Saintis Vietnam Nguyen Duc Thanh Membangunkan Peranti Perubatan Terbiodegradasi dengan Sokongan Penyelidikan AS$25 Juta

Jadual vaksin terbina dalam tampalan kecil

Tampalan yang diuji pada tikus menyampaikan dos Prevnar-13, vaksin terhadap bakteria pneumokokus, pada sela masa terprogram antara beberapa hari hingga lebih sebulan. Haiwan itu menghasilkan tindak balas imun yang serupa dengan haiwan yang menerima beberapa suntikan dan terselamat daripada pendedahan kepada bakteria yang membawa maut. Di sebalik usaha ini ialah Nguyen Duc Thanh, seorang saintis Vietnam yang penyelidikannya di University of Connecticut telah menarik pembiayaan berjuta-juta dolar untuk peranti perubatan yang direka untuk terurai selepas menjalankan fungsinya.

Dikenali dalam penerbitan saintifik sebagai Thanh D. Nguyen, profesor madya itu bekerja dalam bidang kejuruteraan mekanikal, kejuruteraan bioperubatan dan sains bahan. Projeknya merangkumi tampalan vaksin, struktur yang bertujuan membantu tulang yang rosak pulih, serta peranti ultrabunyi terbiodegradasi yang direka untuk membantu ubat kemoterapi sampai ke tumor otak.

University of Connecticut menyatakan beliau telah memperoleh pembiayaan penyelidikan sebanyak $25 juta untuk institusi itu sejak menyertainya pada 2016. Angka pembiayaan yang diumumkan menjelang Oktober 2024 termasuk lebih daripada $9.5 juta daripada empat geran R01 National Institutes of Health dan $6.6 juta daripada dua geran yang diluluskan oleh Bill & Melinda Gates Foundation.

Idea utamanya menghubungkan beberapa masalah perubatan yang kelihatan berbeza: membina bahan yang membawa ubat, menghasilkan isyarat elektrik atau mengeluarkan gelombang ultrabunyi, kemudian membiarkannya terurai di dalam badan. Bagi pesakit, manfaat yang disasarkan merangkumi pengurangan temu janji vaksinasi hingga mengelakkan pembedahan untuk mengeluarkan implan.

Bukti terperinci yang diterbitkan setakat ini berkaitan dengan tampalan vaksin. Nguyen ialah penulis koresponden bagi kajian vaksin jarum mikro, yang diterbitkan dalam talian pada 23 November 2020 dalam Nature Biomedical Engineering dan dimuatkan dalam jilid 2021 jurnal itu. Penyelidikan tersebut menguji teknologi itu pada tikus; penggunaannya untuk vaksinasi rutin pada manusia masih menjadi matlamat pembangunan.

Dari Da Nang ke makmal di Connecticut

Nguyen dilahirkan pada 1984 di Da Nang, Vietnam tengah. Beliau mempelajari fizik di Sekolah Menengah Le Quy Don untuk Pelajar Berbakat sebelum memasuki program kejuruteraan berbakat dalam fizik kejuruteraan di Hanoi University of Science and Technology.

Selepas menamatkan pengajian pada 2007, beliau menerima biasiswa Vietnam Education Foundation pada 2008 untuk melanjutkan pengajian doktor falsafah di Princeton University. Beliau menamatkan pengajian kedoktoran pada 2013 dan meneruskan kerjaya sebagai penyelidik pascadoktoral di Massachusetts Institute of Technology.

Laluan akademiknya beralih daripada mekanik dan kejuruteraan aeroangkasa kepada teknologi bioperubatan. Di Connecticut, tempat beliau menyertai jabatan kejuruteraan mekanikal dan bioperubatan pada 2016, beliau menubuhkan makmal yang menjalankan penyelidikan tentang biomaterial, ubat-ubatan, vaksin, perubatan regeneratif dan peranti perubatan miniatur. Beliau menjadi profesor madya pada 2022.

Beberapa tarikh menjejaki perkembangan penyelidikan itu:

• 2017: Nguyen menerima Anugerah NIH Trailblazer untuk penyelidik muda.
• 2018: Makmalnya melaporkan teknologi polimer piezoelektrik terbiodegradasi untuk aplikasi perubatan.
• 23 November 2020: Kajian tampalan vaksin boleh atur cara diterbitkan dalam talian.
• 30 Ogos 2022: Paten jarum mikro teras-selongsong yang menamakan Nguyen dan Khanh Tran diberikan.
• 2024: Nguyen dipilih sebagai Ahli Kanan National Academy of Inventors.

Bagaimana satu tampalan boleh menggantikan beberapa lawatan

Tampalan vaksin Nguyen kira-kira sebesar hujung ibu jari dan mengandungi ratusan jarum kecil. Daripada menggunakan picagari konvensional untuk memberikan setiap dos secara berasingan, tampalan itu meletakkan pakej kecil vaksin ke dalam kulit dalam satu penggunaan.

Setiap jarum mikro mempunyai teras yang mengandungi vaksin dan selongsong luar yang diperbuat daripada polimer terbiodegradasi yang dipanggil poli(asid laktik-ko-glikolik), atau PLGA. Para penyelidik menghasilkan dan menyusun bahagian-bahagian miniatur ini supaya selongsong dengan kadar penguraian berbeza melepaskan kandungannya pada masa yang berlainan.

Matlamatnya ialah siri pelepasan dos berperingkat, seakan-akan suntikan berasingan. Satu dos boleh dilepaskan selepas tempoh singkat, manakala satu lagi kekal terbungkus sehingga kemudian. Perubahan pada reka bentuk selongsong dan sifat bahan mengubah jadual pelepasan.

Nguyen, yang ketika itu merupakan penolong profesor kejuruteraan di Connecticut, menjelaskan manfaat yang disasarkan untuk pesakit:

Pesakit tidak perlu mengingati jadual vaksinasi," kata Nguyen. "Mereka tidak perlu menerima tampalan lain untuk mendapatkan vaksin berulang kali.

Kajian pada tikus menggunakan Prevnar-13 untuk menentang Streptococcus pneumoniae. Perbandingannya dengan suntikan berulang berguna kerana matlamat praktikalnya adalah untuk mengekalkan perlindungan sambil mengurangkan kekerapan seseorang perlu kembali untuk mendapatkan rawatan.

Maksud pengurangan temu janji

Keluarga yang tinggal jauh dari klinik mungkin perlu mengatur pengangkutan, mengambil cuti kerja dan kembali pada beberapa tarikh berbeza untuk melengkapkan siri vaksin. Tampalan yang membawa jadual dosnya sendiri boleh mengurangkan perjalanan tersebut serta kemungkinan terlepas dos berikutnya.

Pendekatan Nguyen merupakan sebahagian daripada bidang penyelidikan jarum mikro yang lebih luas. Mark Prausnitz, pengarah Center for Drug Design, Development and Delivery di Georgia Tech, telah mengusahakan tampalan untuk influenza dan campak. Beliau menjelaskan bahawa jarum pendek boleh menembusi lapisan luar kulit yang nipis tanpa memerlukan jarum suntikan konvensional yang lebih panjang.

Sesetengah formulasi jarum mikro juga mungkin memudahkan pengedaran vaksin dengan mengurangkan kebergantungan pada penyejukan. Prestasi penyimpanan bergantung pada vaksin dan formulasi tampalan, jadi setiap produk yang dicadangkan perlu diuji secara tersendiri. Bagi tampalan boleh atur cara Nguyen, ketepatan masa pelepasan dan pemeliharaan vaksin semasa penyimpanan merupakan aspek utama bagi penggunaan yang disasarkan.

Darin Zehrung, ketua program peranti perubatan dan teknologi kesihatan di PATH, mengenal pasti komitmen industri, skala pembuatan dan kos yang berpatutan sebagai cabaran praktikal yang dihadapi tampalan vaksin. Kajian Nguyen yang diterbitkan memberikan bukti penghantaran berperingkat pada haiwan; untuk menjadikan reka bentuk itu produk perubatan yang diedarkan secara meluas, pembangunan pembuatan dan klinikal juga diperlukan.

Paten memperluas platform penghantaran

Nguyen dan pencipta bersama, Khanh Tran, memfailkan permohonan paten jarum mikro teras-selongsong mereka pada 5 Mac 2019. Paten AS 11,426,570 diberikan pada 30 Ogos 2022, dengan University of Connecticut sebagai pemegang serah hak.

Ciptaan itu menerangkan jarum terbiodegradasi yang boleh tertanam dalam kulit dan melepaskan jumlah ubat atau vaksin terkawal dalam denyutan tajam pada masa yang boleh diramal. Permohonan berkaitan yang menamakan pencipta yang sama difailkan pada 22 Julai 2022.

Permohonan lain, yang difailkan pada 28 September 2021, menamakan Nguyen dan Nicholas Farrell dan berkaitan penghantaran berterusan untuk rawatan sakit. Permohonan itu menerangkan sistem jarum mikro terbiodegradasi yang direka untuk melepaskan ubat pada kadar hampir malar selama sekurang-kurangnya 30 hari.

Kedua-dua pendekatan itu memenuhi jadual rawatan yang berbeza. Vaksinasi mungkin memerlukan dos berasingan yang dijarakkan beberapa hari atau minggu, manakala rawatan sakit mungkin memerlukan bekalan yang berterusan. Kedua-duanya menggunakan struktur dan penguraian bahan untuk mengawal masa ubat tersedia.

Bahan yang membantu membaiki tulang dan rawan

Makmal Nguyen turut mengkaji struktur terbiodegradasi yang menghasilkan isyarat elektrik. Sifat yang berkaitan ialah piezoelektrik: bahan menghasilkan cas elektrik kecil apabila ditekan, dibengkokkan atau dikenakan tekanan mekanikal yang lain.

Bagi kecederaan serius pada tulang panjang seperti femur dan tibia, pasukan itu sedang membangunkan rangka biologi, iaitu kerangka sementara yang bertujuan menyokong pemulihan. Bahannya boleh menghasilkan denyutan elektrik yang direka untuk merangsang penyembuhan di bahagian yang proses pemulihan semula jadi badan mungkin sukar berlaku.

Satu projek NIH memperuntukkan $2.1 juta untuk penyelidikan yang bertujuan memperbaik penyembuhan kecederaan tulang panjang yang serius. Rangka itu menggabungkan sokongan fizikal dengan rangsangan elektrik dan bukan sekadar bertindak sebagai kerangka pasif.

Penyelidikan berkaitan yang dilaporkan pada 2022 menggunakan nanoserat poli-L-asid laktik, atau PLLA, untuk menyokong regenerasi rawan pada sendi yang rosak. Pergerakan seperti berjalan mengenakan daya pada bahan itu dan menghasilkan isyarat elektrik lemah yang bertujuan menggalakkan sel yang terlibat dalam pembaikan tisu.

Rawan dan tulang memerlukan strategi pemulihan yang berbeza. Pendekatan kejuruteraan yang sama ialah memberikan bahan sementara fungsi biologi yang berguna, kemudian membiarkannya terurai apabila tisu pulih.

Ultrabunyi yang direka untuk membantu ubat sampai ke otak

Penyelidikan kanser otak Nguyen menggunakan bahan terbiodegradasi untuk menangani satu lagi masalah penghantaran yang sukar. Banyak ubat sukar sampai ke tisu otak kerana sawar darah-otak, sempadan terkawal ketat di sekeliling salur darah, mengehadkan bahan yang boleh menembusinya.

Pasukannya telah membangunkan cip ultrabunyi kecil dan fleksibel yang direka untuk ditanam berhampiran tisu otak. Peranti itu menghasilkan gelombang bunyi yang direka untuk membantu ubat kemoterapi memasuki otak dan sampai ke sel kanser. Pendekatan yang dicadangkan itu akan menyokong sesi rawatan berulang sebelum implan tersebut terurai.

Anugerah NIH sebanyak $2.16 juta menyokong penyelidikan yang bertujuan memperbaik kemoterapi melalui teknologi ultrabunyi terbiodegradasi. Peranti yang terurai selepas rawatan boleh mengelakkan pesakit daripada menjalani satu lagi prosedur untuk mengeluarkannya.

Penyelidikan ultrabunyi itu dibina berdasarkan minat makmal tersebut terhadap elektronik sementara. Pada 2018, Nguyen dan rakan sekerjanya membangunkan sensor menggunakan bahan terbiodegradasi yang dikaitkan dengan benang jahitan pembedahan yang boleh larut. Peranti itu direka untuk menghantar maklumat secara tanpa wayar sebelum terurai, sekali gus menggabungkan pemantauan dan pelupusan akhirnya dalam reka bentuk bahan yang sama.

Projek pandemik di luar implan

Semasa pandemik COVID-19, pasukan Nguyen meneroka sama ada membran polimer terbiodegradasinya juga boleh digunakan sebagai penapis topeng. Pada Januari 2021, kumpulan itu menerangkan prototaip yang bertujuan menghampiri prestasi penapisan N95 sambil tahan disterilkan dan digunakan semula.

Penapis yang dicadangkan itu menggunakan membran piezoelektrik yang boleh menghasilkan voltan kecil apabila udara melaluinya. Para penyelidik mengkaji sama ada kesan elektrik itu boleh membantu memerangkap zarah, selain tindakan penapisan fizikal membran tersebut.

Nguyen berkata makmal itu sedang mengukur penapisan, melaraskan keadaan pembuatan dan membandingkan bahan tersebut dengan topeng perubatan konvensional serta alat pernafasan N95. Pasukan itu turut menerangkan ujian pensterilan menggunakan haba dan tekanan atau ultrabunyi sambil mengekalkan sifat piezoelektrik membran.

Projek itu berada pada peringkat penyelidikan dan pembangunan produk pada Januari 2021, dengan pengkomersialan sedang dipertimbangkan. Dalam tempoh yang sama, makmal itu meneroka tampalan vaksin untuk COVID-19. Eksperimen tampalan boleh atur cara yang diterbitkan menggunakan vaksin pneumokokus Prevnar-13.

Peruntukan pembiayaan dan pengiktirafan

Angka pembiayaan itu merangkumi beberapa bahagian program penyelidikan Nguyen. Menjelang Oktober 2024, jumlah empat geran NIH R01 melebihi $9.5 juta. R01 ialah mekanisme utama NIH untuk membiayai projek penyelidikan yang ditetapkan.

Tiga anugerah yang dinyatakan termasuk $2.1 juta untuk pemulihan tulang panjang, $1.5 juta untuk teknologi jarum mikro dan $2.16 juta untuk ultrabunyi terbiodegradasi yang disasarkan kepada rawatan kanser otak. Gates Foundation meluluskan dua geran berjumlah $6.6 juta untuk membangunkan tampalan yang mampu menghantar berbilang kandungan vaksin.

Jumlah pembiayaan NIH dan Gates yang disebutkan ialah kira-kira $16.1 juta, lebih kurang 64% daripada $25 juta yang menurut Connecticut telah diperoleh Nguyen sejak menyertai universiti itu. Angka $25 juta merangkumi rekod pembiayaan beliau yang lebih luas di institusi tersebut.

Pemilihannya sebagai Ahli Kanan National Academy of Inventors pada 2024 meletakkannya dalam kumpulan seramai 124 orang dari 60 institusi. Secara keseluruhan, ahli kumpulan itu memegang lebih daripada 1,000 paten AS dan mempunyai lebih daripada 340 teknologi yang dilesenkan atau dikomersialkan.

Gelaran Ahli Kanan mengiktiraf penciptaan, pemfailan paten, pemindahan teknologi dan latihan pencipta masa depan. Penghormatan lain yang diterima Nguyen termasuk Anugerah Jurutera Pembuatan Muda Cemerlang SME 2018, pengiktirafan sebagai antara inovator muda di rantau Asia Pasifik dan pemilihannya sebagai antara golongan muda cemerlang Vietnam pada 2019.

Matlamat praktikal semua projek itu tetap sama: mengurangkan temu janji berulang, membantu ubat sampai ke sasaran yang sukar dicapai dan membolehkan implan sementara terurai setelah selesai menjalankan fungsinya. Kajian vaksin itu memberikan contoh konkrit matlamat tersebut pada haiwan, manakala program yang lebih luas menerapkan idea kejuruteraan bahan yang sama dalam pemulihan, pemantauan dan rawatan.

Perkara Utama

• Nguyen Duc Thanh menyertai University of Connecticut pada 2016 dan menjadi profesor madya pada 2022.
• Tampalan vaksin boleh atur caranya menyampaikan dos Prevnar-13 mengikut jadual pada tikus, lalu menghasilkan tindak balas imun yang serupa dengan suntikan berulang.
• Makmalnya turut mengkaji bahan terbiodegradasi untuk pemulihan tulang dan rawan, sensor sementara serta peranti ultrabunyi untuk penghantaran ubat ke otak.
• Menjelang Oktober 2024, sokongan NIH dan Gates Foundation yang disebutkan berjumlah kira-kira $16.1 juta; Connecticut menganggarkan jumlah pembiayaan penyelidikan beliau yang lebih luas sebanyak $25 juta.
• Nguyen dipilih sebagai Ahli Kanan National Academy of Inventors pada 2024.
• Penggunaan rutin tampalan vaksin boleh atur caranya pada manusia masih menjadi matlamat pembangunan.