Bài 3: Công nghệ tế bào động vật và thành tựu

I - CÁC GIAI ĐOẠN CHUNG CỦA CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

Công nghệ tế bào động vật là quy trình nuôi cấy tế bào trong điều kiện nhân tạo để chúng phân chia, phục vụ cho các mục đích nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn. Công nghệ nuôi cấy tế bào động vật bao gồm các giai đoạn chung:

- Chuẩn bị môi trường nuôi cấy với đầy đủ chất dinh dưỡng và các yếu tố sinh trưởng thích hợp. Khử trùng môi trường và dụng cụ chứa môi trường nuôi cấy

- Tách tế bào từ cơ thể động vật.

- Chuyển tế bào động vật vào trong môi trường nuôi cấy đựng trong các bình thuỷ tinh rồi đặt vào trong tủ nuôi cấy với chế độ nhiệt độ thích hợp để các tế bào phân chia và có thể biệt hoá thành các loại tế bào khác nhau.

Nhiều loại tế bào trong cơ thể động vật và người thường không hoặc rất ít phân chia trong điều kiện nuôi cấy nhân tạo. Những tế bào bình thường nếu có phân chia cũng chỉ phân chia một số lần nhất định rồi dừng lại và chết.

Đối với một số loại tế bào ung thư, việc nuôi cấy chúng dễ dàng hơn vì tế bào phân chia liên tục không ngừng. Các tế bào (được gọi là Hela) lấy từ một khối u của một bệnh nhân người Mỹ gốc Phi là Henrietta Lacks (1920-1951) được nuôi cấy và duy trì cho tới tận ngày nay. Đây có thể xem là những tế bào bất tử vì chúng mất khả năng tự chết theo chương trình. Các dòng tế bào Hela hiện nay đã được nuôi cấy ở các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới với mục đích nghiên cứu.

Các loại tế bào dễ nuôi cấy trong phòng thí nghiệm thường là những tế bào phôi sớm. Những tế bào được nuôi cấy không chỉ với mục đích gia tăng số lượng mà còn được sử dụng để biệt hoá thành nhiều loại tế bào chuyên hoá khác nhau dùng cho nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn. Bí quyết của quy trình công nghệ tế bào động vật là tìm được các chất kích hoạt tế bào phân chia và biệt hoá thành những loại tế bào mà người nghiên cứu cần. Nuôi cấy các tế bào chuyên hoá cho chúng phân chia và đưa chúng trở lại thành dạng tế bào gốc (giải biệt hoá) cũng là mục tiêu nghiên cứu của công nghệ tế bào động vật.

II – MỘT SỐ THÀNH TỰU VÀ TRIỂN VỌNG CỦA CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

Những thành tựu của công nghệ tế bào động vật thể hiện ở ba lĩnh vực: Nhân bản vô tính động vật, liệu pháp tế bào gốc và liệu pháp gene. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết quy trình công nghệ và thành tựu của công nghệ tế bào động vật ở ba lĩnh vực này.

1. Nhân bản vô tính động vật

Nhân bản vô tính động vật là công nghệ tạo ra các con vật giống hệt nhau về kiểu gene mà không thông qua quá trình sinh sản hữu tính.

Năm 1997, Ian Wilmut và Keith Campbell cùng các cộng sự ở Viện nghiên cứu Roslin của Scotland đã nhận bản thành công một con cừu có tên là Dolly. Họ đã tiến hành chuyển nhân lấy từ tế bào tuyến vú của một con cừu vào tế bào trứng đã loại bỏ nhân lấy từ một con cừu khác. Tế bào trứng chuyển nhân sau đó cho phân chia và phát triển thành phôi sớm rồi cấy vào tử cung của cừu cái cho mang thai sinh ra cừu Dolly (H 3.1). Cừu con sinh ra mang đặc điểm di truyền của cừu cho tế bào tuyến vú. Cừu Dolly là động vật có vú được nhân bản đầu tiên trên thế giới. Bí quyết thành công của các nhà khoa học là họ đã đưa được nhân tế bào tuyến vú đang ở giai đoạn S hoặc G, của chu kì tế bào trở về giai đoạn Go do tế bào bị bỏ đói vài ngày trong quá trình nuôi cấy. Nhờ vậy, nhân tế bào tuyến vú được đồng bộ hoá với nhân của tế bào trứng vốn đang ở giai đoạn kì giữa của giảm phân II, qua đó trứng được chuyển nhân tái khởi động quá trình phân cắt và phát triển thành cơ thể hoàn chỉnh.

Quy trình nhân bản các loài động vật về cơ bản giống như quy trình nhân bản cừu Dolly.

Ngày nay, với quy trình công nghệ nhân bản được cải tiến không ngừng, các nhà khoa học đã nhân bản thành công nhiều loài động vật như bò, lợn, cừu, ngựa, lừa, mèo, chó, khỉ và nhiều loại động vật có vú khác. 

Nhân bản vật nuôi không chỉ nhằm mục đích sản sinh ra nhiều cá thể có cùng kiểu gene ưu việt mà chúng còn được dùng như những “nhà máy” sản xuất thuốc chữa bệnh cho người. Ví dụ: Động vật nhân bản có thêm gene của người sản sinh ra các protein dùng để chữa một số bệnh di truyền ở người như dê chuyển gene sản sinh ra protein của người và tiết vào sữa, protein này dễ dàng được tách chiết và tinh chế từ sữa dê dùng làm thuốc chữa bệnh di truyền rối loạn đông máu.

Năm 2003, các nhà khoa học đã nhân bản thành công một con bò bằng cách lấy nhân từ tế bào da của một con bò đông lạnh đã chết từ năm 1980 cấy vào tế bào trứng đã bị loại bỏ nhân. Thành công này mở ra một hướng ứng dụng mới của nhân bản vô tính ở động vật, giúp gia tăng số lượng cá thể động vật có nguy cơ tuyệt chủng cao.

Mặc dù nhân bản vô tính đã thành công ở nhiều loài động vật, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục. Tỉ lệ nhân bản thành công ở nhiều loài động vật là rất thấp, các con vật nhân bản không sống được lâu (cừu Dolly chỉ sống được 6 năm), nhiều con mắc bệnh. Điều này chứng tỏ việc tái lập trình hệ gene từ tế bào cho nhân vẫn không được diễn ra một cách hoàn hảo trong tế bào trứng. Một số gene có thể đã không được đóng/mở đúng thời điểm trong quá trình phát triển cá thể.

2. Liệu pháp tế bào gốc

Liệu pháp tế bào gốc là phương pháp chữa bệnh bằng cách truyền tế bào gốc được nuôi cấy ngoài cơ thể vào người bệnh. Khi vào trong cơ thể, các tế bào này sẽ biệt hoá thành các tế bào nhất định để thay thế cho các tế bào bị bệnh.

Tế bào gốc sử dụng có thể là tế bào gốc phôi, tế bào gốc trưởng thành và tế bào gốc cảm ứng. Các tế bào gốc có thể được lấy từ những phôi thụ tinh trong ống nghiệm giai đoạn 6 ngày tuổi. Tế bào gốc phôi được lấy ra rồi nuôi trong môi trường nhân tạo.

Tế bào gốc cũng có thể được lấy từ các thai bị sảy hoặc được tạo ra bằng nhiều cách khác. Tuy vậy, truyền tế bào gốc phôi từ một cơ thể vào một cơ thể khác cũng có thể gặp phản ứng đào thải các tế bào lạ của hệ miễn dịch.

Những năm gần đây, các nhà khoa học đã tách thành công nhiều loại tế bào gốc trưởng thành từ mô và cơ quan của người rồi đem nuôi cấy trong môi trường nhân tạo. Ví dụ: Tế bào gốc lấy từ máu cuống rốn trẻ sơ sinh được bảo quản lâu dài ở điều kiện lạnh sâu là một nguồn tế bào gốc hữu ích dùng để chữa bệnh. Ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng tế bào gốc tự thân (của chính bệnh nhân) là không kích hoạt hệ thống miễn dịch chống lại tế bào của cơ thể.

Liệu pháp tế bào gốc cũng đang được ứng dụng trong việc hỗ trợ chữa trị một số bệnh ung thư ở người. Trong điều trị ung thư, người ta hay sử dụng tia phóng xạ hoặc hoá chất để tiêu diệt các tế bào ung thư. Tuy nhiên, tia phóng xạ và hoá chất không chỉ tiêu diệt các tế bào ung thư mà còn tiêu diệt các tế bào bình thường vốn phân chia mạnh (ví dụ: tế bào máu). Do đó, cách điều trị này gây nhiều tác dụng phụ không mong muốn. Để giúp người bệnh có thể phục hồi các tế bào lành bị tổn thương như các loại tế bào máu, trong đó có các loại tế bào của hệ miễn dịch, người ta thường tách chiết các tế bào gốc trưởng thành từ người bệnh, đem nhân nuôi trong điều kiện nhân tạo rồi tiêm trở lại cho bệnh nhân.

Liệu pháp tế bào gốc cũng đã được thử nghiệm để chữa bệnh tiểu đường type1. Tế bào tuyến tuỵ của người bệnh không còn khả năng tổng hợp hormone insulin, vì vậy việc dùng tế bào gốc khoẻ mạnh đưa vào tuyến tuy để thay thế tế bào bệnh là một hướng đi đầy hứa hẹn.

Một hướng nghiên cứu khác là nuôi cấy các tế bào chuyên hoá khoẻ mạnh lấy từ người bệnh, sau đó giải biệt hoá cho chúng trở lại thành các tế bào gốc đa tiềm năng. Các tế bào gốc đa tiềm năng này sẽ được biệt hoá thành tế bào chuyên hoá khác nhau, thay thế cho các tế bào bị bệnh. Bằng công nghệ này, các nhà khoa học Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm lâm sàng dùng tế bào gốc để chữa bệnh mù do thoái hoá điểm vàng ở người cao tuổi. Kết quả cho thấy tình trạng bệnh đã được cải thiện.

Bằng liệu pháp tế bào gốc, các nhà khoa học kì vọng sẽ chữa được bệnh Parkinson, người có cơ tim bị tổn thương do đột quỵ hay bị tổn thương các tế bào thần kinh.

Liệu pháp tế bào gốc giúp chữa được nhiều bệnh nhưng việc dùng tế bào gốc phôi người để chữa bệnh vẫn còn một số quan ngại về vấn đề đạo đức. Một số nước cho rằng phá các phôi dù là ở giai đoạn phôi sớm là vi phạm đạo đức. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã nuôi cấy các tế bào gốc trưởng thành để sử dụng trong việc chữa bệnh bằng liệu pháp tế bào gốc.

3. Liệu pháp gene

Liệu pháp gene là phương pháp chữa bệnh di truyền bằng việc thay thế gene bệnh bằng gene lành. Để làm được điều này, các nhà khoa học phải giải quyết được một số vấn đề cơ bản:

- Nhân và nuôi tế bào trong ống nghiệm, chỉnh sửa gene hoặc thay thế gene bệnh của tế bào bằng gene lành.

- Sàng lọc các tế bào đã được chỉnh sửa gene và nhân bản trong ống nghiệm.

- Truyền các tế bào đã chỉnh sửa gene vào cơ thể bệnh nhân.

- Liệu pháp gene chỉ sử dụng được cho người bị bệnh di truyền do hỏng một gene nhất định và tế bào bị bệnh phải thuộc loại tế bào liên tục phân chia trong suốt cuộc đời của bệnh nhân.

Các bước cơ bản trong liệu pháp gene:

Liệu pháp gene được thử nghiệm trên động vật gồm hai loại: liệu pháp tế bào mầm và liệu pháp tế bào cơ thể (soma).

Trong liệu pháp tế bào mầm, người ta tiến hành đưa gene lành vào để thay thế gene bệnh trong tế bào gốc phôi, sau đó đưa các tế bào này vào trong phôi rồi cấy phôi vào tử cung của con vật cho mang thai. Con vật sinh ra sẽ là dạng khảm vì có vùng chứa các tế bào đã được chỉnh sửa gene, có vùng không chứa các tế bào đã chỉnh sửa gene. Tuyến sinh dục của con vật có thể chứa các tế bào đã được chỉnh sửa gene, vì thế gene chỉnh sửa có thể được truyền cho thế hệ sau.

Liệu pháp tế bào soma cũng với cách làm tương tự nhưng người ta tiêm trực tiếp các tế bào đã được chuyển gene vào trong cơ thể con vật.

Năm 2000, tại Pháp, các nhà khoa học đã dùng liệu pháp gene (liệu pháp tế bào soma) để chữa bệnh di truyền cho ba bệnh nhân mắc bệnh suy giảm miễn dịch do hỏng một gene trong tế bào tuỷ xương. Các tế bào tuỷ xương của bệnh nhân được lấy ra, nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và được thay thế gene bệnh bằng gene lành nhờ một loại thể truyền là retrovirus. Loại virus dùng làm thể truyền là loại đã được cắt bỏ những gene quan trọng khiến virus không thể tự nhân lên trong tế bào cũng như không thể gây bệnh. Virus làm thể truyền chỉ có nhiệm vụ cài gene cần chuyển vào hệ gene của tế bào nhận như cách chúng vẫn làm khi xâm nhập vào tế bào người. Tế bào tuỷ xương đã thay thế gene sau đó được tiêm trở lại cho bệnh nhân. Tế bào tuỷ xương của các bệnh nhân đã sản sinh ra được protein mà trước đó bị thiếu, như vậy, thử nghiệm coi như đã thành công. Tuy nhiên, một thời gian sau, ba bệnh nhân đều bị bệnh ung thư bạch huyết và một trong số họ đã chết. Nguyên nhân được cho là retrovirus đã cài gene lành vào nhiễm sắc thể người chưa đúng vị trí, dẫn đến kích hoạt gene làm cho tế bào bạch cầu phân chia mất kiểm soát.

Bệnh u xơ nang cũng có thể được chữa trị bằng liệu pháp gene. Bệnh nhân mang gene đột biến CFTR tạo ra protein CFTR không bình thường nên tế bào niêm mạc phổi bị bao bọc bởi quá nhiều dịch nhầy cản trở quá trình hô hấp. Gene bình thường được truyền vào tế bào phổi của bệnh nhân thông qua vector là virus.

4. Triển vọng công nghệ tế bào động vật

Hiện nay, các nhà khoa học đang cố gắng hoàn thiện kĩ thuật để đưa gene lành vào thay thế đúng vị trí của gene bệnh. Một trong những hướng có triển vọng trong liệu pháp thay thế gene là dùng công cụ chỉnh sửa gene được gọi là CRISP/Cas9. Đây là một phức hợp enzyme gồm các RNA dẫn đường và DNA thay thế, khi đưa được vào trong tế bào, chúng có tác dụng tìm kiếm gene đích, cắt bỏ gene bệnh và thay bằng gene lành đúng vị trí hoặc chỉnh sửa những sai sót trong gene bệnh. Đã có các chương trình nghiên cứu sử dụng CRISP/Cas9 cải tiến để chỉnh sửa gene gây bệnh hồng cầu hình liềm. Bệnh do hemoglobin bị đột biến dẫn đến làm biến dạng hồng cầu thành hình liềm và những tế bào này kết dính với nhau gây tắc mạch máu. Hi vọng trong tương lai, những nghiên cứu như vậy giúp chúng ta có thể đưa liệu pháp gene vào chữa trị được một số bệnh di truyền một cách an toàn.

Nuôi cấy tế bào còn được dùng để sản xuất ra các protein chữa bệnh cho người. Hiện nay, các nhà khoa học không chỉ nuôi cấy được các tế bào gốc phôi mà còn nuôi cấy được nhiều loại tế bào khác nhau của cơ thể người và động vật nhằm mục đích nghiên cứu chu kì tế bào, nghiên cứu quá trình biệt hoá các tế bào gốc phôi thành các tế bào chuyên hoá khác nhau cũng như nghiên cứu quá trình giải biệt hoá các tế bào chuyên hoá trở lại thành các tế bào gốc toàn năng.

Bên cạnh đó, sử dụng công nghệ tế bào kết hợp với công nghệ di truyền sẽ tạo ra các con vật mang gene người, dùng làm mô hình nghiên cứu sự phát sinh bệnh. Nhờ đó, nghiên cứu và chế tạo được thuốc chữa bệnh ở giai đoạn sớm.

Trong tương lai, công nghệ tế bào động vật không chỉ nuôi cấy tạo các mô, cơ quan thay thế cho các mô, cơ quan bị bệnh mà còn giúp tăng sinh khối, cung cấp nguồn tế bào cho công nghệ chuyển gene, nhân bản vô tính, sản xuất thịt nhân tạo, cũng như cung cấp tế bào, mô cho nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu nhân bản virus,..