Máy tính lượng tử và cuộc chiến mới chống ung thư
16/06/26
 |
| Ảnh: Thaisa Da Silva |
Từ “cuộc chiến” của Nixon đến bản chất thật của ung thư
Năm 1971, Tổng thống Richard Nixon long trọng tuyên bố phát động “cuộc chiến chống ung thư”. Niềm tin khi ấy rất lớn: y học hiện đại, với phẫu thuật, hóa trị và xạ trị, sẽ sớm khuất phục một trong những căn bệnh đáng sợ nhất của nhân loại. Nhưng nhiều năm sau, khi nhìn lại, giới nghiên cứu phải thừa nhận thực tế khó chịu: ung thư vẫn thắng. Các liệu pháp truyền thống tạo ra những bước tiến quan trọng, song số người tử vong vẫn cao. Tại Mỹ, ung thư là nguyên nhân gây chết người đứng thứ hai, chỉ sau bệnh tim mạch; trong năm 2018, trên toàn cầu, căn bệnh này đã cướp đi 9,5 triệu sinh mạng
Sai lầm ban đầu nằm ở chỗ khoa học chưa thật sự hiểu ung thư là gì. Từng có thời gian, giới nghiên cứu tranh luận liệu ung thư do nguyên nhân duy nhất gây ra, hay là kết quả của tập hợp rối rắm gồm chế độ ăn, ô nhiễm, di truyền, virus, phóng xạ, thuốc lá hoặc đơn giản là vận rủi. Vài thập niên sau, di truyền học và công nghệ sinh học làm rõ hơn bản chất vấn đề: ở tầng sâu nhất, ung thư là bệnh của gene, có thể được kích hoạt bởi độc chất môi trường, phóng xạ hay ngẫu nhiên sinh học, nhưng cốt lõi là các đột biến khiến tế bào mất khả năng kiểm soát sự sinh trưởng.
Vì vậy, ung thư không phải bệnh duy nhất. Đó là hàng nghìn dạng đột biến khác nhau khiến tế bào khỏe mạnh bỗng tăng sinh vô kiểm soát. Căn bệnh này cổ xưa đến mức từng được tìm thấy trong xác ướp hàng nghìn năm tuổi; khoảng năm 3000 trước Công nguyên, ghi chép y học cổ nhất về nó xuất hiện tại Ai Cập. Đồng thời, căn bệnh này không chỉ có ở người, mà hiện diện khắp giới động vật. Theo nghĩa nào đó, ung thư là cái giá của sự sống phức tạp.
Một cơ thể đa bào gồm hàng nghìn tỷ tế bào phải liên tục thay mới. Để cơ thể phát triển, một số tế bào cần chết đi, nhường chỗ cho tế bào mới. Cái chết có lập trình ấy có tên “apoptosis”. Nhưng nếu cơ chế này bị tắt nhầm, tế bào tiếp tục phân chia không ngừng. Tế bào ung thư trở thành những tế bào bình thường quên cách chết. Sự “bất tử” ấy giúp chúng tạo khối u, xâm lấn mô và cuối cùng gây tê liệt các chức năng sống.
Ung thư thường cần nhiều năm, thậm chí nhiều thập niên hình thành. Một vết cháy nắng nặng từ thời thơ ấu có thể dẫn đến ung thư da tại đúng vị trí ấy sau hàng chục năm, bởi đột biến đơn lẻ hiếm khi đủ gây bệnh. Nhiều đột biến phải tích tụ đến khi tế bào mất khả năng kiểm soát sinh sản. Nếu ung thư nguy hiểm như vậy, vì sao tiến hóa không loại bỏ các gene lỗi từ lâu? Câu trả lời: ung thư thường bùng phát sau tuổi sinh sản, khi áp lực chọn lọc tự nhiên yếu đi.
Chính sự đa dạng khiến ung thư trở thành bài toán phù hợp với máy tính lượng tử. Với năng lực xử lý các bài toán phức tạp nhanh hơn máy tính cổ điển, máy tính lượng tử có thể giúp sàng lọc khối dữ liệu di truyền khổng lồ, truy tìm nguyên nhân gốc rễ của bệnh. Trong tương lai, công nghệ này có thể mở ra các mặt trận mới chống ung thư, Alzheimer, Parkinson, ALS và nhiều bệnh nan giải khác.
Phát hiện sớm: sinh thiết lỏng và nhà vệ sinh thông minh
Câu hỏi khó nhất trong ung thư học: làm sao biết mình mắc ung thư trước khi quá muộn? Thường chúng ta không thể biết. Dấu hiệu ung thư mơ hồ, khó nhận ra. Khi khối u hình thành, cơ thể có thể chứa hàng tỷ tế bào ung thư; khi ấy, bác sĩ phải nhanh chóng dùng phẫu thuật, xạ trị hoặc hóa trị. Nhưng đôi khi cơ hội đã trôi qua.
Vấn đề là hệ miễn dịch không dễ nhận ra tế bào ung thư. Chúng không phải kẻ xâm nhập ngoại lai như virus hay vi khuẩn, mà là tế bào của chính cơ thể bị “hư hỏng”. Vì thế, các xét nghiệm máu dựa vào phản ứng miễn dịch thông thường thường không đủ phát hiện ung thư. Tuy nhiên, hơn một thế kỷ qua, giới khoa học biết khối u có thể thải tế bào và phân tử vào dịch cơ thể như máu, nước tiểu, dịch não tủy, thậm chí nước bọt.
Trước đây, việc phát hiện thường chỉ khả thi khi đã có hàng tỷ tế bào ung thư. Nhưng thời gian gần đây, công nghệ gene mở đường cho khả năng tìm tế bào ung thư trôi nổi trong máu hoặc các dịch cơ thể khác. Một ngày nào đó, phương pháp này có thể đủ nhạy phát hiện chỉ vài trăm tế bào ung thư, cho con người nhiều năm can thiệp trước khi khối u hình thành.
Hướng triển vọng nhất là sinh thiết lỏng: nhanh, thuận tiện và linh hoạt. Liz Kwo và Jenna Aronson từng viết trên American Journal of Managed Care: sự phát triển lâm sàng của sinh thiết lỏng như công cụ sàng lọc cách mạng tạo ra niềm lạc quan lớn. Hiện nay, sinh thiết lỏng có thể phát hiện hơn 50 loại ung thư. Trong tương lai, khám định kỳ có thể nhận diện ung thư nhiều năm trước khi căn bệnh gây chết người.
Tầm nhìn còn đi xa hơn. Nhà vệ sinh thông minh trong phòng tắm có thể trở thành tuyến phòng thủ đầu tiên, âm thầm phát hiện tế bào, enzyme và gene ung thư trong dịch cơ thể. Mỗi lần đi vệ sinh có thể là một lần sàng lọc. Dữ liệu gene của mỗi người, được đọc hằng ngày hoặc hằng tuần, có thể được gửi tới máy tính lượng tử ở xa nhằm truy tìm dấu hiệu đột biến nguy hiểm. Đây không phải thuốc chữa ung thư, nhưng có thể ngăn tế bào ung thư lan rộng, biến căn bệnh từ án tử thành rủi ro có thể quản trị.
Phép so sánh hữu ích là bệnh cảm lạnh thông thường. Về lý thuyết, ta có thể chữa cảm lạnh, nhưng có hơn 300 rhinovirus gây bệnh và liên tục biến đổi, nên việc phát triển 300 vaccine là không thực tế. Ta học cách sống chung với nó. Ung thư có thể đi theo hướng tương tự: không nhất thiết bị xóa sổ hoàn toàn, nhưng có thể được phát hiện rất sớm, khi mới là cụm vài trăm tế bào, và bị chặn trước khi trở thành kẻ giết người.
Từ “mũi điện tử” đến miễn dịch trị liệu
Hướng phát hiện sớm khác là mùi. Tế bào ung thư phát ra những tín hiệu hóa học rất yếu. Trong tương lai, điện thoại có thể được gắn cảm biến mùi, kết nối với máy tính lượng tử trên đám mây. Dữ liệu từ hàng triệu “mũi robot” có thể được phân tích giúp chặn ung thư từ sớm.
Chẩn đoán bằng mùi không phải chuyện viễn tưởng. Chó từng được dùng để phát hiện virus corona tại sân bay. Trong khi xét nghiệm PCR có thể mất vài ngày, chó được huấn luyện đặc biệt có thể cho kết quả chính xác 95% trong khoảng 10 giây; phương pháp này được dùng tại sân bay Helsinki và những nơi khác. Chó cũng được huấn luyện để nhận diện ung thư phổi, vú, buồng trứng, bàng quang và tuyến tiền liệt. Ít nhất hai con chó từng đạt tỷ lệ thành công 99% khi phát hiện ung thư tuyến tiền liệt thông qua ngửi mẫu nước tiểu. Nghiên cứu khác cho thấy năm con chó phát hiện ung thư vú với độ đặc hiệu 88% và ung thư phổi với độ đặc hiệu 99%.
Lợi thế sinh học của chó rất lớn: chúng có 220–300 triệu thụ thể mùi, so với 5–6 triệu ở người, và có thể phát hiện nồng độ một phần nghìn tỷ, tương đương một giọt chất lỏng trong 20 bể bơi Olympic. Nhưng huấn luyện chó mất vài tháng và số lượng chó chuyên dụng luôn hạn chế. Vì thế, các nhà khoa học theo đuổi “mũi điện tử”. Tại MIT, Johns Hopkins và một số nơi khác, các vi cảm biến được phát triển với độ nhạy cao hơn mũi chó 200 lần. Công nghệ vẫn thử nghiệm, chi phí phân tích mẫu nước tiểu để tìm ung thư lên đến khoảng 1.000 USD, nhưng triển vọng thương mại hóa rất lớn: nếu hàng trăm triệu cảm biến liên tục tạo dữ liệu, máy tính lượng tử kết hợp trí tuệ nhân tạo có thể tìm dấu ung thư và gửi cảnh báo trước khi khối u xuất hiện.
Nếu ung thư đã hình thành, ba vũ khí chính hiện nay là phẫu thuật, xạ trị và hóa trị. Nhưng kỹ thuật gene mở ra hướng mới: miễn dịch trị liệu. Mục tiêu huy động hệ miễn dịch của chính cơ thể để nhận diện và tiêu diệt ung thư. Phương pháp tiếp theo là giải trình tự bộ gene của khối ung thư, lấy bạch cầu từ máu bệnh nhân, rồi đưa thông tin di truyền của ung thư vào bạch cầu thông qua virus được làm vô hại. Bạch cầu sau khi được tái lập trình được đưa trở lại cơ thể, truy tìm và tấn công tế bào ung thư.
Cách tiếp cận này đem lại hy vọng cho cả một số ca ung thư giai đoạn muộn tưởng như vô vọng. Miễn dịch trị liệu được dùng cho ung thư bàng quang, não, vú, cổ tử cung, đại tràng, trực tràng, thực quản, thận, gan, phổi, bạch huyết, da, buồng trứng, tụy, tuyến tiền liệt, xương, dạ dày và bệnh bạch cầu, với mức độ thành công khác nhau. Nhưng hạn chế vẫn lớn: chưa áp dụng cho mọi loại ung thư; ung thư có hàng trăm dạng; và việc chỉnh sửa bạch cầu có thể gây tác dụng phụ nghiêm trọng, thậm chí tử vong.
Máy tính lượng tử có thể giúp giảm rủi ro đó bằng phân tích khối dữ liệu di truyền khổng lồ của từng bệnh nhân và từng tế bào ung thư. Viễn cảnh có thể xảy ra là bộ gene của mỗi người được đọc nhiều lần/tháng từ dịch cơ thể; khoảng 20.000 gene của từng cá nhân được lập danh mục, rồi so sánh với hàng nghìn gene ung thư đã biết. Hạ tầng tính toán cho nhiệm vụ này rất lớn, nhưng lợi ích cũng tương xứng: phát hiện sớm hơn, điều trị chính xác hơn và giảm một trong những nguyên nhân tử vong đáng sợ nhất.
CRISPR, p53 và bài học từ tự nhiên
Ở tầng điều trị gene, CRISPR – công nghệ cho phép cắt và dán gene có thể trở thành đối tác của máy tính lượng tử. Thập niên 1980 từng chứng kiến niềm hứng khởi lớn với liệu pháp gene, vì có ít nhất 10.000 bệnh di truyền đã biết ở người. Một số bệnh như thiếu máu hồng cầu hình liềm, xơ nang và Tay-Sachs chỉ do sai sót ở một hoặc vài chữ cái trong bộ gene. Nhưng các thử nghiệm ban đầu gặp biến chứng: cơ thể thường nhận diện virus vận chuyển gene như vật lạ và tấn công. Năm 1999, một bệnh nhân tử vong sau thử nghiệm, khiến nhiều chương trình bị thu hẹp hoặc tạm dừng.
CRISPR hồi sinh hy vọng ấy bằng phương pháp học từ vi khuẩn. Qua hàng triệu năm, vi khuẩn phát triển cơ chế cắt gene virus tại các điểm chính xác. Cơ chế này được tách ra nhằm chỉnh sửa mã di truyền theo ý muốn. Năm 2020, Emmanuelle Charpentier và Jennifer Doudna nhận Nobel cho công trình tiên phong hoàn thiện CRISPR.
Mục tiêu quan trọng là gene p53. Khi đột biến, nó liên quan tới khoảng một nửa các ung thư phổ biến như ung thư vú, đại tràng, gan, phổi và buồng trứng. Vì là gene ức chế khối u, p53 được gọi là “người gác cửa của bộ gene”. Nhưng khi hỏng, nó trở thành một trong những gene nền tảng phổ biến nhất của ung thư. Người hút thuốc lâu năm thường có ba đột biến đặc trưng trên p53, có thể dùng truy nguyên khả năng ung thư phổi bắt nguồn từ khói thuốc.
CRISPR đang được thử ở nhiều hướng. Tại Đại học Pennsylvania, các nhà khoa học dùng CRISPR loại bỏ ba gene giúp tế bào ung thư né hệ miễn dịch, rồi thêm một gene giúp miễn dịch nhận ra khối u; phương pháp an toàn nhưng chưa hiệu quả, kể cả ở bệnh nhân ung thư tiến triển. CRISPR Therapeutics AG đang thử nghiệm trên 130 bệnh nhân ung thư máu. Công ty này cũng chỉnh sửa tế bào gốc tủy xương của bệnh nhân thiếu máu hồng cầu hình liềm để tạo hemoglobin bào thai rồi đưa trở lại cơ thể. Với HIV, các nhà khoa học tìm cách tạo đột biến ở gene CCR5 để virus không còn cửa xâm nhập tế bào. Với xơ nang, do đột biến gene CFTR gây ra và thường khiến bệnh nhân hiếm khi sống quá 40 tuổi, bác sĩ ở Hà Lan đã sửa gene bằng CRISPR và không gây tác dụng phụ.
Đồng thời, tự nhiên cung cấp những bài học quý. Nhà sinh học Richard Peto của Đại học Oxford nhận thấy voi, dù có cơ thể khổng lồ và nhiều tế bào phân chia hơn, lại không bị ung thư nhiều như dự đoán. Nghịch lý Peto cho thấy nguy cơ ung thư không đơn giản tỷ lệ với khối lượng cơ thể. Về sau, các nhà khoa học phát hiện voi có 20 bản sao gene p53, trong khi người chỉ có một. Các bản sao này được cho là phối hợp với gene LIF giúp voi chống ung thư.
Nhưng câu chuyện chưa dừng ở đó. Cá voi chỉ có một bản p53 và một phiên bản LIF nhưng vẫn có tỷ lệ ung thư thấp, cho thấy còn những gene bảo vệ khác chưa được tìm thấy. Cá mập Greenland có thể sống tới 500 năm, có lẽ nhờ lợi thế gene chưa rõ. Carlo Maley, giáo sư tại Arizona State University nhận xét, thông qua quan sát cách tiến hóa ngăn ung thư, con người có thể chuyển hóa những bài học ấy thành chiến lược phòng ngừa tốt hơn.
Trong bức tranh đó, máy tính lượng tử có thể giúp tìm các gene chống ung thư bí ẩn, xử lý dữ liệu sinh thiết lỏng, phân tích tín hiệu mùi, tối ưu miễn dịch trị liệu và hỗ trợ CRISPR chỉnh sửa gene với độ chính xác phân tử. Năm 2022, Tổng thống Joe Biden tái khởi động Cancer Moonshot năm 2016, đặt mục tiêu giảm tỷ lệ tử vong vì ung thư ít nhất 50% trong 25 năm tới. Với tốc độ tiến bộ của công nghệ sinh học, mục tiêu ấy không còn xa vời như trước.
Con người có thể vẫn phải sống với một số dạng ung thư, bởi căn bệnh này có quá nhiều con đường hình thành. Nhưng nếu phát hiện sớm hơn, đọc dữ liệu gene thường xuyên hơn và can thiệp chính xác hơn, trong tương lai, ung thư có thể không còn là án tử. Căn bệnh có thể trở thành rủi ro được quản trị, đáng sợ, nhưng không bất trị.
shared via noema,
