Trong khi y học hiện đại đã đạt nhiều tiến bộ vượt bậc, việc điều trị các ổ nhiễm trùng sâu trong mô vẫn là một thách thức lớn. Khi vi khuẩn ẩn náu trong các khu vực ít được tưới máu hoặc nằm sâu trong cơ thể, thuốc kháng sinh thường không thể tiếp cận với nồng độ đủ mạnh để tiêu diệt chúng. Nhiều ổ áp xe, màng sinh học (biofilm) hay tổn thương hậu phẫu trở thành “vùng trú ẩn an toàn” của vi khuẩn, buộc bệnh nhân phải phẫu thuật hoặc điều trị kéo dài. Trong bối cảnh kháng kháng sinh gia tăng toàn cầu, nhu cầu về một giải pháp thay thế trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.

Một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials (10/2025), đã giới thiệu một loại gel tiêm kích hoạt bằng tia X liều thấp có khả năng tiêu diệt vi khuẩn sâu trong mô mà không cần kháng sinh. Khi được chiếu tia X, gel này tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS) - bao gồm superoxide, hydroxyl và oxy singlet - có khả năng tấn công màng tế bào, protein và DNA của vi khuẩn, tạo ra hiệu ứng diệt khuẩn kéo dài ngay cả sau khi ngừng chiếu xạ.

Khác với các phương pháp quang trị liệu thông thường vốn bị giới hạn bởi khả năng xuyên thấu ánh sáng (chỉ vài milimet), tia X có thể xuyên sâu qua mô tới vài centimet. Tuy nhiên, các vật liệu trước đây phản ứng với tia X thường hoạt động không ổn định hoặc yêu cầu liều cao, khó áp dụng lâm sàng. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống hydrogel phản ứng kép, kết hợp chất phát quang bền và chất sinh ROS quang hoạt, cho phép phát sáng và tiêu diệt vi khuẩn liên tục mà không cần nguồn năng lượng ngoài.

Cấu trúc của vật liệu gồm hai thành phần chính: Strontium aluminate phosphor được pha tạp europium và dysprosium, có khả năng phát sáng kéo dài hàng giờ sau khi được chiếu tia X. Acridine orange, một phân tử nhạy sáng, tạo ra oxy singlet - dạng oxy phản ứng mạnh mẽ khi tiếp xúc với ánh sáng phát ra từ strontium aluminate. Cả hai được nhúng trong hydrogel sodium alginate tương thích sinh học, giúp ổn định cấu trúc và giữ vật liệu tại vị trí tiêm. Khi tia X kích hoạt, gel đồng thời tạo ROS trực tiếp và phát ra ánh sáng nội tại để kích hoạt acridine orange, tiếp tục sinh ROS sau khi ngừng chiếu. Hiệu ứng kép này tạo nên một “cơn bão oxy hóa” khu trú, có thể phá vỡ màng sinh học và tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả.

Trong thử nghiệm, chỉ 8 phút chiếu tia X đã giúp giảm hơn 99% vi khuẩn Staphylococcus aureus và Escherichia coli, hai tác nhân gây bệnh phổ biến và nguy hiểm trong bệnh viện. Đặc biệt, gel còn phá hủy hơn 90% màng sinh học - cấu trúc vi khuẩn bảo vệ chúng khỏi kháng sinh. Quan sát hiển vi cho thấy vi khuẩn bị phá vỡ màng, biến dạng và sụp đổ cấu trúc tế bào.

Thử nghiệm trên mô lợn dày 1,5 cm cho thấy tia X vẫn kích hoạt hiệu quả gel bên dưới lớp cơ, giảm 99% số lượng vi khuẩn ở phía đối diện, chứng minh khả năng hoạt động ở độ sâu mà ánh sáng thường không thể xuyên tới. Tiếp đó, nhóm nghiên cứu đã cải tiến hydrogel thành Pluronic F127, một polymer nhạy cảm nhiệt: ở nhiệt độ phòng là dung dịch lỏng dễ tiêm, nhưng khi vào cơ thể (37°C) sẽ đông đặc lại, giúp gel lưu lại chính xác tại ổ nhiễm trùng.

Trong mô hình áp xe cơ sâu trên chuột, chỉ một mũi tiêm gel kết hợp chiếu tia X ngắn đã giảm mạnh số lượng vi khuẩn và kích thước ổ nhiễm trùng, đồng thời không gây tổn thương mô xung quanh. Gel cho thấy độc tính thấp, ổn định qua nhiều chu kỳ kích hoạt, và duy trì hiệu quả trong vài ngày - điều hiếm thấy ở các vật liệu kháng khuẩn trước đây.

Điểm đột phá của công trình này không chỉ nằm ở khả năng tiêu diệt vi khuẩn bằng ROS mà còn ở thiết kế thông minh của vật liệu đa chức năng: vừa tạo ra ánh sáng nội tại, vừa duy trì hoạt tính hóa học lâu dài mà không cần nguồn năng lượng liên tục. Cách tiếp cận này chuyển đổi năng lượng vật lý (tia X) thành hiệu ứng hóa học sâu trong mô, mở ra hướng điều trị hoàn toàn mới cho các nhiễm trùng “ẩn sâu” mà kháng sinh hay phẫu thuật không thể giải quyết triệt để.

Theo các nhà nghiên cứu, nền tảng này có thể được mở rộng trong tương lai để điều trị nhiễm trùng hậu phẫu, viêm xương tủy, hoặc các tổn thương do thiết bị cấy ghép gây ra, nơi mà thuốc khó tiếp cận. Với khả năng kích hoạt bằng liều tia X thấp - tương tự mức dùng trong chẩn đoán hình ảnh – phương pháp này có tiềm năng ứng dụng lâm sàng cao.

Dù còn cần thời gian để thử nghiệm lâm sàng trên người, nghiên cứu đã đặt nền móng cho thế hệ vật liệu kháng khuẩn không kháng sinh, vừa an toàn vừa hiệu quả trong môi trường mô sâu. Trong kỷ nguyên hậu kháng sinh, khi các loại thuốc dần mất tác dụng, việc khai thác năng lượng vật lý để kích hoạt phản ứng hóa học tại chỗ có thể trở thành chiến lược đột phá giúp nhân loại đối phó với kháng thuốc và các bệnh nhiễm trùng nan y.

P.T.T (NASTIS), theo Nanowerk Spotlight, 10/2025