Ilmuwan Vietnam Nguyen Duc Thanh Kembangkan Perangkat Medis Biodegradabel dengan Dukungan Riset US$25 Juta

Jadwal vaksin dalam sebuah plester kecil

Sebuah plester yang diuji pada tikus mengantarkan dosis Prevnar-13, vaksin untuk melawan bakteri pneumokokus, pada interval terprogram mulai dari beberapa hari hingga lebih dari satu bulan. Hewan-hewan tersebut mengembangkan respons imun yang serupa dengan hewan yang menerima beberapa kali suntikan dan bertahan hidup setelah paparan bakteri mematikan. Di balik penelitian ini adalah Nguyen Duc Thanh, ilmuwan Vietnam yang risetnya di University of Connecticut telah menarik dana jutaan dolar untuk perangkat medis yang dirancang agar terurai setelah menjalankan fungsinya.

Dikenal dalam publikasi ilmiah sebagai Thanh D. Nguyen, profesor madya ini bekerja di bidang teknik mesin, teknik biomedis, dan ilmu material. Proyeknya mencakup plester vaksin, struktur yang dirancang untuk membantu pemulihan tulang yang rusak, serta perangkat ultrasonik biodegradabel untuk membantu obat kemoterapi mencapai tumor otak.

University of Connecticut menyatakan bahwa sejak bergabung pada 2016, ia telah mendatangkan dana riset sebesar US$25 juta bagi institusi tersebut. Angka pendanaan yang dipublikasikan hingga Oktober 2024 mencakup lebih dari US$9,5 juta dari empat hibah R01 National Institutes of Health dan US$6,6 juta dari dua hibah yang disetujui Bill & Melinda Gates Foundation.

Gagasan utamanya menghubungkan beberapa masalah medis yang sekilas tampak berbeda: membuat material yang membawa obat, menghasilkan sinyal listrik atau memancarkan ultrasonik, lalu membiarkannya terurai di dalam tubuh. Bagi pasien, manfaat yang diharapkan mencakup lebih sedikit kunjungan untuk vaksinasi hingga tidak perlunya operasi untuk mengangkat implan.

Bukti terperinci yang telah dipublikasikan terutama berkaitan dengan plester vaksin. Nguyen menjadi penulis korespondensi dalam studi vaksin mikroneedle yang terbit daring pada 23 November 2020 di Nature Biomedical Engineering dan dimuat dalam volume 2021. Penelitian tersebut menguji teknologi ini pada tikus; penggunaannya untuk vaksinasi rutin pada manusia masih menjadi tujuan pengembangan.

Dari Da Nang ke laboratorium di Connecticut

Nguyen lahir pada 1984 di Da Nang, Vietnam tengah. Ia belajar fisika di Le Quy Don High School for the Gifted sebelum masuk program teknik unggulan bidang fisika teknik di Hanoi University of Science and Technology.

Setelah lulus pada 2007, ia menerima beasiswa Vietnam Education Foundation pada 2008 untuk menempuh studi doktoral di Princeton University. Ia meraih gelar doktor pada 2013 dan melanjutkan sebagai peneliti pascadoktoral di Massachusetts Institute of Technology.

Perjalanan akademiknya bergeser dari mekanika dan teknik dirgantara menuju teknologi biomedis. Di Connecticut, tempat ia bergabung dengan departemen teknik mesin dan teknik biomedis pada 2016, ia membangun laboratorium yang meneliti biomaterial, obat-obatan, vaksin, kedokteran regeneratif, dan perangkat medis berukuran mini. Ia menjadi profesor madya pada 2022.

Beberapa tanggal menandai perkembangan penelitian tersebut:

• 2017: Nguyen menerima NIH Trailblazer Award untuk peneliti muda.
• 2018: Laboratoriumnya melaporkan teknologi polimer piezoelektrik biodegradabel untuk aplikasi medis.
• 23 November 2020: Studi plester vaksin terprogram terbit daring.
• 30 Agustus 2022: Paten mikroneedle berstruktur inti-kulit yang mencantumkan Nguyen dan Khanh Tran dikabulkan.
• 2024: Nguyen terpilih sebagai Anggota Senior National Academy of Inventors.

Bagaimana satu plester dapat menggantikan beberapa kunjungan

Plester vaksin Nguyen kira-kira sebesar ujung ibu jari dan memiliki ratusan jarum kecil. Alih-alih menggunakan jarum suntik konvensional untuk memberikan setiap dosis secara terpisah, plester ini menempatkan paket-paket kecil vaksin ke dalam kulit dalam satu kali penggunaan.

Setiap mikroneedle memiliki inti yang berisi vaksin dan lapisan luar dari polimer biodegradabel bernama poly(lactic-co-glycolic acid), atau PLGA. Para peneliti membuat dan menyelaraskan komponen-komponen mini ini agar lapisan dengan laju penguraian berbeda melepaskan isinya pada waktu yang berlainan.

Tujuannya adalah serangkaian pelepasan bertahap yang waktunya diatur, serupa dengan suntikan terpisah. Satu dosis dapat dilepaskan setelah jeda singkat, sementara dosis lain tetap terbungkus hingga waktu berikutnya. Perubahan pada desain dan sifat material lapisan akan mengubah jadwal pelepasannya.

Nguyen, yang saat itu merupakan asisten profesor teknik di Connecticut, menjelaskan manfaat yang diharapkan bagi pasien:

Pasien tidak perlu mengingat jadwal vaksinasi," kata Nguyen. "Mereka tidak perlu menerima plester lain untuk mendapatkan vaksin berulang kali.

Studi pada tikus menggunakan Prevnar-13 untuk melawan Streptococcus pneumoniae. Perbandingannya dengan suntikan berulang relevan karena tujuan praktisnya adalah mempertahankan perlindungan sekaligus mengurangi frekuensi seseorang harus kembali untuk menjalani pengobatan.

Arti lebih sedikit kunjungan

Keluarga yang tinggal jauh dari klinik mungkin perlu mengatur transportasi, mengambil waktu dari pekerjaan, dan datang kembali pada beberapa tanggal berbeda untuk menyelesaikan rangkaian vaksinasi. Plester yang membawa jadwal dosisnya sendiri dapat mengurangi perjalanan tersebut dan risiko terlewatnya dosis berikutnya.

Pendekatan Nguyen merupakan bagian dari bidang penelitian mikroneedle yang lebih luas. Mark Prausnitz, direktur Center for Drug Design, Development and Delivery di Georgia Tech, telah meneliti plester untuk influenza dan campak. Ia menjelaskan bahwa jarum pendek dapat menembus lapisan terluar kulit yang tipis tanpa memerlukan panjang seperti jarum suntik konvensional.

Beberapa formulasi mikroneedle juga dapat mempermudah distribusi vaksin dengan mengurangi ketergantungan pada pendinginan. Kemampuan penyimpanan bergantung pada vaksin dan formulasi plesternya, sehingga setiap produk yang diusulkan perlu diuji secara tersendiri. Untuk plester terprogram Nguyen, ketepatan waktu pelepasan dan terjaganya kualitas vaksin selama penyimpanan sama-sama penting bagi penggunaan yang direncanakan.

Darin Zehrung, pemimpin program perangkat medis dan teknologi kesehatan di PATH, menyebut komitmen industri, skala manufaktur, dan biaya yang wajar sebagai tantangan praktis bagi plester vaksin. Penelitian Nguyen yang telah dipublikasikan memberikan bukti pada hewan mengenai pelepasan dosis terjadwal; untuk mengubah desain tersebut menjadi produk medis yang didistribusikan secara luas, masih diperlukan pengembangan manufaktur dan klinis.

Paten memperluas platform penghantaran obat

Nguyen dan rekan penemu Khanh Tran mengajukan permohonan paten mikroneedle berstruktur inti-kulit pada 5 Maret 2019. Paten AS 11,426,570 dikabulkan pada 30 Agustus 2022, dengan University of Connecticut sebagai pemegang hak paten.

Invensi tersebut menjelaskan jarum biodegradabel yang dapat tertanam di kulit dan melepaskan obat atau vaksin dalam jumlah terkontrol melalui semburan singkat pada waktu yang dapat diperkirakan. Permohonan terkait yang mencantumkan penemu yang sama diajukan pada 22 Juli 2022.

Permohonan lain, yang diajukan pada 28 September 2021, mencantumkan Nguyen dan Nicholas Farrell dan berkaitan dengan penghantaran berkelanjutan untuk pengobatan nyeri. Permohonan itu menjelaskan sistem mikroneedle biodegradabel yang dirancang untuk melepaskan obat dengan laju hampir konstan selama setidaknya 30 hari.

Kedua pendekatan tersebut ditujukan untuk jadwal pengobatan yang berbeda. Vaksinasi mungkin memerlukan dosis terpisah dengan jeda beberapa hari atau minggu, sedangkan pengobatan nyeri mungkin membutuhkan pasokan obat yang stabil. Keduanya memanfaatkan struktur dan penguraian material untuk mengendalikan waktu tersedianya obat.

Material untuk membantu memperbaiki tulang dan tulang rawan

Laboratorium Nguyen juga meneliti struktur biodegradabel yang menghasilkan sinyal listrik. Sifat yang dimanfaatkan adalah piezoelektrisitas: material menghasilkan muatan listrik kecil saat ditekan, ditekuk, atau mengalami tekanan mekanis lainnya.

Untuk cedera parah pada tulang panjang seperti femur dan tibia, timnya mengembangkan perancah biologis, yakni kerangka sementara yang dirancang untuk mendukung pemulihan. Materialnya dapat menghasilkan pulsa listrik yang dirancang untuk merangsang penyembuhan di bagian tubuh yang mungkin sulit pulih dengan proses perbaikan alami.

Satu proyek NIH mengalokasikan US$2,1 juta untuk penelitian yang bertujuan meningkatkan pemulihan cedera berat pada tulang panjang. Perancah tersebut menggabungkan dukungan fisik dengan stimulasi listrik, bukan sekadar berfungsi sebagai kerangka pasif.

Penelitian terkait yang dilaporkan pada 2022 menggunakan nanoserat poly-L-lactic acid, atau PLLA, untuk mendukung regenerasi tulang rawan pada sendi yang rusak. Gerakan, seperti berjalan, memberikan tekanan pada material dan menghasilkan sinyal listrik lemah yang dirancang untuk mendorong aktivitas sel yang terlibat dalam perbaikan jaringan.

Tulang rawan dan tulang memerlukan strategi perbaikan yang berbeda. Pendekatan rekayasa yang sama adalah memberi fungsi biologis yang bermanfaat pada material sementara, lalu membiarkannya terurai seiring pemulihan jaringan.

Ultrasonik yang dirancang untuk membantu obat mencapai otak

Penelitian kanker otak Nguyen menerapkan material biodegradabel pada persoalan penghantaran obat yang sulit lainnya. Banyak obat sulit mencapai jaringan otak karena sawar darah-otak, batas ketat di sekitar pembuluh darah, membatasi zat yang dapat melewatinya.

Timnya mengembangkan chip ultrasonik kecil dan fleksibel yang dirancang untuk ditanam di dekat jaringan otak. Perangkat tersebut menghasilkan gelombang suara yang dirancang untuk membantu obat kemoterapi memasuki otak dan mencapai sel kanker. Pendekatan yang diusulkan ini dapat mendukung sesi pengobatan berulang sebelum implan terurai.

Hibah NIH sebesar US$2,16 juta mendukung penelitian yang bertujuan meningkatkan kemoterapi melalui teknologi ultrasonik biodegradabel. Perangkat yang menghilang setelah pengobatan dapat menghindarkan pasien dari prosedur lain untuk mengangkatnya.

Penelitian ultrasonik ini berangkat dari ketertarikan laboratorium tersebut pada elektronik sementara. Pada 2018, Nguyen dan rekan-rekannya mengembangkan sensor menggunakan material biodegradabel yang juga digunakan pada benang jahit bedah yang dapat larut. Perangkat ini dirancang untuk mengirimkan informasi secara nirkabel lalu terurai, sehingga pemantauan dan penguraian akhirnya dirancang dalam satu material.

Proyek pandemi di luar implan

Selama pandemi COVID-19, tim Nguyen mengeksplorasi kemungkinan penggunaan membran polimer biodegradabel mereka sebagai filter masker. Pada Januari 2021, kelompok tersebut memaparkan prototipe yang ditujukan untuk mendekati kinerja filtrasi N95 sekaligus tahan terhadap sterilisasi dan penggunaan ulang.

Filter yang diusulkan menggunakan membran piezoelektrik yang dapat menghasilkan tegangan kecil saat udara melewatinya. Para peneliti mengkaji apakah efek listrik itu dapat membantu menangkap partikel, selain fungsi penyaringan fisik membran.

Nguyen mengatakan laboratoriumnya mengukur tingkat filtrasi, menyesuaikan kondisi manufaktur, dan membandingkan material tersebut dengan masker medis konvensional serta respirator N95. Timnya juga memaparkan pengujian sterilisasi menggunakan panas dan tekanan atau ultrasonik, sembari mempertahankan sifat piezoelektrik membran.

Pada Januari 2021, proyek ini masih berada pada tahap riset dan pengembangan produk, dengan komersialisasi tengah dipertimbangkan. Pada periode yang sama, laboratorium tersebut juga menjajaki plester vaksin untuk COVID-19. Eksperimen plester terprogram yang dipublikasikan menggunakan vaksin pneumokokus Prevnar-13.

Cakupan pendanaan dan penghargaan

Angka pendanaan tersebut mencakup beberapa bagian dari program penelitian Nguyen. Hingga Oktober 2024, nilai gabungan empat hibah NIH R01 melampaui US$9,5 juta. R01 merupakan mekanisme utama NIH untuk mendukung proyek penelitian tertentu.

Tiga hibah yang disebutkan secara khusus mencakup US$2,1 juta untuk perbaikan tulang panjang, US$1,5 juta untuk teknologi mikroneedle, dan US$2,16 juta untuk ultrasonik biodegradabel yang ditujukan bagi pengobatan kanker otak. Gates Foundation menyetujui dua hibah senilai total US$6,6 juta untuk mengembangkan plester yang mampu menghantarkan beberapa muatan vaksin.

Gabungan dana NIH dan Gates yang disebutkan mencapai sekitar US$16,1 juta, atau sekitar 64% dari US$25 juta yang menurut Connecticut berhasil didatangkan Nguyen setelah bergabung dengan universitas tersebut. Angka US$25 juta mencakup keseluruhan rekam pendanaannya di institusi itu.

Pemilihannya sebagai Anggota Senior National Academy of Inventors pada 2024 menempatkannya dalam kelompok yang terdiri atas 124 orang dari 60 institusi. Secara keseluruhan, kelompok tersebut memiliki lebih dari 1.000 paten AS dan lebih dari 340 teknologi yang telah dilisensikan atau dikomersialkan.

Gelar Anggota Senior diberikan sebagai pengakuan atas invensi, pematenan, alih teknologi, dan pelatihan calon inventor. Penghargaan Nguyen lainnya mencakup SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award 2018, pengakuan sebagai salah satu inovator muda di kawasan Asia Pasifik, serta pemilihan sebagai salah satu anak muda berprestasi Vietnam pada 2019.

Di berbagai proyeknya, ambisi praktisnya tetap sama: mengurangi kunjungan berulang, membantu obat mencapai sasaran yang sulit dijangkau, dan membuat implan sementara terurai setelah tugasnya selesai. Studi vaksin memberikan contoh konkret ambisi tersebut pada hewan, sementara program yang lebih luas menerapkan gagasan rekayasa material yang sama pada perbaikan, pemantauan, dan pengobatan.

Poin-Poin Utama

• Nguyen Duc Thanh bergabung dengan University of Connecticut pada 2016 dan menjadi profesor madya pada 2022.
• Plester vaksin terprogramnya menghantarkan dosis Prevnar-13 secara bertahap pada tikus dan menghasilkan respons imun yang serupa dengan suntikan berulang.
• Laboratoriumnya juga meneliti material biodegradabel untuk perbaikan tulang dan tulang rawan, sensor sementara, serta perangkat ultrasonik untuk penghantaran obat ke otak.
• Hingga Oktober 2024, dukungan NIH dan Gates Foundation yang disebutkan berjumlah sekitar US$16,1 juta; Connecticut menyebut total pendanaan risetnya mencapai US$25 juta.
• Nguyen terpilih sebagai Anggota Senior National Academy of Inventors pada 2024.
• Penggunaan rutin plester vaksin terprogramnya pada manusia masih menjadi tujuan pengembangan.