Biochip bắt chước võng mạc của con người

Một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế, do giáo sư Đức Francesca Santoro dẫn đầu, đã phát triển một con chip sinh học mô phỏng võng mạc của con người. Sự đổi mới này là một phần trong nỗ lực rộng lớn hơn trong lĩnh vực điện tử sinh học nhằm sửa chữa các rối loạn chức năng của cơ thể và não.

Việc tạo ra con chip này là thành quả hợp tác giữa nhóm chuyên gia từ trung tâm nghiên cứu Đức Forschungszentrum Jlich (FZJ), Đại học RWTH Aachen, Istituto Italiano di Tecnologia và Đại học Naples (Italy). Sự kết hợp giữa con người và máy móc là hình ảnh thu nhỏ của một câu chuyện khoa học viễn tưởng.

Trong đời thực, những bước đầu tiên hướng tới những người máy như vậy đã được thực hiện từ lâu: con người có máy tạo nhịp tim để điều trị chứng rối loạn nhịp tim hoặc cấy ghép ốc tai điện tử cải thiện thính giác và cấy ghép võng mạc giúp những người gần như mù có thể nhìn thấy ít nhất một chút. Một con chip mới giúp cấy ghép võng mạc kết hợp tốt hơn với cơ thể con người trong tương lai. Nó dựa trên các polyme dẫn điện và phân tử nhạy cảm với ánh sáng được sử dụng để mô phỏng võng mạc, hoàn chỉnh với các con đường thị giác. Nó được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Francesca Santoro tại Viện Điện tử sinh học (IBI-3) của Jlich phối hợp với Đại học RWTH Aachen (Đức), Istituto Italiano di Tecnologia ở Genoa và Đại học Naples.

Santoro, Giáo sư về Giao diện Điện tử Thần kinh tại Đại học RWTH Aachen và cũng là nhà nghiên cứu thỉnh giảng tại Istituto Italiano di Tecnologia, giải thích: “Chất bán dẫn hữu cơ của chúng tôi nhận biết được lượng ánh sáng chiếu vào nó. Một cái gì đó tương tự xảy ra trong mắt chúng ta. Lượng ánh sáng chiếu vào các cơ quan cảm quang riêng lẻ cuối cùng sẽ tạo ra hình ảnh trong não”.

Chip đa năng

Điều đặc biệt ở chất bán dẫn mới là bao gồm hoàn toàn các thành phần hữu cơ không độc hại, linh hoạt và hoạt động với các ion - nghĩa là với nguyên tử hoặc phân tử tích điện. Do đó, nó có thể được tích hợp vào hệ thống sinh học tốt hơn nhiều so với thành phần bán dẫn thông thường làm bằng silicon, vốn cứng và chỉ hoạt động với các điện tử. Santoro nhấn mạnh: “Tế bào cơ thể chúng ta đặc biệt sử dụng ion để kiểm soát những quá trình nhất định và trao đổi thông tin. Tuy nhiên, cho đến nay, sự phát triển này mới chỉ là bằng chứng về khái niệm. Chúng tôi có thể chứng minh rằng các đặc tính điển hình của võng mạc có thể được mô phỏng bằng vật liệu này và sau đó được tổng hợp và mô tả”.

Nhóm nhà nghiên cứu đang nghĩ đến một ứng dụng khả thi khác: con chip này cũng có thể hoạt động như một khớp thần kinh nhân tạo khi chiếu xạ ánh sáng làm thay đổi độ dẫn điện của polyme được sử dụng trong thời gian ngắn và dài hạn. Các khớp thần kinh thực sự hoạt động theo cách tương tự: bằng cách truyền tín hiệu điện, chúng thay đổi kích thước và hiệu quả, chẳng hạn, đây là cơ sở cho khả năng học tập và ghi nhớ của não chúng ta. Santoro đang hướng tới tương lai: “Trong loạt thí nghiệm trong tương lai, chúng tôi muốn ghép các thành phần với tế bào sinh học và kết nối nhiều tế bào riêng lẻ lại với nhau”.

Hiểu về tế bào thần kinh

Ngoài võng mạc nhân tạo, nhóm của Santoro đang phát triển những phương pháp tiếp cận khác cho chip điện tử sinh học có thể tương tác theo cách tương tự với cơ thể con người - đặc biệt là tế bào của hệ thần kinh. “Một mặt, chúng tôi đang cố gắng tái tạo cấu trúc ba chiều của tế bào thần kinh và mặt khác, chúng tôi cũng đang cố gắng tái tạo các chức năng của chúng, chẳng hạn như xử lý và lưu trữ thông tin”. Các polyme sinh học mà họ sử dụng trong võng mạc nhân tạo đã được chứng minh là nguyên liệu ban đầu phù hợp cho việc này.

Santoro giải thích: “Chúng tôi có thể sử dụng chúng để tái tạo cấu trúc phân nhánh của tế bào thần kinh con người với nhiều nhánh nhánh của chúng. Bạn có thể tưởng tượng nó hơi giống một cái cây. Điều này rất quan trọng vì tế bào thực thích các cấu trúc ba chiều phân nhánh như vậy hơn là làm nhẵn các bề mặt và do đó thiết lập các tiếp xúc chặt chẽ với các cấu trúc nhân tạo”. Thứ nhất, các chip sinh học khác nhau được sử dụng để nghiên cứu tế bào thần kinh thực sự - ví dụ như trao đổi thông tin trong tế bào.

Thứ hai, nhóm của Santoro hy vọng một ngày nào đó họ sẽ có thể sử dụng các thành phần của mình để can thiệp tích cực vào quá trình giao tiếp của tế bào nhằm kích hoạt một số hiệu ứng nhất định. Ví dụ, Santoro đang nghĩ đến việc sửa chữa những lỗi trong quá trình xử lý và truyền thông tin xảy ra trong bệnh thoái hóa thần kinh như bệnh Parkinson hoặc Alzheimer hoặc cơ quan hỗ trợ không còn hoạt động bình thường. Ngoài ra, những bộ phận như vậy cũng có thể đóng vai trò là bề mặt tiếp xúc giữa các chi hoặc khớp nhân tạo.

Công nghệ máy tính cũng có thể được hưởng lợi. Do đặc tính của chúng, con chip được định sẵn sẽ đóng vai trò là phần cứng cho mạng lưới thần kinh nhân tạo. Cho đến nay, chương trình trí tuệ nhân tạo (AI) vẫn đang làm việc với các bộ xử lý cổ điển không thể điều chỉnh cấu trúc của chúng. Chúng chỉ đơn thuần bắt chước nguyên tắc hoạt động tự học của việc thay đổi mạng lưới thần kinh bằng phần mềm phức tạp. Điều này rất kém hiệu quả. Santoro cho biết tế bào thần kinh nhân tạo có thể khắc phục sự thiếu hụt trước đây: “Chúng sẽ cho phép công nghệ máy tính bắt chước cách thức hoạt động của não ở mọi cấp độ”.