TS. Vũ Huy Hoàng và các nhà nghiên cứu của Đại học Griffith (Úc) đã chứng minh rằng hình dạng và đặc tính hóa học bề mặt của các cấu trúc siêu nhỏ với những chóp nhỏ nhô ra giống như mũ nấm của vật liệu có thể điều chỉnh cách tế bào ung thư bám dính, lan rộng và sinh sôi. Kết quả này có thể mở ra triển vọng cho các thử nghiệm chính xác và thiết bị cấy ghép hiệu quả hơn.
Đi tìm vai trò của hình dạng cấu trúc
Ý tưởng nghiên cứu của nhóm TS. Vũ Huy Hoàng bắt nguồn từ kinh nghiệm nghiên cứu lâu năm về vi cấu trúc re-entrant – tức cấu trúc có phần “móc ngược” hay “nấm” – vốn được biết đến với khả năng chống thấm, chống bám dính cực mạnh. “Trong các nghiên cứu trước, chúng tôi nhận thấy những bề mặt này có thể điều chỉnh được cách giọt chất lỏng lan tỏa hoặc bay hơi”, TS. Vũ Huy Hoàng chia sẻ với Báo KH&PT. “Từ đó, chúng tôi nảy ra câu hỏi: liệu các tế bào sống – đặc biệt là tế bào ung thư – có ‘cảm nhận’ được những hình dạng cấu trúc đặc biệt này hay không và liệu chúng phản ứng khác biệt thế nào so với bề mặt phẳng hay hình trụ thông thường?”, anh giải thích.
Thực tế, trên thế giới đã có nhiều công trình khảo sát ảnh hưởng của hình trụ, khe rãnh hay độ nhám nano đến tế bào, nhưng có rất ít nghiên cứu xem xét cấu trúc re-entrant (có phần hốc và mép nhô ra) – dạng cấu trúc tạo ra giới hạn không gian và độ cong tương tự môi trường mô thật.
“Chúng tôi từng công bố các bài báo về tính thấm ướt và độ bền của cấu trúc re-entrant, cũng như ảnh hưởng năng lượng bề mặt của cấu trúc này tới tế bào ung thư vú. Tuy nhiên, tác động kết hợp giữa cấu trúc re-entrant và độ ưa nước/ưa dầu của vật liệu lên hành vi tế bào vẫn là vấn đề chưa được giải quyết”, TS. Vũ Huy Hoàng chia sẻ.
Để đi tìm câu trả lời cho vấn đề này, nhóm đã nghiên cứu và chế tạo các vi cấu trúc dạng nấm với hình dạng tam giác và vi đường song song (microlines). Những cấu trúc này được tạo ra trên hai loại vật liệu: SiO2 (vật liệu ưa nước) và SiC (vật liệu kị nước cực rắn và cực bền) bằng kỹ thuật quang khắc và khắc ion phản ứng (Reactive Ion Etching). Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng nuôi cấy dòng tế bào ung thư vú (MDA-MB-231) có đặc tính xâm lấn mạnh, sau đó định lượng khả năng sống, mật độ bám và quan sát hình thái của tế bào này trên cấu trúc re-entrant bằng huỳnh quang và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Cụ thể, nhóm nghiên cứu nuôi cấy tế bào MDA-MB-231 trên từng loại bề mặt cấu trúc và theo dõi sự phát triển của chúng trong ba ngày, đồng thời sử dụng kính hiển vi huỳnh quang và kính hiển vi điện tử quét để quan sát mức độ lan rộng và cấu trúc tế bào.
“Điểm đặc biệt là nghiên cứu này kết hợp đồng thời hai yếu tố – hình dạng cấu trúc và hóa học bề mặt - giúp tách riêng ảnh hưởng của từng yếu tố lên hành vi cơ học và sinh học của tế bào”, TS. Vũ Huy Hoàng cho biết.
Nhưng việc kết hợp hai yếu tố như vậy không hề đơn giản. “Chúng tôi phải đối mặt với hai thách thức lớn”, TS. Hoàng nhớ lại. Khó khăn thứ nhất là làm thế nào để duy trì cấu trúc re-entrant ổn định, không sập mép khi chế tạo và khó khăn thứ hai là làm sao để phân tích định lượng hình thái của tế bào. Sau thời gian dài đi tìm hướng giải, anh và các cộng sự đã tìm ra giải pháp: tối ưu áp suất và thời gian khắc SF6 cũng như dùng SEM, kính hiển vi huỳnh quang để đo vùng bám và xác định hướng sợi actin (là một thành phần cơ bản của bộ khung tế bào) - giúp rút ra tương quan giữa hình học - độ phủ - tăng sinh.
Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy, tế bào trên bề mặt ưa nước (SiO2) bám và phát triển mạnh hơn nhiều so với SiC, nhờ vào khả năng hấp phụ protein và kích hoạt integrin (một loại protein màng rất quan trọng, hoạt động như “cầu nối” giữa bên trong tế bào và môi trường bên ngoài tế bào) tốt hơn. Những kết quả nghiên cứu mới cũng giúp nhóm đưa ra câu trả lời “hình dạng cấu trúc có ảnh hưởng rõ rệt”, TS. Vũ Huy Hoàng cho biết. Trên cấu trúc tròn, tế bào “ôm theo độ cong” của mũ nấm. Trên cấu trúc đường thẳng, tế bào xếp thẳng hàng dọc song song với nhau, và trên cấu trúc tam giác, tế bào bám mạnh ở đỉnh và cạnh.
Ngược lại, khoảng cách lớn cũng làm tế bào khó “nối cầu”, giảm sự lan rộng và tăng sinh tế bào ung thư. “Những hành vi này phản ánh khả năng ‘cảm nhận cơ học’ (mechanosensing) tinh vi của tế bào trước độ cong và giới hạn không gian - yếu tố từng bị xem nhẹ trong thiết kế vật liệu sinh học”, TS. Vũ Huy Hoàng chỉ ra điểm đáng chú ý. Nghiên cứu này mới đây đã được công bố trong bài báo “ Exploring Cellular Response to Re-Entrant Surface Topographies ” trên tạp chí Advanced Materials Interfaces và còn được chọn để xuất hiện ở mặt sau trang bìa số báo sắp tới.
Trả lời hai câu hỏi mở
“Nghiên cứu này đã đưa ra câu trả lời cho hai câu hỏi lớn trong hai lĩnh vực hoàn toàn khác nhau, một ví dụ đặc trưng cho nghiên cứu đa ngành”, GS.TSKH Nguyễn Nam Trung chia sẻ với Báo KH&PT.
Câu hỏi thứ nhất là về công nghệ bề mặt vật liệu: việc thay đổi cấu trúc nano hay micro của bề mặt vật liệu thì sẽ ảnh hưởng như thế nào đến đặc tính bề mặt?. “Chúng tôi có công nghệ chế tạo các cấu trúc bề mặt chính xác đến kích thước nano và micro, nhỏ hơn sợi tóc từ 100 đến 1000 lần. Tương tác giữa các cấu trúc này với sóng điện từ đã có nhiều ứng dụng, chẳng hạn siêu bề mặt (metasurface) với ứng dụng trong quân sự khiến khí tài tàng hình trong radar điện từ, siêu âm, thậm chí ánh sáng”, GS.TSKH Nguyễn Nam Trung cho biết. “Chúng tôi cũng nghiên cứu tương tác giữa các cấu trúc này với chất lưu. Ứng dụng đơn giản nhất là giảm lực cản dòng chảy, khiến tàu thuyền, máy bay, drone chuyển động ít lãng phí năng lượng. Thiên nhiên đã làm như vậy trên các cấu trúc như da cá mập”. Và cấu trúc siêu nhỏ hình nấm lần này mà TS. Hoàng nghiên cứu đã góp phần trả lời câu hỏi về tương tác siêu bề mặt và chất lưu.
Câu hỏi thứ hai là về lĩnh vực cơ sinh học (mechanobiology): quá trình chuyển đổi sinh hóa của tế bào thay đổi như thế nào dưới tác động cơ học bên ngoài. “Nhóm chúng tôi đã từng nghiên cứu phản ứng của tế bào ung thư với tác động cơ học và phát hiện rằng những dấu hiệu sinh học (biomarkers) liên quan đến chuỗi thông tin cơ - sinh hoá được kích hoạt mạnh khi đều đặn kéo tế bào ung thư một cách cơ học trong một khoảng thời gian. Phát hiện này có ứng dụng để phát hiện ung thư sớm”, GS. TSKH Nguyễn Nam Trung cho biết. “Tương tác giữa siêu bề mặt và tế bào cũng như vậy, tương tác này kích hoạt chuỗi thông tin cơ - sinh hoá, quyết định tương lai của tế bào, chẳng hạn như tế bào ung thư có di căn hay không, hay tế bào gốc chuyển đổi thành loại tế bào/tạng (tissue) nào”.
Với khả năng mô phỏng chính xác hơn môi trường của các khối u thực trong phòng thí nghiệm, phương pháp mới của nhóm TS. Vũ Huy Hoàng mở ra triển vọng cải thiện độ chính xác trong việc thử nghiệm các loại thuốc điều trị ung thư mới.
“Các tế bào không chỉ phản ứng với các hóa chất - chúng còn ‘cảm nhận’ môi trường xung quanh mình”, nhóm nghiên cứu cho biết. “Bằng cách thay đổi hình dạng cấu trúc, khoảng cách và đặc tính hóa học của bề mặt, chúng tôi có thể tác động đến cách các tế bào ung thư ác tính bám dính và phát triển. Điều đó giúp tạo ra các mô hình khối u trong phòng thí nghiệm chân thực hơn để sàng lọc thuốc,
Cách tiếp cận này cũng mở ra khả năng xác định hiệu quả hơn các phương pháp điều trị có thể ngăn chặn tế bào ung thư lan rộng. Trong tương lai, phương pháp này thậm chí có thể được ứng dụng để thiết kế các thiết bị cấy ghép y học hoặc lớp phủ bề mặt khiến tế bào ung thư khó phát triển hơn.“Phương pháp của chúng tôi cho thấy hành vi của tế bào ung thư có thể được điều chỉnh chính xác thông qua độ cong và đặc tính hóa học của các cấu trúc vi mô dạng ‘mũ nấm’”, nhóm nghiên cứu cho biết. Các thiết kế này cũng có độ ổn định cấu trúc cao, cho thấy tiềm năng ứng dụng lâu dài trong các bề mặt sinh học (biointerface).
Trong tương lai, nhóm sẽ mở rộng nghiên cứu sang quan sát động học tế bào bằng phương pháp quan sát tế bào sống (live-cell imaging), phân tích protein kết dính (vinculin, paxillin) để hiểu cơ chế truyền tín hiệu cơ học, và thử nghiệm trên các dòng tế bào khác nhau nhằm đánh giá mức độ phổ quát của phản ứng đối với cấu trúc re-entrant.
Bài đăng KH&PT số 1370 (số 46/2025)
