Một số ứng dụng công nghệ sinh học trong nghiên cứu virus SARS-CoV-2

Nhu cầu vắc-xin Covid-19 trên thế giới và ở Việt Nam vẫn còn rất lớn do dịch bệnh còn có thể kéo dài và chưa biết được vắc-xin hiện tại có hiệu quả bao lâu. Do đó, cần phải cần phải chuẩn bị đủ lượng vắc-xin cho các năm tiếp theo. Tiếp tục chủ động nghiên cứu, hoàn thiện và chế tạo vắc-xin thế hệ mới dùng trong phòng chống và đẩy lùi dịch Covid-19 dựa trên các công nghệ nền sẵn có tại Viện Công nghệ sinh học, cũng như các công nghệ lõi đang được phát triển trên thế giới như di truyền ngược, protein tái tổ hợp, sản xuất tinh sạch kháng nguyên virus lượng lớn trên hệ thống thực vật...

TS. Nguyễn Trung Nam - Phó viện trưởng, Viện Công nghệ sinh học cho biết, Viện đã tiến hành một số hoạt động nghiên cứu nhằm hỗ trợ cho cuộc chiến với dịch bệnh nguy hiểm này, cụ thể như Nghiên cứu đặc điểm dịch tễ học của virus SARS-CoV-2 và hệ gen người Việt đối với bệnh COVID-19; Nghiên cứu và hoàn thiện các chế phẩm thảo dược ức chế virus SARS-CoV-2 và điều tri/hỗ trợ bệnh nhân COVID-19; Nghiên cứu chế tạo bộ kit phát hiện nhanh virus SAS-CoV-2 trong các mẫu bệnh phẩm; Nghiên cứu và làm chủ các công nghệ nền liên quan đến chế tạo vắc-xin.

Đặc điểm dịch tễ học của virus SARS-CoV-2 và hệ gen người Việt đối với bệnh COVID-19

Viện Công nghệ sinh học được đầu tư hệ thiết bị giải trình tự gen thế hệ mới BacBio Sequel hiện đại và duy nhất hiện nay ở Việt Nam. Hệ thiết bị này cho phép giải trình tự các đoạn DNA dài với thời gian nhanh và chính xác nhất so với các thiết bị khác hiện có ở Việt Nam. Viện đã xây dựng thành công kỹ thuật giải trình tự hệ gen đối với virus SARS-CoV-2 bằng hệ thiết bị này khi dịch bệnh xảy ra ở Việt Nam năm 2020. Cụ thể, Viện đã hợp tác với Viện Pasteur TP.HCM và Viện Vệ sinh dịch tễ TW trong việc phân lập các mẫu virus từ người bệnh. Đây là 2 đơn vị ở Việt Nam có đủ điều kiện phòng thí nghiệm an toàn sinh học cấp III để nuôi cấy virus và tách chiết vật liệu di truyền của nó.

Sau khi có vật liệu di truyền của virus, Viện đã tiến hành giải trình tự hệ gen của virus, phân tích và đánh giá sự biến đối của virus khi lưu hành ở Việt Nam. Kết quả thử nghiệm trên 4 mẫu virus được cung cấp bởi 2 Viện Pasteur TPHCM và Viện Vệ sinh dịch tễ TW cho thấy kỹ thuật Viện CNSH xây dựng có hiệu quả cao. Tất cả quy trình giải trình tự và phân tích hệ gen chỉ mất khoảng 48 giờ, chất lượng giải trình tự rất tốt (độ chính xác đạt 99,99%), quá trình lắp ráp hệ gen không phụ thuộc vào hệ gen tham chiếu của quốc tế. Trong khi đó các phương pháp khác được sử dụng bởi các đơn vị khác trong nước phải dựa trên trình tự gen tham chiếu của thế giới. Khi có số lượng mẫu nhiều viện có thể tiến hành giải trình tự với số lượng 35-40 mẫu/chip, như vậy giá thành có thể giảm nhiều.

Sau khi giải trình tự hệ gen các mẫu virus SARS-CoV-2 thành công, Viện đã tiến hành nghiên cứu so sánh các trình tự gen của các mẫu virus đang lưu hành tại Việt Nam do Viện Công nghệ sinh học và các đơn vị khác thực hiện (gồm Đơn vị nghiên cứu lâm sàng thuộc Đại học Oxford (OUCRU), Viện Pasteur TPHCM và Viện Vệ sinh dịch tễ TƯ). Kết quả so sánh trình tự hệ gen của các chủng virus lưu hành ở Việt Nam cho đến 1/4/2021 cho thấy hiện nay ở Việt Nam đã xuất hiện đủ 8 nhóm clade,L,V,G,GR,GH,GV và GRY) của virus SARS-CoV-2 theo phân loại của GISAID với hàng chục biến thể khác nhau.

Việc ứng dụng thành công kỹ thuật giải trình tự hệ gen đoạn dài của PacBio đối với virus SARS-CoV-2 mở ra khả năng giải trình tự hệ gen virus nhanh, chính xác mà không cần dựa vào trình tự gen tham chiếu quốc tế. Điều này cho phép chúng ta có thể giải trình tự những đối tượng virus gây bệnh mới trong tương lai mà không cần hệ gen tham chiếu. Dữ liệu giải trình tự hệ gen có thể cho phép chúng ta xác định các nguồn gốc virus và số lượng nguồn lây (F0) trong các ổ dịch, giúp định hình chiến lược phòng, chống hiệu quả sự lây lan của virus trong cộng đồng. Với năng lực sẵn có, Viện CNSH có thể tham gia hợp tác với các đơn vị ngành y tế trong việc giải trình tự hệ gen của virus SARS-CoV-2 với quy mô lớn trong các trường hợp cấp bách.

Trong thời gian tới, việc cần làm là tiếp tục đánh giá đặc điểm hệ gen người Việt liên quan đến sự phát triển của bệnh COVID-19 và dịch tễ học trong sự biến đổi của các chủng virus SARS-CoV-2. Số liệu trong các nghiên cứu của Viện Hàn lâm về sự đa dạng của các gen liên quan đến sự mẫn cảm của virus SARS-CoV-2 ở người Việt Nam cũng như các đột biến trên gen của virus tạo nên các biến chủng mới ở Việt Nam có giá trị tham khảo rất lớn đối với thế giới và Việt Nam trong việc chế tạo vắc-xin. Ngoài ra, xác định nguồn gốc virus là cơ sở khoa học và thông tin quan trọng trong việc xây dựng chiến lược, phương án phòng chống hiệu quả sự lây lan virus trong cộng đồng.

Chế phẩm thảo dược ức chế virus SARS-CoV-2 và điều trị/hỗ trợ bệnh nhân COVID-19

Viện Công nghệ sinh học kết hợp với Công ty Dược phẩm Vinh Gia và Công ty Hóa dược Việt Nam nghiên cứu sản xuất thuốc VIPDERVIR dùng cho mục đích phòng và hỗ trợ điều trị các bệnh do virus ARN gây ra, đặc biệt là virus SARS-CoV-2. Các thảo dược được ghi nhận có tác dụng trong ức chế và tiêu diệt SARS-CoV-2 đã được sử dụng trong việc tạo thuốc VIPDERVIR. Công trình được sự hỗ trợ của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam và Cục Khoa học và Công nghệ, Bộ Y tế.Để thực hiện được mục tiêu nhóm nghiên cứu đã sử dụng các Công nghệ mới, hiện đại để như công nghệ tin sinh học (Docking với phần mềm AutoDock) để sàng lọc các hoạt chất chính có trong các thảo dược có ái lực liên kết mạnh với các đích phân tử, là các phân tử liên quan tới quá trình xâm nhập và tăng sinh của virus SARS-CoV-2. Sử dụng công nghệ sinh học và các tài liệu y văn và các công bố gần đây để xác định tạo được tổ hợp các loại thảo dược chứa các hoạt chất đã sàng lọc có ái lực liên kết cao với các phân tử đích nhằm bào chế được sản phẩm có hiệu quả điều trị cao nhất trên cơ sở có được sự tương tác cộng hưởng của các hoạt chất theo các cơ chế khác nhau: Ngăn cản sự bám dính của virus với tế bào chủ, làm mất khả năng xâm nhập của virus vào trong tế bào chủ; Ức chế khả năng nhân lên của virus trong tế bào, nghĩa là đối với những hạt virus đã xâm nhập vào bên trong tế bào chủ cũng sẽ mất khả năng tăng sinh; Kích hoạt các tế bào miễn dịch để chúng nhận biết, phong tỏa và loại trừ các hạt virus. Nhóm nghiên cứu cũng đã xác định khả năng liên kết giữa một số hoạt chất trong thảo dược với các phân tử đích (Spike của virus SARS-CV-2 và thụ thể ACE2, Endonuclease).

Thuốc “VIPDERVIR” dạng viên nang cứng đã được tạo ra từ các loại cao thảo dược chứa các hoạt chất chính đã nghiên cứu. Thuốc đã được đánh giá độc tính cấp và độc tính bản trường diễn tại Viện Kiểm nghiệm Thuốc Trung ương và Khoa Dược lý lâm sàng tại Đại Học Y Hà Nội, đánh giá khả năng ức chế virus H5N1 tại Viện Công nghệ sinh học, ức chế virus SARS-CoV-2 tại Viện Vệ sinh dịch tễ TW, đánh giá tăng cường miễn dịch tại Khoa Dược lý lâm sàng, Đại học Y Hà Nội. Kết quả thử nghiệm cho thấy thuốc VIPDERVIR an toàn trên động vật thực nghiệm, ở nồng độ 50 ug/mL thuốc có khả năng ức chế được sự phát triển của SARS-CoV-2. Ngoài ra thuốc còn có tác dụng tăng cường miễn dịch khi thử nghiệm trên động vật. Như vậy, thuốc VIPDERVIR được bào chế từ các thảo dược Việt Nam với chứa các hoạt chất tác dụng theo các cơ chế khác nhau: Phong tỏa Spike-S của virus SARS-CoV-2 và thụ thể ACE2 trên tế bào chủ để ngăn chặn sự tiếp xúc và xâm nhập của virus vào tế bào; Ức chế các enzyme liên quan tới quá trình nhân lên của virus SARS-CoV-2; Kích hoạt các tế bào của hệ miễn dịch của người bệnh.Sắp tới, Viện Công nghệ sinh học và Công ty Vinh Gia sẽ tiến hành các thủ tục cần thiết với các đơn vị quản lý nhà nước để đưa thuốc vào sử dụng nhằm tăng cường cho các biện pháp phòng bệnh, chữa bệnh COVID-19 tại Việt Nam.

Chế tạo bộ KIT phát hiện nhanh virus SARS-CoV-2

Ngay khi dịch khởi phát COVID-19, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giao cho Viện Công nghệ sinh học nhiệm vụ nghiên cứu phát triển Kit chẩn đoán virus SARS-CoV-2.

Sau hơn một tháng nghiên cứu, Viện Công nghệ sinh học đã chế tạo thành công bộ KIT phát hiện virus SARS-CoV-2 dựa trên công nghệ Realtime RT-PCR, trong đó các bộ mồi và mẫu dò được thiết kế và chỉnh lý dựa trên các gen và vùng gen quan trọng của virus SARS-CoV-2 được phân lập tại Việt Nam.

Bộ Kit chẩn đoán virus SARS-CoV-2 đã được thử nghiệm tại Viện Công nghệ sinh học, sau đó được đánh giá về độ nhạy và độ đặc hiệu tiền lâm sàng và lâm sàng bởi Viện Y học dự phòng quân đội, Bộ Quốc phòng, Viện Kiểm định Quốc gia Vắc xin và Sinh phẩm Y tế, Bộ Y tế và Đại Y-Dược Hải Phòng.

Kết quả đánh giá cho thấy, bộ Kit chẩn đoán virus SARS-CoV-2 của Viện CNSH có độ nhạy và độ đặc hiệu tương đương với bộ Kit realtime RT-PCR của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) cũng như bộ Kit thương mại dùng trong chẩn đoán SARS-CoV-2. Kết quả nghiên cứu đã khẳng định Viện Công nghệ sinh học,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã làm chủ công nghệ hiện đại và hoàn toàn chủ động trong việc tạo bộ Kit realtime RT-PCR dùng để phát hiện virus SARS-CoV-2 tại Việt Nam. Ngày 17/4/2020, Viện Hàn lâm đã bản hành Công văn số 669/VHL-UDTKCN kèm Hồ sơ kỹ thuật của bộ Kit gửi Bộ Y tế để đánh giá bộ Kit, cũng như hướng dẫn đề được đăng ký lưu hành nhằm đưa bộ Kit vào sử dụng, góp phần vào công cuộc phòng chống dịch bệnh COVID-19 tại Việt Nam.

Bộ kit realtime RT-PCR của Viện có độ nhạy và độ đặc hiệu tương đương với bộ kit theo quy trình của WHO để chẩn đoán SARS-CoV-2. Tiếp tục hoàn thiện bộ, bổ sung thêm nội chuẩn để làm tăng độ chính xác của bộ kit, giảm giá thành và tiện lợi cho việc sử dụng và phân tích kết quả chẩn đoán virus SARS-CoV-2 của bộ kit.

Cáccông nghệ nền liên quan đến chế tạo vắc-xin

Các nghiên cứu phát triển vắc-xin cho các virus gây bệnh mới là thách thức lớn nhất cho các nhà nghiên cứu hiện nay do tính đột ngột xuất hiện của dịch bệnh. Có thể kể đến Hội chứng hô hấp cấp tính nặng coronavirus (SARS-CoV) năm 2003, Hội chứng hô hấp Trung Đông coronavirus (MERS-CoV) vào cuối năm 2012 và gần đây nhất là đại dịch Viêm đường hô hấp cấp do chủng mới của virus Corona gây ra (SARS-CoV2) đều gây tỷ lệ tử vong cao.

 Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu tạo vắc-xin tái tổ hợp phòng trừ các virus nhóm Coronavirus đều thành công chủ yếu khi biểu hiện toàn bộ gen S (mã hoá protein spike), phần gen S1 hay chỉ vùng gen S có chức năng tương tác thụ thể (RBD) ở dạng tự nhiên là cấu trúc homotrimeric. Để có thể phát triển thành công được vaccine thì cần thiết phải làm chủ được khâu quan trọng chính như:

Viện Công nghệ sinh học đã làm chủ được công nghệ tạo các kháng nguyên quan trọng có thể kích thích đáp ứng miễn dịch có khả năng bảo hộ với bệnh. Các nhà khoa học Viện Công nghệ sinh học đã thành công dạng cấu trúc tự nhiên trimeric vùng gen S1, vùng gen tương tác thụ thể (RBD) của virus SARS CoV2 và đang nghiên cứu biểu hiện vắc xin vỏ virus (Virus-Like Particle hay VLP) và đánh giá khả năng kích thích tạo đáp ứng miễn dịch trên động vật thực nghiệm.

Để cải thiện khả năng đáp ứng của hệ miễn dịch chống lại các mối đe dọa thường trực và liên tục của các chủng vi rút mới, hạt nano đã và đang mang lại một trong những giải pháp đột phá cho công nghệ sản xuất vắc xin thế hệ mới- nanovaccine. Việc ứng dụng công nghệ nano trong phát triển vắc xin dựa trên cơ sở khoa học là hầu hết các mần bệnh có kích cỡ nano giúp vắc xin nano được hệ thống miễn dịch nhận diện và xử lý hiệu quả. Kháng nguyên protein sau khi gắn lên trên hạt nano sẽ bền hơn, ổn định hơn cả in vitro lẫn in vivo. Viện Công nghệ sinh học đã rất thành công về khả năng dùng hạt nano kim cương (NDs) làm chất mang kháng nguyên vỏ virus H7N9 tái tổ hợp. Đánh giá hoạt tính kháng nguyên của protein trước và sau gắn hạt NDs cho thấy gắn hạt NDs làm tăng khả năng ngưng kết hồng cầu gà lên hơn 500 lần. Khi tiêm miễn dịch vào chuột thí nghiệm, NDs cho thấy hiệu qủa của nó trong việc làm tăng cường lượng kháng thể kháng HA/H7N9 sinh ra gấp gần 8 lần so với không sử dụng hạt. Như vậy, NDs là vật liệu nano giúp cải thiện mạnh mẽ tính kháng nguyên và khả năng đáp ứng miễn dịch đối với protein kháng nguyên tái tổ hợp .

Viện Công nghệ sinh học đã làm chủ công nghệ di truyền ngược trong chế tạo chủng giống gốc vi-rút để sản xuất vắc-xin cúm gia cầm A/H5N1. Nhóm nghiên cứu của Viện Công nghệ sinh học đã nghiên cứu thành công việc chế tạo giống vi-rút để sản xuất vắc-xin bằng công nghệ di truyền ngược, tạo ra được các chủng giống gốc vi-rút A/H5N1 IBTRG-01 (clade 1.1) và IBTRG-02 (clade 2.3.2.1c). Kết quả khoa học này đã được đăng tải trên tạp chí Vaccines. Công nghệ di truyền ngược cũng đã được các nhà khoa học trên thế giới áp dụng vào các nghiên cứu virus SARS-CoV2 với những công trình nổi bật đăng trên các tạp chí khoa học số 1 thê giới như Nature và Cell. Những kết quả này khám phá cơ chế lây nhiễm của virus trong hệ thống hô hấp của người và góp phần nghiên cứu sự tương tác giữa virus và vật chủ, từ đó đưa ra những giải pháp tốt hơn cho việc phòng/điều trị Covid-19.

HT