Trong cuộc chạy đua tìm kiếm kháng sinh mới để đối phó với tình trạng vi khuẩn kháng thuốc ngày càng gia tăng, các nhà khoa học đang bắt đầu hướng tới một hướng đi ít được chú ý trước đây, đó là các hợp chất chứa kim loại. Một nghiên cứu mới cho thấy, nhờ sự hỗ trợ của robot và kỹ thuật gọi là hóa học ghép nhanh, nhiều hợp chất kim loại đã được xác định là những ứng viên tiềm năng cho các loại kháng sinh trong tương lai.

Nổi bật trong số đó là một phức hợp kim loại iridi, được đánh giá là có khả năng tiêu diệt vi khuẩn mạnh nhưng lại ít gây độc cho tế bào người. Hợp chất này thuộc một “thư viện” gồm hơn 600 hợp chất được tạo ra trong một nghiên cứu công bố vào tháng 12 trên tạp chí Nature Communications.

Điểm đặc biệt của nghiên cứu không chỉ nằm ở kết quả, mà còn ở cách các nhà khoa học tạo ra chúng. Thay vì tổng hợp từng hợp chất theo cách thủ công vốn tốn nhiều thời gian, nhóm nghiên cứu đã sử dụng robot để tự động hóa toàn bộ quá trình. Bằng cách kết hợp các “mảnh ghép” hóa học gồm kim loại và phân tử hữu cơ, robot có thể tạo ra hàng trăm hợp chất khác nhau chỉ trong vòng một tuần.

Theo Angelo Frei, nhà hóa học vô cơ tại Đại học York (Vương quốc Anh) và là tác giả chính của nghiên cứu, phương pháp này giúp rút ngắn đáng kể thời gian khám phá thuốc.  Từ trước đến nay, phần lớn kháng sinh được phát triển đều dựa trên các phân tử hữu cơ, tức các hợp chất có cấu trúc chủ yếu từ carbon. Trong khi đó, các phức hợp kim loại hầu như không được chú ý, dù chúng có những đặc điểm hình học và hóa học rất khác biệt. Không giống các phân tử hữu cơ thường khá “phẳng”, các hợp chất kim loại có cấu trúc ba chiều rõ rệt, từ đó tạo ra những tương tác sinh học mới mẻ với vi khuẩn.

Nhóm nghiên cứu cho rằng chính sự khác biệt này có thể giúp các hợp chất kim loại vượt qua những cơ chế kháng thuốc mà vi khuẩn đã phát triển để chống lại kháng sinh hiện nay.

Để tạo ra “thư viện” hợp chất quy mô lớn, các nhà khoa học bắt đầu với 192 ligand, hay những phân tử hữu cơ có nhiệm vụ “ôm” lấy ion kim loại và quyết định đặc tính của toàn bộ phức hợp. Các ligand này được tạo ra nhờ hóa học ghép nhanh, một kỹ thuật phản ứng cho phép liên kết hai nhóm phân tử ban đầu một cách nhanh chóng, chính xác và ổn định. Phản ứng này tạo ra các vòng triazole chứa nitơ, vốn có khả năng liên kết rất bền với kim loại.

Sau đó, robot tiếp tục kết hợp từng ligand với năm kim loại khác nhau, tạo ra tổng cộng 672 phức hợp kim loại. Toàn bộ quá trình chủ yếu là trộn các hóa chất theo tỷ lệ phù hợp, nên đặc biệt phù hợp với tự động hóa bằng robot.

Ngay sau khi được tạo ra, mỗi hợp chất đều được kiểm tra để xác nhận cấu trúc mong muốn đã hình thành, đồng thời được thử nghiệm khả năng tiêu diệt vi khuẩn và mức độ độc hại đối với tế bào người. Cách làm này giúp nhóm nghiên cứu nhanh chóng loại bỏ những hợp chất kém hiệu quả hoặc quá độc, tập trung vào các ứng viên triển vọng nhất.

Kết quả cho thấy các phức hợp chứa iridi và rheni có hoạt tính kháng khuẩn đặc biệt mạnh. Hơn 100 hợp chất trong số này có thể ức chế sự phát triển của Staphylococcus aureus, một loại vi khuẩn thường gây nhiễm trùng trong bệnh viện, có thể dẫn đến các biến chứng nghiêm trọng. Từ kết quả sàng lọc ban đầu, nhóm nghiên cứu chọn ra sáu hợp chất đạt sự cân bằng tốt nhất giữa hiệu quả diệt khuẩn và mức độ an toàn để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn.

Trong các thử nghiệm tiếp theo, một phức hợp iridi nổi lên như ứng viên sáng giá nhất. Hợp chất này cho thấy khả năng tiêu diệt vi khuẩn mạnh gấp 50 đến 100 lần so với mức gây hại cho tế bào người, một mức chênh quan trọng giúp bảo đảm thuốc có thể tiêu diệt vi khuẩn mà không gây tổn thương đáng kể cho cơ thể.

Nhận xét về nghiên cứu, Mark Blaskovich, nhà sinh học phân tử tại Đại học Queensland (Australia), đánh giá cao cách tiếp cận nhanh và hiệu quả của nhóm nghiên cứu, cũng như sự đa dạng của các hợp chất được tạo ra nhờ tự động hóa. Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng để biến những ứng viên này thành thuốc kháng sinh thực sự vẫn cần rất nhiều bước tiếp theo.

Trước mắt, các nhà khoa học cần chứng minh rằng những hợp chất triển vọng này có các đặc tính phù hợp để làm thuốc, như độ ổn định trong cơ thể và ít tác dụng phụ ngoài mong muốn. Sau đó là các nghiên cứu trên động vật, và xa hơn là các thử nghiệm lâm sàng trên người, nhằm xác nhận tính an toàn và hiệu quả điều trị.

Về phần mình, Frei cho biết nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng thư viện hợp chất và tận dụng trí tuệ nhân tạo để định hướng các bước tiếp theo. Bằng cách phân tích dữ liệu đã thu được, các mô hình học máy có thể giúp dự đoán hợp chất nào nhiều khả năng vừa hiệu quả vừa an toàn, từ đó giúp các nhà khoa học thiết kế kháng sinh mới một cách thông minh và có mục tiêu hơn.