Công trình nghiên cứu này có thể cung cấp cơ sở cho các thiết bị sử dụng tế bào thần kinh cảm giác của côn trùng, giúp phát hiện sớm ung thư qua hơi thở bệnh nhân.

Sự kỳ diệu của tự nhiên

Mọi người dường như đã quen với công nghệ tăng cường hoặc vượt trội hơn giác quan tự nhiên của chúng ta, ví dụ, kính thiên văn và kính hiển vi có thể tiết lộ những thế giới xa lạ khác. Do đó, chúng ta dễ bỏ qua tính hiệu quả của các công cụ tự nhiên.

Các nhà khoa học khai thác não cào cào để phát hiện tế bào ung thư ở người.

Theo trợ lý giáo sư kỹ thuật y sinh, tiến sĩ Debajit Saha, mũi vẫn là bộ phận kỳ diệu, thực sự không có dụng cụ nào so được với chúng khi nói đến cảm biến khí. Đó là lý do tại sao các nhà khoa học tin tưởng vào những con chó và chiếc mũi siêu thính của chúng để phát hiện ra mùi thuốc phiện, chất nổ và gần đây là cả các vấn đề y tế như lượng đường trong máu và thậm chí Covid-19.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu công nghệ có thể bắt chước khứu giác, nhưng không có gì có thể cạnh tranh với tốc độ, độ nhạy và hiệu quả của khứu giác trong thế giới tự nhiên. Tiến sĩ Debajit Saha cho biết, mọi người đã nghiên cứu về “mũi điện tử” trong hơn 15 năm nhưng chưa đạt được những gì mà mũi sinh học có được.

Việc thiếu các thiết bị cảm biến khí đặt ra thách thức trong việc phát hiện sớm các bệnh, đặc biệt là ung thư nhằm can thiệp sớm và cứu bệnh nhân. Khi mắc ung thư ở giai đoạn đầu, bệnh nhân có tới 80 đến 90% cơ hội sống sót. Tuy nhiên, nếu sang giai đoạn 4 mà bệnh không được phát hiện, tỷ lệ sống giảm xuống còn 10 đến 20%.

Vì vậy, Debajit Saha và nhóm của ông đang tạo ra một cách tiếp cận mới. Thay vì cố gắng tạo ra một thứ gì đó hoạt động giống như cơ chế sinh học, họ đã bắt đầu với các giải pháp sinh học sẵn có sau nhiều đợt tiến hóa và chỉnh sửa từ đó. Về cơ bản, nhóm nghiên cứu đang “hack” não côn trùng để phục vụ cho việc chẩn đoán bệnh. Tiến sĩ Debajit Saha cho rằng đây là một thế giới hầu như chưa được khám phá.

Thành viên tham gia nghiên cứu cào cào tại phòng thí nghiệm của MSU.

Nghiên cứu đầy hứa hẹn

Nhóm của tiến sĩ Debajit Saha đã chọn làm việc với cào cào vì một số lý do. Như ruồi giấm, cào cào đã từng làm sinh vật mẫu trong nhiều thập kỷ. Các nhà khoa học đã có được sự hiểu biết quan trọng về các cảm biến khứu giác và mạch thần kinh tương ứng của chúng.

Sự kết hợp các tính năng này cho phép các nhà nghiên cứu MSU gắn các điện cực vào não cào cào tương đối dễ dàng. Sau đó, họ ghi lại phản ứng của chúng đối với các mẫu khí do tế bào khỏe mạnh và tế bào ung thư tạo ra, rồi sử dụng các tín hiệu đó để tạo ra hồ sơ hóa học của các tế bào khác nhau.

Giám đốc Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế Định lượng (thuộc MSU) Christopher Contag cho biết Viện đã tập trung tìm hiểu nguyên nhân tại sao tế bào từ các bệnh ung thư ở miệng lại xuất hiện khác biệt dưới kính hiển vi và các công cụ quang học.

Phòng thí nghiệm của ông đã tìm thấy các chất chuyển hóa khác nhau trong các dòng tế bào khác nhau, giúp giải thích sự khác biệt về quang học. Hóa ra một số chất chuyển hóa dễ bay hơi và có thể bị phát hiện. Theo Christopher Contag, các tế bào rất khác nhau về mặt trao đổi chất và quang học nên sẽ rất hợp lý khi xem xét chúng ở góc độ chất bay hơi.

Trong khi đó, cảm biến cào cào mà Tiến sĩ Saha nghiên cứu đã cung cấp nền tảng hoàn hảo để kiểm tra điều này. 2 nhóm đã hợp tác để xem cào cào có thể phân biệt tế bào khỏe mạnh và tế bào ung thư như thế nào bằng cách thử ba dòng tế bào ung thư miệng khác nhau.

Theo ông Christopher Contag, các nhà khoa học dự đoán tế bào ung thư sẽ xuất hiện khác với tế bào bình thường nhưng thật đáng kinh ngạc khi cào cào có thể phân biệt 3 loại ung thư khác nhau.

Mặc dù kết quả của nhóm nghiên cứu tập trung vào ung thư miệng nhưng các nhà khoa học tin rằng hệ thống của họ sẽ hoạt động với bất kỳ loại ung thư nào có thể đưa các chất chuyển hóa vào hơi thở. Trong khi đó, hầu hết các loại ung thư đều có khả năng này.

Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là phát triển một cảm biến di động và khép kín mà không cần tới cào cào hay côn trùng nào khác. Họ chỉ cần các thành phần sinh học của chúng để cảm nhận và phân tích các hợp chất dễ bay hơi, có thể là trước khi các kỹ thuật xâm lấn khác làm được. Do đó, các thiết bị cảm biến này tuy không có ngay lập tức nhưng cũng không quá xa vời.

Tế bào ung thư hoạt động khác với tế bào khỏe mạnh và tạo ra các hợp chất hóa học khác nhau khi hoạt động và phát triển. Nếu xâm nhập vào phổi hoặc đường thở của bệnh nhân, các hợp chất này có thể được phát hiện qua hơi thở ra. Theo tiến sĩ Debajit Saha, về lý thuyết, bạn có thể thở vào một thiết bị và nó có thể phát hiện, phân biệt nhiều loại ung thư và cả giai đoạn bệnh. Tuy nhiên, một thiết bị như vậy vẫn được sử dụng thực tế trong môi trường lâm sàng.