơ thể không muốn lớn lên:
Để làm việc, chúng phải trưởng thành, phân hóa thành các loại tế bào khác nhau tạo thành trái tim người lớn. Nếu không có sự phân hóa đó, chúng sẽ bị khiếm khuyết nhiều protein, nơi các loại thuốc có thể gắn kết vào.
Ở thời điểm mà Kevin Costa, đồng sáng lập của Novoheart, trưởng Khoa Kỹ thuật mô và tế bào tim mạch tại Trường Y Icahn, bắt đầu theo đuổi ý tưởng về những trái tim thu nhỏ, các nhà khoa học mới có khả năng phát triển một lớp tế bào duy nhất trên đĩa thí nghiệm.
Những mô hình trái tim 2D như vậy chỉ có thể uốn éo tại chỗ, chúng không thể co bóp để bơm máu như những gì một trái tim thực thu đang làm khoảng 70 lần mỗi phút.
Để có thể tái tạo các nhịp đập đó, các nhà khoa học phải phát triển được các tế bào trong không gian 3 chiều. Họ cấy chúng vào các phao lơ lửng tự do, để không bị cản trở bởi các bề mặt phẳng. Thế là các tế bào bắt đầu phát triển và phân hóa thành các loại khác nhau như trong mô tim tự nhiên.
Nhưng chúng vẫn không hoạt động được như mô tim. Vì vậy, điều tiếp theo mà các nhà khoa học làm là xếp các tế bào thành từng tấm. Cơ tim giống như miếng ván ép - gồm các lớp tế bào riêng biệt liên kết theo các hướng khác nhau. Các lớp tế bào này hoạt động phối hợp với nhau cho phép mô co lại tạo ra lực đáp ứng với xung điện kích thích nó.
Tuy nhiên, ngay cả khi đã đập như tim thật, các dải mô nhân tạo vẫn còn thiếu một số chức năng chính. Costa nghĩ rằng nếu được tạo hình như một tâm thất, các mô tim có thể mô phỏng nhiều hơn nữa các chức năng của cơ tim tự nhiên.
Mặc dù vậy, việc tạo ra những cấu trúc phân tầng ghép thành một ngăn tim rỗng đòi hỏi một số sáng tạo thực sự.
Các nhà khoa học tại Novoheart đã nhúng hàng triệu tế bào tim được tái lập trình từ tế bào gốc vào một khuôn chứa đầy dung dịch có công thức bí mật chứa một lượng nguyên bào sợi, các tế bào giúp da tự làm lành. Sự pha trộn các loại tế bào sẽ giúp mô phỏng các mô tự nhiên một cách tốt hơn.
Giống như thạch Jell-O, chúng quyện vào nhau thành hình dạng của một quả cầu rỗng. Costa cho biết các mô tim 3D mới chỉ giống được như một trái tim em bé, nghĩa là nó nhỏ hơn trái tim người trưởng thành, nhưng chúng phản ứng thật hơn so với phiên bản trái tim 2D dạng miếng mỏng trong đĩa thí nghiệm.
“Chúng tôi không hoàn toàn hiểu tại sao quả cầu rỗng lại phản ứng giống với [trái tim] thực tế hơn”, Costa nói. “Có gì đó từ thứ chất lỏng đang tuôn trào bên trong nó không? Các lực cắt ngang có ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào không? Chúng tôi vẫn chưa rõ, nhưng chắc chắn có điều gì đó độc đáo ở trong hình dạng của nó. Nó hoạt động như một trái tim, vì vậy nó đã là một trái tim”.
Trái tim của Novoheart được nhúng trong một dung dịch có công thức bí mật.
Nói vậy nhưng, nó vẫn chưa phải một trái tim thực sự. Có điều, mô hình này đã đủ tốt đến nỗi một loạt các công ty dược phẩm bắt đầu quan tâm đến việc sử dụng nó để kiểm tra độc tính của thuốc. Hơn nữa, Novoheart đang sử dụng trái tim thu nhỏ của họ làm một công cụ nghiên cứu bệnh tật.
Họ vừa hoàn thành một nghiên cứu hợp tác với hãng dược phẩm Pfizer, để phát triển một mô hình trái tim của bệnh mất điều hòa vận động Friedreich, một chứng rối loạn thần kinh cơ hiếm gặp nhưng nguy hiểm đến tính mạng và hiện không có phương pháp điều trị được chấp thuận.
Sử dụng các tế bào mang đột biến di truyền liên quan đến căn bệnh này, Novoheart có thể tái tạo các trục trặc điện và cơ tương tự những gì xảy ra với trái tim bệnh nhân. Costa hy vọng đây chỉ là bước đầu tiên hướng tới việc tạo ra một thư viện các trái tim thu nhỏ, mô phỏng lại đầy đủ các mô hình bệnh tim giúp phát hiện các loại thuốc mới, đặc biệt là đối với các rối loạn không thể sử dụng mô hình động vật.
Tara Biosystems cũng đang hướng tới mục tiêu đó với các trái tim 2D của họ. Ngoài ra, công ty này đặt kế hoạch trở thành một nền tảng cho thử nghiệm thuốc cá nhân hóa – giúp chúng ta biết các tế bào tim có nguồn gốc di truyền khác nhau đáp ứng thế nào với các phương pháp điều trị khác nhau. Hiện tại, Tara Biosystems đã có thể tạo ra 200 trái tim 2D mới mỗi tuần, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của 10 công ty dược phẩm đã kí hợp đồng với họ.
Các nhà khoa học thu thập dữ liệu từ một trái tim thu nhỏ của Novoheart.
Trên phương diện pháp lý, mọi thứ cũng đang đi đúng tiến độ. Cơ quan Quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) hiện đang xem xét một phương pháp sàng lọc an toàn mới, nhằm phát hiện các tác dụng phụ ảnh hưởng đến tim và đe dọa tính mạng của các loại thuốc mới.
Hệ thống sẽ sử dụng cả mô phỏng máy tính và thử nghiệm trên cùng một loại tế bào tạo thành những trái tim 2D của Tara và buồng tim 3D của Novoheart.
"Bản thân FDA đã nhận ra rằng các thử nghiệm đang được sử dụng phổ biến hiện nay không phải là thử nghiệm tốt nhất, và họ đang tìm kiếm các giải pháp thay thế", Nate Huebsch, một nhà sinh học tại Đại học Washington đang hợp tác với start-up Organos để phát triển các tiểu mô cho thử nghiệm thuốc cho biết.
Mặc dù đứng về phía một đối thủ cạnh tranh về mặt kỹ thuật, ông ấy rất ấn tượng với kết quả nghiên cứu của Tara và Novoheart.
“Cả hai công ty này đều được chèo lái bởi những nhà lãnh đạo lớn trong lĩnh vực, những người đã có nhiều năm làm việc và đang thực hiện các hoạt động khoa học tiên tiến nhất”, Huebsch nói. Ông cũng nhấn mạnh một thực tế:
"Trái tim thu nhỏ sẽ không thay thế hoàn toàn mô hình thử nghiệm trên động vật trong tương lai gần. Nhưng chúng vẫn có thể ngăn chặn được những ca thử nghiệm thuốc nguy hiểm, trước khi chúng làm ngừng một trái tim đang đập thực sự".