Châu chấu: loài côn trùng có khứu giác nhạy bén
Về bản chất, tế bào ung thư hoạt động khác với tế bào khỏe mạnh, chúng tạo ra các hợp chất hóa học khác nhau khi hoạt động và phát triển. Các hợp chất này có thể được phát hiện trong hơi thở thở ra của bệnh nhân nếu chúng xâm nhập vào phổi hoặc đường thở. Vậy nói một cách đơn giản, bệnh nhân ung thư có thể hít thở vào một thiết bị mà ở đó có thể phát hiện và phân biệt nhiều loại ung thư, thậm chí ngay cả từng giai đoạn của bệnh. Tuy nhiên, một thiết bị như vậy vẫn chưa được sử dụng trong môi trường lâm sàng. Đây cũng là lý do khiến các nhà nghiên cứu phát triển một cách tiếp cận mới.
Những nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, một số động vật, chẳng hạn như chó, có thể ngửi thấy sự thay đổi của các chất hóa học được thải ra khi con người thở hoặc đổ mồ hôi. Đã có nhiều thử nghiệm được tiến hành, trong đó, các nhà nghiên cứu sử dụng chó đánh hơi để phát hiện và sàng lọc Covid-19 ở người. Tuy nhiên, thử nghiệm này không khả thi khi triển khai thực hiện bởi việc nuôi và huấn luyện chó làm việc là một công việc đòi hỏi nhiều thời gian và công sức.
Do đó, trên cơ sở ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã mở rộng việc áp dụng thử nghiệm trên loài châu chấu có khứu giác nhạy bén không kém. Châu chấu là loài côn trùng thường được tìm thấy ở vùng nhiệt đới, sở hữu những chiếc râu lớn có khả năng phát hiện những thay đổi hóa học trong không khí. Khả năng này đạt kỳ vọng có thể đem lại những bước tiến lớn trong công nghệ y học.
Cơ chế phát hiện ung thư dựa trên châu chấu
Sau khi nhận thấy rằng, các tế bào ung thư miệng có sự xuất hiện khác biệt dưới kính hiển vi và các dụng cụ quang học, các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu và tìm thấy các chất chuyển hóa khác nhau trong các dòng tế bào. Các chất chuyển hóa này dễ bay hơi và có thể bị phát hiện bằng khứu giác. Việc nhìn các tế bào từ góc độ chất bay hơi là một ý tưởng khả thi để áp dụng cảm biến sinh học từ châu chấu trong việc kiểm tra các tế bào. Đồng thời, đây cũng là cơ sở cho các thiết bị sử dụng tế bào thần kinh cảm giác của côn trùng để phát hiện sớm ung thư bằng cách sử dụng hơi thở của bệnh nhân.
Châu chấu có các tế bào thần kinh cảm giác trong râu để chuyển đổi các tín hiệu hóa học, chẳng hạn như mùi hôi thành tín hiệu điện và truyền chúng đến các mạch tế bào thần kinh trong não. Theo đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách các tín hiệu giác quan được tiếp nhận và xử lý trong bộ não tương đối đơn giản của châu chấu. Họ phát hiện ra rằng, mùi thúc đẩy tính khả biến của hoạt động thần kinh trong não, điều này cho phép châu chấu xác định chính xác một mùi cụ thể, ngay cả khi có các mùi khác. Trong một nghiên cứu khác, các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng, những con châu chấu được huấn luyện để nhận biết một số mùi nhất định có thể làm như vậy ngay cả khi mùi được huấn luyện xuất hiện trong các tình huống phức tạp, chẳng hạn như trùng lặp với các mùi khác hoặc trong các điều kiện nền khác nhau.
Sau quá trình dài nghiên cứu, các nhà khoa học về cơ bản đã xây dựng được hệ thống dữ liệu liên quan đến các cảm biến khứu giác và các mạch thần kinh tương ứng của châu chấu. Trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành gắn các điện cực vào thùy não của châu chấu và ghi lại phản ứng của chúng đối với các mẫu khí thở được tạo ra bởi người khỏe mạnh và bệnh nhân ung thư, từ đó, sử dụng các tín hiệu này để tạo ra cấu hình hóa học của các tế bào khác nhau
Các điện cực được gắn vào thùy não châu chấu, các râu (trái và phải đi qua các vòng màu hồng) tiếp xúc với khí thoát ra từ các tế bào ung thư miệng.
Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã sử dụng 3 loại tế bào ung thư miệng đang phát triển trong mô người cùng một bộ tế bào khỏe mạnh riêng biệt và chế tạo một thiết bị thu giữ khí thải ra từ các mô đó. Khi các chất khí này được đưa vào các râu của châu chấu, các mẫu sóng não của chúng sẽ được ghi lại. Sau nhiều vòng thử nghiệm, các nhà nghiên cứu phát hiện các dạng sóng não khác nhau khi châu chấu tiếp xúc với các loại ung thư khác nhau. Điều này chứng minh cho nhận định rằng, châu chấu có thể xác định chính xác các tế bào bị bệnh qua việc ghi lại mùi của các loại khí, thậm chí, chúng có thể phân biệt giữa các loại tế bào ung thư với nhau.
Bước đầu, phương pháp nghiên cứu này cần ghi lại phản ứng từ nhiều con châu chấu và đánh giá kết hợp những phản ứng này. Cụ thể, thử nghiệm hiện tại yêu cầu ghi nhận phản ứng từ 40 tế bào thần kinh trung ương (sử dụng từ 6-10 con châu chấu) để nhận thấy được những tín hiệu rõ ràng nhất và để có thể sử dụng như một hệ thống cảm biến sinh học phát hiện ung thư.
Tiềm năng ứng dụng và phát triển của nghiên cứu
Cho đến hiện tại, vẫn chưa có các thử nghiệm tương đương nhằm đối chiếu và so sánh với phương pháp này. Tuy nhiên, các nhà khoa học đánh giá việc phân loại ung thư miệng dựa trên phản ứng của tế bào thần kinh khứu giác là nhạy cảm và đáng tin cậy. Phương pháp phát hiện ung thư dựa trên khứu giác sinh học này được thực hiện rất nhanh với thời gian phát hiện khoảng 250 ms. Và hơn thế, các nhà nghiên cứu cũng chứng minh rằng, kỹ thuật phát hiện ung thư này có hiệu quả ngay cả trong môi trường hóa học thay đổi mô phỏng các điều kiện tự nhiên. Hệ thống phát hiện ung thư dựa trên khứu giác sinh học với phương pháp cảm biến VOC (các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi) sẽ thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ kỹ thuật tiến bộ hơn để phát hiện ung thư không xâm lấn.
Bên cạnh đó, từ nền tảng ý tưởng sử dụng não và râu của châu chấu để phát hiện các tế bào ung thư, các nhà nghiên cứu cũng đặt mục tiêu xây dựng và phát triển một bộ cảm biến đóng và di động chỉ đơn thuần sử dụng khả năng sinh học của côn trùng. Việc đưa các thiết bị cảm biến khí này vào sử dụng trong hệ thống y học sẽ là một bước tiến lớn, giúp phát hiện và sàng lọc ung thư ngay từ giai đoạn đầu tiên. Điều này có nghĩa, trong tương lai không xa, ung thư sẽ trở thành căn bệnh có thể điều trị được. Bởi lẽ, khi mắc bệnh ung thư ở giai đoạn đầu, bệnh nhân có 80-90% cơ hội sống sót. Nhưng nếu ung thư không được phát hiện kịp thời và đến giai đoạn cuối, con số này giảm mạnh xuống chỉ còn 10-20%.
Hiện nay, những thành tựu bước đầu của nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc phát hiện các tế bào ung thư miệng. Tuy nhiên, nghiên cứu này đặt kỳ vọng có thể phát hiện bất kỳ loại ung thư nào, miễn là có xảy ra quá trình đưa các chất chuyển hóa dễ bay hơi vào hơi thở. Các thử nghiệm liên quan đến hệ thống phát hiện này với hơi thở con người đang từng bước được tiến hành và mong đợi sẽ đạt được những kết quả tốt đẹp trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. D. Saha (2015), “Behavioural correlates of combinatorial versus temporal features of odour codes”, Nature Communications, 6, DOI: 10.1038/ncomms7953.
2. phys.org/news/2016-06-cyborg-insects-biorobotic-machines.html.
3. A. Farnum (2022), “Harnessing insect olfactory neural circuits for noninvasive detection of human cancer”, bioRxiv, DOI: 10.1101/2022.05.24.493311.
4. interestingengineering.com/health/hack-locust-brain-diagnose-cancer-smell