Ứng dụng công nghệ tế bào gốc

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẾ BÀO GỐC

Y học tái tạo, một nhánh mới nhất của khoa học y học, liên quan đến phục hồi chức năng của mô hoặc cơ quan nhất định cho những bệnh nhân đang mang những tổn thương nặng hoặc các dạng bệnh mãn tính, trong trạng thái mà các đáp ứng tái tạo của chính cơ thể là không đủ. Trong kịch bản hiện nay, mô và cơ quan hiến tặng không thể đáp ứng được hết nhu cầu cấy ghép cho những quần thể người đang lão hóa và mang nhiều tật bệnh chính là điều kiện thúc đẩy phải gấp gáp tìm ra những cách thay thế. Tế bào gốc đã được biết đến với tiềm năng phân chia vô hạn, có thể chuyển biệt hóa thành các dạng thế bào khác và đang nổi lên như là một nguồn chủ chốt cho y học tái tạo trong thời buổi hiện nay, cho việc sửa chữa các mô cơ quan bất thường do các dị tật bẩm sinh, bệnh tật và tuổi tác. 

Sự phân chia các loại tế bào gốc là cần thiết để ứng dụng chúng một cách hiệu quả nhất, và cách phân chia chúng bạn có thể tham khảo tại đây. Trong đó, stemness và tiềm năng chuyển biệt hóa của tế bào gốc phôi, ngoài phôi, thai nhi hay trưởng thành phụ thuộc vào trạng thái chức năng của các nhân tố OCT4, cMYC, KLF44, NANOG, SOX2 … Tuy nhiên, ban đầu bạn cũng chưa cần quan tâm lắm rằng các nhân tố này thực hiện chức năng thế nào. Điều quan trọng trước hết là hãy xem ứng dụng của các loại tế bào gốc trong y học.

Đọc thêm: Những khái niệm ban đầu về tế bào gốc

Phân loại tế bào gốc

1. Tế bào gốc phôi trong y học tái tạo

Lần đầu tiên vào năm 1998, Thomson đã cô lập được các tế bào gốc phôi người (hESC). ESC có bản chất vạn năng, có thể tạo ra hơn 200 loại tế bào và hứa hẹn cho điều trị bất kỳ loại bệnh nào. “Số mệnh” vạn năng của ESC được điều khiển bởi chức năng của các nhân tố phiên mã, tiêu biểu là OCT4, SOX2, NANOG, là những nhân tố được gọi là các nhân tố vạn năng. Phần này đề cập đến sự cấy ghép và chuyển biệt hóa ESC thành các tế bào hạch thần kinh võng mạc, tế bào gan, tế bào cơ tim, tế bào tiền thân tuyến tụy, sụn bào, tế bào nón, tinh trùng, trứng và các tế bào điều hòa nhịp tim. Sự nhiễm trùng, điều trị ung thư và tai nạn có thể gây ra ra các tổn thương tủy sống (SCI). Việc cấy ghép ESC cho các bệnh nhân SCI liệt hai chân hoặc liệt tứ chi giúp cải thiện khả năng kiểm soát cơ thể, cân bằng, cảm giác và vận động chi, trong đó các tế bào được cấy ghép tự tìm đến các vị trí tổn thương. 

Sau khi sinh, con người có số lượng tế bào nón cố định; sự thoái hóa biểu mô sắc tố võng mạc (RPE) của trung tâm võng mạc gây thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác (ARMD). Sự sáp nhập của gen COCO (biểu hiện trong quá trình tạo phôi) trong sự phát triển của phôi dẫn đến sự xác định dòng ESC biệt hóa thành tế bào nón, thông qua sự ức chế con đường tín hiệu TGF-?, BMP, và Wnt. Việc cấy ghép các tế bào nón này vào mắt giúp khôi phục hiện tượng ARMD, trong đó các tế bào cấy ghép di cư và hình thành cấu trúc dạng tấm trong võng mạc của bệnh nhân. Tuy nhiên, việc hình thành các kết nối thần kinh còn thiếu trong các tế bào hạch thần kinh võng mạc (RGC), tế bào nón và RPE là thách thức lớn nhất đối với liệu pháp ARMD. Gần đây, nhóm của Donald Z Jacks từ đại học y John Hopkins đã tạo ra RGCs nhờ CRISPR-Cas9-mCherry reporter ESCs. Khéo léo đưa các tế bào RGC vào các khung vật liệu sinh học giúp định hướng quá trình biệt hóa axon của RGC. Sự chỉnh sửa thêm về chế độ hình thành RGC cũng như thành phần bộ khung vật liệu sinh học có thể giúp phục hồi thị lực cho bệnh nhân ARMD và bệnh nhân tăng nhãn áp.

Trên toàn cầu, đặc biệt là Ấn Độ, các vấn đề tim mạch là nguyên nhân gây tử vong nhiều nhất, khi đó các liệu pháp sinh y học đòi hỏi sự phục hồi trực tiếp là cần cho sự sống còn của bệnh nhân. Tái tạo mô tim có thể đạt được bằng cách cấy ghép tế bào cơ tim, các tế bào gốc tim (tế bào đầu dòng) có nguồn gốc ESC và tế bào đơn nhân có nguồn gốc tủy xương (BMDMNCs); dù việc phục hồi bằng tế bào cơ tim và các tế bào đầu dòng vượt trội hơn BMDMNCs nhưng tế bào cơ tim trưởng thành có tiềm năng hàn gắn mô cao hơn, hạn chế loạn nhịp tim và mang lại sự sửa chữa về mặt cơ và điện mà không liên hệ với bất cứ tác động sinh khối u.

Giống như sự biệt hóa các tế bào cơ tim, các tế bào gốc gan có nguồn gốc từ ESC có thể được chuyển thành tế bào gan Cytp450, trung gian trong sự biến đổi và chuyển hóa các loại thuốc lạ mang tính độc. Việc sinh ra các tế bào gan từ ESC có thể đạt được bằng nhiều cách, như là biệt hóa không cần huyết thanh, phương phá hóa học và sự chuyển đổi thông tin di truyền. Các tế bào gốc gan có nguồn gốc ESC này là một nguồn lâu dài cho điều trị tổn thương gan cũng như sàng lọc các thuốc. 

Việc cấy ghép các tế bào gốc đầu dòng tụy (CD24⁺, CD49⁺, và CD133⁺) có nguồn gốc từ ESC được bọc trong vật liệu sinh học biệt hóa thành tế bào β, hạn chế chế độ ăn giàu chất béo gây các tác động đến glucose máu và béo phì ở chuột. Việc bổ sung các thuốc trị đái tháo đường vào quá trình chuyển dạng có thể thúc đẩy sự chuyển ESCs thành tế bào ?, về mặt lý thuyết có thể chữa bệnh T2DM vĩnh viễn. ESC có thể biệt hóa trực tiếp thành các tế bào ? tiết insulin, điều này có thể đạt được thông qua việc tái chương trình hệ di truyền ngoại gen dựa vào PDX1.

Trên toàn thế giới, viêm xương khớp ảnh hưởng tới hàng triệu người và diễn ra khi sụn tại các khớp bị bào mòn gây cứng khớp. Các dược chất hiện nay cho bệnh viêm khớp làm giảm các triệu chứng đau nhưng không khởi đầu sự sản sinh của sụn. Việc thay thế sụn khớp đối với những người trẻ tuổi hay vận động viên là không dễ dàng như người già; trong trường hợp cấy ghép các tế bào gốc thể hiện một thay đổi nhằm cải thiện chấn thương sụn. Các tế bào sụn, là các tế bào hình thành sụn có nguồn gốc từ hESC, được cố định lên gel sợi giúp hàn gắn một cách hiệu quả tổn thương sụn khớp trong vòng 12 tuần, khi được cấy ghép vào vị trí tổn thương sụn khớp của chuột mà không có bất kỳ tác động ngoài ý muốn nào. Các tế bào sụn cấy ghép hình thành cụm tế bào, dương tính với SOX9 và collagen II, và đã xác định các tế bào sụn hoạt động trong vòng hơn 12 tuần tại vị trí cấy ghép, củng cố tính phù hợp lâm sàng của các tế bào sụn. 

Việc tích hợp các tế bào ESC để hòa nhập và biệt hóa thành các tế bào hoạt động về mặt điện sinh lý cung cấp công cụ cho sự điều hòa nhịp tim một cách tự nhiên như là các đơn vị điều nhịp sinh học. Khéo léo đưa các tế bào ESC vào bên trong vật liệu sinh học cũng như sự nhân lên trong những môi trường nuôi nhất định dẫn đến sự chuyển biệt hóa của ESC thành các tế bào điều nhịp (PC) ở nút xoang – nhĩ (SAN). Việc tích hợp vào hệ gen của ESC gen Tbox3 theo con đường ex vivo dẫn đến việc hình thành các tế bào giống PC; chúng biểu hiện thụ thể CD166 và có vẻ tương tự các tế bào PC về mặt biểu hiện gen cũng như chức năng miễn dịch. Biệt hóa PC có thể phục hồi chức năng điều nhịp của tim. 

Tóm lại, tế bào gốc phôi (ESC) có thể được biệt hóa thành bất cứ loại tế bào nào trong ba lớp lá  phôi của cơ thể, là nguồn hứa hẹn nhất của y học tái tạo nhằm tái sinh mô và liệu pháp cho các bệnh. Các vấn đề đạo đức vẫn đang cản trở những ứng dụng của ESC.

2. Các tế bào gốc tủy xương trong y học tái tạo

Tủy xương được tìm thấy trong phần xương xốp mềm chịu trách nhiệm cho việc hình thành tất cả máu ngoại vi và các tế bào gốc tạo máu cũng như các tế bào nền (tạo ra mỡ, sụn và xương). Tủy xương nhìn thấy được dưới hai dạng: tủy đỏ (mô tủy, tạo ra hồng cầu, tiểu cầu và phần lớn bạch cầu) và tủy vàng (tạo ra tế bào mỡ và một vài loại bạch cầu khác). Mất cân bằng cấu trúc xương có thể dẫn đến các bệnh. Từ những năm 1980, cấy ghép tủy xương được chấp nhận rộng rãi như là phương pháp chữa ung thư. 

Trước khi cấy ghép các tế bào gốc tủy xương, việc loại bỏ ổ mô ban đầu là cần thiết cho việc hình thành đơn vị cơ quan và cơ quan mà không diễn ra sự thải ghép. Một số khiếm khuyết di truyền có thể dẫn đến sự hủy hoại ổ mô, dẫn đến các vấn đề về phát triển. Việc bổ sung các tế bào sơ cấp có nguồn gốc từ túi phôi có thể phục hồi chức năng ổ mô trong tụy của chuột và lợn, việc này định hình cho nhận thức về sự sản xuất tụy người ở quy mô lâm sàng trên chuột và lợn. 

Việc cải biến các tế bào T CD4+ có nguồn gốc từ tế bào gốc tạo máu và tế bào gốc đầu dòng (HSPC) để biểu hiện thụ thể đối kháng của HIV-1, đặc biệt được thiết kế để nhắm đến hệ gen HIV-1 có thể hạn chế sự xâm nhiễm của HIV, thông qua sự loại trừ các tế bào T CD4⁺ tiềm tàng nguy cơ bị nhiễm. Một liều tiêm duy nhất các tế bào HSPC đã biến đổi gen để kháng HIV có thể là cách thay thế của liệu pháp chữa HIV-1.

Tiểu cầu, cần thiết cho quá trình đông máu, được hình thành từ các tế bào nhân khổng lồ bên trong tủy xương. Do sự xâm nhiễm, chấn thương và ung thư, đó là những rủi ro khiến tủy xương bị suy năng. Tuy nhiên một vi môi trường xương xốp mang vai trò như là yếu tố định hướng biệt hóa có thể được tái xây dựng ex vivo (kết hợp trong ống nghiệm và trong cơ thể). Giá thể 3D ex vivo được tạo nên từ vi ống và các sợi tơ xốp, được nhúng trong môi trường nuôi cấy cơ quan đặc trưng, có thể giả lập môi trường tủy xương. Việc đồng nuôi cấy tế bào nhân khổ lồ với các tế bào gốc phôi trong vi môi trường này dẫn đến việc tạo ra các tiểu cầu có chức năng từ các tế bào nhân khổng lồ. Giá thể 3D ex vivo giả lập vi môi trường trong xương có thể tiếp bước cho lộ trình sản xuất tiểu cầu trong chữa trị bỏng và các bệnh liên quan đến đông máu. 

Tai nạn, chấn thương và đột quỵ não có thể làm suy kiệt tế bào gốc thần kinh, là những tế bào chịu trách nhiệm sinh ra các neuron, tế bào đệm thần kinh (astrocyte, oligodendrocyte). Não bộ không tự phục hồi tế bào gốc thần kinh và tự chữa lành những tổn thương và rồi sự cấy ghép tế bào gốc tủy xương có thể hàn gắn các thoái hóa thần kinh. Lipoic acid (LA), được biết là thành phần dược liệu chống oxy hóa được dùng trong tiểu đường và bệnh thần kinh đa xơ cứng khi kết hợp với tế bào gốc tủy xương, gây cảm ứng tạo mạch mới tại trung tâm vết thương não, trong vòng 8 tuần sau khi cấy vào. Sự tạo mạch tiếp tục thu hút tế bào đệm microglia và gây nên sự khu trú của chúng trong giá thể, điều này dẫn tới sự biệt hóa tế bào gốc tủy xương thành mô não, trong vòng 16 tuần sau khi cấy. Trong phương pháp này, sự hàn gắn mô trực tiếp phụ thuộc vào số lượng tế bào gốc tủy xương trong liều cấy ghép. 

Sâu răng và các bệnh nha chu là phổ biến trong số các bệnh về sọ – mặt, thường yêu cầu tái định hình xương hàm sau khi loại bỏ răng. Liệu pháp truyền thống tập trung vào việc phục hồi chức năng và cấu trúc của mô miệng, xương và răng hơn là phục hồi về mặt sinh học, nhưng các liệu pháp dựa vào tế bào gốc tủy xương hứa hẹn cho sự phục hồi các khuyết tật về xương sọ mặt, cho phép thay thế răng bị thiếu. Các tế bào gốc CD14⁺ và CD90⁺ có nguồn gốc tủy xương, được gọi là các tế bào sửa chữa mô (TRC), đẩy nhanh qúa trình phục hồi ổ xương răng và tái cấu trúc xương hàm khi nó được cấy vào mô sọ mặt bị tổn thương, trước khi cấy răng vào. Vì thế, liệu pháp TRC hạn chế nhu cầu về mảnh xương ghép thứ cấp, phù hợp nhất cho các tổn thương nặng ở xương hàm, da và lợi. 

Tương tự như các cơ quan khác, cơ hoành cũng có ổ của chính nó. Các vấn đề bẩm sinh ở cơ hoành có thể tác động đến chức năng của cơ hoành. Trong kịch bản hiện tại về công cuộc phục hồi chức năng của cơ hoành bằng phẫu thuật vấp phải nguy cơ tái phát cũng như phục hồi không hoàn toàn. Loại tế bào (decellularization) của cơ hoành từ ngoài cho mang lại một cách để tái tạo một cơ hoành mới, có hoạt động chức năng bằng cách biến đổi ổ mô của nó. Công nghệ thao tác mô dựa vào việc loại tế bào của cơ hoành và đồng thời truyền các tế bào trung mô có nguồn gốc tủy xương (BM-MSC) giúp thúc đẩy sự tái tạo bộ khung của mô cơ hoành. Việc thay thế nửa cơ hoành trên cơ thể chuột với các bộ khung được đặt trở lại đều chứa đựng những đặc điểm tương tự về mặt hình thái cơ và dung tích phổi so với chuột hiến tặng. Các bộ khung giá thể này giữ lại được cấu trúc tự nhiên không chứa các tế bào miễn dịch, giữ được nguyên vẹn chất nền ngoại bào hỗ trợ bám dính, tăng sinh và biệt hóa tế bào được cấy vào. Các kết quả này gợi rằng cơ hoành được thu từ những người đã qua đời, cấy thêm  BM-MSC có thể được dùng để chữa trị cho các bệnh nhân cần phục hồi chức năng cơ hoành. Tuy nhiên tế bào gốc tủy xương là tập hợp không đồng nhất, có thể tạo ra những kể quả khác nhau khi ứng dụng lâm sàng; dẫu vậy, việc nhân dòng các tế bào sẽ thu được tập hợp tế bào đồng nhất cho trị liệu. 

Nhiễm HCV có thể gây ra xơ gan và thoái hóa chức năng mô gan. Việc cấy ghép vào nhu mô các tế bào gốc tủy xương đơn nhân (BMMNCs) vào mô gan làm giảm aspartate aminotransferase (AST), alanine transaminase (ALT), bilirubin, CD34, và ?-SMA gợi ý rằng tế bào gốc tủy xương khôi phục được các chức năng gan thông qua việc tái tạo mô gan. Để thỏa mãn nhu cầu đang tăng về liệu pháp cấy tế bào gốc luôn đòi hỏi việc vận động người hiến. Quy trình hiến tế bào gốc rất đơn giản, người đồng ý được tiêm granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) làm tăng số lượng tế bào gốc tủy xương. Việc thu tủy xương được thực hiện tại xương háng bằng kim tiêm trong vòng 4 – 5 tiếng đòi hỏi gây mê cục bộ và người hiến tặng được phục hồi trong vòng 1 tuần.

3. Tế bào gốc vạn năng cảm ứng trong y học tái tạo

Phạm trù của nghiên cứu và công nghệ tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPS) là khá mới đối với tất cả các nghiên cứu tế bào gốc khác, nổi lên từ 2006. Những tiến bộ về kỹ thuật đã cho phép tạo ra iPSC từ nhiều loại tế bào trưởng thành khác nhau, bỏ qua giai đoạn tế bào gốc phôi hay chuyển biệt hóa trực tiếp. Sử dụng tiến bộ mới của công nghệ iPS, các tế bào da đã biệt hóa có thể được chuyển trực tiếp thành các đơn vị cơ quan của thận, mang đặc điểm cấu trúc và chức năng tương tự như đơn vị cơ quan trong mô thận in vivo. Dù cho thận có thể phần nào tự phục hồi, tuy nhiên tiềm năng khôi phục tự nhiên không thể đáp ứng được đối với các tổn thương nghiêm trọng. Trong suốt quá trình thận bình phục, một tế bào gốc đầu dòng cần phải trở thành 20 loại tế bào, dùng cho việc bài tiết chất thải, điều hòa pH, và tái hấp thu nước cũng như ion điện ly. Quy trình để tạo ra các đơn vị cơ quan của thận trong điều kiện ex vivo, chứa các quản cầu (nephrons) chức năng, đã được xác định ở người. Các đơn vị cơ quan của thận ex vivo này tương tự với thận trong thời kỳ thai ba tháng về mặt cấu trúc và sinh lý. Các đơn vị cơ quan của thận này là mô hình cho sàng lọc các thuốc gây độc tính với thận, mô hình hóa bệnh và cấy ghép cơ quan. Tuy nhiên, việc tạo ra được thận chức năng hoàn chỉnh là một sự kiện còn xa mới có thể đạt được với công nghệ khoa học ngày nay. 

Ứng dụng tế bào gốc vạn năm cảm ứng (iPS) trong điều trị và tái tạo

Tái lập trình iPSC nhiều bước như truyền thống tốn hàng tháng trời, trong khi hệ thống tái lập trình dựa vào CRISPR-Cas9 kết hợp hai bước lại với nhau cho phép tạo ra các tế bào tương tự tế bào gốc phôi trong vòng không đầy 2 tuần, hạn chế khả năng hao mòn di truyền và biến đổi di truyền ngoại gen không mong muốn liên quan đến nuôi cấy. 

Mất các neuron trong thoái hóa điểm vàng do tuổi tác (ARMD) là nguyên nhân chính gây ra mù lòa. Ở mức độ tiền lâm sàng, việc cấy ghép các tế bào gốc đầu dòng thần kinh có nguồn gốc từ iPSC (NPC) ở chuột làm hạn chế sự tiến triển của bệnh thông qua việc sinh ra 5 – 6 lớp nhân thụ thể cảm giác, phục hồi thị lực.

Bệnh thoái hóa thần kinh như là bệnh Alzheimer và bệnh động kinh có thể do thoái hóa đại não, thứ kiểm soát các tín hiệu kích thích và ức chế của não. Tín hiệu ức chế ở vỏ não và vùng dưới đồi được kiểm soát bởi các neuron trung gian tiết ?-amino butyric acid (GABAergic-INs). Mất các neuron này thường đẫn đến sự phát triển các chứng thoái hóa thần kinh. Tích hợp các gen Ascl1, Dlx5, Foxg1, và Lhx6 vào hệ gen của nguyên bào sợi người và chuột làm chuyển các tế bào trưởng thành này thành GABAergic-INs. Các tế bào này có các dấu ấn phân tử của neuron trung gian, giải phóng GABA, và cho thấy sự ức chế đối với hoạt động thần kinh có hạt của cơ thể. Cấy ghép các neuron trung gian trong phôi đang phát triển có thể chữa bệnh động kinh do di truyền hay tiên phát, khi đó các tế bào được cấy phân tán và trưởng thành thành các mạch điện thần kinh chức năng như các neuron trung gian cục bộ.

Thoái hóa các mô và cơ quan khác cũng đã được báo cáo, như thoái hóa chức năng phổi có thể gây ra do nhiễm lao, xơ gan và ung thư. Đưa iPSC vào bên trong vật liệu sinh học và môi trường xác định dẫn đến sự hình thành các đơn vị cơ quan của thận bao gồm các tế bào biểu mô và trung mô, có thể tồn tại trong môi trường nuôi cấy hàng tháng. Các đơn vị cơ quan này là phổi thu nhỏ, mô dẫn khí hay phế nang, có thể được dùng cho các nghiên cứu về phát triển của phổi, sàng lọc thuốc chống lao và chống ung thư. 

Các tế bào iPS biểu hiện RNA kháng CCR5, có thể biệt hóa thành các đại thực bào kháng HIV-1, có ứng dụng trong trị liệu AIDS. Bệnh khiếm khuyết ?-1 antitrypsin (A1AD) gây ra do protein SERPINA1 được sản xuất ở gan bảo vệ phổi khỏi elastase của bạch cầu trung tính, loại enzyme gây hủy hoại mô liên kết của phổi. A1AD thường gây ra các bệnh về phổi và gan như bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD), xơ gan. Tế bào iPS đặc trưng cho bệnh nhân từ tế bào phổi hoặc gan có thể giải thích cho khía cạnh sinh lý bệnh của chứng A1AD. Tế bào iPS từ bệnh nhân COPD nhạy cảm với tính độc của thuốc giải thích rằng bệnh nhân đó cũng có thể mang tính nhạy cảm tương tự. Người ta đã biết rằng chứng A1AD gây ra bởi một đột biến điểm và sửa chữa đột biến này bằng cách sửa chữa iPSC giải biệt hóa từ tế bào gan. 

Tế bào iPSC cũng được dùng cho chữa trị các vấn đề thần kinh (rối loạn lưỡng cực, trầm cảm, và tâm thần phân liệt), tim mạch, tiểu đường. 

Việc cấy ghép các tế bào iPS của người vào phôi vị chuột dẫn đến sự định khu và biệt hóa của các tế bào thành ba lá mầm. Sự chấp nhận tế bào iPS của người bởi phôi vị chuột gợi ý rằng việc tái lập trình đúng thời điểm và chính xác có thể phân chia ranh giới giữa hai loài người và chuột. Sử dụng ranh giới loài đó, việc tạo ra cơ quan của người trên các loài linh trưởng gần gũi là có khả năng, dùng cho điều trị các vấn đề di truyền gây bệnh ở cấp độ phôi. Tóm lại, iPSC an toàn và hiệu quả cho điều trị trong y học tái tạo. Ứng dụng công nghệ tế bào gốc 

Ngoài ra, các tế bào gốc đầu dòng đặc trưng mô (TSPSCs), tế bào gốc trung mô (MSC), tế bào gốc cuống rốn (UCSCs) cũng đều hứa hẹn mang nhiều ứng dụng trong y học hiện đại, không chỉ đối với người, mà còn giúp ích trong công cuộc bảo tồn đa dạng sinh vật.

Bài viết được tham khảo từ công bố:  Mahla RS. “Stem cells applications in regenerative medicine and disease therapeutics“, International Journal of cell biology, 2016.

tapchisinhhoc.com