Phổi nhân tạo – đột phá trong nghiên cứu về virus SARS-CoV-2

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Duke và Đại học Cambridge (Anh) đã sản xuất phổi nhân tạo trong hai nghiên cứu độc lập và riêng biệt để kiểm tra sự lây lan của virus SARS-CoV-2 gây bệnh COVID-19.

Mô hình “phổi sống” mô phỏng các túi khí nhỏ lấy oxy mà chúng ta hít thở, được biết đến là nơi diễn ra tổn thương phổi nghiêm trọng nhất do virus chết người này gây ra. Các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng mô hình này để kiểm tra sự lây lan của SAS-CoV-2, từ đó cho phép họ thử nghiệm các loại thuốc tiềm năng và hiểu rõ hơn lý do tại sao một số người mắc bệnh lại có những biểu hiện nặng hơn những người khác.

Trong cả hai nghiên cứu, mô hình phổi cực tiểu 3D được phát triển từ các tế bào gốc giúp sửa chữa các phần sâu nhất của phổi khi SARS-CoV-2 tấn công, được gọi là tế bào phế nang. Theo nhóm nghiên cứu Cambridge, các mô tế bào mà SARS-CoV-2 nhắm tới, đặc biệt ở những bệnh nhân bị viêm chính là các phế nang nói trên.

Họ trích xuất các tế bào phế nang từ mô hiến tặng và lập trình lại chúng trở lại giai đoạn “tế bào gốc” trước đó và buộc chúng phát triển thành các cấu trúc 3D giống như phế nang, mô phỏng hoạt động của mô phổi quan trọng. Sử dụng kết hợp hình ảnh huỳnh quang và phân tích di truyền tế bào đơn lẻ, họ có thể nghiên cứu cách các tế bào phản ứng với virus.

Khi các mô hình 3D tiếp xúc với SARS-CoV-2, virus bắt đầu nhân lên nhanh chóng, lây nhiễm toàn bộ tế bào chỉ 6 giờ sau. Nhóm nghiên cứu Cambridge giải thích rằng sự nhân lên này cho phép virus lây lan khắp cơ thể, lây nhiễm sang các tế bào và mô khác. Cùng lúc đó, các tế bào bắt đầu sản xuất interferon – loại protein hoạt động như tín hiệu cảnh báo cho các tế bào lân cận kích hoạt hệ thống phòng thủ của mình. Sau 48 giờ, các interferon kích hoạt phản ứng miễn dịch bẩm sinh - tuyến phòng thủ đầu tiên và các tế bào bắt đầu chống lại nhiễm trùng. 60 giờ sau khi nhiễm trùng, một tập hợp con của các tế bào phế nang bắt đầu bị phá hủy, dẫn đến chết tế bào và tổn thương mô phổi.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy những thay đổi đối với các tế bào phổi diễn ra chỉ trong vòng 3 ngày kể từ khi nhiễm bệnh, nhưng các triệu chứng lâm sàng của COVID-19 hiếm khi xảy ra nhanh chóng và đôi khi có thể mất hơn 10 ngày sau khi nhiễm virus thì mới xuất hiện. Nhóm nghiên cứu nói rằng có một số lý do cho việc này. Có thể mất vài ngày kể từ khi virus xâm nhập vào đường hô hấp thì nó mới tấn công được phế nang.

Tiến sĩ Young Seok Ju từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc giải thích rằng phải có một tỷ lệ đáng kể các tế bào phế nang bị nhiễm virus trước khi bệnh nhân xuất hiện các triệu chứng.

“Chúng ta có thể giải đáp nhiều câu hỏi chưa có câu trả lời, chẳng hạn như hiểu được tính nhạy cảm của gien đối với SARS-CoV-2, đánh giá khả năng lây nhiễm tương đối của các virus đột biến và làm sáng tỏ quá trình gây hại của virus trong tế bào phế nang của con người”, ông nói.

“Chúng tôi hy vọng sẽ sử dụng kỹ thuật của mình để phát triển các mô hình 3D này từ các tế bào của những bệnh nhân đặc biệt dễ bị nhiễm trùng, chẳng hạn như người già hoặc người bị bệnh phổi, và tìm hiểu điều gì sẽ xảy ra với mô của họ”, Tiến sĩ Lee cho biết thêm.

Nhóm nghiên cứu Duke sẽ sử dụng mô hình phổi 3D của họ cùng với các kỹ thuật khác, chẳng hạn như thay đổi bất kỳ nucleotit nào trong mã di truyền của virus COVID-19 theo ý muốn. Họ đã có thể điều chỉnh các nucleotit trên để tạo ra một “phiên bản phát sáng” của virus để tiết lộ chính xác vị trí của nó trong mô hình phổi nhỏ.

Giống như các nhà nghiên cứu Cambridge, nhóm nghiên cứu Duke phát hiện ra rằng khi bị nhiễm virus, các thể nội bào khởi động phản ứng viêm do interferon làm trung gian. Các nhà nghiên cứu cũng đã chứng kiến cơn bão cytokine của các phân tử miễn dịch mà phổi tạo ra để chống lại virus. Sau đó, họ cũng so sánh các mô hình hoạt động gien giữa các phổi nhỏ với các mẫu từ sáu bệnh nhân COVID-19 nặng.

Ralph Baric, đồng tác giả bài báo của Duke, cho biết ông sẽ sử dụng lá phổi nhỏ để hiểu rõ hơn về một chủng SARS-CoV-2 mới được gọi là D614G đã trở thành phiên bản mạnh hơn của virus này. Chủng D614G, xuất hiện ở Italy, có một protein tăng đột biến khiến nó dễ lây nhiễm hơn.