Trong nhiều thế kỷ, các nhà khoa học đã tìm kiếm một chất nhân tạo thay thế cho máu tự nhiên. Ngày nay được trang bị công nghệ nano hiện đại và chiến lược hiệu quả hơn, các nhà sinh học nghĩ rằng họ đang tiến gần đến mục đích hơn bao giờ hết.
Năm 1873, bác sĩ Joseph Howe ở thành phố New York đã tiêm sữa dê vào tĩnh mạch một bệnh nhân mắc bệnh lao phổi. Chóng mặt, đau ngực và cử động mắt không kiểm soát được đã sớm khiến bệnh nhân bị suy kiệt do được truyền sữa dê. Dĩ nhiên, bác sĩ cho tăng gấp đôi liều. Howe lưu ý vào năm 1875 về thủ thuật: “Tôi nghĩ rằng nó không có tác dụng gì”. Bệnh nhân tử vong nhanh chóng. Đáng ngạc nhiên, Howe không phải là người đầu tiên tiến hành truyền sữa – vào những năm trước đó, giữa lúc dịch bệnh tả, hai bác sĩ đã đưa một con bò đến bệnh viện Toronto (Canada) và bơm sữa của chúng vào tĩnh mạch bệnh nhân của họ.
Năm 1880, người ta thử nghiệm một giả thuyết về tính ưu việt của việc tiêm sữa mẹ vào người bệnh nhân. Chỉ khi thất bại sau đó, Howe mới đồng ý sữa người không phải là chất thay thế cho máu mà ông và các bác sĩ khác đã hy vọng. Máu người là một loại cocktail gồm protein, muối, tiểu cầu và các tế bào bạch cầu và hồng cầu được thiết kế hoàn hảo để cung cấp oxy và chất dinh dưỡng khắp cơ thể với độ chính xác và hiệu quả. Khi chúng ta bị thương, máu hình thành cục máu đông để bịt kín vết thương.
Một trong những thành phần quan trọng của nó là protein hemoglobin (huyết sắc tố) vận chuyển oxy – rất quan trọng đối với sự sống đến mức nó có thể được tìm thấy ở các sinh vật từ thằn lằn đến giun tròn. Bất cứ điều gì từ phẫu thuật đến điều trị ung thư, chăm sóc chấn thương, cấy ghép nội tạng và sinh con đều có thể cần phải cung cấp máu. Trong những tình huống thảm khốc – tai nạn xe hơi ở những nơi xa xôi hẻo lánh, thiên tai, chiến đấu ở nước ngoài – thiếu sự tiếp cận với máu trở thành cơn ác mộng của ngành y tế.
Mỗi năm, khoảng 60.000 người ở Mỹ chết vì xuất huyết trước khi họ có thể đến phòng cấp cứu. Trong số các vấn đề chính của việc lưu trữ và vận chuyển máu là bản chất mong manh và tính chất đặc trưng của chính thứ chất lỏng quan trọng này: sau khi được hiến, máu phải được sàng lọc viêm gan, HIV và các mầm bệnh khác. Nó phải phù hợp với nhóm máu của một người nhận. Nó cũng cần được làm lạnh và thậm chí sau đó, các chất liệu hết hạn sau 42 ngày.
Bất chấp mọi nỗ lực hiến máu, tình trạng thiếu máu vẫn diễn ra. Anirban Sen Gupta, giáo sư kỹ thuật y sinh Đại học Case Western Reserve ở Cleveland bang Ohio (Mỹ), cho biết lượng máu chúng ta cần không bao giờ phù hợp với lượng máu hiến. Tất cả điều này có nghĩa là một chất thay thế máu, nếu một nhóm khoa học tạo ra một nhóm hiệu quả, đó sẽ là một nỗ lực cực kỳ sinh lợi. Trong 100 năm qua, đặc biệt, các cuộc chiến tranh thế giới và cuộc khủng hoảng HIV chỉ làm tăng sự quan tâm đến nguồn cung cấp máu từ con người.
Theo một ước tính, thị trường máu nhân tạo có thể trị giá 15,6 tỷ USD vào năm 2027 nếu các công ty có thể phát triển các sản phẩm làm mọi thứ từ mang oxy, cung cấp thuốc và tăng cường chữa bệnh. Ngày nay, một số ít nhóm nghiên cứu của Mỹ cam kết tìm kiếm một giải pháp tổng hợp cho câu đố sinh học dường như không thể giải quyết này.
Một vấn đề không thể giải quyết được?
Nỗ lực mô phỏng tự nhiên bắt đầu một cách nghiêm túc vào những năm 1660, khoảng thời gian bác sĩ người Anh Richard Lower sử dụng ống lông chim như một ống dẫn truyền máu từ chó sang chó. Chẳng bao lâu sau đó, Lower truyền máu cừu vào một giáo sĩ (truyền máu động vật cuối cùng sẽ bị đặt ngoài vòng pháp luật vào cuối thế kỷ 17).
100 năm sau đó, bác sĩ Mỹ Philip Syng Physick – được biết đến như là “Cha đẻ của Phẫu thuật Mỹ” – và Tổng thống Andrew Jackson, Chánh án John Marshall và vợ và các con của một số tổng thống Mỹ khác nằm trong số các bệnh nhân của ông – thực hiện kỹ thuật truyền máu người đầu tiên vào năm 1795. Các thí nghiệm tiếp theo nhanh chóng được thực hiện, và trong vài thập niên trao đổi máu ban đầu, một bác sĩ sản khoa người Anh đã cứu sống một mạng người bằng thủ thuật.
Để giải cứu một người mẹ khỏi xuất huyết sau sinh, bác sĩ đã tiêm (bằng ống tiêm) máu người chồng vào tĩnh mạch của cô. Tuy nhiên, tiến bộ thực sự chỉ mới được thực hiện trong những thập niên gần đây. Mặc dù vậy, việc săn lùng một chất thay thế dễ dàng cho máu vẫn hấp dẫn hơn nhiều so với việc thực hiện truyền chất lỏng quý giá từ cơ thể người khác sang người khác.
Năm 1966, nhà hóa sinh Leland Clark lần đầu tiên chứng minh khả năng vận chuyển oxy của chất perfluorochemicals (PFC). Các hợp chất lỏng này thường được sử dụng cho lớp phủ trong các sản phẩm như đồ nội thất, bao bì thực phẩm và cách điện dây điện. Clark và những người khác đã tìm thấy những giọt nhỏ perfluorochemicals có thể thu giữ và vận chuyển oxy hòa tan trong lõi chất lỏng của nó, mặc dù không hiệu quả như hemoglobin.
Trong những năm 1970 và 1980, một số bác sĩ đã cố gắng sử dụng nhũ tương PFC làm chất thay thế máu, nhưng các thử nghiệm lâm sàng sau đó cho thấy bệnh nhân phát triển các tác dụng phụ nghiêm trọng bao gồm tăng nguy cơ đột quỵ, số lượng tiểu cầu thấp và các triệu chứng giống cúm. Chiến lược thành công nhất là theo đuổi các chất thay thế máu dựa trên hemoglobin (hay được gọi là HBOC), mô phỏng chức năng vận chuyển oxy của các tế bào hồng cầu bằng cách tổng hợp và tạo ra hemoglobin của người.
Nhưng HBOC có một quá khứ nguy hiểm. Vào những năm 1930, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên thử nghiệm chúng ở mèo bằng cách thay thế hoàn toàn máu động vật bằng máu bằng dung dịch hemoglobin không có tế bào. Việc điều trị đã tàn phá thận trên các đối tượng mèo nghiên cứu, nhưng những nỗ lực vẫn tiếp tục, và vào năm 1949, một nhóm thậm chí đã thực hiện các thử nghiệm lâm sàng trên người đối với giải pháp hemoglobin nhân tạo này – thử nghiệm đã dẫn đến rối loạn chức năng thận nghiêm trọng ở 5 trong số 14 đối tượng bệnh nhân.
Đến những năm 1980, một số ít các nhà nghiên cứu từ Mỹ đến Anh bắt đầu thử nghiệm các HBOC mới, đã được biến đổi hóa học ở người bằng nguồn tài trợ quân sự. Có thể nói máu HBOC gần giống máu tự nhiên hơn cả, có màu đỏ sẫm, sản xuất từ nguyên liệu chính là hemoglobin. Nguồn hemoglobin này lấy từ máu dự trữ đã hết hạn sử dụng, máu động vật, nhau thai người, tủy xương,… Hemoglobin tinh khiết cần qua xử lý trước khi đưa vào sản xuất để các phân tử sắt không bị oxy hóa thành độc chất khi tách khỏi màng tế bào hồng cầu.
Nhược điểm của máu HBOC là yêu cầu điều kiện bảo quản lạnh và hạn chế về năng lực sản xuất. Nguy cơ nhiễm khuẩn còn tồn tại tuy không cao do sử dụng nguyên liệu nguồn gốc sinh học. Hiệu quả trong cơ thể kéo dài không quá 30 giờ. Tuy nhiên đây là công nghệ được nghiên cứu nhiều nhất bởi độ tương thích cao với cơ thể. Trong đó, sử dụng hemoglobin từ tế bào gốc là hướng phát triển quan trọng nhất của máu nhân tạo HBOC hiện nay.
Chất thay thế cho máu
Năm 2001, HBOC Hemopure, được phát triển bởi công ty dược phẩm sinh học Biopure Corporation, đã trở thành chất thay thế máu duy nhất từng được chấp thuận bán tại Nam Phi. Lúc đầu, tương lai có vẻ tươi sáng đối với Hemopure, nhưng mối quan tâm về an toàn và sức khỏe đã phủ bóng tối mọi sự lạc quan.
Các cơ chế không được hiểu đầy đủ, nhưng các nghiên cứu cho thấy các phân tử hemoglobin tự do là độc hại đối với nhiều cơ quan của con người. Một nghiên cứu đặc biệt đã phân tích 16 thử nghiệm lâm sàng HBOC và mô tả nguy cơ đau tim tăng gấp 3 lần ở những người nhận được chất thay thế so với những người được truyền máu thật. Đó là một cú sốc lớn cho các nghiên cứu về máu nhân tạo và đến năm 2010, các nhà đầu tư đã quay lưng.
Máu vẫn là một thuốc tiên bí ẩn như mọi khi. “Lãnh vực này trở nên tối tăm cho đến thời gian gần đây”, tiến sĩ Dipanjan Pan, giáo sư kỹ thuật sinh học Đại học Illinois (Mỹ) cho biết. Nhưng hiện thời, ông xác định thêm rằng “có một sự tan băng trong lãnh vực này”. Ngày nay, các nhà nghiên cứu được trang bị những tiến bộ lớn trong công nghệ nano, kỹ thuật vật liệu và sinh học tế bào máu có một chiến lược mới: thay vì sao chép bản giao hưởng máu, các phòng thí nghiệm đang mô phỏng nó.
Các nhà khoa học cũng đã bắt đầu tập trung vào việc thiết kế các sản phẩm sẽ được sử dụng ở những nơi mà truyền máu tiêu chuẩn không phải là một lựa chọn: ở nơi xa xôi hẻo lánh, trên tàu du lịch, trên tàu vũ trụ quốc tế, hoặc một ngày nào đó – trên bề mặt Sao Hỏa.
Ví dụ như Philip Spinella, bác sĩ nhi khoa Trường Y Đại học Washington, tạo ra Erythromer, một tế bào hồng cầu nhân tạo có hình dạng như bánh mì vòng với một gói hemoglobin tinh khiết có kích thước nanomet (lấy từ máu hiến đã hết hạn) được bọc trong một vỏ tổng hợp. Không giống như máu hiến thông thường, nó có thể được đông khô, bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài và tiêm vào bất kỳ người nào bất kể nhóm máu.
Theo giả thuyết, dịch vụ vận chuyển có thể giữ một túi Erythromer trong xe cứu thương, và sau đó pha với nước để khôi phục cho phép giữ bệnh nhân sống cho đến khi đến bệnh viện. Tuy nhiên, nó vẫn không giống với tất cả những gì máu làm mà có thể coi Erythromer như loại “băng dán” bên trong giúp ổn định cho đến khi được điều trị đúng cách. Đại khái nó giống như “một cây cầu”.
Phòng thí nghiệm nghiên cứu Erythromer đã chuyển từ chuột sang thử nghiệm trên thỏ, nhưng vẫn phải vượt qua thử nghiệm trên các loài linh trưởng lớn hơn mà không phải là người trước khi được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) chấp thuận. Nói cách khác, vẫn còn một chặng đường dài để đi.
Các phòng thí nghiệm khác tập trung mô phỏng chức năng đông máu của tiểu cầu – rất quan trọng để đảm bảo ai đó không bị mất máu. Phòng thí nghiệm của kỹ sư vật liệu Erin Lavikftime thuộc Đại học Maryland, hạt Baltimore (Mỹ) phát triển cấu trúc nano của polymer tổng hợp liên kết với tiểu cầu để giúp chúng đông nhanh hơn.
Tại bang North Carolina, nhà sinh học Ashley Brown dẫn đầu một nhóm phát triển các hạt nano và vi hạt tổng hợp kết hợp với các protein đặc biệt giúp tăng cường quá trình đông máu tự nhiên. Năm 2016, Sen Gupta, đồng sáng lập công ty khởi nghiệp công nghệ sinh học Haima Therapeutics, bắt đầu thử nghiệm tiền lâm sàng đối với chất tiểu cầu tổng hợp Synthoplate trên động vật. Ít nhất cho đến nay, máu nhân tạo vẫn là “Holy Grail” (chén thánh) của y khoa chấn thương.
Tuy chưa phải loại máu hoàn chỉnh, máu nhân tạo vẫn có nhiều lợi thế so với máu tự nhiên bởi loại trừ hầu hết nguy cơ về bất đồng nhóm máu, nhiễm khuẩn, hết hạn sử dụng… Nguồn máu tinh khiết, ít nhiễm mầm bệnh bởi không lấy trực tiếp từ cơ thể người. Thời gian lưu trữ có thể lên đến 3 năm trong khi máu thường chỉ giữ được 42 ngày.
Máu nhân tạo cũng không cần giữ lạnh, chỉ cần nhiệt độ phòng, rất thuận tiện cho những khu vực kém phát triển thiếu điều kiện bảo quản. Đặc biệt, máu nhân tạo không có gien quy định nhóm máu nên phù hợp với mọi người, giảm tối đa sai sót trong truyền máu. Nghiên cứu cho thấy dùng máu nhân tạo giảm đáng kể nguy cơ tử vong do truyền máu, bệnh nhân được tiếp máu tức thì trong tình huống khẩn cấp mà không cần qua xét nghiệm.
Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), mỗi năm thế giới chỉ thu được 81 triệu đơn vị máu hiến so với nhu cầu 130 triệu đơn vị cần dùng trong điều trị, cấp cứu và dự phòng thảm họa. Sáng chế máu nhân tạo đang hứa hẹn nguồn máu truyền vô tận cho ngành y tế. Các bác sĩ còn kỳ vọng sử dụng máu nhân tạo để cung cấp oxy khi phẫu thuật tim mở, bảo quản bộ phận cấy ghép, hồi phục cơ tim và mô não sau đột quỵ, nuôi dưỡng phần cơ thể bị chấn thương…
Việc phổ biến máu nhân tạo như loại vật liệu y tế thông thường không chỉ cách mạng việc truyền máu, chấm dứt tình trạng thiếu máu trên thế giới mà còn cứu sống nhiều bệnh nhân, đặc biệt là những người thuộc nhóm máu hiếm.
