Khoa học - Y dược

Phát triển thành công gel có khả năng nuôi dưỡng các cơ quan của cơ thể từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng chẩn đoán lâm sàng (26/11/2016)

Một nhóm các nhà khoa học Trường Đại học Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL) mới đây đã phát triển thành công một loại gel để nuôi dưỡng các cơ quan rất nhỏ của cơ thể mà có thể dùng trong chẩn đoán lâm sàng và phát triển các loại thuốc.

Các cơ quan tế bào (Organoids) là những cơ quan rất nhỏ có thể phát triển trong phòng thí nhiệm từ các tế bào gốc của người. Chúng có thể dùng để làm mô hình các loại bệnh, và trong tương lai có thể dùng để thử nghiệm các loại thuốc hoặc thậm chí thay thế các mô bị hư hỏng cho người bệnh, nhưng các cơ quan tế bào hiện nay rất khó để có thể nuôi dưỡng theo một phương pháp được chuẩn hóa và có kiểm soát nên đây là một vấn đề rất khó đối với việc thiết kế và ứng dụng nó. Tuy nhiên, các nhà khoa học EPFL đã giải quyết được vấn đề này vì họ đã phát triển được một loại “hydrogel” (hiện đang chờ được cấp bằng sáng chế) có khả năng nuôi dưỡng các cơ quan tế bào. Loại gel này đã cung cấp một phương pháp mới kiểm soát tăng trưởng và điều chỉnh được tế bào. Đột phá này đã được công bố trên tạp chí Nature.

Các cơ quan tế bào cần một scaffold 3D

Scaffold là một khuôn ngoại bào nhân tạo với nhiều lỗ xốp, có khả năng điều tiết tế bào, hướng dẫn sự tăng trưởng tế bào và tái tạo mô 3D.

Nguồn: N. Gjorevski/EPFL

Quá trình nuôi dưỡng các cơ quan tế bào bắt đầu bằng các tế bào gốc, là những tế bào chưa trưởng thành, có khả năng phát triển thành bất kỳ loại tế bào nào đó của cơ thể người và nó đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc hình thành chức năng và tái tạo mô. Để tạo thành một cơ quan tế bào, các tế bào gốc được phát triển bên trong các gel 3D chứa hỗn hợp các phân tử sinh học giúp thúc đẩy tế bào gốc tái sinh và biệt hóa tế bào.

Nhiệm vụ của các gel này là “giả” môi trường tự nhiên của các tế bào gốc và nó được cung cấp một protein và scaffold giàu đường có tên gọi là “khuôn ngoại bào” nhờ đó các tế bào gốc tạo ra các mô cơ quan riêng biệt. Các tế bào gốc bám dính vào các gel trong khuôn ngoại bào này và sau đó “tự tổ chức” thành các cơ quan nhỏ trong cơ thể như võng mạc mắt, thận hoặc ruột. Những cơ quan nhỏ này vẫn giữ nguyên các khía cạnh sinh học quan trọng của nó và nó có thể dùng để nghiên cứu các loại bệnh và thử nghiệm các loại thuốc trước khi đưa vào thử nghiệm trên người.

Các nhà nghiên cứu cho biết, các loại gel hiện nay dùng nuôi dưỡng các cơ quan tế bào bắt nguồn từ chuột do vậy nó có nhiều vấn đề nan giải đó là nó không dễ dàng tự điều khiển thành phần của chúng dẫn đến các tế bào gốc “hành động’ không nhất quán. Thứ hai là thành phần hóa sinh phức tạp của chúng khiến chúng rất khó khăn điều chỉnh vi cấp để nghiên cứu những ảnh hưởng của các thông số khác nhau (ví dụ như các phân tử sinh học, tính chất vật lý,...) lên sự phát triển của các cơ quan tế bào. Cuối cùng là các gel này có thể mang các mầm bệnh hoặc chất sinh miễn dịch (immunogens), có nghĩa là nó không phù hợp để phát triển các cơ quan tế bào áp dụng trên lâm sàng.

Giải pháp hydrogel

Phòng thí nghiệm của Matthias Lütolf thuộc Viện công nghệ sinh học, EPFL đã phát triển thành công một chất hydrogel tổng hợp không có các nhược điểm như các gel gốc tự nhiên, thông thường. Chất gel đang chờ được cấp bằng sáng chế này được làm bằng nước và polyethylene glycol, một chất nền được sử dụng rộng rãi trong nhiều cấu trúc khác nhau hiện nay, từ các loại kem bôi da và thuốc đánh răng cho đến các ứng dụng trong công nghiệp, và công nghệ sinh học như trong nghiên cứu này.

Nikolce Gjorevski, tác giả chính của nghiên cứu, và các đồng nghiệp đã sử dụng hydrogel này nuôi các tế bào gốc ruột phát triển thành ruột có kích thước rất nhỏ. Các hydrogel chức năng sẽ là phương tiện để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phát triển và hình thành các cơ quan tế bào của tế bào gốc. Nhờ thêm bớt một cách cẩn thận các đặc tính của hydrogel, nhóm nghiên cứu đã phát hiện thấy rằng giai đoạn phân chia của quá trình hình thành cơ quan tế bào đòi hỏi phải có các môi trường cơ học và các thành phần sinh học khác nhau.

Một yếu tố quan trọng cần có là một loại protein có tên là Fibronectin – loại protein này sẽ giúp các tế bào gốc bám dính vào các hydrogel. Nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Lütolf nhận thấy sự gắn kết của nó là vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của các cơ quan tế bào, bởi vì nó kích hoạt một loạt các tín hiệu đến tế bào gốc để chỉ cho nó biết phải phát triển và tạo thành một cấu trúc giống ruột.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận ra một vai trò thiết yếu cho các đặc tính cơ học, tức là độ quánh vật lý, của gel này trong việc điều chỉnh hành vi của tế bào gốc ruột, có thể làm sáng tỏ cách thức các tế bào có thể cảm giác, xử lý và phản ứng lại sự kích thích vật lý.

Do hydrogel này được tạo ra từ người, vì vậy dễ dàng kiểm soát các thành phần hóa học và các đặc tính then chốt của nó và bảo đảm tính nhất quá trong quá trình hình thành, đồng thời nó không mang bất kỳ nguy cơ lây nhiễm hoặc gây ra phản ứng miễn dịch. Như vậy, nó đã cung cấp một phương pháp để phát triển các cơ quan tế bào từ nghiên cứu cơ bản đến phát triển các loại thuốc và ứng dụng lâm sàng trong tương lai.

Phòng thí nghiệm Lütolf hiện đang nghiên cứu các loại tế bào gốc khác để có thể mở rộng khả năng của loại hydrogel của họ thành các mô khác.

Nguồn: www.vista.gov.vn