Công nghệ tế bào gốc

Công nghệ tế bào gốc
1. Tế bào gốc (stem cell) là gì?
Tế bào gốc là những tế bào không (hoặc chưa) chuyên hóa trong mô sống, chúng có khả năngtrở thành các tế bào chuyên hóa với các chức phận sinh lí. Trong điều kiện in vivo hay in vitro, mỗi tế bào gốc có thể tự làm mới với các tính năng riêng biệt mới.
Một tế bào gốc đòi hỏi ít nhất phải có 2 đặc tính sau:
Tính tự làm mới (self-renewal): tế bào đó có khả năng tiến hành một số lượng lớn chu kì phân bào nguyên nhiễm, mà vẫn duy trì trạng thái không biệt hóa.
Tính tiềm năng không giới hạn (unlimited potency): tế bào đó có khả năng biệt hóa thành bất kì kiểu tế bào trưởng thành nào. Trên thực tế đặc tính này chỉ đúng với các tế bào gốc toàn năng, tuy nhiên một tế bào gốc đa năng (hay tế bào tiền thân) cũng nhiều khi được gọi là tế bào gốc.
Introduction to stem cell
Phân loại tế bào gốc
Vào thời điểm tháng 1/2008, sau khi kết quả các công trình của Shinya Yamanaka (ĐH Tokyo của Nhật Bản) và James Thompson (ĐH Wisconsin của Mĩ) được công bố chính thức, cũng như thuyết tế bào gốc ung thư được nhiều nghiên cứu thẩm định –chia tế bào gốc thành 5 nhóm chính:
tế bào gốc phôi (thu nhận từ phôi giai đoạn tiền làm tổ-Blastocyst)
tế bào gốc nhũ nhi (thu nhận từ thai, mô cuống rốn, máu cuốn rốn, nhau thai, dịch ối, màng lót dây rốn,…)
tế bào gốc trưởng thành (thu nhận từ cơ thể trưởng thành)
tế bào gốc vạn năng cảm ứng (Induced Pluripotent stem cell iPS) có thể tạm hiểu là tế bào gốc phôi nhân tạo hay tế bào gốc nhân tạo
Tế bào gốc ung thư (Cancer Stem cell_CSC) được coi là nguồn gốc của các khối u và chúng chỉ có trong các khối u.
Tên gọi tế bào gốc theo tiềm năng biệt hóa
Tế BÀO GốC
Phôi
Nhũ nhi
Trưởng thành
Tbg nhân tạo
Tbg ung thư
morula
Tbg phôi morula
blastocyst
Tbg phôi
Rãnh sinh dục
Tb mầm phôi
Thai bỏ
Nước ối
Dây rốn
Tbg thai
Màng lót
Wharton jelly
máu
Dòng mầm
Tb sinh tinh
Tb sinh trứng
Tụy
Trung mô
Gan
Biểu mô
Thần kinh
Tạo máu
Dạ dày
Mắt
Tủy xương
Gan
Tủy xương
Máu ngoại vi
Dòng soma
Tế bào gốc phôi (embryonic stem cell_ES)

Tế bào gốc phôi được thu nhận trực tiếp từ phôi (embryo) của người và động vật có vú, chúng có khả năng phân chia vô hạn trong nuôi cấy và biệt hóa thành các tế bào khác nhau từ ba lớp phôi, chúng tiềm năng biệt hóa lớn nhất.
Nhóm này gồm các tế bào được thu nhận từ lớp sinh khối bên trong(ICM_nguồn tb quan trọng nhất vì nó được hiểu rõ nhất), các tế bào mặt trong của lớp dưỡng bào tropholast, các tb mầm sinh dục (EG), từ phôi sớm ( trước blastocyst). Do vậy, đây là nhóm tb vạn năng.
Tế bào gốc phôi (embryonic stem cell_ES)

Hầu hết các tế bào thu nhận từ phôi là các tế bào gố vạn năng( pluripotential), chúng được định nghĩa là những tế bào phải thỏa mãn 3 điều kiện sau đây:
Khi chúng được tiêm vào khoang của phôi (ở giai đoạn phôi nang), nhóm tb ngoại lai này sẽ tạo nên dạng phôi khảm.
Khi chúng được tiêm dưới da hay dưới vỏ thận của động vật sống( chẳng hạn chuột hay động vật có vú khác), các tb nay sẽ hình thành khối u quái.
Khi nhận các tác nhân kích thích phù hợp, chúng có khả năng biệt hóa thành các kiểu tb có nguồn gốc phát triển từ ba lá phôi.
Dựa vào tính chất trên người ta có thể kiểm tra tính vạn năng của các tb.
Tế bào gốc phôi (embryonic stem cell_ES)

Nguồn phôi cho thu nhận tb gốc hiện tại chủ yếu có từ công nghệ IVF hay ICSC. Bằng một trong hai kỹ thuật này, từ các tinh trùng và trứng, nhiều phòng thí nghiệm có thể tạo ra phôi một cách chủ động. phôi được nuôi, ủ và thu nhận tb gốc ở giai đoạn cần thiết.
Ngoài ra còn phát triển các nguồn tb gốc từ phôi chuyển nhân, chuyển gen hay phôi tạo dòng hoặc nhân bản. đây là hướng đi mới để tạo nguồn tb gốc phôi sử dụng trong điều trị bệnh.
tế bào gốc nhũ nhi
Thường được thu nhận ở các mô của thai bỏ, hay các phần phụ của thai nhi sau khi sinh. Gồm máu dây rốn, dây rốn (màng lót quanh mạch máu, lớp Wharton`s jelly, màng lót dây rốn), nước ối, mô nhau thai, máu nhau thai.
Có thể thu nhận tbg thần kinh, các tb tiền thân thần kinh từ não của thai bỏ => các tb này có tiềm năng ứng dụng lớn trong cấy ghép điều trị bệnh, tuy nhiên vấn đề đạo lý luôn là cản trở lớn nhất.
Nguồn tbg thu từ những phần bỏ sau khi sinh chủ yếu là các tbg tạo máu, tbg trung mô => ứng dụng cứu sống hàng trăm triệu người bệnh trên khắp thế giới.
Cơ xương
Tb mỡ
Cơ tim
não
TBG CNS
Tủy xương
xương
Tb nền tủy xương
Tb biểu mô
Tb thần kinh
Sự biệt hóa của tế bào gốc trưởng thành
tế bào gốc trưởng thành
Là các tb được thu nhận từ cơ thể trưởng thành; tbg thu nhận từ một đứa trẻ (sơ sinh) cũng được gọi là tbg trưởng thành.
Ngày càng nhiều ổ tbg trưởng thành được xác định. tuy nhiên ổ tbg tủy xương được quan tâm và biết rõ hơn cả. Tủy xương là nơi cư ngụ của nhiều tbg tạo máu, đó là nguồn tb quan trọng trong cơ chế điều hòa số lượng tb máu, chúng được đảm bảo cân bằng trong suốt quá trình sống của cơ thể, nó còn được xem là mô chứa tbg trung mô=> nguồn tb có tính mềm dẻo cao, có thể biệt hóa , hay chuyển biệt hóa thành nhiều kiểu tb chức năng khác nhau.
tế bào gốc nhân tạo ( tế bào gốc vạn năng cảm ứng_Artificial stem cell)
Đây là loại tbg do chính con người tạo ra nhờ kỹ thuật thao tác gen.Chúng có các ưu điểm hơn hẳn tbg phôi và tbg phôi trưởng thành:
không vi phạm đạo lý và pháp lý ( không cần trứng hay phôi người)
các đặc tính sinh học tương đương với tbg phôi thường (khả năng tăng sinh vô hạn và khả năng biệt hóa)
dễ dàng thu nhận ( có thể tạo ra từ bất kỳ mô nào đó của cơ thể)
thao tác dễ dàng, ít tốn thời gian
không cần lượng mẫu lớn trên bệnh nhân
cấy ghép không gây phản ứng miễn dịch.
tế bào gốc ung thư
Các tbg ung thư được tạo ra bởi các đột biến từ các tbg bình thường; từ các tb tiền thân bị đột biến. các tế bào tiền thân này (cũng còn gọi là các tb khuếch đại chuyển-TAC), có thể có khả năng khuếch đại nhưng chúng thường không có khả năng tự làm mới như một tbg. Để trở thành tbg ung thư, một tế bào tiền thân phải có sự tích tụ các đột biến gây nên sự lặp lại, tạo đặc tính tự làm mới.
Tế bào gốc và tiềm năng ứng dụng

Một số ứng dụng điển hình
Ghép các tbg tạo máu trong điều trị các tình trạng khác nhau của sự suy thoái hệ thống tạo máu.
Chữa trị các bệnh thuộc hệ thần kinh
Tái tạo da sau chữa trị bỏng
Tái tạo mô-cơ xương
Nghiên cứu liệu pháp tbg
ứng dụng vào các thủ thuật ghép tủy xương
Chữa trị các bệnh tự miễm dịch, suy giảm miễn dịch.
cấy ghép tế bào gốc
Liệu pháp thay thế tb được xem như là một cách chữa trị tiềm năng cho các bệnh khó chữa trước đây.
một số thành công đáng chú ý là liệu pháp tái tạo giác mạc, các sản phẩm tbg cũng sẵn sàng được thương mại hóa cho mục đích thay thế da và sụn.
Tế bào gốc có thể là một phương thức chữa trị hiệu quả cho rất nhiều bệnh, bao gồm các bệnh tim mạch, các khiếm khuyết tích trữ lysosome và các khối u di căn.
cấy ghép tế bào gốc phôi
Điều trị bằng cấy ghép tế bào ES đã được ghi nhận ở nhiều bệnh: Parkinson, tiểu đường, chấn thương cột sống, sự suy thoái dòng tb purkinje (degeneration), loạn dưỡng cơ Duchenne`s, bệnh tim và sự tạo xương...
Để điều trị cho mỗi loại bệnh, tb ES của người phải được điều khiển để biệt hóa thành các tb có chức năng chuyên biệt trước khi chúng được cấy ghép.
Thuận lợi của việc sử dụng tb ES là khả năng tăng sinh in vitro vô hạn và khả năng có thể biệt hóa với phổ rộng các loại tb thông qua điều khiển. các ES được cấy ghép có thể tồn tại, hợp nhất và có chức năng trong cơ thể nhận.
Bất lợi tiềm ẩn của ES trong cấy ghép là chúng có xu hướng cảm ứng, hình thành khối u (teratomas), dù là u lành tính.
CHIẾN LƯỢC GHÉP TẾ BÀO GỐC
Khi cấy ghép tbg, chúng phải được thu nhận và làm giàu thông qua nuôi cấy, hay các phương pháp khác để sau đó đưa vào cơ thể bệnh nhân; các tbg này sẽ biệt hóa và khôi phục lại những tổn thương, mất mát trong bệnh nhân
Ví dụ, sự hủy hoại các tb tiết insulin trong tụy làm giảm mức insulin trong máu gây bệnh tiểu đường; chữa trị bệnh này cần bổ sung các tb chuyên hóa tiết insulin; sau đó tiến hành cấy các tb đã chuyển hóa chức năng này vào mô tụy của bệnh nhân.
cấy ghép tế bào gốc trưởng thành
Finding cures and protecting life
the sience of stem cell
công nghệ mô và cấy ghép cơ quan
Công nghệ mô là việc sử dụng các tb chuyên biệt cơ quan để nuôi cấy trên một giàn giáo (scaffold) ex vivo, các giàn giáo được thiết kế để làm tăng cường sự tái sinh đơn độc các tb cư trú tại vị trí cấy ghép nó.
Hai ứng dụng dễ thấy nhất của tbg trong công nghệ mô là tái tạo da có liên quan đến sự hình thành cấu trúc của các phiến hai chiều, thứ hai là sự hình thành xương.
SỰ TÁI TẠO DA TRONG KHÔNG GIAN HAI CHIỀU
Vết bỏng mất da hoàn toàn
Nuôi tế bào fibroblast lên scaffold
scaffold
Công nghệ da và những bề mặt khác
Huyền phù tb đơn
Biểu bì
TBG biểu mô
Sự tăng sinh trong đk ex vivo để duy trì “holoclone” (quần thể tbg)
Tủy xương
Tăng sinh ex vivo
Tế bào gốc xương
Bám vào các tiểu phần hydroxyapatite/tricalcium phosphoate
Cấy in vivo vào các khiếm khuyết đoạn xương
Các mộ xương trong không gian ba chiều được tạo từ tb gốc
Chiến lược dùng tế bào gốc trong liệu pháp gen
Liệu pháp gen có thể được phát huy bằng cách sử dụng tbg biến đổi di truyền như một vector mang gen chuyển. Hai khiếm khuyết lớn của liệu pháp gen là:
Các rủi ro do hệ thống mang gen có thể xảy ra
Sự đáp ứng thải loại miễn dịch.
Sử sdụng tbg đưa gen vào cơ thể, theo lý thuyết sẽ khắc phục được hai khó khăn trên bởi chúng là của bản thân, các tế bào này khó bị thải loại.
liệu pháp gen
điều trị bệnh tự miễn
Bệnh tự miễn được biết là kết quả từ sự hoạt hóa sai lạc của hệ thống miễn dịch, thông qua sự kết hợp của các nhân tố môi trường và di truyền với nhau, dẫn tới sự thất bại trong các cơ chế duy trì tính kháng miễn dịch.
Chữa trị bệnh tự miễn bằng cách ghép tbg tạo máu.
Điều biến miễn dịch trong bệnh tự miễn bằng các tbg trung mô.
bảo quản tế bào gốc
Các tế bào phải được cất giữ trong trạng thái nguyên vẹn theo thời gian nhằm để dành, sử dụng sau này (ứng dụng trị liệu hay nghiên cứu), thì việc bảo quản tế bào động vật còn có nhiều ý nghĩa thực tiễn khác:
Giảm thiểu sự biến đổi kiểu gen, biểu hiện gen, đảm bảo ổn định di truyền.
Ngăn ngừa sự lão hóa tế bào.
Ngăn cản quá trình biệt hóa tế bào.
Giảm rủi ro nhiễm vi khuẩn và sự chết tế bào.
Giảm sự nhiễm chéo giữa các dòng tế bào khác nhau trong in vitro.
Giảm rủi ro biến đổi cấu trúc và sự thay đổi hình thái.
Giảm chi phí nuôi cấy.
Thuận lợi cho việc phân loại, tạo dòng.
Thuận lợi cho việc bảo tồn gen.
Thuận lợi cho việc vận chuyển.
Thuận lợi cho việc thương mại hóa.
Giảm thiểu các thao tác, nuôi cấy không cần thiết nhiều dòng tb cùng một lúc, cùng một nơi, tiết kiệm thời gian và công sức.
đông lạnh
Về nguyên lý chung, đông lạnh tb là quá trình đưa tb từ điều kiện sinh lý (370C, 5%CO2) và với môi trường dịch sinh lý, xuống điều kiện nhiệt độ rất thấp (-1960C, trong nitơ lỏng) ở dung dịch là môi trường đông lạnh (còn gọi là chất bảo quản đông lạnh-cryoprotectant).
Tại điều kiện này, mọi hoạt động sống, các quá trình chuyển hóa và phát triển của tb dùng lại nhưng chúng không chết, nhờ đó người ta có thể giữ tb ở trạng thái tiềm sinh trong một thời gian dài.
Hầu như công nghệ này cho phép lưu trữ lâu dài các nguồn vật liệu sinh học sống, mà không làm hư hỏng chúng trong thời gian ít nhất là vài nghìn năm, nhưng có lẽ còn lâu hơn thế, vào thời điểm này, đây là cách lý trưởng để giúp tb có khả năng sống sót in vitro một cách tốt nhất...
đông khô (freeze drying)
Đông khô là một quá trình khử nước, thường được sử dụng để ngăn chặn sự chết, hay làm dễ dàng cho việc bảo quản, vận chuyển vật liệu.
Kỹ thuật đông khô được tiến hành trước hết với việc đông lạnh vật liệu, và sau đó làm giảm áp suất xung quanh đồng thời thêm nhiệt đủ để cho phép làm đông lạnh nước trong vật liệu, tạo nên hiện tượng thăng hoa trực tiếp từ phase rắn thành phase khí.
Có 3 giai đoạn quan trọng trong một quá trình đông khô hoàn chỉnh: đông lạnh, làm khô sơ cấp và làm khô thứ cấp trong điều kiện chân không. Sau khi đông khô hoàn thành độ ẩm còn sót lại trong sảm phẩm chừng 1-4%.
đông khô
Các thành công trong đông khô tế bào động vật như tb hồng cầu, tiểu cầu, tinh trùng...đã kích thích các nghiên cứu đông khô tế bào gốc. nhiều đối tượng tbg đã được nghiên cứu bảo quản bằng cách đông khô: như tbg thu từ mỡ, từ máu cuống rốn hay cả máu cuống rốn.
ngân hàng tế bào gốc
Với khả năng phân chia, tự làm mới của tbg, ngân hàng tbg không chỉ làm công việc bảo quản đông lạnh và giải đông kgi cần mà còn phải thao tác in vitro các dòng tb hiện hữu.
Ngân hàng phải đảm bảo nhằm có được các dòng tbg tốt nhất, thuận lợi cho người sử dụng:
Tinh sạch: tb không bị nhiễm
Hữu danh: tb phải được định danh là loại tb gì.
ổn định: kiểu gen và kiểu hình của dòng tb phải được giữ ổn định trong suốt quá trình phát triển, cấy truyền in vitro và lưu giữ chúng.
Đạo lý sinh học trong nghiên cứu và ứng dụng tế bào gốc
Việc nghiên cứu, ứng dụng tbg mặc nhiên đã nảy sinh nhiều vấn đề cần thảo luận, bàn cãi, trong đó đặc biệt nổi cộm là đạo lý sinh học.
Các ràng buộc pháp quy tập trung chủ yếu ở 3 khâu quan trọng, cho dù các nghiên cứu ấy tiến hành ở tb người hay tb động vật:
Vật liệu ban đầu (nguồn thu nhận và cách thức thu nhận tbg)
Các tbg ấy được sử dụng như thế nào và với mục đích gì.
Mức độ và giới hạn sử dụng tbg.
mức độ phản đạo lý về nghiên cứu và ứng dụng tế bào gốc
Đến với nghiên cứu và ứng dụng tb gốc có đạo lý

Một nghiên cứu mang tính đạo lý sẽ được sự ủng hộ từ phía cộng đồng, xã hội và kể cả pháp luật.
Mặc dù tiềm năng to lớn của tbg trong y học, nông nghiệp và bảo tồn đã được chứng minh, song vẫn cần phải suy tính cẩn thận khi nhà khoa học quyết định nghiên cứu và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực nhạy cảm này.
Nhóm SH 10SH1D

Khoa KHƯD
Tư liệu: Công Nghệ Tế Bào Gốc-Phan Kim Ngọc, Phạm Văn Phúc, Trương Định