Công nghệ sinh học có vai trò quan trọng đối với đời sống con người, đặc biệt là những ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Tiến bộ trong công nghệ sinh học không chỉ giúp cải thiện việc chẩn đoán và điều trị bệnh, mà còn mở ra những cơ hội mới để phát triển các phương pháp điều trị tiên tiến, hứa hẹn những cải thiện tích cực cho sức khỏe cộng đồng và nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân loại.

Là một lĩnh vực đa dạng, sử dụng nhiều công nghệ khác nhau để nghiên cứu các tế bào sống (hoặc sử dụng các phân tử có nguồn gốc từ tế bào sống) nhằm tạo ra các sản phẩm mới phục vụ lợi ích của con người, công nghệ sinh học đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển để đáp ứng các nhu cầu ngày càng đa dạng và phức tạp của con người. Có thể tạm sắp xếp sự phát triển của công nghệ sinh học thành 3 giai đoạn, trong đó, giai đoạn gần đây là quan trọng nhất.

Giai đoạn cổ đại (trước năm 1800): chủ yếu dựa vào những quan sát chung trong tự nhiên để chọn lọc, đưa vào đời sống con người, qua việc thuần hóa các loài động vật và thực vật hoang dại. Các sản phẩm như pho mát, sữa đông hay đồ uống có cồn như rượu whisky, rượu vang, bia,… dần dần được phát hiện và trở thành sản phẩm của công nghệ sinh học, thông qua quá trình lên men, sử dụng vi sinh vật chuyển hóa đường thành năng lượng.

Giai đoạn cổ điển (từ năm 1800 đến gần giữa thế kỷ XX): nhiều quan sát bắt đầu được đưa ra cùng với các bằng chứng khoa học. Việc truyền thông tin di truyền lần đầu tiên được Gregor John Mendel (1822-1884) giải mã. Năm 1868, Robert Brown phát hiện ra nhân tế bào, Fredrich Miescher báo cáo về nucleon một hợp chất bao gồm axit nucleic. Năm 1888, Heinrich Wilhelm Gottfried Von Waldeyer-Hartz đã đưa ra thuật ngữ “nhiễm sắc thể”, được coi là một cấu trúc có tổ chức của DNA và protein có trong tế bào hoặc một đoạn DNA cuộn đơn lẻ chứa nhiều gen;… Những khám phá này đã trở thành nền tảng của sinh học phân tử hiện đại, DNA như một vật liệu di truyền và vai trò của DNA trong việc truyền thông tin di truyền.

Cấu trúc xoắn kép của DNA (Nguồn: ncbi.nlm.nih.gov)

Giai đoạn hiện đại (từ thế kỷ XX đến nay): có những khám phá khoa học quan trọng. Năm 1953, JD Watson và FHC Crick đưa ra mô hình cấu trúc xoắn kép của DNA, gồm 2 chuỗi polynucleotide song song, chạy ngược chiều, liên kết với nhau bằng liên kết hydro. Mô hình này đã giúp giải thích các hiện tượng khác nhau liên quan đến quá trình sao chép DNA và vai trò của nó trong quá trình di truyền. Năm 1958, Arthur Kornberg tạo ra DNA lần đầu tiên trong ống nghiệm. Đến năm 1960, các nhà nghiên cứu người Pháp đã phát hiện ra RNA thông tin (mRNA). Sau đó, Jacob và Monad đã đưa ra khái niệm về Operon (gen cấu trúc) vào năm 1961. Năm 1972, phân tử DNA tái tổ hợp (rDNA) đầu tiên được tổng hợp. Vào năm 1975 Kohler và Milestein đưa ra khái niệm về lai tế bào chất và tạo ra các kháng thể đơn dòng đầu tiên. Đến năm 2000, Har Gobind Khorana tổng hợp thành công DNA trong ống nghiệm. Kary Mullis đã tăng thêm giá trị cho những phát hiện này bằng cách khuếch đại DNA trong ống nghiệm để tạo ra lượng DNA gấp hàng nghìn lần so với lượng DNA ban đầu. Sau đó, Ian Wilmut đã nhân bản thành công con cừu đầu tiên trên thế giới (cừu ‘Dolly’). Năm 2003, Celera và NIH đã hoàn thành phác thảo thành công trình tự bộ gen người,…

Những khám phá mới của công nghệ sinh học đã giúp đặt nền móng cho các lĩnh vực tin sinh học, y học cá nhân, chỉnh sửa gen, cũng như cách mạng hóa việc hỗ trợ chẩn đoán, điều trị và tạo ra các dược phẩm hữu hiệu phục vụ trong ngành y.

Cải thiện khả năng chẩn đoán và điều trị

Trong chẩn đoán và điều trị bệnh, công nghệ sinh học được ứng dụng trong hoạt động phân tích miễn dịch, phát hiện một số protein có liên quan đến sự hình thành khối u, xác định sự có mặt của các loại vi khuẩn khác nhau, giúp các bác sĩ xác định bệnh một cách nhanh chóng và chính xác, ví dụ như phương pháp Real time PCR để định lượng DNA HBV, RNA HCV trong chẩn đoán, theo dõi và điều trị các bệnh viêm gan B và C; phát hiện vi khuẩn lao,… Bên cạnh đó, việc giải trình tự bộ gen người thành công đã bước đầu cung cấp cái nhìn toàn diện về sắc thái, chức năng của bộ gen, từ đó tạo cơ sở cho các nghiên cứu di truyền về bệnh tật ở người. Kỹ thuật microarray giúp theo dõi biểu hiện đồng thời của hàng ngàn gen, cho phép dự đoán mức độ tiến triển của bệnh, ví dụ như bệnh ung thư. Căn cứ vào bản đồ gen của mỗi người, y học cá thể hóa sử dụng những công nghệ hỗ trợ chẩn đoán phức tạp để đưa ra phác đồ điều trị chính xác, phù hợp đặc điểm di truyền của mỗi người ở cấp độ phân tử. Từ đó, các bác sĩ có thể thiết kế những mô hình chăm sóc sức khỏe “vừa khít” và hoàn hảo cho từng người, tạo điều kiện cho xu hướng y học chính xác (y học cá thể hóa) phát triển.

Liệu pháp gen đang được nghiên cứu, ứng dụng trong điều trị các bệnh nan y, ví dụ như bệnh ung thư. Liệu pháp này bao gồm việc điều khiển gen và sửa chữa các gen bị lỗi. Một trong những hình thức trị liệu gen phổ biến nhất là đưa một gen bình thường vào bộ gen để thay thế gen bị đột biến gây rối loạn chức năng. Theo kết nghiên cứu của Tafere Mulaw Belete (Trường Y và Khoa học Sức khỏe, Đại học Gondar, Ethiopia), tính đến tháng 11/2017, có hơn 2.597 thử nghiệm lâm sàng về liệu pháp gen đã được tiến hành trên toàn thế giới. Trong số các thử nghiệm này, hơn 65% có liên quan đến ung thư, tiếp theo là các bệnh đơn gen và tim mạch. Đến tháng 8/2019, 22 loại thuốc điều trị gen đã được các cơ quan quản lý thuốc của nhiều quốc gia chấp thuận. Hiện nay, liệu pháp gen đã trở thành một phương pháp thay thế quan trọng cho điều trị bệnh hiểm nghèo đặc biệt là nhắm mục tiêu và tiêu diệt các tế bào ung thư với ít tác dụng phụ hơn cho người bệnh.

Tế bào gốc cũng là một trong những phương pháp hỗ trợ điều trị các bệnh liên quan đến di truyền và đe dọa tính mạng con người. Công nghệ này cho phép tạo ra các tế bào, mô, thậm chí các cơ quan khác nhau trong cơ thể, thông qua quá trình biệt hóa. Tế bào gốc đang là nguồn hy vọng của con người trong việc phát triển liệu pháp tế bào để điều trị các bệnh hiểm nghèo như ung thư, Azheimer, Parkinson, tiểu đường, dị tật tim, bệnh thiểu năng miễn dịch di truyền và tái tạo cơ quan. Ngoài ra, tế bào gốc còn có thể cung cấp nguồn lực để thử nghiệm các phương pháp điều trị y tế mới. Có thể kiểm tra độ an toàn của các loại thuốc mới trên các tế bào chuyên biệt được tạo ra với số lượng lớn từ các dòng tế bào gốc, cho phép giảm yêu cầu thử nghiệm trên động vật. Nhiều dòng tế bào đã được sử dụng theo hướng này, ví dụ như các dòng tế bào ung thư, để sàng lọc các loại thuốc chống khối u tiềm năng.

Đối với một số căn bệnh, các nhà nghiên cứu đã kết hợp giữa liệu pháp gen và tế bào gốc như một lựa chọn điều trị khả thi hơn. Ví dụ, bệnh nhân mắc bệnh gan mãn tính và nhiễm virus viêm gan cần ghép gan, có thể được ghép gan từ tế bào gan trưởng thành hoặc tế bào có nguồn gốc từ iPS (tế bào gốc đa năng cảm ứng). Tế bào gốc tạo máu đã trở thành mục tiêu lý tưởng để chuyển gen chống lại virus do khả năng tồn tại lâu dài và khả năng tự đổi mới. Các tế bào có thể tái tạo lại gan theo thời gian và khôi phục chức năng gan bình thường.

Kết hợp tế bào gốc và liệu pháp gen (Nguồn: ncbi.nlm.nih.gov)

Tạo dược phẩm bằng công nghệ sinh học

Trong y tế, người ta sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống sống để tạo ra các protein trị liệu, thường được gọi là protein tái tổ hợp hoặc dược phẩm sinh học. Các sản phẩm như kháng thể đơn dòng, đầu dò DNA và RNA được sản xuất để hỗ trợ chẩn đoán nhiều loại bệnh khác nhau; các loại thuốc điều trị dựa trên protein như insulin và interferon cũng được tổng hợp cùng với vi khuẩn để phục vụ công tác điều trị bệnh cho con người. Nếu như trước đây, insulin được chiết xuất từ động vật thì với công nghệ DNA tái tổ hợp, gen insulin của người được chèn vào vi khuẩn hoặc nấm men, cho phép tạo ra insulin với số lượng lớn và chi phí giảm.

Quá trình tạo ra insulin từ DNA tái tổ hợp (Nguồn tổng hợp: nlm.nih.gov).

Vaccine tái tổ hợp đầu tiên được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt vào năm 1986. Vaccine này được sản xuất bằng cách nhân bản một đoạn gen từ virus viêm gan B vào nấm men. Đoạn gen này được bộ máy di truyền của nấm men dịch mã thành protein kháng nguyên. Kháng nguyên hiện diện trên bề mặt của virus viêm gan B, sau đó được sử dụng trong vaccine có tác dụng kích thích phản ứng miễn dịch. Đến nay, đã có rất nhiều loại thuốc ứng dụng công nghệ tái tổ hợp được FDA phê duyệt để sử dụng cho con người như để điều trị thiếu máu, ung thư (bệnh bạch cầu, đại trực tràng, thận và buồng trứng), một số rối loạn di truyền, bạch hầu, mụn sinh dục, viêm gan B, viêm gan C, thiếu hụt hormone tăng trưởng ở người, bệnh đa xơ cứng,…

***

Với những thành tựu vượt bậc, công nghệ sinh học đã trở thành một ngành kinh tế – kỹ thuật có giá trị cao tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong lĩnh vực y tế, công nghệ sinh học giúp tạo ra nhiều sản phẩm điều trị tiên tiến cùng các giải pháp mới, không chỉ giải quyết được các khó khăn trong công tác chữa trị, mà còn hỗ trợ các bác sĩ trong hoạt động chẩn đoán sớm, vốn rất quan trọng trong điều trị các chứng bệnh hiểm nghèo, nâng cao hiệu quả công tác chăm sóc sức khỏe, cải thiện chất lượng sống của người dân.

Vân Anh

--------------------------------------------------------------------------------

Mời xem tiếp nội dung Ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực y tế tại Việt Nam (Thông tin chuyên đề Khoa học, Công nghệ và Đổi mới sáng tạo, số 09/2024)

--------------------------------------------------------------------------------

Tài liệu tham khảo chính

[1] Mohammad A. Rafi Gene and Stem Cell Therapy: Alone or in Combination?. Bioimpacts, 213–218.
[2] Varsha Gupta, Manjistha Sengupta, Jaya Prakash, and Baishnab Charan Tripathy. An Introduction to Biotechnology. Basic and Applied Aspects of Biotechnology, 1–21.
[3] Saurabh Bhatia History, scope and development of biotechnology. Introduction to Pharmaceutical Biotechnology, Volume 1, 1-61.
[4] Tafere Mulaw Belete The Current Status of Gene Therapy for the Treatment of Cancer. Biologics, 67–77.