Tiêm vắc xin cho cộng đồng không phải lúc nào cũng dễ dàng. Nhiều loại vắc-xin cần được bảo quản lạnh sâu, một khó khăn lớn khi vận chuyển thuốc đến những vùng sâu vùng xa không có cơ sở hạ tầng cần thiết.

Từ bài học cung cấp vắc-xin đại dịch Covid-19, khi nhu cầu bùng phát ở mọi điểm trên toàn cầu. Các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ MIT đưa ra một giải pháp khả thi cho lưu trữ, vận chuyển và cung cấp vắc-xin này. Một máy in vắc-xin di động có thể được mở rộng quy mô để sản xuất hàng trăm liều vắc-xin trong một ngày. Các nhà khoa học MIT cho biết, loại máy in 3D này có thể đặt vừa trên mặt bàn, dễ dàng triển khai ở bất cứ nơi nào cần vắc-xin.

 Những miếng dán vi kim vắc-xin in 3D của Viện Công nghệ Massachusetts. Ảnh MIT

TS Ana Jaklenec, nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Ung thư Tích hợp Koch của MIT cho biết: “Một ngày nào đó chúng ta có thể sản xuất vắc-xin theo yêu cầu. Ví dụ, nếu có một đợt bùng phát dịch Ebola ở một khu vực cụ thể, dịch vụ y tế có thể vận chuyển một số máy in này đến đó và tiêm phòng cho người dân ở địa điểm nhanh chóng và dễ dàng.”

Máy in 3D sẽ sản xuất ra những miếng dán có hàng trăm vi kim chứa vắc-xin. Miếng dán được dán vào da, cho phép vắc-xin hòa tan, thẩm thấu vào cơ thể mà không cần một mũi tiêm truyền thống. Sau khi được in, các miếng dán vắc-xin có thể được bảo quản nhiều tháng ở nhiệt độ phòng.

Trong báo cáo công trình nghiên cứu, được đăng ngày 24/4 trên tạp chí Nature Biotechnology , các nhà khoa học cho biết, có thể sử dụng máy in 3D để sản xuất vắc-xin RNA Covid-19 ổn định nhiệt, tạo ra phản ứng miễn dịch tương đương với phản ứng miễn dịch được tạo ra bởi vắc-xin RNA, được tiêm thử nghiệm trên chuột.

Jaklenec và Robert Langer, GS Viện David H. Koch tại MIT, thành viên Viện Koch là tác giả chính của nghiên cứu. Các tác giả chính của bài báo khoa học là TS Aurelien vander Straeten của MIT, PGS Morteza Sarmadi và TS John Daristotle.

Công nghệ in 3D miếng dán vi kim vắc-xin

Hầu hết các loại vắc-xin, đặc biệt là vắc-xin mRNA, phải được làm lạnh khi bảo quản, gây khó khăn cho việc dự trữ dài ngày hoặc vận chuyển đến những địa điểm không có thiết bị lưu trữ, có thể duy trì nhiệt độ thấp. Ngoài ra, việc tiêm chủng đòi hỏi những vật chất y tế như ống tiêm, kim tiêm và những chuyên gia chăm sóc sức khỏe, được đào tạo để sử dụng vật chất y tế phục vụ tiêm chủng.

Để vượt qua những khó khăn này, tính đến nhu cầu tiêm vắc-xin quy mô rộng lớn, nhóm nghiên cứu MIT bắt đầu tìm giải pháp sản xuất vắc-xin theo yêu cầu thực tế. Động lực ban đầu của nghiên cứu, trước khi Covid-19 xuất hiện là chế tạo một thiết bị có thể nhanh chóng sản xuất và triển khai vắc-xin trong những đợt bùng phát dịch bệnh như Ebola. Một thiết bị như vậy có thể được nhanh chóng vận chuyển đến một ngôi làng hẻo lánh, trại tị nạn hoặc căn cứ quân sự, có thể tiêm chủng nhanh chóng cho một số lượng lớn người.

Thay vì sản xuất vắc-xin tiêm truyền thống, các nhà khoa học quyết định nghiên cứu một phương pháp tiêm vắc-xin mới, sử dụng các miếng dán có kích thước bằng một móng tay, chứa hàng trăm vi kim. Những miếng dán chứa vắc-xin hiện đang được phát triển cho nhiều loại bệnh như bại liệt, sởi và rubella. Khi miếng dán được dán lên da, các đầu kim sẽ tan rã dưới da, giải phóng vắc-xin.

Daristotle cho biết: “Khi đại dịch Covid-19 bùng phát, những lo ngại về tính ổn định của vắc-xin trong điều kiện thông thường và khả năng tiếp cận vắc-xin đã thúc đẩy chúng tôi nghiên cứu kết hợp vắc xin RNA vào những miếng dán vi kim.”

“Mực” mà các nhà nghiên cứu sử dụng để in những vi kim chứa vắc-xin là các phân tử vắc-xin RNA, được bọc trong những hạt nano lipid, giúp vắc-xin duy trì tính ổn định trong thời gian dài.

Mực in cũng chứa polymer, có thể dễ dàng đúc thành hình dạng kim phù hợp và sau đó giữ ổn định trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng, ngay cả khi được bảo quản ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao hơn. Các nhà khoa học xác định được, sự kết hợp tỷ lệ 50/50 của polyvinylpyrrolidone và rượu polyvinyl, cả hai vật chất đều được sử dụng phổ biến để chế tạo kim siêu nhỏ, có sự kết hợp tốt nhất giữa độ cứng và độ ổn định.

Bên trong máy in, một cánh tay robot sẽ bơm mực vào những khuôn kim nhỏ và một buồng chân không bên dưới khuôn sẽ hút mực xuống đáy, đảm bảo mực sẽ đến tận các đầu kim. Sau khi các khuôn được đổ đầy, các mũi kim sẽ mất một hoặc hai ngày để khô. Nguyên mẫu hiện nay có thể in được 100 bản vá trong 48 giờ, các nhà khoa học khẳng định, các phiên bản trong tương lai có thể được thiết kế cho công suất cao hơn.

Phản ứng kháng thể tương tương phương pháp tiêm truyền thống

Để kiểm tra tính ổn định lâu dài của vắc-xin, trước tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một loại mực chứa RNA mã hóa luciferase, một loại protein phát quang. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng các miếng dán vi kim chế tạo được cho chuột sau khi được bảo quản ở nhiệt độ 4 độ C hoặc 25 độ C (nhiệt độ phòng) trong tối đa 6 tháng. Họ cũng lưu trữ một lô miếng dán vi kim ở nhiệt độ 37 độ C trong 1 tháng.

Trong tất cả những điều kiện bảo quản khác nhau này, các miếng dán vẫn tạo ra phản ứng phát quang mạnh khi dán lên chuột. Ngược lại, phản ứng phát quang được tạo ra bằng phương pháp tiêm ARN mã hóa protein phát quang truyền thống suy giảm khi thời gian lưu trữ lâu ở nhiệt độ phòng.

Sau đó, các nhà nghiên cứu thử nghiệm vắc-xin vi kim Covid-19 trên chuột. Nhóm nhà khoa học tiêm cho chuột 2 liều vắc-xin cách nhau bốn tuần, sau đó đo phản ứng kháng thể của chuột với virus. Những con chuột được tiêm vắc-xin bằng miếng dán vi kim có phản ứng tương tự như những con chuột được tiêm vắc-xin RNA truyền thống.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy, phản ứng kháng thể mạnh tương đương khi tiêm vắc-xin cho chuột bằng miếng dán vi kim, được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong tối đa 3 tháng.

Joseph DeSimone, GS y học dịch chuyển và kỹ thuật hóa học tại Đại học Stanford, không tham gia nghiên cứu cho biết: “Công trình này đặc biệt ấn tượng vì cung cấp khả năng sản xuất vắc-xin theo yêu cầu. Với khả năng mở rộng quy mô sản xuất vắc-xin và cải thiện độ ổn định ở nhiệt độ thông thường, máy in vắc-xin di động có thể tạo điều kiện người dân tiếp cận rộng rãi vắc-xin RNA.”

Trong khi nghiên cứu này tập trung vào hướng in các miếng dán vắc-xin RNA Covid-19, các nhà nghiên cứu có kế hoạch điều chỉnh quy trình để sản xuất những loại vắc-xin khác, bao gồm vắc-xin làm từ protein hoặc vi-rút bất hoạt.

GS Jaklenec cho biết: “Thành phần mực in đóng vai trò quan trọng trong ổn định vắc-xin mRNA, mực có thể chứa nhiều loại vắc-xin hoặc thậm chí là thuốc điều trị khác nhau, cho phép phát huy tính linh hoạt và mô-đun hóa trong phương thức phân phối thuốc, sử dụng nền tảng kim siêu nhỏ này”.

Các tác giả khác của báo cáo là Maria Kanelli, Lisa Tostanoski, Joe Collins, Apurva Pardeshi, Jooli Han, Dhruv Varshney, Behnaz Eshaghi, Johnny Garcia, Timothy Forster, Gary Li, Nandita Menon, Sydney Pyon, Linzixuan Zhang, Catherine Jacob-Dolan, Olivia Powers, Kevin Hall, Shahad Alsaiari, Morris Wolf, Mark Tibbitt, Robert Farra và Dan Barouch.

Nghiên cứu được tài trợ từ Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Y sinh Tiên tiến (BARDA), Quỹ Giáo dục Người Mỹ gốc Bỉ, Wallonia-Brussels International, Quỹ Bodossaki, Quỹ Onassis, Viện Y tế Quốc gia Mỹ và hỗ trợ của Viện Koch, tài trợ từ Viện Ung thư Quốc gia.