Kim loại lỏng: Vũ khí mới chống siêu vi khuẩn

Hiện nay, có một thực tế là sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh và thuốc đang đặt ra những thách thức lớn làm ảnh hưởng đến cuộc sống con người. Theo ước tính của một nghiên cứu trên tạp chí Plos Medicine, các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng kháng sinh gây ra đã cướp đi sinh mạng của 700.000 người mỗi năm. Con số này được dự đoán sẽ tăng lên 10 triệu vào năm 2050 nếu vi khuẩn kháng thuốc tiếp tục phát triển với tốc độ như cũ.

Tại Việt Nam, kháng kháng sinh đã trở thành một trong những vấn đề vô cùng nghiêm trọng. Trong hội nghị khoa học toàn quốc năm 2017, một nhóm các bác sỹ đã bày tỏ lo ngại về tình trạng các cơ sở khám chữa bệnh tuyến cuối như Bệnh viện Bệnh Nhiệt đới Trung ương, Bạch Mai, Nhi Trung ương, Phổi Trung ương… đang phải đối mặt với tốc độ lan rộng của những vi khuẩn đa kháng (kháng 2 nhóm kháng sinh trở lên) và toàn kháng (kháng với tất cả kháng sinh). Theo báo cáo, tỉ lệ kháng thuốc của nhóm vi khuẩn đường ruột E.coli ở Việt Nam đã lên tới 30-40%, kháng luôn cả kháng sinh mạnh nhất là colistin. Tại một số tỉnh phía Nam, tỉ lệ kháng thuốc của E.coli lên tới hơn 74%. Tỉ lệ kháng của vi khuẩn gây nhiễm trùng K. pneumoniae lên tới gần 60%; trong khi vi khuẩn gây nhiễm khuẩn bệnh viện A.baumannii kháng với hầu hết các loại kháng sinh ở mức trên 90%.

Trong bối cảnh như vậy, các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Flinders (Úc) đang kỳ vọng vào một giải pháp mới - kết hợp các kim loại lỏng để tạo thành một “vũ khí bí mật” tiềm năng trong cuộc chiến toàn cầu chống lại tình trạng kháng kháng sinh - vốn đã khiến cho một số loại thuốc kháng sinh trở nên bất lực trước các ‘siêu vi khuẩn’. Mới đây, nhóm nghiên cứu đã trình bày những đánh giá của mình trong bài báo “Gallium Liquid Metal: Nanotoolbox for Antimicrobial Applications” mới đăng tải trên tạp chí ACS Nano.

Khả năng kết hợp và ứng dụng đa dạng

Theo các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm kỹ thuật nano y sinh của Đại học Flinders, Đại học Sydney (Úc) và Đại học bang Bắc Carolina (Mỹ), phương pháp mới này có liên quan đến việc thử nghiệm các hạt kim loại lỏng có kích thước nano, có nguồn gốc từ Gallium (GaLM) và đã cho thấy khả năng cải thiện tính tương thích sinh học cũng như có độc tính tế bào thấp đối với các tế bào có thể được áp dụng làm chất chống vi khuẩn an toàn và hiệu quả.

Xuất phát từ việc nghiên cứu về kim loại tồn tại ở thể lỏng, TS. Trương Vĩ Khánh - nhà nghiên cứu tại Đại học Flinders - tác giả chính của bài báo mới trên ACS Nano - và các đồng nghiệp nhận thấy: những hợp kim bắt nguồn từ Gallium là những hợp chất không độc, ngoài ra, chúng còn có những đặc điểm hóa - lý rất thú vị, hữu ích như tính dẫn điện tốt, tính dẻo, khả năng chịu nhiệt cao,... Về phương diện sinh học, những hợp chất này lại còn có tính chất kháng khuẩn. Thêm vào đó, “việc tạo các hạt GaLMs khá đơn giản. Khi chúng tôi áp dụng sóng siêu âm để tương tác với các GaLMs trong dung dịch, quá trình này sẽ tạo ra các hạt có kích thước nhỏ với cấu trúc bao gồm lớp oxit bên ngoài bao trọn lớp chất lỏng bên trong. Khi tác dụng lực, như nghiền, ép, thì chất lỏng bên trong sẽ chảy ra, tạo thành kết nối dẫn điện”, TS. Khánh từng chia sẻ với Báo KH&PT về một ứng dụng của kim loại lỏng này trong vải thông minh kháng khuẩn, tự lành và đo được nhịp tim.

“Gallium ở trạng thái lỏng là một trong những ứng cử viên hứa hẹn nhất để làm chất chống vi khuẩn và có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau dưới dạng một kim loại lỏng”, TS. Khánh cho biết trong thông cáo báo chí của Đại học Flinders. “Trạng thái lỏng của GaLM giúp nó dễ dàng kết hợp với các thành phần khác hoặc có chức năng để tạo ra nhiều dạng kim loại kháng khuẩn hiệu quả hơn”.

“Thêm vào đó, gallium dường như tương thích với tế bào người ở các nồng độ có liên quan đến hoạt động kháng khuẩn của nó, do đó một ngày nào đó, kim loại này có thể sẽ được dùng thông qua đường uống hoặc tiêm tĩnh mạch”, TS. Khánh cho biết thêm về tiềm năng của gallium.

“Hiệu suất kháng khuẩn của vật liệu này cũng sẽ được kích hoạt bởi các kích thích bên ngoài (như ánh sáng, từ trường, nhiệt cũng như các yếu tố khác), thế nên các giải pháp mới [ứng dụng vật liệu này] có thể vượt trội hơn các hạt nano đơn kim loại kháng khuẩn, cũng như có thể mở ra một thế hệ mới cho các tác nhân chống viêm và chống vi khuẩn dựa trên kim loại".

Được dẫn dắt bởi các chuyên gia quốc tế trong lĩnh vực này, bao gồm GS. Michael Dickey (Hoa Kỳ), GS. Kourosh Kalantar-Zadeh - người đoạt giải của Hội đồng Nghiên cứu Úc và Thành viên Lãnh đạo của Hội đồng nghiên cứu y tế và sức khỏe quốc gia Úc, GS. Krasimir Vasilev (Đại học Flinders, Úc) - tất cả đều là tác giả của bài báo đánh giá mới, các nghiên cứu đang được mở rộng dựa trên chiến lược kháng khuẩn trên nền tảng kim loại, nhằm chạy đua chống lại các mối đe dọa ngày càng gia tăng của tình trạng kháng kháng sinh.

Do tình trạng kháng kháng sinh khiến cho nhiều loại bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn, nấm và virus gây ra không thể điều trị được cũng như có thể dẫn đến tỷ lệ mắc bệnh và tử vong cao, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang tiến hành nghiên cứu nhiều phương pháp như liệu pháp thể thực khuẩn (virus), liệu pháp miễn dịch hay công nghệ CRISPR-Cas - một phương pháp trong lĩnh vực nghiên cứu chỉnh sửa gene, cũng như các liệu pháp kết hợp kháng sinh khác.

Tuy nhiên, theo bài báo mới của nhóm nghiên cứu, các chiến lược hiện nay để kiểm soát nhiễm trùng dựa vào kháng sinh tổng hợp thông thường đang ngày càng gặp nhiều thất bại và “hộp công cụ” còn hiệu quả để điều trị đang cạn kiệt nhanh chóng. “Tệ hơn nữa, do có khả năng vi khuẩn sẽ tiến hóa để kháng lại kháng sinh, thế nên các công ty dược phẩm cũng bị mất động lực theo đuổi việc cho ra đời các kháng sinh mục tiêu thế hệ tiếp theo”.

Do đó, nghiên cứu của nhóm TS. Khánh và đồng nghiệp đã xem xét cách kết hợp gali với các nguyên tố khác để “mở rộng phạm vi [ứng dụng] của GaLM với các tính năng có thể điều chỉnh được”

“Trái ngược với các hạt ở trạng thái rắn, các hạt GaLM có thể biến đổi đáng kể hình dạng của chúng để đáp ứng với các kích thích bên ngoài. Và điều thú vị là GaLM ở trạng thái lỏng có thể biến đổi hình dạng của chúng xung quanh và bên trong tế bào”, TS. Khánh cho biết. Thêm vào đó, ở trạng thái lỏng, GaLM có thể hòa tan và cô lập các nguyên tố kim loại mà sau này có thể được giải phóng theo yêu cầu thông qua các kích thích. Điều này đặc biệt hữu ích để cải thiện hiệu quả giải phóng thuốc.

Không chỉ vậy, “so với kim loại rắn, GaLM có vẻ lành tính đối với sinh vật nhân thực (điều này cho thấy khả năng tương thích sinh học với mô người) trong khi vẫn duy trì được hoạt tính kháng khuẩn mạnh”.

Quan trọng hơn, “điều cần nhấn mạnh là hoạt động kháng khuẩn của GaLM - ở kích thước nano và số lượng lớn - không chỉ giới hạn ở các sinh vật nhân sơ như vi khuẩn và vi khuẩn lam”, TS. Khánh nói thêm, qua đó cho thấy những tiềm năng ứng dụng rất rộng của kim loại lỏng này. “Ngoài ra, GaLM còn đem lại các đặc tính chống viêm, và chúng tôi cũng đã kiểm tra vai trò của hành vi pha và bề mặt trong GaLM kích thước nano đối với các đặc tính kháng khuẩn.”

Điều gì chờ đợi ở tương lai?

Tuy nhiên, để những ứng dụng rộng mở đã nói ở trên có thể trở thành hiện thực, theo nhóm nghiên cứu, còn khá nhiều trở ngại mà các nghiên cứu tiếp theo cần phải vượt qua.

Chẳng hạn, cần phải hiểu được các tính chất hóa lý của các giọt nano GaLM này và cụ thể là sự phân phối kim loại trong các giọt nano có thể được điều chỉnh để thay đổi tốc độ giải phóng các ion kim loại và tạo ra các loại oxy hóa phản ứng (ROS) như thế nào.

Bên cạnh đó, cần phải “khám phá các thuộc tính giao thoa của GaLM với các kim loại kết hợp (chuyển tiếp và sau chuyển tiếp) để duy trì tính chất không độc hại của GaLM, đồng thời hạn chế quá trình oxy hóa của GaLM và tăng cường khả năng kháng khuẩn”, nhóm nghiên cứu cho biết trong bài báo.

Hay một thách thức khác cần giải quyết là phải thiết kế được các thí nghiệm để cung cấp thêm hiểu biết về độc tính tế bào của GaLM, đặc biệt là tình trạng của GaLM khi được tế bào động vật có vú tiếp nhận. Khi có được các hiểu biết này, chúng ta sẽ có thể “định hướng phát triển các vật liệu kháng khuẩn thế hệ tiếp theo đảm bảo an toàn cho việc áp dụng lâm sàng”, nhóm nghiên cứu cho hay.

Theo TS. Khánh và cộng sự, các giải pháp cho những thách thức nói trên sẽ tạo cơ hội cho các nhà khoa học vật liệu, nhà vi trùng học, nhà sinh học tế bào và bác sĩ lâm sàng sử dụng hiệu quả các công nghệ kháng khuẩn dựa trên kim loại lỏng để giải quyết sự gia tăng của kháng kháng sinh.