Một công nghệ mới kết hợp tạo ảnh hiệu suất cao và máy học có thể tăng tốc khám phá ra các loại thuốc để chống lại bệnh lao - một căn bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn lao Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) gây ra và qua nhiều thế hệ đã giết chết nhiều người, khoảng 4.000 người mỗi ngày, trên toàn thế giới

Các phương pháp điều trị hiện tại yêu cầu bệnh nhân phải sử dụng nhiều loại thuốc trong ít nhất sáu tháng và đôi khi kéo dài nhiều năm theo đúng phác đồ, và tình trạng kháng kháng sinh đang gia tăng, làm tăng sự cấp bách trong việc tìm kiếm phương pháp điều trị bệnh lao mới. Tuy nhiên, việc phát hiện ra được loại thuốc điều trị thông thường cần phải sản xuất hàng trăm dẫn xuất của một hợp chất ban đầu để tìm ra phiên bản hiệu quả nhất.

Một công nghệ mới có tên là MorphEUS (Đánh giá hình thái và hiểu biết về phản ứng của thuốc) đã giúp các nhà nghiên cứu xác định được cách thức hoạt động tiêu diệt Mycobcterium tuberculosis (M. tb), vi khuẩn gây bệnh lao của các hợp chất cụ thể một cách nhanh chóng, hiệu quả, với chi phí tối ưu.

Bree Aldridge, phó giáo sư sinh học phân tử và vi sinh học tại Trường Đại học Y khoa Tufts, tác giả cao cấp trên bài báo liên quan về nền tảng mới được công bố trực tuyến trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) vào ngày 17/7/2020, cho biết: “Chúng tôi rất cần các liệu pháp điều trị lao ngắn hơn, hiệu quả hơn và MorphEUS cho phép chúng tôi sàng lọc các ứng cử viên thuốc, xem xét loại thuốc nào có ảnh hưởng thực sự đến tế bào gây bệnh lao và tìm hiểu loại thuốc nào có cách tiêu diệt M. tb độc đáo”.

Aldridge và các đồng nghiệp của cô đã áp dụng công nghệ MorphEUS cho 34 loại kháng sinh hiện có và ba hợp chất phi thương mại. Công nghệ MorphEUS đã phân loại chính xác các loại thuốc tới 94 phần trăm trong một khoảng thời gian. Trong các mẫu còn lại, MorphEUS đã xác định được các đường dẫn nhắm đích chưa từng được biết trước đây.

Việc tìm kiếm các phương pháp điều trị lao mới gặp nhiều trở ngại bởi những khó khăn trong việc xác định sớm được hoạt tính sinh học của các hợp chất trong quá trình khám phá thuốc và sự cần thiết phải làm rõ cơ chế hoạt động của các liệu pháp hiện có. Các chất kháng khuẩn tiêu diệt mầm bệnh thông qua các hành động phân tử cụ thể, ví dụ, bằng cách phá hủy thành tế bào của vi khuẩn hoặc ức chế tổng hợp protein của vi khuẩn.

Các loại thuốc này để lại các dấu hiệu phương thức thực hiện cụ thể của chúng: làm sáng tỏ đặc trưng vật lý, có thể ảnh hưởng đến chiều dài, chiều rộng, hình dạng của các cấu trúc như nhiễm sắc thể, khả năng nhuộm màu và các đặc tính khác của các tế bào vi khuẩn. Việc phân tích hình thái để phân loại các loại thuốc theo những thay đổi này được thiết lập tốt với các mầm bệnh như E. coli, tuy nhiên đối với vi khuẩn gây bệnh lao, nhóm của Aldridge là nhóm đầu tiên thử nghiệm phương pháp này.

Trever C. Smith II, nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Aldridge, đồng tác giả đầu tiên trên bài báo cho biết: “Chúng tôi thấy rằng các phương pháp tiếp cận phân tích hình thái thông thường không có tác dụng với M. tb, bởi vì phản ứng vốn có của vi khuẩn đối với mỗi cách điều trị là rất khác nhau và những thay đổi về hình thái ít rõ ràng hơn so với vi khuẩn như E. coli”.

MorphEUS khai thác các biến thể này bằng việc kết hợp các phép đo không đồng nhất vào định hình hình thái học và liên kế bộ phân tích tính năng nâng cao này với máy học và các công cụ phân tích phức tạp khác. Mạng lưới và ma trận sẽ hiện thị hóa các phân tích dữ liệu. Ví dụ, phần lớn sự không đồng nhất trong các mẫu nhuộm ở M. tb là do nó có thành tế bào dày, phức tạp. Sự tăng màu và ít thay đổi trong kiểu nhuộm màu xảy ra khi M. tb được điều trị bằng kháng sinh nhắm mục tiêu vào thành tế bào so với các nhóm kháng sinh khác.

“Với MorphEUS, chúng tôi đã sử dụng phân phối nhuộm màu trên một số lượng lớn trực khuẩn để tìm hiểu cách thức mỗi loại thuốc hoạt động trên M. tb. Tương tự, chúng tôi đã xem xét cường độ nhuộm màu và sự lan rộng của độ sáng đó trên hàng ngàn tế bào để xác định các mẫu một cách tinh tế hơn”, Aldridge nói.

MorphEUS cũng có thể xác định được những loại thuốc có tác dụng ngoài mục tiêu hay tác dụng phụ khó xác định. Các cơ chế phức tạp của hoạt động của thuốc có thể là chìa khóa trong việc thiết kế các liệu pháp đa trị liệu.

“Chúng tôi hy vọng rằng sự thành công của MorphEUS trong việc cấu hình hoạt động của thuốc trong một sinh vật như M. tb có tính không đồng nhất đáng kể và có phản ứng tế bào học tinh tế sẽ giúp công nghệ này trở nên hữu ích đối với các mầm bệnh và loại tế bào khác”, Aldridge bày tỏ.

MorphEUS, giống như tất cả các kỹ thuật phân tích cấu hình tế bào học, được điều khiển dựa trên dữ liệu và dựa trên phân loại giữa một nhóm các cấu hình khác. Nó đòi hỏi nhiều cấu hình đại diện từ M. tb đã được điều trị bằng các hợp chất nhắm mục tiêu. Khi loại thuốc được phân tích mở rộng, độ chính xác và độ phân giải của MorphEUS sẽ được cải thiện. MorphEUS cũng bị hạn chế trong khả năng xác định đường dẫn nhắm đích của các hợp chất với các cơ chế hoạt động mới không giống như các loại thuốc được định hình khác trong bộ tham chiếu.

P.T.T (NASATI), theo https://medicalxpress.com/news/2020-07-cell-profiling-method-tuberculosis-drug.html, 24/7/2020