Những cải tiến này cho phép nghiên cứu chính xác hơn về sinh học ký sinh trùng, đặc biệt là giai đoạn nhiễm KSTSR ở gan và trạng thái tiềm ẩn, từ đó đẩy nhanh việc tìm kiếm thuốc và phát triển các liệu pháp điều trị. Bất chấp nhiều thập kỷ thực hiện các biện pháp phòng chống toàn cầu và nghiên cứu sâu rộng về tác nhân gây bệnh Plasmodium, bệnh sốt rét vẫn tiếp tục lây nhiễm cho hàng triệu người mỗi năm. Đây vẫn là một mối đe dọa lớn đối với sức khỏe cộng đồng tại nhiều khu vực trên thế giới. Các ước tính gần đây chỉ ra rằng vẫn có hơn 200 triệu ca mắc và hàng trăm nghìn ca tử vong xảy ra hàng năm, trong khi tiến trình giảm tỷ lệ mắc bệnh đã chững lại trong những năm gần đây. Sự tồn tại dai dẳng của căn bệnh này ở nhiều khu vực trên thế giới nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết về các mô hình nghiên cứu cải tiến và chiến lược điều trị hiệu quả để chống lại bệnh sốt rét.
Đặt vấn đề
Sốt rét vẫn là một thách thức đối với sức khỏe cộng đồng toàn cầu, gây ảnh hưởng đến hàng triệu người trên toàn thế giới và vẫn lưu hành tại nhiều khu vực bất chấp các biện pháp phòng chống. Tác nhân gây bệnh, ký sinh trùng Plasmodium có chu kỳ vòng đời phức tạp liên quan đến các muỗi đặc hiệu và vật chủ người ở các giai đoạn phát triển riêng biệt. Các giai đoạn này bao gồm giai đoạn trong gan không triệu chứng, theo sau là các chu kỳ trong hồng cầu có triệu chứng, gây ra các biểu hiện lâm sàng của bệnh.Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong việc giảm tỷ lệ mắc bệnh và tử vong liên quan đến sốt rét, sự xuất hiện của tình trạng kháng thuốc và việc thiếu một loại vaccine hiệu quả đã nhấn mạnh nhu cầu về các biện pháp can thiệp điều trị mới. Về mặt lịch sử, đặc điểm sinh học của Plasmodiumspp. và việc đánh giá các ứng viên thuốc chống sốt rét đã được thực hiện bằng cách sử dụng các mô hình nuôi cấy tế bào truyền thống và mô hình động vật. Tuy nhiên, các hệ thống này thường không mô phỏng được những nét tinh vi về mặt sinh lý trong giai đoạn nhiễm bệnh ở người của chu kỳ vòng đời Plasmodiumspp., đặc biệt là trong suốt giai đoạn quan trọng bên trong các tế bào gan. Các phương pháp nuôi cấy 2D thông thường thiếu các tương tác đa bào, các tín hiệu cơ sinh học và tính ổn định lâu dài, những yếu tố có thể làm thay đổi đặc tính tế bào và giảm đi tính tương quan về mặt sinh lý.
Bài báo này tìm hiểu sự chuyển đổi từ các mô hình KSTSR thông thường sang các mô hình in vitro tiên tiến, bao gồm các hệ thống vi sinh lý và các mô có nguồn gốc từ tế bào gốc. Những đổi mới này đang mở ra những cơ hội mới cho việc tìm kiếm thuốc và mang lại hy vọng cho việc quản lý hiệu quả các bệnh KSTSR mãn tính.
Những hạn chế của các “mô hình sốt rét” truyền thống
Rào cản đầu tiên trong quá trình phát triển các loại thuốc chống sốt rét mới là sự thiếu hụt các hệ thống nuôi cấy hoặc mô hình phù hợp có khả năng dự đoán chính xác hiệu lực lâm sàng của các thuốc ứng viên. Hạn chế này là nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự thất bại trong việc chuyển đổi các phát hiện tiền lâm sàng thành các kết quả lâm sàng thành công.
Mặc dù các phương pháp nuôi cấy P. falciparum giai đoạn trong máu tiêu chuẩn đã đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu KSTSR, nhưng chúng không phản ánh chính xác tác động mang tính hệ thống của KST lên nhiều cơ quan trong cơ thể người. Các hệ thống nuôi cấy giai đoạn trong máu (hay hồng cầu) này là những lớp tế bào đơn tầng hai chiều, thiếu đi cấu trúc tế bào phức tạp và các tín hiệu cơ học như trong cơ thể con người, dẫn đến những sai sót tiềm tàng trong việc đánh giá tính an toàn và hiệu quả của thuốc.
Ngoài ra, các mô hình động vật, dù hữu ích trong nghiên cứu cơ chế bệnh sinh và phản ứng miễn dịch, song vẫn tồn tại những thách thức liên quan đến sự khác biệt giữa các loài và các cân nhắc về đạo đức. Những cơ chế then chốt của bệnh sốt rét ở người, chẳng hạn như sự bám dính lẩn trốntrong mạch máuhay ẩn cư trong lòng vi huyết quản (vascular sequestration) và các tương tác thụ thể đặc hiệu cho vật chủ, không được tái hiện đầy đủ trong các mô hình loài gặm nhấm. Hơn nữa, dù các loài KSTSR gây bệnh sốt rét ở các gặm nhấm, ví dụ như P. berghei, đã được sử dụng làm mô hình thay thế, chúng không phải lúc nào cũng mô phỏng được các tương tác sinh học cụ thể quan sát thấy ở bệnh sốt rét trên người.
KSTSR P. falciparum được phân tích dưới kính hiển vi quang học| Nguồn Arif biswas/Shutterstock.com
Việc mô phỏng giai đoạn trongtế bào gan của quá trình nhiễm trùng cũng đặt ra những thách thức bổ sung. Ký sinh trùng Plasmodium cư trú và nhân lên một cách thầm lặng (không triệu chứng) tại tế bào gan trước khi xâm nhập vào dòng máu. Sau khi nhiễm, các thoa trùng phát triển trong gan, tại đây chúng nhân lên bên trong các tế bào gan dưới dạng các thể phân liệt tại gan. Giai đoạn này không có triệu chứng và không gây ra các biểu hiện lâm sàng trong khoảng một tuần, điều này càng làm trì hoãn việc phát hiện bệnh. Giai đoạn nội gan này đại diện cho một nút thắt quan trọng đối với sự nhiễm trùng và là mục tiêu chính cho các can thiệp dự phòng.
Sự chuyển đổi sang bệnh sốt rét có triệu chứng xảy ra khi các thể phân liệt này vỡ ra, giải phóng các KSTSR non vào máu, sau đó chúng bắt đầu chu kỳsống trong hồng cầu, tiến triển qua các thể tư dưỡng và thể phân liệt trong hồng cầu. Cơn sốt đặc trưng liên quan đến bệnh sốt rét xảy ra cùng với sự giải phóng các KSTSR non từ các tế bào hồng cầu sau đó.
Hơn nữa, tình trạng nhiễm P. vivax và P. ovale làm phức tạp thêm việc mô phỏng bệnh lý: Những chủng này còn trải qua một giai đoạn không tăng sinh (non-proliferative) và không hoạt động về mặt chuyển hóa được gọi là “thể ngủ”. Các KST ở trạng thái ngủ này có thể tồn tại bên trong các "ngăn chứa" ở gan trong nhiều tháng hoặc nhiều năm trước khi tái hoạt động, đóng vai trò là nguyên nhân chính gây ra tình trạng tái phát xa trên lâm sàng. Các nhà nghiên cứu đã lưu ý rằng phần lớn các trường hợp nhiễm P. vivax được cho là có nguồn gốc từ các thể ngủ cư trú tại gan này. Những dạng tiềm ẩn này rất khó phát hiện và nghiên cứu bằng thực nghiệm, từ đó góp phần tạo ra những khoảng trống lớn trong việc hiểu rõ đặc điểm sinh học của quá trình tái phát xa. Việc nghiên cứu hiện tượng này bằng các mô hình truyền thống gặp nhiều khó khăn, do các mô hình này thường khó duy trì chức năng của tế bào gan đủ lâu để nghiên cứu các giai đoạn tiềm ẩn hoặc tạo điều kiện cho sự nhiễm trùng thoa trùng.
Do đó, giai đoạn trong gan vẫn là một mục tiêu quan trọng nhưng phức tạp đối với các phác đồ dự phòng. Các loại thuốc như atovaquone và proguanil nhắm vào các thể phân liệt giai đoạn tại gan để ngăn chặn sự tiến triển của bệnh, nhưng chỉ có primaquine (PQ) và tafenoquine (TQ) là sở hữu hoạt tính đặc hiệu chống lại thể ngủ cần thiết để ngăn ngừa tái phát xa. Tuy nhiên, những loại thuốc này có thể gây tan máu ở những cá thể thiếu hụt enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD), làm hạn chế việc sử dụng rộng rãi của chúng.
Các tiến bộ trong mô hình In vitro giai đoạn trong gan và đa giai đoạn
Để giải quyết những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đang phát triển các mô hình gan đa chiều giúp mô phỏng tốt hơn hình thái mô tự nhiên. Các hệ thống ba chiều (3D) và các nền tảng đồng nuôi cấy tích hợp nhiều loại tế bào khác nhau. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tái hiện các khía cạnh sinh lý của vi môi trường gan một cách chính xác hơn. Chúng gồm các “organoid” (hay còn gọi là bào quan thu nhỏ) là những mô hình tế bào ba chiều (3D) được nuôi cấy trong ống nghiệm, có khả năng mô phỏng cấu trúc giải phẫu và chức năng sinh học của các cơ quan thực tế trong cơ thể người hoặc động vật) và hệ thống đồng nuôi cấy vi mẫu giúp kéo dài khả năng sống sót của tế bào gan và hỗ trợ sự phát triển hoàn toàn của KST, bao gồm cả sự hình thành thể ngủ. Các hệ thống này hỗ trợ nghiên cứu sự xâm nhập của thoa trùng và phát triển các thể ngủ, yếu tố then chốt để xác định các loại thuốc dự phòng chống lại bệnh sốt rét.
Các hệ thống vi sinh lý (Microphysiological systems - MPS), hay công nghệ cơ quan trên chip (organ-on-a-chip), đại diện cho một tiến bộ đáng kể khác trong việc tái hiện các tương tác động xảy ra giữa tế bào và dịch cơ thể. Các thiết bị này sử dụng vi lưu (microfluidics) để cung cấp các kích thích cơ học, chẳng hạn như ứng suất cắt (shear stress), yếu tố ảnh hưởng đến hành vi tế bào và tính toàn vẹn của hàng rào bảo vệ.MPS có thể mô phỏng vi cấu trúc của các tiểu thùy gan, cung cấp một nền tảng chính xác hơn để kiểm tra tính hướng của KST và các chuyển đổi trong chu kỳ vòng đời của chúng. Chúng cũng duy trì khả năng sống sót và chức năng của tế bào trong thời gian dài hơn, cho phép theo dõi liên tục các tương tác giữa vật chủ và KSTSR. Các hệ thống này còn có thể mô hình hóa các môi trường đặc thù của mô như hàng rào máu não, cho phép điều tra các biến chứng nghiêm trọng, bao gồm cả sốt rét thể não. MPS, chẳng hạn như vi mạch 3D, cũng có thể giúp nghiên cứu các tương tác giữa P. falciparum và các thụ thể nội mô não, vốn chỉ giới hạn ở các loài linh trưởng lớn và con người và không thể nghiên cứu được bằng các mô hình loài gặm nhấm.
Các hệ thống vật chủ được thiết kế và có nguồn gốc từ tế bào gốc
Sự xuất hiện của tế bào gốc vạn năng cảm ứng (induced pluripotent stem cells - iPSC) đã cách mạng hóa việc mô hình hóa bệnh tật bằng cách cung cấp nguồn cung cấp vô hạn các loại tế bào người. Những tế bào gốc này có thể biệt hóa thành tế bào gan hoặc hồng cầu, mang lại nhiều ưu điểm như khả năng kiểm soát người hiến và chỉnh sửa bộ gen. Các tế bào này cũng có thể được thiết kế thành các mô hình mô 3D phức tạp mô phỏng sát thực mô người. Quan trọng làiPSC vẫn giữ được các đặc điểm di truyền và biểu di truyền đặc trưng của người hiến, giúp cho phép nghiên cứu các đáp ứng đặc hiệu của vật chủ đối với tình trạng nhiễm trùng.
Các mô hình có nguồn gốc từ iPSC cải thiện các thông số về khả năng tái mô phỏng và khả năng mở rộng trong nghiên cứu sốt rét. Hơn nữa, những mô hình này đặc biệt có giá trị đối với y học cá thể hóa, vì chúng có thể đại diện cho các yếu tố di truyền cụ thể của vật chủ vốn có ảnh hưởng đến phản ứng với thuốc. Các yếu tố vật chủ là nguyên nhân chính gây ra sự biến thiên về hiệu quả điều trị. Các hệ thống kỹ thuật sử dụng iPSC cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát những biến thiên này trong một môi trường được kiểm soát, từ đó có tiềm năng đẩy nhanh quá trình phát triển các loại thuốc chống sốt rét an toàn hơn.
Nguồn video: CharlesRiverLabs/Youtube.com
Các nền tảng tương thích với sàng lọc hiệu suất cao
Các hệ thống in vitro hiện đại ngày càng được điều chỉnh để phù hợp với quy trình sàng lọc hiệu suất cao (high-throughput screening - HTS) nhằm hỗ trợ lộ trình tìm kiếm thuốc. Các xét nghiệm dựa trên hình ảnh và nền tảng tự động cho phép đánh giá nhanh chóng hoạt tính kháng Plasmodiumspp. của hàng ngàn hợp chất. Thêm vào đó, việc tích hợp cảm biến sinh học với các thiết bị cơ quan trên chip cung cấp dữ liệu theo thời gian thực về khả năng sống sót và hình thái của tế bào mà không gây can thiệp vào các quá trình tế bào hoặc làm tổn thương tế bào. Những hệ thống tích hợp này cho phép theo dõi liên tục, không xâm lấn các phản ứng của tế bào cũng như độc tính của thuốc.
Sàng lọc kiểu hình với các mô hình tiên tiến như vậy cũng giúp xác định hiệu quả các mục tiêu điều trị mới và các liệu pháp phối hợp. Các nhà nghiên cứu hiện đang kết hợp kỹ thuật vi lưu với các công cụ hình ảnh và phân tích để có được những hiểu biết sinh học sâu sắc hơn về cách KSTSRđáp ứng với các kích thích khác nhau. Những nền tảng này tương thích với HTS và đóng vai trò thiết yếu trong việc tinh giản giai đoạn tiền lâm sàng của quá trình tìm kiếm thuốc, đồng thời lựa chọn các ứng viên có tiềm năng thành công cao nhất trên lâm sàng.
Những thách thức và khoảng trống kiến thức
Bất chấp những tiến bộ này, một vài thách thức vẫn tồn tại trong việc triển khai các hệ thống in vitro mới. Sự phức tạp về mặt kỹ thuật và chi phí cao để duy trì các hệ thống nuôi cấy 3D cùng các thiết bị vi lưu có thể làm hạn chế khả năng tiếp cận của chúng. Bên cạnh đó, việc thiếu sự tiêu chuẩn hóa giữa các phòng thí nghiệm khác nhau cũng gây khó khăn cho việc so sánh kết quả và xác thực các phát hiện.Việc mô hình hóa toàn bộ chu kỳ của Plasmodiumspp. trong một hệ thống tích hợp duy nhất vẫn là một thách thức. Trong khi các giai đoạn riêng lẻ có thể được mô phỏng hiệu quả, sự chuyển tiếp giữa các giai đoạn trong gan và trong máu in vitro lại rất phức tạp về mặt kỹ thuật. Hơn nữa, nghiên cứu về P. vivax vẫn tiếp tục bị cản trở bởi khó khăn trong việc duy trì nuôi cấy dài hạn thể ngủ và yêu cầu về các loại tế bào vật chủ cụ thể. Việc bảo tồn chức năng của tế bào gan trong thời gian dài vẫn là một nút thắt chính trong các hệ thống này.
Hình 3. (a) Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phân tách vi mô, thiết bị tách vi mô này có một đầu vào, hai đầu ra và một kênh phân tách rộng 50 μm và dài 20 mm. Hình minh họa nhỏ cho thấy sơ đồ mặt cắt ngang của sự phân bố hRBC và iRBC trước và sau khi đi qua kênh phân tách. Các iRBC cứng hơn, ban đầu được phân bố ngẫu nhiên, sẽ bị dồn về phía thành bên, trong khi các hRBC dễ biến dạng hơn sẽ di chuyển về phía tâm trục của kênh vi mô; (b) Sơ đồ hệ thống MRR để bàn dùng để đo R2. Mẫu máu được ly tâm trong ống mao dẫn và cho vào cuộn dây thu MRR đặt bên trong nam châm vĩnh cửu 0,5 T. Cuộn dây thu được kết nối với máy quang phổ để bàn để thực hiện các phép đo MRR.
Hướng tới hệ sinh thái mô hình sốt rét tích hợp
Các bằng chứng hiện tại chỉ ra rằng tương lai của nghiên cứu sốt rét nằm ở phương pháp tiếp cận kết hợp công nghệ organoid, vi lưu (hay công nghệ vi lưu, vi lưu động học hoặc dòng vi lỏng) là ngành khoa học và kỹ thuật chuyên nghiên cứu về hành vi, sự kiểm soát chính xác và thao tác của các chất lỏng được giới hạn trong những hệ thống có quy mô siêu nhỏ- microfluidics) và hệ gen học (genomics). Việc tinh chỉnh các hệ thống này và tái tạo các vi môi trường mô cụ thể bằng cách tích hợp đặc tính đa bào của vật chủ sẽ cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát các tương tác của KSTSR trong một hệ sinh thái phản ánh chính xác sinh lý người hơn so với các mô hình truyền thống. Các mô hình in vitro cải tiến cũng làm giảm sự phụ thuộc của cộng đồng nghiên cứu vào các mô hình động vật và cung cấp dữ liệu có khả năng dự đoán tốt hơn cho các TNLS.
Các nền tảng tái hiện mô người và các khía cạnh sinh học của KSTSR cũng sẽ cung cấp những đánh giá chính xác hơn về các ứng viên thuốc trước khi TNLS. Điều này có thể rút ngắn lộ trình phát triển và giúp ưu tiên các chiến lược điều trị nhắm vào cả tình trạng nhiễm trùng thể đang hoạt động và các ổ chứa tiềm ẩn.Việc phát triển các mô hình gan thế hệ mới và các nền tảng dựa trên iPSC hiện đang cung cấp nguồn tài nguyên vô giá để nghiên cứu các tương tác giữa KST và mô. Việc thực hiện tiêu chuẩn hóa và tăng khả năng mở rộng của các công nghệ này sẽ đóng góp đáng kể vào nỗ lực toàn cầu nhằm loại trừ bệnh sốt rét.
Tài liệu tham khảo
1. Nitaramorn, N., Kulkeaw, K., & Imwong, M. (2025). Experimental models of liver-stage malaria: Progress, gaps, and challenges. PLoS Pathogens, 21(12).
2. Simwela, N. V., & Waters, A. P. (2022). Current status of experimental models for the study of malaria. Parasitology, 149(6), 729-750.
3. Kulkeaw, K. (2021). Next-Generation Human Liver Models for Antimalarial Drug Assays. Antibiotics, 10(6), 642.
4. Zorrinho-Almeida, M., de-Carvalho, J., Bernabeu, M., & Silva Pereira, S. (2025). Leveraging microphysiological systems to expedite understanding of host-parasite interactions. PLoS Pathogens, 21(4), e1013088.
5. Korbmacher, F., & Bernabeu, M. (2023). Induced pluripotent stem cell-based tissue models to study malaria: a new player in the research game. Current Opinion in Microbiology, 74, 102324.
6. Kulkeaw, K., & Pengsart, W. (2021). Progress and Challenges in the Use of a Liver-on-a-Chip for Hepatotropic Infectious Diseases. Micromachines, 12(7), 842.
CN. Nguyễn Thái Hoàng & TS.BS. Huỳnh Hồng Quang
Viện Sốt rét-KST-CT Quy Nhơn