1. Mũi kim siêu nhỏ để tiêm và lấy máu xétnghiệm không làm đau bệnh nhân
Những chiếc kim siêu nhỏ có thể được sử dụng để tiêm và lấy mẫu máu xét nghiệm mà không gây đau cho dù được gắn vào ống tiêm hay miếng dán do chúng không tiếp xúc với các đầu dây thần kinh.Những chiếc kim siêu nhỏ này thường có chiều dài từ 50 - 2.000 micrômet (độ dày của một tờ giấy) và đường kính từ 1 - 100 micrômet (đường kính sợi tóc) do đó chúng chỉ xuyên qua lớp da chết (trên cùng) để tiếp cận với lớp thứ hai (biểu bì) chứa các tế bào sống và dịch kẽ nhưng hầu như không chạm tới hoặc chỉ chạm vào lớp hạ bì bên dưới là nơi có các đầu dây thần kinh cùng với máu, mạch bạch huyết và mô liên kết.
Nhiều ứng dụng ống tiêm và miếng dán với các mũi kim siêu nhỏ đã được sử dụng để tiêm vắc xin và nhiều ứng dụng khác đang được thử nghiệm lâm sàng để sử dụng trong điều trị bệnh tiểu đường, ung thư và đau thần kinh. Do các mũi kim này đưa thuốc trực tiếp vào lớp biểu bì hay hạ bì nên thuốc được cung cấp hiệu quả hơn nhiều so với các miếng dán thẩm thấu qua da dựa vào sự khuếch tán qua da. Trong năm nay, các nhà nghiên cứu đã ra mắt một kỹ thuật mới để điều trị các chứng rối loạn về da như bệnh vẩy nến, mụn cóc và một số loại ung thư bằng cách trộn các vi hạt hình ngôi sao vào một loại kem hoặc gel trị liệu. Tuy nhiên, việc xuyên qua da nhẹ nhàng của các mũi kim siêu nhỏ giúp tăng cường sự dẫn truyền của chất điều trị.
Nhiều sản phẩm kim siêu nhỏ có thể lấy máu hoặc dịch kẽ một cách nhanh chóng, không gây đau
được sử dụng trong xét nghiệm chẩn đoán hoặc theo dõi sức khỏe đang tiến tới thương mại hóa. Các lỗ nhỏ do kim tạo ra gây ra sự thay đổi cục bộ về áp suất trong lớp biểu bì hoặc hạ bì giúp cho xilanh hút được máu hay dịch kẽ. Nếu các mũi kim này được tích hợp với cảm biến sinh học, trong vòng vài phút, thiết bị có thể đo trực tiếp các dấu hiệu sinh học cho biết tình trạng sức khỏe hay bệnh tật, chẳng hạn như glucose, cholesterol, rượu, sản phẩm phụ của thuốc hay tế bào miễn dịch.
Một số sản phẩm cho phép lấy máu tại nhà và gửi đến phòng thí nghiệm hoặc phân tích tại chỗ. Một trong số các sản phẩm này đã vượt qua các rào cảnquy định: Hoa Kỳ và Châu Âu gần đây đã phê duyệt thiết bị lấy máu TAP của Hãng Seventh Sense Biosystems, cho phép người dân tự lấy mẫu máu với số lượng ít để gửi đến phòng thí nghiệm hay để tự theo dõi tại nhà. Trong các cơ sở nghiên cứu, kim siêu nhỏ cũng đang được tích hợp với các thiết bị liên lạc không dây để đo phân tử sinh học để xác định liều lượng thuốc thích hợp và sau đó cung cấp đúng liều lượng đó - một cách tiếp cận có thể giúp hiện thực hóa y học cá nhân hóa.
Hiện nay, Micron Biomedical đã phát triển một phương pháp tiếp cận có thể sử dụng dễ dàng những mũi kim siêu nhỏ này: một miếng dán có kích thước bằng miếng gạc mà bất kỳ ai cũng có thể sử dụng. Miếng dán kim siêu nhỏ do Hãng Vaxxas phát triển đang trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu tiêm vắcxin cho động vật và người tạo ra các phản ứng miễn dịch tăng cường sử dụng chỉ bằng một phần nhỏ so với liều thông thường. Các mũi kim siêu nhỏ cũng có thể làm giảm nguy cơ lây truyền virus qua đường máu và giảm chất thải nguy hại từ việc vứt bỏ kim tiêm thông thường.
Tuy nhiên, các mũi kim siêu nhỏ không phải lúc nào cũng là một lợi thế; chúng sẽ không phù hợp khi cần dùng liều lượng lớn. Bên cạnh đó, không phải tất cả các loại thuốc đều có thể đi qua các mũi kim siêu nhỏ, cũng như không thể lấy tất cả các mẫu phẩm bằng loại kim này. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để hiểu các yếu tố như tuổi và cân nặng của bệnh nhân, vị trí tiêm và kỹ thuật dẫn thuốc ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả của các công nghệ sử dụng các mũi kim siêu nhỏ. Tuy nhiên, những mũi kim siêu nhỏđể tiêm hay lấy máu không đau này có thể được kỳ
vọng sẽ mở rộng đáng kể việc dẫn thuốc và chẩn đoán và những công dụng mới sẽ được phát triển khi các nhà nghiên cứu tìm ra cách sử dụng chúng ở cáccơ quan dưới da.
2. Sản xuất các hợp chất hữu cơ sử dụng năng lượng mặt trời
Việc sản xuất ra nhiều hóa chất quan trọng phục vụ các nhu cầu của con người từ nhiên liệu hóa
thạch gây ra phát thải carbon dioxide và biến đổi khí hậu. Một cách tiếp cận mới sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển carbon dioxide phát thải thành những hóa chất cần thiết, có khả năng làm giảm lượng khí phát thải theo hai cách: sử dụng khí phát thải không mong muốn làm nguyên liệu thô và ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cần thiết cho sản xuất.
Quá trình này ngày càng khả thi nhờ những tiến bộ đạt được trong việc phát triển các chất xúc tác hoạt hóa bằng ánh sáng mặt trời hay còn gọi là chất xúc tác quang. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển chất xúc tác quang có khả năng phá vỡ liên kết đôi bền giữa carbon và oxy trong carbon dioxide. Đây là bước đầu tiên quan trọng trong việc tạo ra các nhà máy tinh chế sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất các hợp chất hữu ích từ khí thải - bao gồm các phân tử “nền tảng” có thể dùng làm nguyên liệu để tổng hợp các sản phẩm đa dạng như thuốc, chất tẩy rửa, phân bón và dệt may.
Hợp chất hữu cơ sử dụng năng lượng mặt trời biến carbon dioxide
phát thải thành những hoá chất cần thiết
Chất xúc tác quang thường là chất bán dẫn, đòi hỏi tia cực tím năng lượng cao để tạo ra các điện tử tham gia vào quá trình biến đổi carbon dioxide. Tuy nhiên, tia cực tím vừa khan hiếm (chỉ chiếm 5% ánh sáng mặt trời) vừa có hại. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác mới hoạt động dưới ánh sáng khả kiển dồi dào và lành tính hơn là một mục tiêu quan trọng. Nhu cầu đó đang được giải quyết bằng cách biến đổi thành phần, cấu trúc và hình thái của các chất xúc tác hiện có, chẳng hạn như titanium dioxide. Mặc dù nó chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide thành các phân
tử khác chỉ phản ứng với tia cực tím, việc pha nó với nitơ làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết để chuyển đổi như vậy. Chất xúc tác được thay đổi giờ đây chỉ cần ánh sáng khả kiến để tạo ra các hóa chất được sử dụng rộng rãi như metanol, fomanđehit và axit formic - cực kỳ quan trọng trong sản xuất chất kết dính, bọt, ván ép, tủ, sàn và chất khử trùng.
Hiện tại, nghiên cứu hóa học về năng lượng mặt trời chủ yếu được thực hiện trong các phòng thí nghiệm hàn lâm, như tại Trung tâm Hợp tác về quang hợp nhân tạo, do Viện Công nghệ California hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley điều hành hay sự hợp tác của các trường đại học, ngành công nghiệp và các tổ chức nghiên cứu và công nghệ có trụ sở tại Hà Lan với tên gọi Sunrise consortium; và Khoa Phản ứng dị thể tại Viện Chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck ở Mülheim, Đức. Một số công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu một cách tiếp cận khác để biến carbon dioxide thành các chất hữu ích - cụ thể là sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Việc sử dụng điện để cung cấp năng lượng cho các phản ứng rõ ràng sẽ kém thân thiện với môi trường hơn so với sử dụng ánh sáng mặt trời nếu điện được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, nhưng sử dụng quang điện có thể khắc phục được nhược điểm đó.
Những tiến bộ trong chuyển đổi carbon dioxide thành hóa chất sử dụng ánh sáng mặt trời chắc chắn sẽ được thương mại hóa và phát triển hơn nữa bởi các công ty khởi nghiệp hoặc các công ty khác trong những năm tới. Sau đó, ngành công nghiệp hóa chất - bằng cách biến carbon dioxide thành các sản phẩm có giá trị - sẽ tiến một bước gần hơn đến việc trở thành một phần của nền kinh tế tuần hoàn, không chất thải thực sự, cũng như giúp biến mục tiêu không phát thải thành hiện thực.
3. Bệnh nhân ảo
Hiện nay, một số thuật toán mới cho phép máy tính chẩn đoán một căn bệnh với độ chính xác chưa từng có, làm tăng thêm tính khả thi của những dự đoán rằng máy tính sẽ sớm thay thế các bác sĩ. Điều gì sẽ xảy ra nếu máy tính cũng có thể thay thế bệnh nhân? Ví dụ, nếu người ảo có thể thay thế người thật trong một số giai đoạn của quá trình thử nghiệm vắc xin virus Corona, thì nó có thể đã thúc đẩy sự phát triển của một công cụ phòng ngừa và làm chậm sự lây lan của đại dịch. Tương tự, những vắc xin tiềmnăng không hiệu quả có thể được xác định sớm, giảm chi phí thử nghiệm và tránh thử nghiệm những vắc xin không tốt trên những tình nguyện viên. Đây là một số lợi ích của “y học in silico”, phương pháp sàng lọc thuốc và điều trị trên các cơ quan hoặc cơ thể ảo để dự đoán cách một người sẽ phản ứng với các liệu pháp này như thế nào. Có thể dự đoán được rằng trong tương lai, các nghiên cứu y khoa sẽ cần bệnh nhân thực tế trong những nghiên cứu giai đoạn cuối, nhưng các thử nghiệm in silico sẽ cho phép thực hiện các đánh giá đầu tiên nhanh chóng và ít tốn kém về tính an toàn và hiệu quả, giảm đáng kể số lượng người cần để thử nghiệm.
Bệnh nhân ảo có thể thay thế con người trong một số quá trình sản xuất vắc-xin
Với các cơ quan ảo, việc lập mô hình bắt đầu bằng cách đưa dữ liệu giải phẫu là những hình ảnh độ phân giải cao không xâm lấn các cơ quan của bệnh nhân vào một mô hình toán học phức tạp các cơ chế chi phối chức năng của cơ quan đó. Những thuật toán chạy trên các máy tính mạnh sẽ giải quyết các phương trình và ẩn số kết quả, tạo ra một cơ quan ảo hoạt động giống như cơ quan của cơ thể.
Các thử nghiệm lâm sàng in silico đã được tiến hành ở một mức độ nào đó. Ví dụ, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đang sử dụng mô phỏng máy tính thay cho các thử nghiệm trên người để đánh giá các hệ thống chụp X - quang tuyến vú mới. Cơ quan này cũng đã công bố hướng dẫn thiết kế các thử nghiệm thuốc và thiết bị trên cả bệnh nhân ảo.
Ngoài việc tăng tốc kết quả và giảm thiểu rủi ro của các thử nghiệm lâm sàng, y học in silico có thể được sử dụng thay thế cho các can thiệp rủi ro cần thiết để chẩn đoán hoặc lập kế hoạch điều trị một số bệnh. Ví dụ, HeartFlow Analysis, dịch vụ dựa trên đám mây được FDA chấp thuận, cho phép các bác sĩ lâm sàng xác định bệnh động mạch vành dựa trên hình ảnh CT tim bệnh nhân. Hệ thống HeartFlow sử dụng những hình ảnh này để xây dựng mô hình động lực học của máu chảy qua các mạch vành, từ đó xác định các tình trạng bất thường và mức độ nghiêm
trọng của chúng. Nếu không có công nghệ này, các bác sĩ cần thực hiện chụp mạch xâm lấn để quyết định có can thiệp hay không. Thử nghiệm trên các mô hình kỹ thuật số của từng bệnh nhân cũng có thể giúp cá nhân hóa liệu pháp cho bất kỳ bệnh lý nào và đã được sử dụng trong điều trị bệnh tiểu đường.
Triết lý đằng sau y học in silico không phải là mới. Khả năng tạo và mô phỏng hoạt động của một vật thể trong hàng trăm điều kiện hoạt động đã là nền tảng của kỹ thuật này trong nhiều thập kỷ, chẳng hạn như thiết kế mạch điện tử, máy bay và các tòa nhà. Tuy nhiên, việc triển khai rộng rãi y học in silico trong nghiên cứu và điều trị y tế vẫn cò nhiều rào cản.
Đầu tiên, năng lực dự đoán và độ tin cậy của công nghệ này phải được xác nhận và điều đó sẽ đòi hỏi một số tiến bộ. Chúng bao gồm việc tạo ra cơ sở dữ liệu y tế chất lượng cao với số lượng bệnh nhân lớn, đa dạng về sắc tộc, bao gồm cả phụ nữ và nam giới; sàng lọc các mô hình toán học để giải thích cho nhiều quá trình tương tác trong cơ thể; và cải tiến thêm các phương pháp trí tuệ nhân tạo được phát triển chủ yếu để nhận dạng giọng nói và hình ảnh dựa trên máy tính và cần được mở rộng để cung cấp những hiểu biết sâu sắc về sinh học. Cộng đồng khoa học và các đối tác trong ngành đang giải quyết những vấn đề này thông qua các sáng kiến như Dự án Trái tim Sống của Dassault Systèmes, Viện Sinh lý con người ảo về Nghiên cứu y sinh tích hợp và Healthcare NExT của Microsoft.
Trong những năm gần đây, FDA và các cơ quan quản lý châu Âu đã chấp thuận việc sử dụng thương mại đối với một số chẩn đoán dựa trên máy tính, nhưng việc đáp ứng các yêu cầu quy định đòi hỏi thời gian và tiền bạc đáng kể. Việc tạo ra nhu cầu cho các công cụ này là một thách thức do sự phức tạp của hệ sinh thái chăm sóc sức khỏe. Y học in silico phải có khả năng mang lại giá trị hiệu quả về chi phí cho bệnh nhân, bác sĩ lâm sàng và các tổ chức chăm sóc sức khỏe để đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ của họ.