Với khả năng tự tái tạo và biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau, tế bào gốc vạn năng cảm ứng hứa hẹn giúp điều trị hiệu quả nhiều bệnh nặng, mở ra triển vọng mới trong lĩnh vực phát triển dược phẩm và kỹ thuật y học.
Tế bào gốc vạn năng cảm ứng là gì?
Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (Induced pluripotent stem cells - iPSC, còn được gọi là tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng) là các tế bào gốc được tạo ra từ da hoặc tế bào máu đã được lập trình để trở lại trạng thái vạn năng, tương tự như tế bào phôi thai. Điều này cho phép chúng phát triển thành bất kỳ loại tế bào nào cần thiết cho mục đích nghiên cứu và điều trị. (1)
Ví dụ, iPSC được sử dụng để nuôi organoid, là một mô hình khối tế bào 3D có khả năng mô phỏng chức năng và sinh lý tốt hơn lớp tế bào đơn nuôi trên bề mặt phẳng, và có thể cá nhân hóa khi lấy nguồn tế bào soma từ một bệnh nhân, tái lập trình, tạo organoid và thử thuốc nhằm mục đích điều trị cho bệnh nhân đó. iPSC có thể được thúc đẩy trở thành tế bào beta để điều trị bệnh tiểu đường, tế bào máu để tạo ra máu mới hoặc tạo ra tế bào thần kinh để điều trị rối loạn thần kinh.
Lịch sử phát triển của tế bào gốc vạn năng cảm ứng - Induced pluripotent stem cells
Năm 2006, Takahashi và Yamanaka là những người đầu tiên lập trình lại tế bào trưởng thành thành tế bào gốc vạn năng giống phôi thai, hay còn gọi là tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) ở chuột. Một năm sau, cũng phòng thí nghiệm đó và một nhóm nghiên cứu độc lập khác cùng có báo cáo việc tái lập trình thành công tế bào trưởng thành của con người thành iPSC. Việc lập trình lại iPSC thường được bắt đầu trong các tế bào soma thông qua sự biểu hiện quá mức của bốn gen chính (Oct3/4, Klf4, c-Myc và Sox2), được gọi là “yếu tố Yamanaka”. Sau khi được tạo ra, iPSC có nhiều các đặc tính tương tự như tế bào gốc phôi. Shinya Yamanaka được trao giải thưởng Nobel cho thành tựu tế bào gốc vạn năng cảm ứng vào năm 2012. (2)
Sử dụng iPSC, các nhà khoa học đã lập trình lại tế bào soma thành tế bào gốc vạn năng cảm ứng và biệt hóa thành các loại tế bào khác như tế bào thần kinh vận động, tiền chất của trứng và tinh trùng, tế bào gan, tiền chất của xương và tế bào máu. Điều này mở ra cơ hội nghiên cứu và phát triển phương pháp điều trị tiên tiến cho các căn bệnh không thể chữa khỏi như ALS, hội chứng Rett, hội chứng Lesch-Nyhan và chứng loạn dưỡng cơ Duchenne.
Tìm hiểu thêm: Các loại tế bào gốc phổ biến.
Tế bào gốc vạn năng cảm ứng được nuôi cấy như thế nào?
Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (Induced pluripotent stem cells) thường được tạo ra bằng cách chỉnh sửa gene để biểu hiện “các yếu tố tái lập trình” trên một loại tế bào soma. Cụ thể, tập hợp các yếu tố tái lập trình trong nghiên cứu của Kazutoshi Takahashi và Shinya Yamanaka bao gồm: Oct4 (Pou5f1), Sox2, Klf4 và c-Myc. Về sau, có những nghiên cứu khác nâng cao chất lượng của tế bào gốc vạn năng cảm ứng qua việc kiểm soát thêm những yếu tố phiên mã khác như Nanog, Lin28, Glis1, và một số RNA không mã hóa. Những khía cạnh cần quan tâm khi tái lập trình tế bào gồm các yếu tố tái lập trình, đóng xoắn và tháo xoắn của nhiễm sắc thể, histone, DNA methylation và sự thay đổi về trao đổi chất của tế bào trong giai đoạn tái lập trình.
Quá trình tái lập trình iPSC thường chậm và hiệu suất rất thấp. Phải mất từ 1-2 tuần đối với tế bào chuột và 3-4 tuần đối với tế bào người, chỉ có khoảng khoảng 0,01- 0,1% số tế bào được tái lập trình thành công. Tuy nhiên, những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong việc cải thiện hiệu suất tạo iPSC và chất lượng tế bào gốc vạn năng cảm ứng. Sau khi đưa các yếu tố tái lập trình vào tế bào soma bằng chỉnh sửa gene, một số tế bào hình thành cụm tế bào. Các cụm tế bào này sẽ thông qua các quá trình kiểm chứng về biểu hiện gene, đánh giá tiềm năng biệt hóa hay khả năng hình thành khối u teratoma (có cấu trúc 3 lớp tế bào endoderm, mesoderm and ectoderm như trong phôi thai) trên chuột để định danh là tế bào gốc vạn năng cảm ứng.
Lợi ích của tế bào gốc vạn năng cảm ứng - Induced pluripotent stem cells
Tế bào gốc đa năng cảm ứng mang lại nhiều lợi ích quan trọng, bao gồm:
- Vượt qua các vấn đề về đạo đức: Việc sử dụng tế bào gốc phôi đã gây ra nhiều tranh cãi về mặt đạo đức trong nghiên cứu. Tuy nhiên, tế bào gốc đa năng cảm ứng đã giải quyết những lo ngại này bằng cách sử dụng tế bào soma từ cơ thể người hiến, loại bỏ những vấn đề liên quan đến đạo đức, không cần phá hủy phôi thai nào.
- Giảm nguy cơ đào thải miễn dịch: Trong trường hợp được tạo ra từ các tế bào soma tự thân, tế bào gốc vạn năng cảm ứng - Induced pluripotent stem cells, không gây ra phản ứng tự miễn dịch khi sử dụng trong điều trị, giảm nguy cơ đào thải miễn dịch và tăng khả năng chấp nhận của cơ thể đối với liệu pháp tế bào gốc.
- Mô hình thử nghiệm thuốc mới với kỳ vọng mang độ chính xác cao và cá nhân hóa: Thay vì dựa vào mô hình dòng tế bào quy chuẩn hay động vật, tế bào gốc đa năng cảm ứng có thể sử dụng để nuôi organoid, giúp thử nghiệm thuốc chính xác và hạn chế sử dụng động vật hơn, qua đó đánh giá hiệu quả của thuốc trước khi tiến hành thử nghiệm trên người. Tế bào gốc vạn năng cảm ứng từ bệnh nhân cũng được sử dụng để tìm phác đồ điều trị phù hợp nhất cho cá nhân, tối ưu hóa hiệu quả điều trị.
Ứng dụng của tế bào gốc vạn năng cảm ứng
1. Tạo mô hình nghiên cứu bệnh
Tế bào đa năng cảm ứng có thể dùng để nuôi organoid (là một khối tế bào cấu thành một tổ chức phức hợp, mô phỏng cấu trúc, chức năng và sinh lý của một cơ quan như thận, phổi, ruột, não, tim). Organoid được đánh giá có tính mô phỏng cao hơn hẳn một lớp tế bào đơn trên bề mặt nuôi cấy, và có thể tạo mô hình cho nhiều bệnh không có dòng tế bào ổn định. Trong nhiều bệnh lý, sử dụng động vật thí nghiệm gặp nhiều khó khăn do một số phân tử khác biệt giữa các loài, sinh lý có thể khác biệt, organoid dần được sử dụng để thay thế cho động vật trong nghiên cứu một số bệnh.
Bệnh liên quan đến rối loạn di truyền là một ví dụ điển hình về lợi thế của mô hình iPSC. Có rất nhiều bệnh di truyền hiếm gặp và có nhiều phân nhóm, việc tiếp cận nghiên cứu vẫn còn hạn chế, gây cản trở nghiêm trọng cho các nghiên cứu về bệnh lý học của bệnh. iPSC tự tái tạo có thể có đột biến di truyền được tạo ra thông qua công nghệ chỉnh sửa gen như CRISPR/Cas9. Trong thập kỷ qua, iPSC cho phép mô hình hóa các rối loạn di truyền hiếm gặp bao gồm tình trạng suy giảm miễn dịch kết hợp nghiêm trọng liên quan đến thiếu hụt adenosine deaminase, hội chứng Shwachman-Bodian-Diamond, bệnh Gaucher loại III, loạn dưỡng cơ Duchenne, bệnh Parkinson, bệnh Huntington.
2. Tạo thành cơ quan
Trong nghiên cứu, organoid gan hay được gọi là “chồi gan” được nuôi từ tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC-LBs) đã phát triển thành ba loại tế bào khác nhau, bao gồm: tế bào nội bì, tế bào tiền thân nội mô và tế bào gan. Phương pháp nuôi cấy 3D cho phép các loại tế bào khác nhau tự tổ chức thành một khối cấu trúc phức tạp, mô phỏng chức năng của một khối mô hoặc cơ quan. Sau khi phát triển in vitro, các chồi gan đã được cấy ghép vào những con chuột, organoid liên kết với mạch máu của vật chủ và tiếp tục phát triển. Đáng chú ý, chúng vẫn thể hiện được các chức năng gan như quá trình chuyển hóa thuốc và sản xuất protein gan. Dù vẫn tồn tại hạn chế về khả năng tạo khối u ở giai đoạn hình thành cấu trúc chồi gan, organoid nuôi từ iPSC được kỳ vọng sẽ tạo nguồn mô và cơ quan để ghép mô, ghép tạng trong tương lai.
3. Sửa chữa hệ thần kinh
Dùng tế bào tự thân tạo iPSC và biệt hóa thành tế bào thần kinh là một phương pháp tiềm năng để điều trị bệnh thần kinh. Nghiên cứu tiền lâm sàng của Hallet và các cộng sự ghép tế bào thần kinh dopamine ở não giữa có nguồn gốc từ iPSC ở khỉ cynomolgus và theo dõi trong 2 năm sau khi ghép tự thân ở mô hình bệnh Parkinson. Ghép tế bào gốc thần kinh tự thân tăng khả năng sống sót của các tế bào thần kinh dopaminergic và giúp cải thiện chức năng vận động về lâu dài, đặt tiền đề cho sự phát triển hơn nữa của việc ghép tế bào có nguồn gốc từ iPSC tự thân để điều trị bệnh Parkinson’s.
Một nghiên cứu tại Nhật Bản năm 2011 tái lập trình tế bào da người thành tế bào gốc đa năng cảm ứng rồi biệt hóa thành khối tế bào gốc thần kinh neurosphere (hiPSC-NS) và cấy ghép vào chuột không có hệ miễn dịch bị chấn thương tủy sống. Khối tế bào này sống sót trong cơ thể chuột, di chuyển đến khu vực tổn thương và biệt hóa thành 3 loại tế bào thần kinh gồm tế bào neuron, glia và oligodendrocytes. Các tế bào thần kinh mới hình thành synapse với các tế bào thần kinh của chuột, có nhiều mạch máu mới hình thành tại vị trí bị tổn thương, chức năng vận động của chuột được cải thiện rõ ràng trong khi không có khối u nào được ghi nhận.
4. Thử nghiệm lâm sàng điều trị các bệnh võng mạc sắc tố
Nhóm bệnh võng mạc sắc tố là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây khiếm thị, có thể do di truyền như viêm võng mạc sắc tố (retinitis pigmentosa), bệnh Stargardt ở thiếu niên hoặc do lão hóa như thoái hóa võng mạc ở người cao tuổi, lớp tế bào biểu mô võng mạc (retinal pigment epithelium, PRE) hoạt động kém. Do đặc quyền miễn dịch tạo bởi hàng rào máu-nhãn cầu (blood-ocular barrier) ngăn các tế bào miễn dịch đến nhãn cầu gây phản ứng đào thải, liệu pháp ghép tế bào gốc từ người hiến (allogeneic transplantation) ở mắt được đánh giá là thuận lợi.
Hàng loạt các thử nghiệm lâm sàng được tiến hành, lấy tế bào soma để tạo iPSC, và biệt hóa thành các tế bào biểu mô sắc tố võng mạc. Các tế bào biểu mô võng mạc này được cấy vào thay thế cho các mô không hoạt động. Liệu pháp iPSC-PRE được coi là an toàn, hiếm khi gặp tác dụng phụ nghiêm trọng, hiệu quả cao dù chưa có đủ dữ liệu về thời hạn có hiệu quả.
5. Tạo tế bào hồng cầu
Ở nhiều quốc gia, nguồn hồng cầu vẫn trong tình trạng thiếu và gặp khó khăn như duy trì ngân hàng, quản lý bệnh truyền nhiễm và tương thích giữa người hiến với người nhận.
Trong năm 2014, tại Sở Truyền máu Quốc gia Scotland, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo tế bào iPSC, biệt hóa thành tế bào gốc tạo máu, rồi biệt hóa tiếp thành tế bào hồng cầu theo tiêu chuẩn. Có 95% tế bào gốc tạo máu đã trở thành tế bào hồng cầu, dù tỷ lệ hồng cầu chín mất nhân còn tương đối thấp (10%), nhưng đây vẫn được coi là bước tiến đáng kể trong việc sản xuất máu. (3)
Hy vọng trong tương lai, tế bào gốc vạn năng cảm ứng sẽ được ứng dụng nhiều hơn trong việc chữa trị các bệnh lý đang ngày càng phức tạp. Đồng thời, việc sử dụng chúng cũng sẽ đóng vai trò quan trọng để giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của con người.
