Tổng quan
Hiện có hơn 387 triệu người mắc bệnh tiểu đường trên toàn thế giới, và theo dự đoán con số này sẽ tăng lên 592 triệu người vào năm 2035. Các bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường phải kiểm soát hàm lượng đường trong máu bằng cách thường xuyên kiểm tra đường huyết và tiêm insulin. Phương thức này gây ra đau đớn cho người bệnh và cũng không thực sự chính xác. Tiêm sai liều insulin có thể gây ra những biến chứng nghiêm trọng, trong một số trường hợp có thể dẫn đến hôn mê và tử vong. Điều này rõ ràng một thử thách không nhỏ cho các bệnh nhân.
Tuy nhiên, dựa trên kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đến từ trường Đại học North Carolina tại Chapel Hill và Đại học North Carolina State tại Raleigh về miếng dán insulin thông minh, cách điều trị đau đớn này có thể sớm trở thành quá khứ. Các miếng dán này có hình dạng như một mảnh băng vuông, kích thước không lớn hơn một đồng xu, mang hơn một trăm chiếc kim siêu nhỏ (microneedles) với độ lớn tương đương với sợi lông mi, là nơi lưu trữ insulin và enzyme cảm ứng glucose.
Thiết bị này có thể được đặt ở bất cứ nơi nào trên cơ thể. Nó có thể cảm ứng khi lượng đường huyết tăng lên quá cao và nhanh chóng giải phóng vừa đủ lượng insulin cần thiết vào máu. Trong bài báo được xuất bản trên Tạp chí của Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ, các bác sĩ chuyên khoa tiểu đường cùng các kỹ sư y sinh học đã mô tả chi tiết thí nghiệm được tiến hành trên chuột mắc tiểu đường type 1 và chứng minh rằng miếng dán có tác dụng làm giảm lượng glucose trong máu trong vài giờ.
Hình: Miếng dán insulin thông minh
Mặc dù kết quả nghiên cứu mang lại nhiều hi vọng, vẫn còn quá sớm để nói về khả năng và thời điểm các miếng dán có thể được sử dụng trên người. Nhóm nghiên cứu cho biết cần có thêm các thí nghiệm và sau đó là thử nghiệm lâm sàng để giải đáp vấn đề này.
Miếng dán mô phỏng hệ thống sản sinh insulin trong cơ thể
Miếng dán insulin thông minh hoạt động bằng cách mô phỏng hệ thống tạo insulin của cơ thể. Trong cơ thể chúng ta, các tế bào beta của tuyến tụy sản xuất và lưu trữ insulin trong các túi nhỏ. Bên cạnh đó, chúng cũng phát hiện những thay đổi về đường huyết và gửi tín hiệu giải phóng insulin từ các túi chứa này khi cần thiết.
Nhóm nghiên cứu xây dựng các túi chứa nhân tạo với khả hoạt động tương tự như trên, bằng hai vật liệu tự nhiên – acid hyaluronic (HA) được sử dụng trong mỹ phẩm và 2-nitroimidazole (NI), một hợp chất hữu cơ được sử dụng trong chẩn đoán. Khi kết hợp cùng nhau, hai chất này tạo nên một phân tử với một đầu ưa nước (thuộc phần HA) và một đầu kị nước (thuộc phần NI). Những phân tử này tự lắp ráp thành các túi với phần kị nước ở bên trong và ưa nước ở bên ngoài.
Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng họ có thể chèn một lõi insulin rắn và enzym cảm ứng glucose vào trong các túi nhân tạo này (túi được hình thành từ hàng triệu hạt nano, có kích thước nhỏ hơn 100 lần so với độ dày của sợi tóc).
Khi thử nghiệm các hạt nano insulin thông minh trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận thấy chúng phản ứng với việc tăng đường huyết. Các phân tử glucose dư thừa đi vào vào túi nhân tạo, sử dụng hết oxy khi các enzyme trên bề mặt chuyển chúng thành các axit gluconic. Việc giảm oxy (hay còn gọi là hypoxia) làm cho đầu kị nước của phân tử NI (thành phần của túi nhân tạo) trở nên ưa nước, kết quả là các túi này bị hòa tan và giải phóng insulin vào máu.
Miếng dán giữ lượng đường trong máu ở chuột tiểu đường ổn định trong vài giờ
Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu cần phải tìm ra một cách thích hợp để đưa các túi nhân tạo vào cơ thể bệnh nhân tiểu đường. Điều này dẫn đến ý tưởng sử dụng các kim siêu nhỏ, được tập hợp vào một miếng dán thay vì dùng những biện pháp thông thường. Cuối cùng, họ đã tạo ra một mảnh silicon với hơn một trăm cây kim siêu nhỏ có khả năng xuyên qua da tới các mao mạch nằm bên dưới. Mỗi cây kim là một là tập hợp của các các túi nhân tạo.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phát minh với chuột mắc bệnh tiểu đường type 1. Họ tiêm một liều insulin tiêu chuẩn vào một nhóm chuột và nhận thấy đường huyết giảm về mức bình thường nhưng sau đó nhanh chóng tăng cao. Nhưng khi họ dùng miếng dán thông minh với một nhóm chuột bị tiểu đường khác, lượng đường trong máu của chúng giảm về mức bình thường trong vòng nửa giờ và duy trì sự ổn định này vài giờ sau đó.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng bằng cách thay đổi liều lượng enzyme cảm biến glucose, họ có thể điều chỉnh miếng dán, dẫn tới việc thay đổi nồng độ glucose trong máu ở một phạm vi nhất định.
Một bước ngoặt cho các bệnh nhân tiểu đường
Do chuột kém nhạy cảm với insulin hơn con người nên các nhà nghiên cứu tin rằng miếng dán có thể có tác dụng dài hơn với bệnh nhân tiểu đường. Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang hướng tới việc phát triển miếng dán insulin thông minh được dùng trong thời gian dài, chỉ phải thay sau vài ngày sử dụng.
Nếu thành công, đây thực sự sẽ là một bước ngoặt cho các bệnh nhân tiểu đường, theo giáo sư John Buse, một trong số các tác giả của nghiên cứu và là cựu chủ tịch của Hội tiểu đường Hoa Kỳ: “Cái khó của việc điều trị bệnh tiểu đường không phải là việc tiêm insulin, kiểm tra lượng đường trong máu, hay chế độ ăn uống, mà thực tế là bạn phải làm tất cả những điều này vài lần một ngày, và làm mỗi ngày ở phần còn lại trong đời sống của bạn.”
Một đồng tác khác, giáo sư về kĩ thuật y sinh học Zhen Gu cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế một miếng dán thông minh cho bệnh tiểu đường với khả năng tác dụng nhanh, dễ sử dụng, và được chế tạo từ vật liệu không độc hại cũng như tương hợp về mặt sinh học. Toàn bộ hệ thống có thể được cá nhân hóa để phù hợp với tình trạng bệnh và độ nhạy cảm với insulin của bệnh nhân, vì vậy thậm chí chúng tôi có thể làm cho các miếng dán thông minh này trở nên thông minh hơn nữa.”
