Kỹ thuật siêu âm mới có thể tiêu diệt tế bào ung thư dựa trên hiệu ứng sóng dừng

Hầu hết các phương pháp điều trị ung thư hiện nay đều liên quan đến phẫu thuật, hóa trị hoặc xạ trị. Các phương pháp này có khả năng giết chết tế bào ung thư, nhưng cũng giết chết cả tế bào khỏe mạnh khiến bệnh nhân mệt mỏi, đau đớn và phải chịu nhiều tác dụng phụ sau điều trị.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những các phương pháp mới giúp tiêu diệt tế bào ung thư mà vẫn bảo tồn được các tế bào khỏe mạnh. Một ý tưởng mới là sử dụng năng lượng siêu âm.

Siêu âm là gì?

"Đây là một chủ đề rất thú vị", David Mittelstein, kỹ sư y sinh tại Viện Công nghệ California, Hoa Kỳ cho biết. Siêu âm cường độ thấp "có thể cho phép các bác sĩ nhắm mục tiêu vào các tế bào ung thư dựa trên các đặc tính vật lý và cấu trúc riêng biệt của chúng".

Sóng siêu âm lúc này có thể tiêu diệt tế bào ung thư, nhưng ngay cả khi năng lượng của nó rò rỉ ra bên ngoài các mô khỏe mạnh, sóng siêu âm cường độ thấp cũng sẽ gây ra ít tác hại hơn đối với các tế bào không mắc bệnh.

Các sóng siêu âm phát ra có tần số trên 20.000 hertz, quá cao để tai của chúng ta có thể nghe thấy chúng. Đó cũng là lý do nó có tên gọi là siêu âm. Trong nhiều thập kỷ, các sóng âm này đã được sử dụng để chụp ảnh y tế bên trong cơ thể bệnh nhân, nổi tiếng nhất với ứng dụng siêu âm thai nhi.

Sóng và bước sóng

Trong một hướng nghiên cứu mới, các bác sĩ đã cố gắng thử sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tiêu diệt tế bào ung thư. Những sóng âm này gửi rất nhiều năng lượng, tập trung vào một khu vực nhỏ của khối u trên cơ thể.

Siêu âm làm rung động nước bên trong các tế bào đó, khiến chúng nóng lên. Giống như một chiếc lò vi sóng vậy, nhiệt độ của vùng mô được nhắm mục tiêu và mô lân cận có thể tăng tới 65°C chỉ trong vòng 20 giây. Hiệu ứng nhiệt này này giết chết các tế bào ung thư. Nhưng, nó cũng giết chết những tế bào khỏe mạnh.

Do đó, nhóm nghiên cứu của Mittelstein muốn thử một hướng tiếp cận khác biệt. Họ đã thử tìm hiểu ảnh hưởng của sóng siêu âm cường độ thấp đến các tế bào ung thư. Những tế bào ung thư có một điểm khác với tế bào khỏe mạnh. Chúng có hạt nhân lớn hơn và cũng mềm hơn.

Trước đây, một nhóm nghiên cứu khác tại Caltech đã từng tạo ra được mô hình máy tính của các tế bào ung thư. Những mô hình này cho thấy siêu âm cường độ thấp có thể giết chết những tế bào đó. Mittelstein giải thích quá trình này giống như cách một ca sĩ được đào tạo có thể làm vỡ ly rượu bằng cách hát một nốt nhạc duy nhất.

Nhóm nghiên cứu của Mittelstein muốn thử một hướng tiếp cận khác so với sóng siêu âm cường độ cao.

Thử nghiệm thực tế

Mô hình máy tính của các tế bào ung thư là một lập trình với các thuật toán cho ra hình ảnh mô phỏng một số tính chất cụ thể của tế bào ung thư. Có thể hiểu đó là các tế bào ảo. Điều này có nghĩa là ý tưởng dùng sóng siêu âm cường độ thấp để tiêu diệt ung thư chưa được thử nghiệm trên tế bào thật.

Và đó là công việc mà Mittelstein và nhóm nghiên cứu của ông muốn làm.

Đầu tiên, họ trộn các tế bào ung thư với các tế bào máu và tế bào miễn dịch khỏe mạnh. Các tế bào này lơ lửng trong một chất lỏng giống như chất huyền phù. Sau đó, các nhà khoa học hướng các xung siêu âm cường độ thấp vào chất lỏng này.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các tần số siêu âm khác nhau (dao động từ 300.000 đến 650.000 hertz). Họ cũng đã thử nghiệm thời lượng xung khác nhau (từ 2 đến 40 mili giây). Kết quả cho thấy một phút siêu âm 500.000 hertz, được phát trong các xung 20 mili giây đã giết chết gần như mọi tế bào ung thư.

Ở tần số và cường độ này, sóng siêu âm không làm tổn thương các tế bào máu. Nó cũng bào tồn được 8/10 tế bào miễn dịch. Mittelstein đánh giá nó là một thành công lớn.

Tế bào ung thư bị giết chết như thế nào?

Khi sóng siêu âm được chiếu vào các tế bào ung thư, nó làm cho các vi bóng chứa không khí trong dịch tế bào lớn lên và hợp nhất lại với nhau. Siêu âm tiếp tục làm cho những vi bóng này lớn hơn nữa và rung động cho tới khi nổ tung.

Mittlestein cho biết tần số siêu âm có thể được tinh chỉnh để chỉ khiến các vi bóng trong tế bào ung thư phát nổ mà không khiến hiện tượng này xảy ra trong các tế bào thường. Và hiệu ứng được kích hoạt mạnh nhất khi sóng siêu âm được dội ngược trở lại tế bào ung thư nhiều hơn một lần.

Các sóng siêu âm ban đầu được gọi là sóng truyền đi. Chúng được phát ra từ cỗ máy siêu âm sinh ra chúng. Nhưng khi sóng truyền đi chạm vào một bề mặt nào đó, chúng có thể phản xạ trở lại – đập vào những đợt sóng tiếp theo đang truyền tới.

Các sóng va chạm kết hợp với nhau tạo thành một mô hình đặc biệt được gọi là sóng đứng, Mittelstein giải thích. Và với sóng đứng, bạn sẽ có những điểm gọi là "nút".

Tại điểm nút này, áp lực mà nó tạo ra là một hằng số. Trong khi đó, các bụng sóng cũng phát triển ở một điểm cố định . Khi sóng dừng xảy ra, áp lực được tăng gấp đôi so với biên độ sóng. Nó khiến các vi bóng rơi vào sóng dừng siêu âm bị rung động nhiều hơn, tụ lại nhanh hơn so với sóng truyền đi bình thường.

Điều này sau đó làm tăng năng lượng siêu âm lắng đọng trên các tế bào, Mittelstein nói. Tùy thuộc vào tính chất vật lý, các nhà khoa học có thể tinh chỉnh để chỉ tạo ra sóng dừng trong tế bào ung thư, mà không tạo sóng dừng trong tế bào thường. Do đó, chỉ có các tế bào ung thư bị tiêu diệt.

Thí nghiệm của Mittelstein đã được ông và nhóm của mình công bố trên tạo chí Vật lý ứng dụng.

Nghiên cứu này rất thú vị, Timothy Meakem, một chuyên gia nghiên cứu siêu âm trong y học, giám đốc y tế tại Quỹ Siêu âm Tập trung ở Charlottesville cho biết. Nếu hiệu ứng nhìn thấy trong các tế bào này cũng xảy ra trên cơ thể người, nó sẽ cho phép các bác sĩ nhắm mục tiêu vào các tế bào ung thư theo cách mà những phương pháp điều trị truyền thống hiện không thể làm được.

Tuy nhiên, Meakem cũng cảnh báo kỹ thuật siêu âm cường độ thấp này chưa sẵn sàng để thử nghiệm trên bệnh nhân. Đây chỉ là bước đầu tiên trong quá trình phát triển một phương pháp điều trị mới. Nhưng nếu các giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu diễn ra tốt đẹp, nó có thể mang lại lợi ích rất lớn cho các bệnh nhân.

Quay trở lại với Mittelstein, nhóm nghiên cứu của ông đã quyết định tiến lên phía trước. Thử nghiệm tiếp theo mà họ định thiết kế là sử dụng sóng siêu âm cường độ thấp để tấn công một cụm tế bào, hay một khối u ung thư trong ống nghiệm.

Nếu thử nghiệm này diễn ra thành công, Mittelstein nghĩ liệu pháp này có thể giúp góp phần thay đổi cuộc chơi trong lĩnh vực điều trị ung thư.

Tham khảo Sciencenewsforstudents