Gai titan siêu nhỏ 'xiên nát' siêu vi khuẩn kháng thuốc

Một nghiên cứu mới cho thấy bề mặt gồ ghề có cấu trúc siêu nhỏ lấy cảm hứng từ các gai diệt vi khuẩn trên cánh côn trùng có thể hiệu quả hơn trong việc chống lại các siêu vi khuẩn kháng thuốc, bao gồm cả nấm, so với những hiểu biết trước đây.Tỉ lệ nhiễm trùng do kháng thuốc ngày càng tăng khiến chuyên gia y tế trên toàn cầu lo ngại.

Để tránh nhiễm trùng quanh những chỗ cấy ghép, chẳng hạn như hông titan hay phục hình nha khoa, bác sĩ thường sử dụng một loạt các lớp phủ kháng khuẩn, hóa chất và kháng sinh, nhưng các biện pháp này không ngăn chặn được các chủng kháng kháng sinh và thậm chí còn có thể khiến các chủng này mạnh hơn.

Nhằm giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học từ Đại học RMIT đã thiết kế một mô hình gai siêu nhỏ có thể khắc lên titan cấy ghép hoặc các bề mặt khác, nhằm bảo vệ bệnh nhân trước cả vi khuẩn và nấm một cách hiệu quả mà không cần dùng thuốc.

Một tế bào Candida còn nguyên vẹn trên bề mặt titan được đánh bóng (trái) và một tế bào Candida bị vỡ trên bề mặt titan có gai vi mô (phải).

Nghiên cứu của nhóm được công bố trên tạp chí Advanced Materials Interfaces đã kiểm tra tính hiệu quả của bề mặt titan được hiệu chỉnh này trong việc tiêu diệt Candida đa kháng thuốc - một loại nấm có thể gây tử vong và là nguyên nhân dẫn đến một trong mười loại nhiễm trùng thiết bị y khoa trong bệnh viện.

Các gai được thiết kế đặc biệt: mỗi gai có chiều cao tương tự như một tế bào vi khuẩn và có khả năng phá hủy khoảng một nửa số tế bào gây hại ngay khi tiếp xúc.

Đáng chú ý, hơn nửa số tế bào nấm gây hại còn lại bám trên bề mặt dù không bị tiêu diệt ngay lập tức nhưng đều không thể sóng sót do bị thương tích, khiến chúng không thể sinh sản hay gây ra nhiễm trùng.

Tiến sĩ Denver Linklater, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ đồng thời là nghiên cứu viên chính của nhóm đến từ Khoa Khoa học Đại học RMIT, cho biết các phân tích chuyển hóa hoạt động protein cho thấy cả nấm Candida albicans và nấm Candida auris (một loại nấm kháng đa thuốc) bị thương tích rồi sẽ chết.  “Các tế bào Candida bị tổn thương tiếp tục trải qua áp lực trao đổi chất diện rộng trong khoảng thời gian lên tới bảy ngày. Điều này chặn đứng quy trình sinh sản tạo ra màng sinh học nấm chết người", Tiến sĩ Linklater phân tích. 

“Ngay cả trong một môi trường không áp lực thì chúng cũng không thể được hồi sinh và cuối cùng ngừng hoạt động trong một quá trình được gọi là apoptosis hay tế bào chết theo lập trình - programmed cell death”.

Một tế bào Candida bị vỡ trên bề mặt titan có gai siêu nhỏ, phóng đại 25.000 lần.

Hiệu quả của bề mặt gai titan trong việc chống lại các vi khuẩn gây bệnh thông thường, bao gồm tụ cầu vàng, đã được chứng minh trong một nghiên cứu trước đó được công bố trên tạp chí Materialia.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Elena Ivanova cho biết những phát hiện mới nhất giúp làm sáng tỏ cách thiết kế bề mặt kháng nấm nhằm ngăn chặn việc hình thành màng sinh học từ các loại nấm men nguy hiểm, đa kháng thuốc.“Thực tế các tế bào chết ngay sau khi tiếp xúc lần đầu với bề mặt gai titan – một số do bị đâm vỡ ngay sau khi tiếp xúc và số khác do quy trình “tế bào chết theo lập trình” ngay sau đó – cho thấy chúng không thể kháng cự thêm nữa”, Giáo sư nói.

“Đây là một phát hiện quan trọng và cho thấy chúng ta có thể cần xem xét lại cách đo lường tính hiệu quả của các bề mặt kháng khuẩn”.

Việc thiết kế bề mặt có khả năng tiêu diệt siêu vi khuẩn ngay khi tiếp xúc đã có những bước tiến trong thập kỷ qua. Tuy nhiên, việc tìm ra các mẫu bề mặt phù hợp nhằm loại bỏ 100% vi khuẩn, tức không cho vi khuẩn nào có cơ hội sống sót để trở nên kháng kháng sinh, vẫn đang là một thách thức.

“Nghiên cứu mới nhất của chúng tôi cho thấy rằng có thể không cần thiết phải loại bỏ tất cả các mầm bệnh ngay khi tiếp xúc nếu có thể chỉ ra rằng những bề mặt này sẽ khiến các tế bào sống sót chết theo lập trình, nghĩa là kiểu gì chúng cũng chết”.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu vật liệu diệt khuẩn cơ học đa chức năng của Đại học RMIT đã dẫn đầu thế giới về phát triển các bề mặt kháng khuẩn lấy cảm hứng từ các trụ nano bao phủ cánh chuồn chuồn và ve sầu.

Nhóm nghiên cứu vật liệu diệt khuẩn cơ học đa chức năng: Denver Linklater, Lê Hoàng Phúc, Elena Ivanova, Arturo Aburto-Medina, Karolline De Sousa.

Bản thân Giáo sư Ivanova là một trong những người đầu tiên quan sát thấy khi vi khuẩn xuất hiện trên cánh côn trùng, các mô hình trụ nano trên cánh sẽ xé những tế bào này ra và làm vỡ màng tế bào, khiến tế bào bị chết.

Giáo sư giải thích: “Giống như kéo căng một chiếc găng tay cao su. Khi kéo dãn từ từ, điểm yếu nhất trong mủ cao su sẽ trở nên mỏng hơn và cuối cùng sẽ rách”.

Nhóm của bà đã dành cả thập kỷ qua để sao chép các trụ nano của côn trùng thành các mẫu nano có thể sử dụng trong nghiên cứu. Tiến bộ mới nhất đạt được nhờ sử dụng một kỹ thuật mang tên “khắc plasma" để tạo ra mô hình kháng khuẩn và kháng nấm trên bề mặt titan. Giáo sư Ivanova cho biết kỹ thuật khắc tương đối đơn giản nên có thể được tối ưu hóa và áp dụng cho nhiều loại vật liệu và ứng dụng.

“Kỹ thuật biến đổi bề mặt mới này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị y tế, nhưng cũng có thể dễ dàng điều chỉnh cho các ứng dụng nha khoa hoặc cho các vật liệu khác như băng ghế bằng thép dùng trong sản xuất thực phẩm và nông nghiệp”, bà nói.