Nhà khoa học Việt Nam Nguyễn Đức Thành phát triển thiết bị y tế tự phân hủy với 25 triệu USD tài trợ nghiên cứu

Lịch tiêm chủng tích hợp trong một miếng dán nhỏ

Một miếng dán được thử nghiệm trên chuột đã phân phối các liều Prevnar-13, vaccine phòng vi khuẩn phế cầu, theo những khoảng thời gian định sẵn, từ vài ngày đến hơn một tháng. Các con vật tạo ra phản ứng miễn dịch tương tự nhóm được tiêm nhiều mũi và sống sót sau khi bị phơi nhiễm với liều vi khuẩn gây chết người. Đứng sau nghiên cứu là Nguyễn Đức Thành, nhà khoa học Việt Nam có công trình tại Đại học Connecticut thu hút hàng triệu USD tài trợ cho các thiết bị y tế được thiết kế để tự phân hủy sau khi hoàn thành nhiệm vụ.

Trong các công bố khoa học, ông được biết đến với tên Thanh D. Nguyen. Vị phó giáo sư này hoạt động trong các lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật y sinh và khoa học vật liệu. Các dự án của ông gồm miếng dán vaccine, cấu trúc hỗ trợ xương tổn thương hồi phục và thiết bị siêu âm phân hủy sinh học được thiết kế để giúp thuốc hóa trị tiếp cận khối u não.

Đại học Connecticut cho biết ông đã mang về cho trường 25 triệu USD tài trợ nghiên cứu kể từ khi gia nhập năm 2016. Số liệu tài trợ được công bố tính đến tháng 10/2024 bao gồm hơn 9,5 triệu USD từ bốn khoản tài trợ R01 của Viện Y tế Quốc gia Mỹ (NIH) và 6,6 triệu USD từ hai khoản tài trợ được Quỹ Bill & Melinda Gates phê duyệt.

Ý tưởng cốt lõi kết nối một số vấn đề y tế thoạt nhìn không liên quan: tạo ra vật liệu có thể mang thuốc, phát tín hiệu điện hoặc tạo sóng siêu âm, rồi để vật liệu tự phân hủy trong cơ thể. Với bệnh nhân, những lợi ích dự kiến trải dài từ giảm số lần hẹn tiêm chủng đến tránh phải phẫu thuật lấy thiết bị cấy ghép.

Bằng chứng được công bố chi tiết nhất liên quan đến miếng dán vaccine. Nguyễn là tác giả liên hệ của nghiên cứu vaccine dùng vi kim, được đăng trực tuyến ngày 23/11/2020 trên tạp chí Nature Biomedical Engineering và đưa vào tập xuất bản năm 2021. Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ này trên chuột; ứng dụng trong tiêm chủng thường quy cho người vẫn là mục tiêu phát triển.

Từ Đà Nẵng đến phòng thí nghiệm ở Connecticut

Nguyễn sinh năm 1984 tại Đà Nẵng, miền Trung Việt Nam. Ông học vật lý tại Trường THPT chuyên Lê Quý Đôn trước khi vào chương trình kỹ sư tài năng ngành vật lý kỹ thuật của Đại học Bách khoa Hà Nội.

Sau khi tốt nghiệp năm 2007, năm 2008 ông nhận học bổng của Quỹ Giáo dục Việt Nam để theo học tiến sĩ tại Đại học Princeton. Ông hoàn thành chương trình tiến sĩ năm 2013 và tiếp tục làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).

Con đường học thuật của ông chuyển từ cơ học và kỹ thuật hàng không vũ trụ sang công nghệ y sinh. Tại Đại học Connecticut, nơi ông gia nhập khoa kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật y sinh năm 2016, ông xây dựng phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu sinh học, dược phẩm, vaccine, y học tái tạo và thiết bị y tế thu nhỏ. Ông trở thành phó giáo sư năm 2022.

Một số mốc thời gian cho thấy quá trình phát triển công trình này:

• 2017: Nguyễn nhận Giải Trailblazer của NIH dành cho các nhà nghiên cứu trẻ.
• 2018: Phòng thí nghiệm của ông công bố công nghệ polymer áp điện phân hủy sinh học cho các ứng dụng y tế.
• 23/11/2020: Nghiên cứu về miếng dán vaccine có thể lập trình được đăng trực tuyến.
• 30/8/2022: Bằng sáng chế vi kim lõi-vỏ ghi tên Nguyễn và Khanh Tran được cấp.
• 2024: Nguyễn được bầu làm Thành viên cao cấp của Viện Hàn lâm Nhà phát minh Quốc gia Mỹ.

Một miếng dán có thể thay thế nhiều lần đến cơ sở y tế

Miếng dán vaccine của Nguyễn có kích thước cỡ đầu ngón tay cái và chứa hàng trăm vi kim. Thay vì dùng ống tiêm thông thường để đưa từng liều riêng biệt, miếng dán đưa các gói vaccine nhỏ vào da chỉ trong một lần dán.

Mỗi vi kim có lõi chứa vaccine và lớp vỏ ngoài làm từ polymer phân hủy sinh học có tên poly(axit lactic-co-glycolic), hay PLGA. Các nhà nghiên cứu chế tạo và sắp xếp những bộ phận thu nhỏ này sao cho các lớp vỏ có tốc độ phân hủy khác nhau sẽ giải phóng thành phần bên trong vào những thời điểm khác nhau.

Mục tiêu là tạo ra các đợt giải phóng thuốc theo thời gian, tương tự những mũi tiêm riêng biệt. Một liều có thể được giải phóng sau một khoảng trì hoãn ngắn, trong khi liều khác vẫn được giữ kín cho đến thời điểm sau đó. Thay đổi thiết kế và đặc tính vật liệu của lớp vỏ sẽ làm thay đổi lịch giải phóng.

Khi đó là trợ lý giáo sư kỹ thuật tại Đại học Connecticut, Nguyễn giải thích lợi ích dự kiến đối với bệnh nhân:

Bệnh nhân sẽ không phải nhớ lịch tiêm chủng," Nguyễn nói. "Họ sẽ không cần nhận thêm một miếng dán khác để tiêm vaccine nhiều lần.

Nghiên cứu trên chuột sử dụng Prevnar-13 để phòng Streptococcus pneumoniae. Việc so sánh với tiêm nhắc nhiều lần có ý nghĩa thực tiễn, bởi mục tiêu là duy trì khả năng bảo vệ trong khi giảm số lần một người phải quay lại điều trị.

Giảm số lần hẹn có thể mang lại điều gì

Những gia đình sống xa phòng khám có thể phải thu xếp phương tiện đi lại, nghỉ làm và quay lại vào nhiều ngày khác nhau để hoàn tất liệu trình vaccine. Miếng dán tích hợp lịch phân phối liều có thể giảm số chuyến đi và nguy cơ bỏ lỡ liều sau đó.

Hướng nghiên cứu của Nguyễn nằm trong lĩnh vực rộng hơn về vi kim. Mark Prausnitz, giám đốc Trung tâm Thiết kế, Phát triển và Phân phối Thuốc của Viện Công nghệ Georgia, đã nghiên cứu miếng dán phòng cúm và sởi. Ông giải thích rằng các kim ngắn có thể xuyên qua lớp ngoài mỏng của da mà không cần chiều dài như kim tiêm thông thường.

Một số công thức vi kim cũng có thể giúp việc phân phối vaccine dễ dàng hơn nhờ giảm phụ thuộc vào bảo quản lạnh. Khả năng bảo quản tùy thuộc vào loại vaccine và công thức miếng dán, vì vậy mỗi sản phẩm được đề xuất đều cần được kiểm nghiệm riêng. Với miếng dán có thể lập trình của Nguyễn, việc định thời chính xác và duy trì vaccine trong quá trình bảo quản đều là yếu tố then chốt để ứng dụng đúng mục đích.

Darin Zehrung, lãnh đạo chương trình thiết bị y tế và công nghệ y tế tại PATH, cho biết cam kết từ doanh nghiệp, quy mô sản xuất và giá thành hợp lý là những thách thức thực tiễn đối với miếng dán vaccine. Công trình đã công bố của Nguyễn cung cấp bằng chứng trên động vật về khả năng phân phối thuốc theo thời gian; để đưa thiết kế này thành sản phẩm y tế được phổ biến rộng rãi còn cần phát triển sản xuất và tiến hành nghiên cứu lâm sàng.

Bằng sáng chế mở rộng nền tảng phân phối thuốc

Nguyễn và đồng sáng chế Khanh Tran nộp đơn xin cấp bằng sáng chế vi kim lõi-vỏ ngày 5/3/2019. Bằng sáng chế Mỹ số 11,426,570 được cấp ngày 30/8/2022, với Đại học Connecticut là đơn vị nhận chuyển nhượng.

Sáng chế mô tả các vi kim phân hủy sinh học có thể găm vào da và giải phóng lượng thuốc hoặc vaccine được kiểm soát thành những đợt ngắn, mạnh vào các thời điểm có thể dự đoán. Một đơn đăng ký liên quan, ghi tên cùng hai nhà sáng chế, được nộp ngày 22/7/2022.

Một đơn đăng ký khác, nộp ngày 28/9/2021, ghi tên Nguyễn và Nicholas Farrell, tập trung vào việc phân phối thuốc kéo dài để điều trị đau. Đơn này mô tả hệ thống vi kim phân hủy sinh học được thiết kế để giải phóng thuốc với tốc độ gần như không đổi trong ít nhất 30 ngày.

Hai hướng tiếp cận phục vụ các lịch điều trị khác nhau. Tiêm chủng có thể cần các liều riêng biệt cách nhau vài ngày hoặc vài tuần, trong khi điều trị đau có thể cần nguồn thuốc ổn định. Cả hai đều dựa vào cấu trúc và quá trình phân hủy của vật liệu để kiểm soát thời điểm thuốc được giải phóng.

Vật liệu hỗ trợ phục hồi xương và sụn

Phòng thí nghiệm của Nguyễn cũng nghiên cứu các cấu trúc phân hủy sinh học có khả năng tạo tín hiệu điện. Đặc tính liên quan là tính áp điện: vật liệu tạo ra một lượng điện tích nhỏ khi bị ép, uốn cong hoặc chịu tác động cơ học theo cách khác.

Đối với các chấn thương nghiêm trọng ở xương dài như xương đùi và xương chày, nhóm đang phát triển một giá đỡ sinh học, tức khung tạm thời nhằm hỗ trợ quá trình phục hồi. Vật liệu này có thể tạo ra các xung điện được thiết kế để kích thích quá trình liền xương ở những nơi cơ chế tự phục hồi của cơ thể có thể gặp khó khăn.

Một dự án của NIH phân bổ 2,1 triệu USD cho nghiên cứu nhằm cải thiện quá trình hồi phục chấn thương xương dài nghiêm trọng. Giá đỡ kết hợp khả năng nâng đỡ vật lý với kích thích điện, thay vì chỉ hoạt động như một khung thụ động.

Công trình liên quan được công bố năm 2022 sử dụng sợi nano axit poly-L-lactic, hay PLLA, để hỗ trợ tái tạo sụn ở các khớp tổn thương. Các vận động như đi bộ tạo lực lên vật liệu và sinh ra tín hiệu điện yếu, nhằm khuyến khích các tế bào tham gia sửa chữa mô.

Sụn và xương cần những chiến lược phục hồi khác nhau. Điểm chung trong cách tiếp cận kỹ thuật là tạo cho vật liệu tạm thời một chức năng sinh học hữu ích, rồi để vật liệu phân hủy khi mô hồi phục.

Công nghệ siêu âm hỗ trợ thuốc tiếp cận não

Nghiên cứu ung thư não của Nguyễn ứng dụng vật liệu phân hủy sinh học vào một vấn đề phân phối thuốc khó khăn khác. Nhiều loại thuốc khó tiếp cận mô não vì hàng rào máu não, một ranh giới được kiểm soát chặt chẽ bao quanh mạch máu, hạn chế những chất có thể đi qua.

Nhóm của ông đã phát triển các chip siêu âm nhỏ, linh hoạt, được thiết kế để cấy gần mô não. Thiết bị tạo ra sóng âm nhằm giúp thuốc hóa trị đi vào não và tiếp cận tế bào ung thư. Phương pháp được đề xuất sẽ hỗ trợ các đợt điều trị lặp lại trước khi thiết bị cấy ghép phân hủy.

Một khoản tài trợ 2,16 triệu USD của NIH hỗ trợ nghiên cứu nhằm cải thiện hóa trị bằng công nghệ siêu âm phân hủy sinh học. Thiết bị tự biến mất sau điều trị có thể giúp bệnh nhân tránh phải trải qua thêm một thủ thuật để lấy thiết bị ra.

Nghiên cứu siêu âm phát triển từ mối quan tâm trước đó của phòng thí nghiệm đối với thiết bị điện tử tạm thời. Năm 2018, Nguyễn và các cộng sự phát triển một cảm biến sử dụng vật liệu phân hủy sinh học có liên quan đến chỉ khâu phẫu thuật tự tan. Thiết bị được thiết kế để truyền dữ liệu không dây rồi phân hủy, kết hợp chức năng theo dõi và khả năng tự biến mất trong cùng một thiết kế vật liệu.

Dự án thời đại dịch vượt ra ngoài thiết bị cấy ghép

Trong đại dịch COVID-19, nhóm của Nguyễn tìm hiểu khả năng sử dụng màng polymer phân hủy sinh học làm lõi lọc khẩu trang. Tháng 1/2021, nhóm mô tả một nguyên mẫu được kỳ vọng đạt hiệu quả lọc gần với tiêu chuẩn N95, đồng thời chịu được tiệt trùng và tái sử dụng.

Bộ lọc được đề xuất sử dụng màng áp điện có thể tạo ra một điện áp nhỏ khi không khí đi qua. Các nhà nghiên cứu khảo sát khả năng hiệu ứng điện này giúp giữ lại các hạt, bên cạnh tác dụng lọc vật lý của màng.

Nguyễn cho biết phòng thí nghiệm đang đo hiệu suất lọc, điều chỉnh các điều kiện sản xuất và so sánh vật liệu với khẩu trang y tế thông thường cùng khẩu trang N95. Nhóm cũng mô tả việc thử tiệt trùng bằng nhiệt và áp suất hoặc siêu âm, đồng thời duy trì đặc tính áp điện của màng.

Tháng 1/2021, dự án vẫn ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển sản phẩm, còn việc thương mại hóa đang được cân nhắc. Cùng thời gian đó, phòng thí nghiệm nghiên cứu miếng dán vaccine phòng COVID-19. Thí nghiệm về miếng dán có thể lập trình được công bố sử dụng vaccine phế cầu Prevnar-13.

Tài trợ và sự ghi nhận bao quát những lĩnh vực nào

Các số liệu tài trợ phản ánh nhiều phần trong chương trình nghiên cứu của Nguyễn. Tính đến tháng 10/2024, tổng giá trị bốn khoản tài trợ R01 của NIH vượt 9,5 triệu USD. R01 là cơ chế tài trợ lớn của NIH dành cho một dự án nghiên cứu cụ thể.

Ba khoản tài trợ được nêu cụ thể gồm 2,1 triệu USD cho phục hồi xương dài, 1,5 triệu USD cho công nghệ vi kim và 2,16 triệu USD cho công nghệ siêu âm phân hủy sinh học hướng tới điều trị ung thư não. Quỹ Gates phê duyệt hai khoản tài trợ tổng cộng 6,6 triệu USD để phát triển các miếng dán có khả năng phân phối nhiều thành phần vaccine.

Hai nguồn tài trợ NIH và Gates được nêu tổng cộng khoảng 16,1 triệu USD, tương đương khoảng 64% trong số 25 triệu USD mà Đại học Connecticut cho biết Nguyễn đã mang về sau khi gia nhập trường. Con số 25 triệu USD bao quát thành tích huy động tài trợ rộng hơn của ông tại trường.

Việc được bầu làm Thành viên cao cấp của Viện Hàn lâm Nhà phát minh Quốc gia Mỹ năm 2024 đưa ông vào nhóm gồm 124 người thuộc 60 cơ sở. Nhóm này nắm giữ tổng cộng hơn 1.000 bằng sáng chế Mỹ và có hơn 340 công nghệ được cấp phép hoặc thương mại hóa.

Danh hiệu Thành viên cao cấp ghi nhận các đóng góp trong sáng chế, đăng ký bằng sáng chế, chuyển giao công nghệ và đào tạo thế hệ nhà phát minh tương lai. Các danh hiệu khác của Nguyễn gồm Giải Kỹ sư Sản xuất trẻ xuất sắc của SME năm 2018, được vinh danh trong nhóm các nhà đổi mới trẻ tại khu vực châu Á - Thái Bình Dương và được chọn là một trong những gương mặt trẻ Việt Nam tiêu biểu năm 2019.

Xuyên suốt các dự án là một mục tiêu thực tiễn nhất quán: giảm số lần hẹn tái khám, giúp thuốc tiếp cận những mục tiêu khó điều trị và để thiết bị cấy ghép tạm thời tự biến mất sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Nghiên cứu vaccine đưa ra một ví dụ cụ thể về mục tiêu này trên động vật, trong khi chương trình rộng hơn áp dụng cùng những ý tưởng kỹ thuật vật liệu vào phục hồi, theo dõi và điều trị.

Điểm chính

• Nguyễn Đức Thành gia nhập Đại học Connecticut năm 2016 và trở thành phó giáo sư năm 2022.
• Miếng dán vaccine có thể lập trình của ông phân phối các liều Prevnar-13 theo thời gian định sẵn trên chuột, tạo ra phản ứng miễn dịch tương tự tiêm nhắc nhiều lần.
• Phòng thí nghiệm của ông cũng nghiên cứu vật liệu phân hủy sinh học để phục hồi xương và sụn, cảm biến tạm thời và thiết bị siêu âm hỗ trợ thuốc tiếp cận não.
• Tính đến tháng 10/2024, các khoản hỗ trợ được dẫn từ NIH và Quỹ Gates tổng cộng khoảng 16,1 triệu USD; Đại học Connecticut cho biết tổng tài trợ nghiên cứu rộng hơn của ông là 25 triệu USD.
• Nguyễn được bầu làm Thành viên cao cấp của Viện Hàn lâm Nhà phát minh Quốc gia Mỹ năm 2024.
• Việc sử dụng thường quy miếng dán vaccine có thể lập trình cho người vẫn là mục tiêu phát triển.