Đi tìm độ bền của thuốc trong vũ trụ

Tháng 2/2021, khi NASA phóng thành công phi thuyền lên trạm vũ trụ quốc tế ISS, cũng là lúc TS. Trần Nam Nghiệp cùng các cộng sự của mình tại ĐH Adelaide (Úc) có thể thở phào nhẹ nhõm. “Cuối cùng 64 mẫu thuốc của chúng tôi cũng đã bay vào vũ trụ”, TS. Nghiệp chia sẻ.

Những mẫu thuốc này là một phần trong nghiên cứu về độ bền dược học của thuốc trong môi trường không gian do nhóm của GS Volker Hessel và TS Trần Nam Nghiệp thực hiện. Trong bối cảnh cuộc đua không gian giữa các nước đang nóng lên với việc thiết kế, lắp đặt các loại máy móc hiện đại, tân tiến thì một nghiên cứu về độ bền dược phẩm lại có vẻ… nhỏ bé và khiêm tốn hơn hẳn. “Nhưng nó thực sự quan trọng”, TS. Trần Nam Nghiệp giải thích. “Các phi hành gia thường phải đối mặt với các ‘bệnh nghề nghiệp’ đặc thù như tình trạng mất ngủ, đau nhức cơ thể, loãng xương… Bên cạnh thực phẩm, nước uống và khí thở, họ cũng cần thêm dược phẩm để cải thiện sức khỏe nhằm phục vụ cho những chuyến thám hiểm vũ trụ dài ngày.”

Trên thực tế, do những điều kiện ngặt nghèo về áp suất, bức xạ, nhiệt độ…, môi trường không gian ẩn chứa nhiều thách thức với sự tồn tại của hầu hết các loại thuốc thông dụng trên Trái đất, ví dụ như thời hạn sử dụng chỉ còn dưới một năm. Trong khi đó, “tổng thời gian cho một chuyến thám hiểm thường rất dài - chẳng hạn chuyến thám hiểm sao Hỏa sẽ mất từ 21 – 24 tháng. Điều này có thể dẫn đến nguy cơ thiếu hụt các loại thuốc cần thiết”, TS. Trần Nam Nghiệp giải thích. Đó cũng là điều mà NASA dù đã nhận thức được từ lâu nhưng cũng chỉ mới đề ra một phương án giải quyết là bảo quản những dược phẩm phục vụ cho phi hành gia trong các tủ bằng chì - vốn có khối lượng rất lớn và chiếm khá nhiều diện tích.

Sau khi biết được khó khăn này trong một dịp trò chuyện với bà Jana Stoudemire – giám đốc sáng tạo của công ty hàng không Space Tango có trụ sở tại Kentucky (Hoa Kỳ), tháng 9/2019, nhóm nghiên cứu Kỹ thuật Hoá học Bền vững do GS. Volker Hessel và TS. Trần Nam Nghiệp đứng đầu đã đưa ra một quyết định táo bạo: tìm hiểu về độ bền dược học của thuốc trong môi trường không gian nhằm tìm ra biện pháp bảo quản tốt hơn, tăng thời gian và hiệu quả sử dụng thuốc, phục vụ cho các chuyến thám hiểm vũ trụ dài ngày trong tương lai.

Nghiên cứu đã diễn ra không mấy suôn sẻ ngay từ lúc bắt đầu. “Thời điểm chúng tôi triển khai nghiên cứu, cũng là lúc COVID-19 bùng phát tại Nam Úc”, TS. Trần Nam Nghiệp nhớ lại. Tất cả khu vực trong trường đều bị đóng cửa. Cơ sở vật chất bị yêu cầu ngừng sử dụng. Các nhà khoa học đều không được đến phòng thí nghiệm. “NASA đã lên sẵn lịch phóng cả rồi, nếu chúng tôi không gửi những viên thuốc đó đến Mỹ trước ngày 1/9/2020 để họ kiểm tra độ an toàn, cơ hội của chúng tôi sẽ vụt mất”.

Nhóm nghiên cứu đã nỗ lực xoay sở để xin phép trường, động viên nhau đạp xe đến phòng thí nghiệm để thực hiện các bước tạo ra những viên thuốc mẫu đầu tiên, kịp tiến độ của NASA.

Thách thức lớn nhất mà họ phải giải quyết là đảm bảo được sự ổn định của thuốc trong môi trường không gian bởi các viên thuốc sẽ phải tiếp xúc với nhiệt độ, cường độ ánh sáng, độ ẩm khác hẳn, cũng như các tia bức xạ vũ trụ. Thêm vào đó, tình trạng không trọng lực và mức độ phóng xạ cao là hai yếu tố ảnh hưởng nặng nề đến độ bền của thuốc. Trước đây, cả nhóm đều chủ yếu thực hiện các đề tài về năng lượng bền vững, dược phẩm, kỹ thuật vi lỏng - chứ chưa từng làm nghiên cứu nào liên quan đến vũ trụ; bản thân nước Úc cũng chưa có thiết bị nào mô phỏng tình trạng không trọng lực. “Chúng tôi phải thiết kế mọi thứ từ đầu”, TS. Nghiệp chia sẻ về quyết định bước vào một địa hạt còn mới mẻ với chính nhóm mình, thậm chí với chính Úc.

Thử nghiệm đầu tiên mà cả nhóm chọn Ibuprofen - một trong những loại thuốc giảm đau, hạ sốt phổ biến nhất thế giới với tổng giá trị thị trường lên tới 573 triệu USD (2019) - làm loại thuốc thử nghiệm đầu tiên. Vì sao lại là Ibuprofen? Theo TS. Nghiệp, đây là loại thuốc cần thiết cho các phi hành gia nhằm chống lại tình trạng đau nhức cơ (do cột sống bị kéo giãn trong môi trường không trọng lực), đau đầu (do mất ngủ), hoặc các cơn đau phát sinh từ các va chạm cơ học. Ngoài ra, Ibuprofen đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ nên có cơ sở dữ liệu tương đối đầy đủ để phục vụ cho việc nghiên cứu chuyên sâu. “Trước hết, cần hiểu thông thường một viên thuốc ngoài thành phần hoạt tính (API, trong trường hợp này là ibuprofen) còn chứa thêm tá dược (excipients) hay còn gọi là các chất phụ gia”, anh giải thích về cách tiếp cận của nhóm. “Bằng cách thay đổi thành phần tá dược, ví dụ như thêm vào một lượng rất nhỏ oxit sắt để tạo lớp phủ trên bề mặt viên thuốc, sẽ giúp bảo vệ thành phần hoạt tính, chống lại các tia bức xạ và cường độ ánh sáng mặt trời.”

Để mô phỏng môi trường không trọng lực, nhóm đã phải huy động tiền để mua thiết bị mô phỏng đắt đỏ từ Airbus. Thêm vào đó, họ còn phải xoay sở tìm kiếm các loại tia tử ngoại, bức xạ - yếu tố quan trọng gây phân hủy thuốc. “May mắn là chúng tôi đã liên hệ được với Bệnh viện Hoàng gia Nam Úc, họ sẽ hỗ trợ chúng tôi những thiết bị phát tia điều trị cho bệnh nhân ung thư.” Bước đầu thử nghiệm cho thấy Ibuprofen dễ bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng và các tia bức xạ vũ trụ như tia alpha, beta, gamma… . Ở nhiệt độ 100°C, Ibuprofen hầu như bị phân hủy hoàn toàn sau 24 giờ. Vậy có cách nào để làm chậm tốc độ phân hủy của thuốc hay không?

Theo cách như vậy, họ đã xây dựng nhiều mô hình mô phỏng khác nhau của Ibuprofen, sau đó là quá trình thử nghiệm liên tục với các tỷ lệ khác nhau với chênh lệch từng milligram oxit sắt, oxit titan v.v. cho thành phần của thuốc. Sau đó, những mẫu thuốc này được đưa vào thiết bị phát xạ và thiết bị mô phỏng môi trường không trọng lực để theo dõi mức độ phân hủy trong thành phần hoạt tính. Quá trình này cũng giúp họ xác định được thuốc viên nén chính là dạng bào chế tối ưu nếu muốn gia tăng thời hạn bảo quản thuốc, trong khi đó thuốc dạng lỏng và dạng con nhộng dù dễ tiêu hóa hơn nhưng lại rất khó bảo quản. Sau nhiều tháng cần mẫn, liên tục điều chỉnh thuốc với các tỷ lệ tá dược khác nhau, theo dõi tình trạng thuốc khi đưa vào các thiết bị mô phỏng, cuối cùng nhóm cũng đã tìm ra 64 mẫu thuốc tối ưu có thể kháng được các tia tử ngoại, bức xạ để gửi lên trạm ISS. “Những mẫu thuốc này đã được chọn lọc dựa trên tiêu chí: không bị phân hủy, giữ được thành phần hoạt tính”, anh lưu ý.

Nhóm đã chia sẵn các mẫu thuốc ra làm hai gói: một gói được các nhà du hành giữ bên trong trạm ISS, một gói khác sẽ được đặt lên một cánh tay robot đưa ra ngoài không gian bên ngoài - không lớp bảo vệ. Điều này đồng nghĩa với việc gói thuốc thứ hai sẽ phải trực tiếp tiếp xúc với tia bức xạ, cường độ ánh sáng lớn, nhiệt độ và môi trường khắc nghiệt. Tháng 9/2020, những viên thuốc cuối cùng cũng đã kịp gửi sang Mỹ để phóng lên trạm ISS. “Chúng sẽ ở trên vũ trụ trong vòng sáu tháng, đó cũng là sáu tháng để chúng tôi chuẩn bị cho các bước tiếp theo”, TS. Nghiệp chia sẻ.

Những bước tiếp theo, không phải nhóm nghiên cứu chỉ cần chờ viên thuốc về đến Trái đất để ‘mổ xẻ’ thôi sao? “Ồ không, chúng tôi chỉ mới xong phần sơ khởi thôi, giai đoạn sau sẽ có rất nhiều việc phải làm”, anh giải thích.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã có một số thiết bị hiện đại mô phỏng môi trường không gian, xây dựng được một đội ngũ thực hiện các công việc kỹ thuật để tăng cường chất lượng sống cho các nhà du hành vũ trụ. Trong thời gian chờ đợi, nhóm cũng đã nghiên cứu và chế tạo thành công một con chip có thể tự động tiến hành các phản ứng trong môi trường không gian.. “Thông qua một con chip nhỏ xíu, chúng ta có thể nghiên cứu quá trình thuốc phân hủy bên trong cơ thể người và hiệu quả của nó diễn ra như thế nào”, anh bật mí về công trình mới đây của mình. Sau khi đã làm pilot trên những con chip, nhóm nghiên cứu sẽ thảo luận với các đối tác để tiến hành giai đoạn thử nghiệm trên chuột.

Những thiết bị lẫn nghiên cứu này sẽ góp phần vào một hệ sinh thái nghiên cứu về vũ trụ đang manh nha hình thành tại chính Đại học Adelaide, trong bối cảnh Cơ quan hàng không vũ trụ Úc chính thức được tái thiết lập và đặt trụ sở tại Adelaide, Nam Úc vào năm 2018 vừa qua sau hàng chục năm ngừng hoạt động.

Vậy số phận của những viên thuốc hiện tại ra sao? “Chúng tôi chưa hề bỏ lửng nó”, TS. Trần Nam Nghiệp khẳng định. Sau 6 tháng ‘du hành’, tháng 9/2021, NASA đã gửi 64 mẫu thuốc trở lại phòng thí nghiệm của Đại học Adelaide để các nhà khoa học tiếp tục các bước nghiên cứu tiếp theo. Sau một thời gian ổn định thuốc, hiện tại nhóm vẫn đang tiến hành phân tích các mẫu thuốc để xem xét tình trạng thành phần hoạt tính.

Kết quả sơ bộ cho thấy các mẫu thuốc được đưa ra ngoài trạm vũ trụ ISS có dấu hiệu bị phân hủy nhanh hơn so với các mẫu thuốc được giữ lại bên trong. Ngoài ra, việc thay đổi thành phần tá dược bước đầu cho thấy hiệu quả trong việc bảo vệ thành phần hoạt tính trước sự ảnh hưởng của các tia bức xạ vũ trụ và môi trường không trọng lực. “Tuy nhiên, câu hỏi lớn nhất đó là lớp oxit kim loại bao bọc thuốc cũng như việc thay đổi thành phần hóa dược có thực sự giúp gia tăng độ bền của thuốc, bảo vệ thành phần hoạt tính hay không. Do đó, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để đưa ra kết luận cuối cùng”, TS. Trần Nam Nghiệp chia sẻ một cách thận trọng, “đó là câu hỏi quan trọng, và hiện tại các thành viên trong nhóm nghiên cứu vẫn đang ngày đêm giải mã nó.”