Thế giới đang phải đối mặt với những biến chủng COVID-19 nguy hiểm, làm tăng nguy cơ kéo dài đại dịch và chúng ta sẽ cần những mũi tiêm nhắc lại. Vậy mà giữa bối cảnh đó, chúng ta vẫn đang thiếu vắc-xin. Một phần lý do là vắc-xin đã bị tích trữ bởi các nước giàu và phân phối không công bằng tới các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình.

Nhưng nguyên nhân sâu xa vẫn là vì nguồn cung của chúng ta rất hạn chế. Các nhà máy vắc-xin của loài người hoạt động hết công suất cũng không thể sản xuất đủ 14 tỷ liều trong thời gian ngắn. Vậy mà vào tháng 6 vừa rồi, Johnson & Johnson cho biết họ phải đổ bỏ 100 triệu liều vắc-xin của mình vì lỗi kỹ thuật của dây chuyền sản xuất.

Nguyên nhân là vì các thành phần vắc-xin này được tạo ra trong các lò phản ứng sinh học rất lớn, có thể có quy mô lên tới 2.000 lít. Chỉ cần một bể bị nhiễm bẩn và hỏng, điều đó có nghĩa là hàng triệu liều vắc-xin sẽ phải bị đổ bỏ.

Nhà máy sản xuất của Johnson & Johnson cũng là nơi cung cấp nguyên liệu cho vắc-xin của AstraZeneca. Do đó, hỏng hóc trong dây chuyền của họ cũng dẫn đến sự phí phạm 70 triệu liều vắc-xin COVID-19 khác của hãng dược phẩm Anh.

Một số nhà khoa học cho biết công nghệ sản xuất vắc-xin theo lô lớn như thế này đang tiềm ẩn những rủi ro rất lớn. Và các kỹ sư đang cố gắng tìm cách khắc phục điều đó bằng một công nghệ mới, sản xuất vắc-xin theo đường ống mà họ học được từ ngành công nghiệp hóa dầu.

Vấn đề của các nhà máy sản xuất vắc-xin ngày nay

Hiện tại, ngoài vắc-xin mRNA như của Pfizer/BioNTech và Moderna thì hầu hết các loại vắc-xin COVID-19 sản xuất theo công nghệ cũ đều cần đến các lò phản ứng sinh học cỡ lớn. Đó là bởi vắc-xin của họ cần nuôi virus, như AstraZeneca và Johnson & Johnson sử dụng virus vector – các chủng virus vô hại được gắn protein gai của SARS-CoV-2 bên ngoài, còn của Sinopharm là sử dụng chính virus SARS-CoV-2 dạng bất hoạt.

Vấn đề nữa là virus không thể tự chúng nhân lên. Chúng cần các tế bào chủ để lây nhiễm và phát triển. Những tế bào này chính là thứ được nuôi trong lò phản ứng sinh học, hay các thùng thép không gỉ có dung tích lên tới 2.000 lít được đổ đầy chất dinh dưỡng và khuấy trộn liên tục 24/24 giờ giúp tế bào phát triển.

Các lò phản ứng sinh học đang được sử dụng để sản xuất vắc-xin.

Quá trình nuôi tế bào trong lò phản ứng sinh học rất mất thời gian, trung bình có thể tới vài tuần. Nhưng virus thì chỉ cần vài ngày để lây nhiễm và tạo ra vắc-xin trong những tế bào ấy.

"Điều đó có nghĩa là khoảng 80% thời gian đã bị phí phạm khi bạn chỉ ngồi một chỗ khoanh tay nhìn các tế bào lớn lên", Richard Braatz, một giáo sư kỹ thuật hóa học tại Viện Công nghệ Massachusetts, giải thích. "Bạn đang không thực sự tạo ra virus, bạn chỉ đang vỗ béo các tế bào chủ".

Ngoài ra, khi một mẻ vắc-xin trong lò phản ứng sinh học được hoàn thành, các công nhân sẽ mất thời gian để cọ sạch bể chứa và chuẩn bị lò phản ứng cho mẻ tiếp theo. Khi các bể chứa không được làm sạch và thiết lập lại đúng cách, nó có thể bị nhiễm bẩn khiến hàng triệu liều vắc-xin có thể bị hỏng và đổ bỏ như thực tế đã diễn ra với Johnson & Johnson và Astrazeneca hai tháng trước.

Vì những lý do như vậy, các nhà khoa học đang tìm cách chuyển từ mô hình sản xuất vắc-xin theo mẻ sang một mô hình sản xuất liên tục. Học tập từ ngành công nghiệp hóa dầu, một công ty của Đức đang đề xuất mô hình thay thế các bể phản ứng hình trụ bằng các đường ống dài 300 mét.

Họ đã chứng minh rằng phương pháp này khả thi trên nguyên mẫu và đang thuyết phục các công ty dược phẩm thay đổi mô hình của mình sang thiết kế này.

Ngành vắc-xin có thể học hỏi gì từ ngành hóa dầu?

Ý tưởng được phát triển một phần bởi Felipe Tapia, một kỹ sư xử lý sinh học tại Viện Max Planck về Động lực học Các Hệ thống Kỹ thuật Phức tạp ở Magdeburg, Đức. Khi còn là sinh viên đại học ở Chile, Tapia từng đi qua một nhà máy lọc dầu mỗi ngày. Ông để ý ngành công nghiệp dầu mỏ thường bơm sản phẩm của mình qua các đường ống rất dài để loại bỏ tạp chất.

Thiết kế này đã truyền cảm hứng cho Tapia suy nghĩ về những gì mà các nhà sản xuất vắc-xin có thể học tập. Ông chuyển đến Đức vào năm 2012 và đã dành gần một thập kỷ cùng các đồng nghiệp tại Viện Max Planck điều chỉnh cách tiếp cận dạng ống đó với vắc-xin.

Keith Roper, trưởng khoa kỹ thuật y sinh tại Đại học Utah, giải thích: Hệ thống đường ống cho phép vắc-xin được sản xuất liên tục và điều này có lợi cho quá trình kiểm soát chất lượng.

Trong hệ thống sử dụng bể sinh học, các thùng chứa tế bào khổng lồ thường chỉ tạo ra sinh phẩm vắc-xin trong một khoảng thời gian xác định. Nó được ví như một cửa sổ mà vượt quá thời gian đó, vắc-xin bắt đầu phân hủy và tế bào tạo ra các sản phẩm phụ làm bẩn cả bể chứa.

Bây giờ, với việc sử dụng hệ thống ống chảy liên tục, tế bào, thành phần tăng trưởng và cả virus sẽ được bơm liên tục vào đường ống và tạo thành dòng chảy. Roper ví hệ thống này giống như một đường dây cắm vào ổ điện, trong khi các bể sinh học giống như một viên pin trữ năng. Và điều đó tạo ra một sự ưu việt hơn hẳn.

"Nếu bạn cắm thiết bị điện tử của mình vào ổ cắm, bạn sẽ có được nguồn điện ổn định, liên tục từ lưới điện quốc gia, bất kể bạn cắm nó vào lúc 8 giờ sáng hay 5 giờ chiều. Nguồn điện ấy sẽ luôn ổn định cho dù nó là ngày hôm qua hay ngày mai", Roper nói.

Trong các bể phản ứng sinh học để sản xuất vắc-xin theo lô, virus được nuôi để phát triển thành vắc-xin giảm độc lực hoặc các virus vector vô hại mang protein mầm bệnh. Vắc-xin sinh ra sẽ tiêu diệt virus cuối cùng giết chết các tế bào trong bể đang cho phép chúng sinh sôi.

Thiết kế các bể vắc-xin thành hệ thống liên tục hình ống sẽ ngăn chặn được sự chết mòn này. Thay vào đó, các tế bào tươi được nuôi cấy liên tục trong một bể nhỏ và được đưa vào lỗ mở của ống, cùng với môi trường nuôi cấy chúng.

Một ống khác đưa virus vào đường ống chính và cho phép một lượng nhỏ virus được thêm vào các tế bào mà chúng lây nhiễm. Một máy bơm nhu động giữ cho chất lỏng di chuyển về phía trước, chảy qua một đường ống dài 300 mét, nơi virus sẽ nhân lên trong 48 giờ cho đến khi chúng được thu hoạch.

Hệ thống sản xuất vắc-xin liên tục do Viện Max Planck phát triển.

Cuối cùng, toàn bộ chất lỏng có chứa virus và các mảnh vụn tế bào thoát ra khỏi ống sơ cấp qua một đường ống thu hoạch. Virus được tách ra khỏi các thành phần khác và được chế biến thành vắc-xin. "Đó là một ý tưởng đơn giản", Tapia nói. "Nhưng thật không dễ dàng để chúng tôi thuyết phục mọi người rằng nó sẽ hoạt động".

Một mối lo ngại là máy bơm được sử dụng để đẩy vật liệu lỏng qua ống sẽ bị trục trặc hoặc bằng cách nào đó gây hại cho các tế bào. "Chúng tôi nghĩ nó sẽ tạo ra áp lực quá lớn mà các tế bào không có khả năng chịu đựng. Nhưng cuối cùng nó đã hoạt động", Tapia nói.

Ông và các đồng nghiệp của mình đã chứng minh thiết kế này có thể sản xuất vắc-xin cúm trong một nghiên cứu năm 2019 đăng trên tạp chí PLoS One. Nghiên cứu này cho phép họ thành lập một công ty, ContiVir, để phát triển công nghệ dây chuyền sản xuất vắc-xin mới. ContiVir đang đàm phán với các công ty dược phẩm quan tâm đến hình thức sản xuất mới này.

Rahul Singhvi, đồng sáng lập kiêm Giám đốc điều hành của National Resilience, người đã nghiên cứu quy trình sản xuất vắc-xin liên tục trong nhiều thập kỷ, cho biết: "Đó là một ý tưởng hay". Nếu các công ty có được một quy trình hoàn toàn liên tục để tạo ra vắc-xin thương mại hoá, thì đó sẽ là một yếu tố thay đổi cuộc chơi.

"Sản xuất liên tục từ đầu đến cuối là chén thánh trong ngành vắc-xin", Singhvi nói.

Giải quyết vấn đề thiếu vắc-xin trên quy mô toàn thế giới

Trên thực tế, các nhà khoa học đã cố gắng giải quyết vấn đề của các bể chứa sinh học và nhen nhóm ý định tạo ra các dây chuyền sản xuất vắc-xin liên tục từ năm 1965. "Đó chắc chắn không phải là một khái niệm mới", Roper nói. Nhưng việc thực hiện nó không hề dễ dàng.

Hãng dược phẩm Merck hiện đang hợp tác với MIT để cố gắng kết hợp một số yếu tố của quá trình sản xuất liên tục vào dây chuyền sử dụng bể sinh học của họ. Sự kết hợp này chỉ là một phần và hiện vẫn chưa có bất kỳ dây chuyền vắc-xin liên tục hoàn toàn nào trên toàn thế giới, Roper nói.

Các nhà sản xuất vắc-xin khác, chẳng hạn như tập đoàn dược phẩm khổng lồ Takeda của Nhật Bản, cũng đang nghiên cứu chuyển hướng sang sản xuất vắc-xin liên tục.

Nguyên mẫu lò phản ứng sinh học dạng ống của ContiVir

Tapia nhấn mạnh rằng hệ thống liên tục như lò phản ứng hình ống mà ông đã phát triển có thể tạo ra các nhà máy sản xuất vắc-xin quy mô nhỏ. Điều này có nghĩa là bạn không cần đầu tư quá nhiều tiền để mua các thiết bị khổng lồ, và cần nhiều nhân lực để vận hành cũng như bảo trì các hệ thống phức tạp đó.

Nó sẽ mở ra cơ hội nhân rộng quy mô sản xuất. "Đó là vấn đề xảy ra khi bạn có một đại dịch, bạn cần phải tăng năng lực sản xuất lên gấp 10 lần hoặc hơn thế", Tapia nói.

Singhvi đồng ý rằng yêu cầu của các lò phản ứng sinh học cỡ lớn đã hạn chế năng lực sản xuất vắc-xin trên toàn cầu, khi nhiều doanh nghiệp dược phẩm nhỏ không đủ vốn để đầu tư vào chúng. Việc chuyển giao công nghệ cho các nước kém phát triển cũng trở nên khó khăn, khiến vắc-xin không thể được sản xuất ở đây.

Hơn nữa, sẽ hoàn toàn không khả thi nếu đầu tư nguồn lực lớn vào việc tạo ra những nhà máy sản xuất khổng lồ này chỉ để đối phó với một dịch bệnh. Sau khi dịch bệnh qua đi, chúng sẽ bị bỏ không trong nhiều năm, thậm chí đắp chiếu vĩnh viễn. Thậm chí đắp chiếu không có nghĩa là các nước nghèo sẽ không mất tiền.

Singhvi nói: "Bạn không thể phủ một tấm bạt lên một thứ gì đó, bởi vì các cơ sở này cần được bảo trì".

Đối với các quốc gia, tự chủ vắc-xin nghĩa là tự chủ vận mệnh của chính mình.

Do đó, các hệ thống sản xuất vắc-xin liên tục sử dụng đường ống, với quy mô nhỏ hơn, giá cả phải chăng hơn sẽ cho phép nhiều quốc gia có đủ tiềm lực để xây dựng các nhà máy vắc-xin địa phương cho riêng mình.

"Nó cho phép các quốc gia có nhiều quyền tự chủ hơn để kiểm soát vận mệnh của chính họ", Singhvi nói. Ông hy vọng rằng công ty của mình có thể góp phần vào sứ mệnh đó bằng cách thiết lập các nhà máy sản xuất liên tục trên khắp thế giới, có thể cho các công ty dược phẩm bản địa thuê lại thay vì mua đứt toàn bộ dây chuyền.

Điều này sẽ xóa bỏ sự phụ thuộc của các quốc gia vào những ông lớn dược phẩm, những người đang nắm giữ những nhà máy sản xuất vắc-xin khổng lồ và đắt đỏ. Đại dịch COVID-19 cùng tình trạng phân phối vắc-xin thiếu công bằng hiện này rõ ràng là một bài học thúc đẩy quá trình đổi mới đó cần phải được thực hiện.

Tham khảo Nationalgeographic