Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường loại 1 là một trong những bệnh mạn tính có tỷ lệ mắc ngày càng tăng, gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống người bệnh. Theo ước tính, việc kiểm soát nồng độ insulin trong máu một cách ổn định là thách thức lớn trong điều trị, do phương pháp tiêm insulin truyền thống thường gây ra hiện tượng bùng phát thuốc đột ngột, dẫn đến tác dụng phụ và hiệu quả điều trị không tối ưu. Luận văn này tập trung nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hệ hạt micro chitosan mang insulin (CINs) kết hợp với hydrogel nhạy pH và nhiệt độ pentablock OS-PLA-PEG-PLA-OS nhằm tạo ra hệ vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát giải phóng insulin hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đánh giá hệ complex gel từ pentablock copolymer nhạy pH/nhiệt độ và hạt chitosan mang insulin, khảo sát khả năng chuyển pha sol-gel, độ nhớt, thế zeta, tương thích sinh học in vitro và phân hủy sinh học in vivo, đồng thời đánh giá hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường loại 1 trên mô hình chuột bị gây bệnh bằng streptozotocin (STZ). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và phòng thí nghiệm tại Hàn Quốc.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển hệ vận chuyển insulin có khả năng tiêm dưới da, hạn chế bùng phát thuốc ban đầu, duy trì nồng độ insulin trong ngưỡng điều trị kéo dài trên 60 giờ, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu chi phí cho bệnh nhân tiểu đường loại 1.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về hydrogel nhạy pH và nhiệt độ, và nguyên lý tạo hạt bằng phương pháp electrospraying.

  1. Hydrogel nhạy pH/nhiệt độ: Hydrogel là mạng lưới polymer có khả năng hấp thụ nước và thay đổi thể tích theo các kích thích môi trường như pH và nhiệt độ. Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS được tổng hợp với các khối nhạy pH (oligomer serine chứa nhóm sulfonamide) và nhạy nhiệt (PLA-PEG-PLA) cho phép chuyển pha sol-gel khi thay đổi pH và nhiệt độ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêm và định hình gel dưới da. Các khái niệm chính bao gồm chuyển pha sol-gel, thế zeta, độ nhớt, và phân hủy sinh học của hydrogel.

  2. Phương pháp electrospraying tạo hạt chitosan mang insulin (CINs): Electrospraying sử dụng điện áp cao để phân tán dung dịch polymer thành các hạt nano-micromet có kích thước đồng đều. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng hạt gồm nồng độ polymer, dung môi, hiệu điện thế, lưu lượng phun và khoảng cách bay hơi dung môi. Hạt chitosan mang insulin được tạo ra với kích thước trung bình khoảng 268,2 ± 138,5 nm, đảm bảo khả năng bao bọc và giải phóng insulin hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp pentablock copolymer, tạo hạt CINs, đánh giá tính chất vật lý hóa học, tương thích sinh học in vitro trên dòng tế bào 293T và RAW 264.7, khảo sát phân hủy sinh học và giải phóng thuốc in vivo trên mô hình chuột BALB/c bị tiểu đường loại 1 do STZ gây bệnh.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái hạt và cấu trúc gel, phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) đo kích thước hạt và thế zeta, sắc ký gel (GPC) xác định phân tử khối, cộng hưởng từ hạt nhân (^1HNMR) phân tích cấu trúc hóa học, bộ thử đường huyết và ELISA đo nồng độ glucose và insulin trong huyết tương chuột.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đánh giá vật liệu từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2020, thực hiện thí nghiệm in vitro và in vivo từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình in vivo sử dụng 20 con chuột BALB/c, chia thành 5 nhóm (mỗi nhóm 4 con) với các tỷ lệ khác nhau của hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS để đánh giá hiệu quả điều trị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS với trọng lượng phân tử trung bình Mn = 4130 g/mol, độ phân tán PDI = 1,203, cho thấy vật liệu có tính đồng nhất cao. Hạt CINs được tạo ra với kích thước trung bình 268,2 ± 138,5 nm, phân bố đồng đều (n=505 hạt).

  2. Khả năng chuyển pha sol-gel và độ nhớt: Pentablock copolymer và hệ CINs-pentablock thể hiện chuyển pha sol-gel nhạy pH và nhiệt độ, với độ nhớt tăng đáng kể ở pH 7,4 và 8,9, phù hợp cho việc tiêm và định hình gel dưới da.

  3. Tương thích sinh học in vitro: Hệ vật liệu không gây độc tế bào trên dòng 293T và RAW 264.7 với tỷ lệ sống tế bào trên 85% ở nồng độ cao 1000 μg/mL, chứng minh tính an toàn cho ứng dụng y sinh.

  4. Phân hủy sinh học in vivo: Sau 7 ngày, khoảng 83% khối gel còn lại, giảm xuống còn dưới 30% sau 3 tuần, cho thấy hydrogel có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với thời gian điều trị. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp và phân bố hạt chitosan đồng đều trong gel.

  5. Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên chuột: Nồng độ glucose trong máu giảm rõ rệt và duy trì ổn định trên 60 giờ sau tiêm hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS với tỷ lệ 3,75wt% CINs, so với nhóm tiêm insulin tự do và nhóm chỉ dung dịch pentablock. Nồng độ insulin trong huyết tương cũng duy trì ở mức ổn định, đồng thời trọng lượng cơ thể chuột được duy trì tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự phối hợp giữa hydrogel nhạy pH/nhiệt độ và hạt chitosan mang insulin tạo ra hệ vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát giải phóng insulin hiệu quả, hạn chế hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu. Độ nhớt và thế zeta của hệ complex gel cho thấy sự tương tác tĩnh điện ổn định giữa các thành phần, góp phần duy trì cấu trúc gel và kiểm soát giải phóng thuốc. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hệ pentablock copolymer này có ưu thế về khả năng phân hủy sinh học nhanh hơn và hiệu quả điều trị kéo dài hơn, phù hợp với phác đồ điều trị tiểu đường loại 1.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nồng độ glucose và insulin theo thời gian, bảng so sánh tỷ lệ sống tế bào và hình ảnh SEM cấu trúc gel để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất hệ complex gel quy mô lớn nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm, hướng tới ứng dụng lâm sàng trong 1-2 năm tới, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành và doanh nghiệp dược phẩm thực hiện.

  2. Nghiên cứu mở rộng thử nghiệm in vivo trên các mô hình động vật lớn hơn để đánh giá tính an toàn và hiệu quả lâu dài, dự kiến trong vòng 2-3 năm, do các trung tâm nghiên cứu y sinh và trường đại học đảm nhiệm.

  3. Tối ưu hóa tỷ lệ hạt chitosan và pentablock copolymer để điều chỉnh thời gian giải phóng insulin phù hợp với từng nhóm bệnh nhân, thực hiện trong 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu và dược lý phối hợp thực hiện.

  4. Xây dựng phác đồ điều trị kết hợp hệ vận chuyển thuốc với các liệu pháp hỗ trợ khác nhằm nâng cao hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1, triển khai trong 1-2 năm, do các bệnh viện chuyên khoa và trung tâm nghiên cứu lâm sàng thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật vật liệu và dược học: Nghiên cứu về vật liệu polymer sinh học, hydrogel nhạy pH/nhiệt độ và ứng dụng trong vận chuyển thuốc.

  2. Chuyên gia phát triển dược phẩm và công nghệ sinh học: Áp dụng công nghệ electrospraying và thiết kế hệ vận chuyển thuốc kiểm soát giải phóng.

  3. Bác sĩ và nhà lâm sàng chuyên về bệnh tiểu đường: Hiểu rõ cơ chế và tiềm năng ứng dụng hệ vận chuyển insulin mới trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1.

  4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật vật liệu, công nghệ sinh học và y dược: Tham khảo phương pháp tổng hợp, đánh giá vật liệu và thiết kế thí nghiệm in vitro, in vivo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ hạt micro chitosan mang insulin có ưu điểm gì so với tiêm insulin truyền thống?
    Hệ hạt CINs giúp kiểm soát giải phóng insulin chậm và ổn định, giảm hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu, từ đó giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị kéo dài trên 60 giờ.

  2. Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS có tính nhạy pH và nhiệt độ như thế nào?
    Pentablock copolymer chuyển pha sol-gel khi pH và nhiệt độ thay đổi, tạo gel định hình dưới da, giúp giữ hạt chitosan và kiểm soát giải phóng thuốc hiệu quả.

  3. Phương pháp electrospraying ảnh hưởng thế nào đến kích thước hạt?
    Kích thước hạt phụ thuộc vào nồng độ polymer, dung môi, hiệu điện thế và lưu lượng phun. Điều chỉnh các yếu tố này giúp tạo hạt đồng đều kích thước trung bình khoảng 268 nm.

  4. Khả năng tương thích sinh học của hệ complex gel được đánh giá ra sao?
    Hệ vật liệu không gây độc tế bào trên dòng 293T và RAW 264.7 với tỷ lệ sống trên 85%, đồng thời không gây viêm sưng khi tiêm dưới da chuột, chứng minh tính an toàn cao.

  5. Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên mô hình chuột được thể hiện như thế nào?
    Nồng độ glucose trong máu giảm và duy trì ổn định trên 60 giờ, nồng độ insulin huyết tương ổn định, trọng lượng cơ thể chuột được duy trì tốt hơn so với nhóm tiêm insulin tự do.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS và hạt micro chitosan mang insulin với kích thước hạt trung bình 268,2 ± 138,5 nm.
  • Hệ complex gel thể hiện khả năng chuyển pha sol-gel nhạy pH/nhiệt độ, độ nhớt và thế zeta phù hợp cho ứng dụng tiêm dưới da.
  • Tương thích sinh học in vitro và phân hủy sinh học in vivo chứng minh tính an toàn và khả năng phân hủy phù hợp với thời gian điều trị.
  • Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên chuột được cải thiện rõ rệt với nồng độ glucose và insulin duy trì ổn định trên 60 giờ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển hệ vận chuyển insulin kiểm soát giải phóng, góp phần nâng cao chất lượng điều trị và giảm chi phí cho bệnh nhân.

Hành động tiếp theo: Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng quy mô, tối ưu hóa công thức và tiến hành thử nghiệm lâm sàng để ứng dụng thực tiễn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm quan tâm hợp tác phát triển sản phẩm.

Trân trọng giới thiệu luận văn này đến cộng đồng khoa học và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu, công nghệ sinh học và y dược nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1.