Tầm quan trọng của Artemisinin trong điều trị bệnh sốt rét đã được xác định và đề cao từ các nghiên cứu và thử nghiệm lâm sàng của các viện nghiên cứu trên thế giới. Hiện nay Artemisinin đã được sử dụng thay cho Chloroquin, đặc biệt là những trường hợp bệnh nhân kháng thuốc.
Gần đây, ngành sinh học tổng hợp đã được ứng dụng thành công trong tổng hợp hoạt chất thiên nhiên Artemisinin ở E. coli. Nghiên cứu thành công này đã mang lại nhiều hứa hẹn về tính khả thi của việc sản xuất Artemisinin để đáp ứng nhu cầu lớn lao trong việc điều trị sốt rét ở các nước, gồm cả Việt Nam, nơi mà căn bệnh này vẫn còn là vấn đề nan giải của y tế và gây tổn thất kinh tế lớn lao.
 |
| (a)Cấu trúc hoá học của hoạt chất Artemisinin; (b) Một hồng cầu bị vi trùng sốt rét xâm nhập |
Cơ chế hiệu ứng của Artemisinin cho tới nay chưa được biết rõ. Từ một số thí nghiệm, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng Artemisinin có khả năng giải phóng một lượng gốc Oxy tự do làm tiêu hủy trùng sốt rét do tác động đến các enzyme hoặc những phần có chức năng quan trọng như ty thể của chúng. Gốc ôxi tự do được giải phóng từ cầu peroxide không ổn định của Artemisinin bởi tác động của heme (gồm sắt và porphyrin) được giải phóng từ hồng cầu sau khi trùng sốt rét xâm nhập.
Bản đồ trên đây định vị các vùng có hiểm họa sốt rét dưới hình thái kinh niên hoặc bộc phát thành dịch. Theo đó, hơn nửa diện tích thế giới sống trong vùng này với khoảng 500 triệu người mắc bệnh và số tử vong hàng năm là 2-3 triệu mà phần lớn nạn nhân là trẻ nhỏ. Khả năng đề kháng thuốc trị sốt rét cổ điển thuộc họ hóa học Quinine và kháng sinh gần đây càng làm tăng mối đe dọa của bệnh này. Đặc tính trị liệu cao của Artemisinin cho bệnh sốt rét dưới nhiều dạng và giai đoạn cũng như ở các vùng khác nhau trên thế giới đã tạo được sự lưu tâm đặc biệt của giới nghiên cứu y tế và sinh học cơ bản của hoạt chất này. Hiện nay Artemisinin là thuốc chuẩn để điều trị bệnh nhân sốt rét kháng thuốc.
Dược thảo Artemisinin đã được biết đến từ trên ngàn năm trước ở Trung Quốc và đã được sử dụng để trị liệu cho nhiều loại bệnh, đặc biệt là bệnh sốt rét ở nhiều nơi. Trong tiến trình này đã có nhiều nỗ lực cải tiến về thực vật học (gồm nuôi cây, tạo giống) và hóa học (gồm ly trích, tổng hợp). Mục đích chính là gia tăng hiệu năng sản xuất Artemisinin để đáp ứng nhu cầu của nạn nhân ở các vùng sốt rét trên thế giới. Tuy nhiên, việc cung cấp số lượng lớn Artemisinin cho dân số lớn lao nằm trong các vùng có nguy cơ sốt rét là rất khó, nếu không muốn nói là vô khả, vì việc sử dụng ly trích thường quy có năng suất thấp. Ngoài ra, phí tổn nằm ngoài khả năng tài chính của nhiều nước, nhất là những nước đang phát triển mà phần lớn bị đe doạn bởi bệnh sốt rét.
Sinh học tổng hợp và ứng dụng trong tổng hợp Artemisinin
Vì những khó khăn nêu trên, giới hữu trách và những nhà nghiên cứu y tế, sinh học đã lưu tâm đến kỹ thuật tách dòng (cloning) để mong tìm được giải pháp hữu hiệu hơn nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất lượng lớn Artemisinin. Nhưng khác với kỹ thuật tổng hợp các protein trị liệu đã được áp dụng thành công như insulin, growth hormone, cytokine, lymphokine, erythropoietin v.v. việc sử dụng phương pháp tách dòng để tạo hoạt chất artemisinin rất phức tạp. Lý do vì chu trình tổng hợp hóa chất thiên nhiên như Artemisin cần sự tham gia của nhiều enzyme và sự phối hợp của những enzyme này để tạo ra hoạt chất. Chu trình và những enzyme trong chu trình tổng hợp Artemisinin từ cây cải hương ngọt (Herba artemisiae) được diễn tả theo tài liệu (1). May mắn thay, bộ môn sinh học tổng hợp đã ra đời và tổng hợp Amorphadiene (tiền chất của Artemisinin) cũng là ứng dụng thành công đầu tiên của kỹ thuật này cách đây 3 năm ở phòng thí nghiệm của J. Keasling tại Đại học California, Berkely (2).
Sinh học tổng hợp là một nhánh mới của sinh học phân tử, theo đó tế bào được coi là một bộ máy gồm các phần có thể tháo gỡ và thay đổi được để tạo thành một hệ thống điều hành mới có khả năng như mong muốn. Các phần (parts) có thể là những gene thụ cảm của tế bào (receptors), hoặc của enzyme, những protein hoat hoa (activator) và của tất cả những protein có chức năng đặc biệt của tế bào. Như vậy, có thể nói sinh học tổng hợp là việc áp dụng cao độ kỹ thuật gene trên diện rộng. Phương pháp sinh học tổng hợp có tiềm năng tạo những tế bào mới với chức năng như ý muốn. Có hai đặc tính của sinh học tổng hợp so với các nghiên cứu dùng kỹ thuật gene khác: (i) về kỹ thuật, các bộ điều hành của hệ thống tế bào được tạo riêng từng phần, do đó tùy theo cách ghép các phần này sẽ tạo được những hệ thống điều hành đa dạng theo như nhu cầu và mong muốn; (ii) về ứng dụng, mục tiêu của sinh học tổng hợp là tạo hệ thống điều hành có khả năng sản xuất những dược liệu thiên nhiên với năng suất cao (như tổng hợp Artemisinin), các hóa chất có năng lượng như dầu diesel thực vật, tạo các nhóm tế bào có khả năng sản xuất protein trị liệu, enzyme tiêu hủy chất độc để cải thiện môi trường. Đặc biệt là phương pháp sinh học tổng hợp có hiệu năng rất cao vì dùng phương pháp tách dòng và sản xuất bằng E. Coli. Trong nghiên cứu tổng hợp Artemisinin bằng phương pháp sinh học tổng hợp, hiệu năng đã tăng 10.000 lần và các nhà nghiên cứu hy vọng có thể tăng thêm 10 lần nữa khi kỹ thuật được hoàn chỉnh.
Về lý thuyết, khái niệm sinh học tổng hợp đã có từ cuối thập niên 70 của thế kỷ trước khi phát hiện enzyme giới hạn nhưng phải đợi đến những năm 2000 thì mới được triển khai. Lý do vì kỹ thuật phương pháp sinh học tổng hợp đòi hỏi kiến thức và sự phát triển của những bộ môn tân tiến khác như nghiên cứu cấu trúc và chức năng protein và sự tương tác giữa chúng, nghiên cứu tổng hợp, biến dưỡng protein, nghiên cứu tin sinh học và nghiên cứu hệ thống tín hiệu của tế bào để xác định chức năng của gene và kết quả biến đổi kiểu hình của tế bào. Hiện nay, những nghiên cứu về sinh học tổng hợp đã và đang được tiến hành ở nhiều trường đại học quốc tế.
Trên thực tế, viện nghiên cứu dược phẩm (IOWH) ở San Francisco đang tiến hành tổng hợp Artemisinin dùng phương pháp trên. Một tin vui cho chúng ta là nghiên cứu gia đảm trách chương trình này là người Việt Nam, TS. Nguyễn Hữu Tuệ.
Tính khả thi của sinh học tổng hợp và việc tạo Artemisinin ở Việt Nam
Nghiên cứu và ứng dụng sinh học tổng hợp để tạo Artemisinin nêu trên là cần thiết cho nhiều nước nằm trong vùng sốt rét bao gồm Việt Nam. Vì vậy, việc tìm hiểu về tính khả thi của phương pháp này để hoạch định một chiến lược áp dụng cho đất nước cần được lưu tâm thích đáng. Như đã nói ở trên,sinh học tổng hợp là một bộ môn ứng dụng sinh học, do đó nếu kỹ thuật đã hoàn chỉnh cho một sản phẩm nào đó thì khi thực hiện chỉ cần làm đúng quy trình để thu kết quả. Trong sản xuất Artemisinin, kỹ thuật căn bản là tách dòng các enzyme và kết hợp thành một hệ thống điều hành bằng các phương pháp chuyển gene để tổng hợp, và sau đó là ly trích hoạt chất Artemisinin ở E. coli. Như vậy theo thiển ý của tôi, sinh học tổng hợp là một trong những đề tài khoa học mà chúng ta có thể đi tắt để đạt được mục tiêu tạo hợp chất Artemisinin ở Việt Nam. Tuy nhiên, chúng ta cần khắc phục những yếu tố căn bản gồm khả năng, phương tiện để đáp ứng đòi hỏi kỹ thuật, nhân lực và tài chính. Việc đào tạo chuyên môn sinh học tổng hợp ở cấp bậc đại học là cần thiết, nhưng chúng ta chú trọng về phần ứng dụng, mà không đi sâu vào nghiên cứu cơ bản vì đòi hỏi nhiều thiết bị, kiến thức và kỹ thuật cao. Việc kết hợp hữu hiệu với giới khoa học quốc tế luôn đóng vai trò thiết yếu để triển khai kỹ thuật tân tiến, đặc biệt đối với giai đoạn hiện tại của Việt Nam. Cũng cần tìm hiểu và giải quyết thỏa đáng yếu tố pháp lý về bằng phát minh. Có nhiều kết quả nghiên cứu y sinh học không bị ràng buộc bởi bằng phát minh như trình tự bộ gene người, hoặc được nới rộng vì nhu cầu an toàn y tế thế giới như một số thuốc trị bệnh AIDS. Ngoài ra, chúng ta có thể tạo những chương trình kết hợp với các nhóm nghiên cứu quốc tế và qua chương trình đó chúng ta không bị trở ngại pháp lý và có thể trở thành một phần của phát minh. Việt Nam có những ưu điểm hợp tác khoa học quốc tế như môi trường dịch tễ, lâm sàng đa dạng; về kinh tế, những chi phí về sản xuất và nghiên cứu ở Việt Nam rất thấp sao với những nước kỹ nghệ cao. Ngoài ra, chúng ta cũng có nhiều tiềm năng hấp thu và phát triển công nghệ cao.
Kết luận
Việc ứng dụng thành công sinh học tổng hợp để tạo ra Artemisinin chứng tỏ tầm quan trọng của việc triển khai phương pháp này thành một chiến lược khoa học để kháng bệnh sốt rét trên toàn cầu. Theo tiến trình đó, sinh học tổng hợp cần được cứu xét trong nhu cầu ứng dụng mũi nhọn khoa học để phát triển khoa học và y tế ở Việt Nam. Trong định hướng xa hơn, khi đã làm quen và thiết lập được nền tảng sinh học tổng hợp, chúng ta tạo được khả năng để triển khai những đề tài rộng lớn khác như năng lượng và môi trường.
Chú thích
1. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/assets/images/2004/Mar-24/Engineering_terpenoids.pdf
2. http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sb-PBD-anti-malarial.html
