Công nghệ robot sinh học siêu nhỏ kết hợp từ trường giúp tái tạo tổn thương tủy sống

Sự kết hợp mang tính cách mạng giữa công nghệ robot sinh học siêu nhỏ và từ trường đang mở ra hy vọng phục hồi hoàn toàn chức năng vận động cho bệnh nhân chấn thương tủy sống.

1. Thách thức trong tái tạo tổn thương tủy sống: sẹo thần kinh đệm

Chấn thương tủy sống (Spinal Cord Injury - SCI) là tình trạng tổn hại đến các bó dây thần kinh trong ống sống, làm gián đoạn việc truyền tín hiệu giữa não và các cơ quan, gây suy giảm hoặc mất vĩnh viễn chức năng vận động, cảm giác và khả năng tự chủ ở vùng dưới vị trí tổn thương. Tình trạng này là một trong những thách thức lớn nhất của y học, nguyên nhân đến từ việc hệ thần kinh trung ương của người trưởng thành hầu như mất khả năng tự tái tạo, do vi môi trường tại vết thương biến đổi rất cực đoan. Chỉ trong vài ngày sau chấn thương, các tế bào hình sao (astrocyte) và tế bào miễn dịch sẽ tập trung tại khu vực này, các tế bào hình sao phình to, giải phóng chất xơ bao bọc tổn thương tạo nên sẹo thần kinh đệm (glial scars). Khối sẹo này tích tụ đậm đặc các phân tử ức chế, vô tình đóng vai trò như một bức tường vật lý và hóa học ngăn cản sự tái tạo dây thần kinh.

Các vị trí chấn thương tủy sống ảnh hưởng đến chức năng cơ thể

Liệu pháp cấy ghép tế bào gốc đã mở ra triển vọng to lớn trong điều trị các tổn thương thần kinh, tuy nhiên hiệu quả thực tế vẫn rất hạn chế. Khi tiêm trực tiếp tế bào gốc vào vị trí tổn thương, hơn 95% tế bào sẽ chết do áp lực cơ học và vi môi trường tổn thương, những tế bào sống sót bị thiếu cấu trúc định hướng (scaffold) nên phân tán tự do, không thể thiết lập lại sợi trục dọc theo trục tủy sống.

2. Thiết kế robot siêu nhỏ tái tạo sợi trục dưới sự dẫn đường của từ trường

Trong một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature Materials, các nhà khoa học Thụy Sỹ đã giới thiệu một thiết kế robot siêu nhỏ (microrobot) để tái tạo tủy sống. Các microrobot được chế tạo theo công nghệ “phòng thí nghiệm trên chip” (lab-on-a-chip, LoC) với cấu trúc hydrogel polymer 3D tạo không gian lý tưởng cho tế bào gốc bám dính, sinh trưởng và được bảo vệ an toàn; đồng thời bên trong vách hydrogel được tích hợp các hạt nano từ tính (oxit sắt từ Fe3O4) với mật độ tối ưu, cho phép toàn bộ cấu trúc này có thể được dẫn đường bằng từ trường ở bên ngoài cơ thể mà không ảnh hưởng đến tế bào gốc. Tiếp theo, các tế bào tiền thân thần kinh (neural progenitor cell – NPC) có nguồn gốc từ tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng (induced pluripotent stem cell – iPSC) được cấy lên chip, tạo nên robot sinh học lai được đặt tên là NPCbots (Neural Progenitor Cell-loaded microrobots).

Quy trình chế tạo microrobot trên hệ thống “lab-on-a-chip” (LoC).
Ảnh: Viện công nghệ liên bang Thụy Sỹ (ETH Zurich) https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/microrobots-repair-spinal-cord.html

Nhờ có các hạt nano từ, các NPCbots được tiêm qua một mũi kim siêu nhỏ vào tủy sống, sau đó được dẫn đường bằng hệ thống nam châm điện bố trí xung quanh cơ thể với sự kiểm soát của thuật toán máy tính. Hệ thống này tạo động lực để đẩy NPCbots di chuyển xuyên qua các khe hở mô tủy, luồn lách qua cấu trúc xơ của mô sẹo thần kinh đệm, tiếp cận chính xác vào “lõi chấn thương” mà không làm tổn hại đến các mô thần kinh lành lặn xung quanh. Công nghệ này đã mang lại sự an toàn rất lớn, thay vì việc phải phẫu thuật mở tủy sống có độ rủi ro cao.

Chi tiết mang tính cách mạng nhất trong nghiên cứu này nằm ở cách microrobot điều khiển hoạt động của NPC thông qua cơ chế chuyển đổi tín hiệu cơ sinh học (mechanotransduction). Khi NPCbots ổn định vị trí tại vùng tổn thương, hệ thống từ trường được điều khiển dao động tần số thấp, khiến các hạt nano từ tính rung nhẹ, tác động trực tiếp lên các thụ thể trên màng tế bào gốc, từ đó tăng cường các con đường tín hiệu nội bào quan trọng khiến cho tế bào kích hoạt một loạt phản ứng: duy trì sự sống trong môi trường viêm (giảm quá trình tự chết theo chương trình – apoptosis), biệt hóa chọn lọc thành tế bào thần kinh (neuron) trưởng thành và tế bào thần kinh đệm ít nhánh (oligodendrocyte) tạo bao myelin bao bọc sợi thần kinh. Đồng thời, hình dạng kéo dài của microrobot giúp định hình quá trình tái tạo, các sợi trục mới sẽ phát triển dọc theo cấu trúc này để kết nối hai vị trí bị đứt.

Sau khi mạng lưới thần kinh mới được nối liền hoàn toàn, cấu trúc hydrogel nhạy cảm với enzyme tự nhiên sẽ bị thủy phân thành các phân tử không độc, được đại thực bào dọn dẹp và đào thải ra ngoài cơ thể mà không để lại dị vật hay độc tính lâu dài cho hệ thần kinh trung ương.

3. Những kết quả thực nghiệm trên mô hình động vật

Trên mô hình cá ngựa vằn bị chấn thương tủy sống, NPCbots đã thúc đẩy các tế bào tiền thân thần kinh biệt hóa nhanh chóng thành tế bào thần kinh và tế bào thần kinh đệm ít nhánh, tăng cường sự hợp nhất với mô ghép tại vị trí tổn thương và phục hồi gần như hoàn toàn khả năng bơi lội và hành động khám phá chỉ trong vòng 3 ngày. Trên mô hình chuột bị đứt tủy sống (khác với cá ngựa vằn, chuột thường không thể tự tái tạo tủy sống), các tế bào thần kinh ở chuột đã kết nối lại tại vị trí tổn thương, với dấu hiệu là các xung điện sinh lý (tín hiệu thần kinh vận động) được ghi nhận đã truyền xuyên qua vùng tổn thương. Chuột thể hiện “các kiểu vận động ngày càng bình thường” trong suốt thời gian phục hồi, bao gồm dáng đi, chiều dài bước chân, khả năng phối hợp và hành vi khám phá.

Mô phỏng quá trình phục hồi tế bào thần kinh ở cá ngựa vằn và chuột.
Ảnh: ETH Zurich https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/microrobots-repair-spinal-cord.html

Hình ảnh tủy sống cá ngựa vằn ở thời điểm bắt đầu thí nghiệm và sau ba ngày
Hình trên: tủy sống không bị tổn thương; hình giữa: tổn thương tủy sống; hình dưới: cách các tế bào thần kinh phục hồi tổn thương nhờ microrobot. Ảnh: ETH Zurich https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/microrobots-repair-spinal-cord.html

4. Triển vọng và thách thức

Những kết quả trên cho thấy trong thử nghiệm tiền lâm sàng, NPCbots kết hợp với kích thích từ trường không xâm lấn đã thúc đẩy sự tái tạo dây thần kinh và chức năng của động vật thí nghiệm bị chấn thương tủy sống. Đồng thời, khoa học hiện đại có thể kiểm soát “vận mệnh” của tế bào được cấy ghép, thậm chí việc kiểm soát đó không xâm lấn. Nhóm nghiên cứu cho rằng microrobot có thể được ứng dụng trong tim mạch, ung thư, chữa lành vết thương và các liệu pháp y học tái tạo khác.

Tuy nhiên, công nghệ này cần vượt qua nhiều rào cản trước khi có thể ứng dụng thường quy trên người. Việc phát triển mô hình từ động vật đến người là thách thức lớn, khi cơ thể người có kích thước và độ dày mô lớn hơn nhiều. Việc đảm bảo tính an toàn, ngăn nguy cơ tích tụ các hạt nano từ tính gây độc cho hệ thần kinh cần được kiểm định nghiêm ngặt qua các giai đoạn thử nghiệm lâm sàng. Mặc dù vậy, kết quả nghiên cứu này đã mang lại hy vọng mới trong việc tái tạo thần kinh cho hàng triệu người chấn thương tủy sống trên toàn thế giới.

 

Tài liệu tham khảo

- Bản tin của Viện công nghệ liên bang Thụy Sỹ (ETH Zurich) https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/microrobots-repair-spinal-cord.html

- Ye H., et al. (2026). Magnetoelectric microrobots for spinal cord injury regeneration. Nature Materials, 1-12. https://doi.org/10.1038/s41563-026-02625-3