Trong một nghiên cứu mang tính đột phá nhằm định nghĩa lại khoa học về khử trùng bằng bức xạ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Thành phố Nagoya công bố những hiểu biết mới đáng kinh ngạc về vai trò quan trọng của liều lượng bức xạ từ tia X tác động đến hiệu quả diệt khuẩn đối với Escherichia coli. Trái ngược với những giả định trước đây cho rằng chỉ riêng liều lượng chiếu xạ tổng thể quyết định thành công của quá trình khử trùng. Nghiên cứu tiên phong này làm sáng tỏ sự tương tác phức tạp giữa liều lượng, thời gian tiếp xúc và trạng thái chuyển hóa của vi khuẩn, làm thay đổi cách hiểu và ứng dụng thực tế của chúng ta về công nghệ bức xạ trong khử trùng và liệu pháp bức xạ.
Tiệt trùng bằng bức xạ, công cụ quan trọng được sử dụng trong các ngành y tế, dược phẩm và thực phẩm, dựa vào sóng điện từ năng lượng cao để tiêu diệt sự sống của vi khuẩn bằng cách gây ra thiệt hại không thể phục hồi cho DNA và các cấu trúc tế bào quan trọng. Học thuyết thông thường cho rằng việc sử dụng liều chiếu xạ cố định là yếu tố chính quyết định kết quả tiệt trùng, bất kể liều đó được phân bổ theo thời gian như thế nào. Mô hình này hiện đang được thử nghiệm bởi Giáo sư Matsumoto và Iwata, nghiên cứu tỷ lệ liều có thể điều chỉnh quá trình bất hoạt vi khuẩn.
Sử dụng Escherichia coli làm mô hình thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã lựa chọn các thông số chiếu xạ tia X, duy trì tổng liều không đổi là 200 Gray (Gy) khi thay đổi tốc độ liều trong hai điều kiện thử nghiệm riêng biệt. Trong môi trường thiếu chất dinh dưỡng, việc tiếp xúc kéo dài ở tốc độ liều thấp (khoảng 15,3 miligray mỗi giây [mGy/giây]) giúp tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả hơn so với các đợt chiếu xạ ngắn nhưng mạnh ở tốc độ liều cao (147 mGy/giây). Cụ thể, tốc độ thấp đã làm giảm số lượng vi khuẩn từ 36.000 xuống chỉ còn 8 sau hơn 13.000 giây tiếp xúc, tương ứng với tỷ lệ bất hoạt là 99,98%.
Ngược lại, khi vi khuẩn sống trong môi trường giàu dinh dưỡng hỗ trợ quá trình trao đổi chất và nhân bản, xu hướng ngược lại xuất hiện. Việc tiếp xúc với tia X cường độ cao, nhanh vượt trội hơn các phương pháp điều trị liều thấp kéo dài gấp hơn một cấp độ về hiệu quả khử trùng. Phát hiện này chứng minh rằng trạng thái sinh lý của quần thể vi khuẩn ảnh hưởng đáng kể đến khả năng nhạy cảm với bức xạ của chúng, nhấn mạnh sự cần thiết phải điều chỉnh các giao thức khử trùng theo bối cảnh môi trường và sinh học.
Tính hai mặt được quan sát thấy giữa các trạng thái dinh dưỡng gợi ý về các cơ chế phức tạp bên dưới quyết định phản ứng của tế bào đối với bức xạ ion hóa. Trong các kịch bản thiếu dinh dưỡng, vi khuẩn có thể bước vào giai đoạn ngủ đông hoặc phát triển chậm, đặc trưng bởi các con đường sửa chữa DNA bị thay đổi và trạng thái nghỉ chuyển hóa, khiến chúng dễ bị tổn thương do bức xạ tích lũy gây ra chậm theo thời gian. Ngược lại, các tế bào phân chia tích cực trong môi trường giàu dinh dưỡng có thể dễ bị đứt gãy chuỗi kép DNA ngay lập tức và stress oxy hóa do liều chiếu xạ mạnh, tập trung, dẫn đến chết tế bào nhanh chóng.
Để làm sáng tỏ những hiệu ứng phức tạp này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các phương trình vi phân ngẫu nhiên, một phương pháp mô hình toán học tinh vi có khả năng nắm bắt bản chất xác suất của tổn thương phân tử và động lực sửa chữa trong các điều kiện chiếu xạ khác nhau. Phân tích định lượng tiên tiến này tạo điều kiện cho sự hiểu biết cơ học chưa từng có về quá trình bất hoạt vi khuẩn do bức xạ gây ra, kết nối các quan sát thực nghiệm với các khuôn khổ lý thuyết.
Ngoài lĩnh vực vi sinh học, những phát hiện này mang lại những hàm ý sâu sắc cho lĩnh vực xạ trị rộng hơn, bao gồm cả điều trị ung thư. Bằng cách khai thác sự phụ thuộc vào tỷ lệ liều lượng và tận dụng các cấu hình chuyển hóa riêng biệt của mô ác tính so với mô khỏe mạnh, các bác sĩ lâm sàng có thể phát triển các chiến lược chiếu xạ ưu tiên nhắm vào các tế bào ung thư tăng sinh nhanh chóng trong khi giảm thiểu thiệt hại phụ cho các tế bào bình thường. Cơ chế tương hỗ liều lượng theo thời gian này mở đường cho các phương thức xạ trị an toàn hơn và hiệu quả hơn bằng cách sử dụng tia X, chùm tia proton hoặc các nguồn bức xạ ion hóa khác.
Hơn nữa, nghiên cứu này thách thức các phương thức khử trùng hiện có được sử dụng cho các vật liệu nhạy cảm như thiết bị y tế dùng một lần, dược phẩm và sản phẩm thực phẩm. Việc tối ưu hóa các thông số về tỷ lệ liều phù hợp với môi trường vi khuẩn cụ thể có thể tăng cường đáng kể hiệu quả khử trùng, giảm thời gian xử lý và bảo toàn tính toàn vẹn của hàng hóa đã khử trùng, giải quyết các mối quan ngại lâu dài về hậu cần và an toàn. Thiết kế thử nghiệm nghiêm ngặt và phân tích liên ngành nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét lại các giả định cổ điển trong lĩnh vực sinh học phóng xạ. Sự thay đổi mô hình do nhóm Đại học Thành phố Nagoya đề xuất làm nổi bật sự phụ thuộc lẫn nhau về mặt sinh học và vật lý chi phối phản ứng bức xạ.
Về bản chất, nghiên cứu này vạch ra một con đường chuyển đổi hướng tới tương lai, không chỉ đào sâu kiến thức khoa học mà còn cung cấp thông tin cho kỹ thuật của các hệ thống chiếu xạ thế hệ tiếp theo. Các thiết bị có khả năng điều chỉnh động tỷ lệ liều với độ chính xác có thể trở thành công cụ trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ phòng khử trùng bệnh viện đến các phòng xạ trị ung thư tiên tiến. Khi cuộc tìm kiếm các công nghệ khử trùng và điều trị nâng cao ngày càng mạnh mẽ, việc tích hợp mô hình toán học và sinh học thực nghiệm sẽ đưa ra một bản thiết kế tốt. Việc chứng minh thành công tính tương hỗ liều theo thời gian trong quá trình bất hoạt vi khuẩn khẳng định tiềm năng chưa được khai thác nằm ở giao điểm của vật lý, sinh học và toán học ứng dụng. Các nghiên cứu trong tương lai dựa trên những phát hiện này có thể khám phá nhiều loại vi sinh vật hơn, các loại bức xạ khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau để khái quát hóa và tinh chỉnh hiệu ứng tỷ lệ liều. Những nỗ lực như vậy cũng có thể nghiên cứu các kết hợp hiệp đồng với chất khử trùng hóa học hoặc chất gây nhạy cảm với bức xạ, mở rộng hơn nữa kho vũ khí chống lại ô nhiễm vi khuẩn và ác tính. Cuối cùng, những hiểu biết mới có được từ nghiên cứu này báo hiệu một kỷ nguyên mới trong khoa học bức xạ, kỷ nguyên được đánh dấu bằng độ chính xác, khả năng thích ứng và hiểu biết sinh học. Những tác động này vượt xa phạm vi khử trùng, mở ra hướng đi đầy hứa hẹn để bảo vệ bệnh nhân, người tiêu dùng và hệ sinh thái thông qua các ứng dụng bức xạ có cơ sở khoa học.
Từ khóa: tia X;
– CMD –
