Hệ thống cung cấp thuốc vòng kín có thể cải thiện quá trình điều trị hóa trị

Khi bệnh nhân ung thư trải qua hóa trị, liều lượng của hầu hết các loại thuốc được tính toán dựa trên diện tích bề mặt cơ thể của bệnh nhân. Điều này được ước tính bằng cách sử dụng một phương trình có tính đến chiều cao và cân nặng của bệnh nhân. Phương trình này được xây dựng vào năm 1916 dựa trên dữ liệu từ chỉ chín bệnh nhân.

Cách tiếp cận đơn giản này đối với liều lượng không tính đến các yếu tố khác và có thể dẫn đến việc bệnh nhân được dùng quá nhiều hoặc quá ít thuốc. Do đó, một số bệnh nhân có thể gặp phải độc tính không cần thiết hoặc hiệu quả không đủ từ liệu pháp hóa trị mà họ nhận được.

Để cải thiện độ chính xác của liều lượng hóa trị, các kỹ sư MIT đã phát triển một phương pháp tiếp cận thay thế cho phép liều lượng được cá nhân hóa cho từng bệnh nhân. Hệ thống của họ đo lượng thuốc trong cơ thể bệnh nhân và đưa dữ liệu đó vào bộ điều khiển có thể điều chỉnh tốc độ truyền cho phù hợp.

Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp này có thể giúp bù đắp cho những khác biệt về dược động học của thuốc do thành phần cơ thể, khuynh hướng di truyền, độc tính đối với cơ quan do hóa trị liệu, tương tác với các loại thuốc và thực phẩm khác, cũng như sự thay đổi theo nhịp sinh học của các enzym chịu trách nhiệm phân hủy thuốc hóa trị.

Giovanni Traverso, phó giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí tại MIT, bác sĩ chuyên khoa tiêu hóa tại Bệnh viện Brigham and Women's và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Bằng cách nhận ra những tiến bộ trong việc hiểu cách thuốc được chuyển hóa và áp dụng các công cụ kỹ thuật để đơn giản hóa việc định lượng thuốc theo từng cá nhân, chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể giúp cải thiện tính an toàn và hiệu quả của nhiều loại thuốc".

Louis DeRidder, một nghiên cứu sinh tại MIT, là tác giả chính của bài báo được công bố trên tạp chí Med.

Giám sát liên tục

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu tập trung vào một loại thuốc có tên là 5-fluorouracil, được sử dụng để điều trị ung thư đại trực tràng và các loại ung thư khác. Thuốc thường được dùng trong khoảng thời gian 46 giờ và liều lượng được xác định bằng công thức dựa trên chiều cao và cân nặng của bệnh nhân, công thức này ước tính diện tích bề mặt cơ thể.

Tuy nhiên, cách tiếp cận này không tính đến sự khác biệt về thành phần cơ thể có thể ảnh hưởng đến cách thuốc được phân phối trong cơ thể, hoặc các biến thể di truyền ảnh hưởng đến cách thuốc được chuyển hóa. Những khác biệt này có thể dẫn đến các tác dụng phụ có hại nếu dùng quá nhiều thuốc. Nếu dùng không đủ thuốc, thuốc có thể không tiêu diệt được khối u như mong đợi.

DeRidder, ứng viên tiến sĩ trong chương trình kỹ thuật y khoa và vật lý y khoa tại Chương trình Khoa học và Công nghệ Sức khỏe Harvard-MIT, cho biết: "Những người có cùng diện tích bề mặt cơ thể có thể có chiều cao và cân nặng rất khác nhau, khối lượng cơ khác nhau hoặc di truyền khác nhau, nhưng miễn là chiều cao và cân nặng được đưa vào phương trình đó cho ra cùng một diện tích bề mặt cơ thể thì liều lượng của họ là giống hệt nhau".

Một yếu tố khác có thể làm thay đổi lượng thuốc trong máu tại bất kỳ thời điểm nào là sự thay đổi theo nhịp sinh học của một loại enzyme gọi là dihydropyrimidine dehydrogenase (DPD), có tác dụng phân hủy 5-fluorouracil. Sự biểu hiện của DPD, giống như nhiều loại enzyme khác trong cơ thể, được điều chỉnh theo nhịp sinh học. Do đó, sự phân hủy 5-FU của DPD không phải là hằng số mà thay đổi theo thời gian trong ngày. Những nhịp sinh học này có thể dẫn đến sự thay đổi gấp mười lần về lượng 5-FU trong máu của bệnh nhân trong quá trình truyền dịch.

"Bằng cách sử dụng diện tích bề mặt cơ thể để tính liều hóa trị, chúng tôi biết rằng hai người có thể có độc tính rất khác nhau từ 5-fluorouracil. Một bệnh nhân có thể có chu kỳ điều trị với độc tính tối thiểu, và sau đó là một chu kỳ với độc tính khủng khiếp. Có điều gì đó đã thay đổi trong cách bệnh nhân chuyển hóa hóa trị từ chu kỳ này sang chu kỳ khác. Phương pháp định lượng lỗi thời của chúng tôi không nắm bắt được những thay đổi này và bệnh nhân phải chịu hậu quả", Douglas Rubinson, bác sĩ ung thư lâm sàng tại Viện Ung thư Dana-Farber và là tác giả của bài báo cho biết.

Một cách để cố gắng bù đắp cho sự thay đổi trong dược động học của hóa trị liệu là một chiến lược được gọi là theo dõi thuốc điều trị, trong đó bệnh nhân sẽ lấy mẫu máu vào cuối một chu kỳ điều trị. Sau khi mẫu này được phân tích để xác định nồng độ thuốc, liều lượng có thể được điều chỉnh, nếu cần, vào đầu chu kỳ tiếp theo (thường là hai tuần đối với 5-fluorouracil).

Phương pháp này đã được chứng minh là mang lại kết quả tốt hơn cho bệnh nhân, nhưng chưa được sử dụng rộng rãi cho các liệu pháp hóa trị như 5-fluorouracil.

Các nhà nghiên cứu MIT muốn phát triển một loại hình giám sát tương tự nhưng theo cách tự động, cho phép cá nhân hóa liều lượng thuốc theo thời gian thực, có thể mang lại kết quả tốt hơn cho bệnh nhân.

Trong hệ thống vòng kín, nồng độ thuốc có thể được theo dõi liên tục và thông tin này được sử dụng để tự động điều chỉnh tốc độ truyền thuốc hóa trị nhằm duy trì liều lượng trong phạm vi mục tiêu.

Hệ thống vòng kín này cho phép cá nhân hóa liều dùng thuốc để tính đến nhịp sinh học của nồng độ enzyme chuyển hóa thuốc, cũng như bất kỳ thay đổi nào về dược động học của bệnh nhân kể từ lần điều trị cuối cùng, chẳng hạn như độc tính đối với cơ quan do hóa trị liệu gây ra.

Để liều lượng hóa trị chính xác hơn, các kỹ sư MIT đã phát triển một phương pháp liên tục đo lượng thuốc trong cơ thể bệnh nhân trong quá trình truyền kéo dài nhiều giờ. Điều này sẽ giúp bù đắp cho những khác biệt do thành phần cơ thể, di truyền, độc tính của thuốc và dao động nhịp sinh học. Nguồn: Được cung cấp bởi các nhà nghiên cứu.

Hệ thống mới do các nhà nghiên cứu phát triển, được gọi là CLAUDIA (Closed-Loop AUtomated Drug Infusion regulAtor), sử dụng thiết bị có sẵn trên thị trường cho từng bước. Các mẫu máu được lấy cứ sau năm phút và nhanh chóng được chuẩn bị để phân tích. Nồng độ 5-fluorouracil trong máu được đo và so sánh với phạm vi mục tiêu.

Sự khác biệt giữa nồng độ mục tiêu và nồng độ đo được sẽ được nhập vào thuật toán kiểm soát, sau đó điều chỉnh tốc độ truyền khi cần thiết để duy trì liều lượng trong phạm vi nồng độ mà thuốc có hiệu quả và không độc hại.

DeRidder cho biết: "Chúng tôi đã phát triển một hệ thống cho phép liên tục đo nồng độ thuốc và điều chỉnh tốc độ truyền cho phù hợp để duy trì nồng độ thuốc trong khoảng thời gian điều trị".

Điều chỉnh nhanh

Trong các thử nghiệm trên động vật, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi sử dụng CLAUDIA, họ có thể duy trì lượng thuốc lưu thông trong cơ thể ở mức mục tiêu khoảng 45 phần trăm thời gian.

Nồng độ thuốc ở động vật được hóa trị mà không có CLAUDIA chỉ duy trì trong phạm vi mục tiêu trung bình 13 phần trăm thời gian. Các nhà nghiên cứu không kiểm tra hiệu quả của nồng độ thuốc trong nghiên cứu này, nhưng việc duy trì nồng độ trong cửa sổ mục tiêu được cho là mang lại kết quả tốt hơn và ít độc tính hơn.

CLAUDIA cũng có thể duy trì liều 5-fluorouracil trong phạm vi mục tiêu ngay cả khi dùng thuốc ức chế enzyme DPD. Ở những động vật được dùng chất ức chế này mà không theo dõi và điều chỉnh liên tục, nồng độ 5-fluorouracil tăng lên gấp tám lần.

Trong cuộc trình diễn này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện thủ công từng bước của quy trình bằng thiết bị bán sẵn, nhưng hiện đang có kế hoạch tự động hóa từng bước để có thể theo dõi và điều chỉnh liều lượng mà không cần sự can thiệp của con người.

Để đo nồng độ thuốc, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sắc ký lỏng khối phổ hiệu suất cao (HPLC-MS), một kỹ thuật có thể được áp dụng để phát hiện hầu hết mọi loại thuốc.

DeRidder cho biết: "Chúng tôi thấy một tương lai mà chúng tôi có thể sử dụng CLAUDIA cho bất kỳ loại thuốc nào có đặc tính dược động học thích hợp và có thể phát hiện được bằng HPLC-MS, cho phép định liều cá nhân cho nhiều loại thuốc khác nhau".