Bài 4: Cơ sở công nghệ tế bào động vật và ứng dụng

I. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

- Công nghệ tế bào động vật bao gồm nuôi cấy mô và tế bào động vật trên tạo ra tế bào, mô, cơ quan và sản xuất thương mại, các quy trình kĩ thuật môi trường in vitro để các sản phẩm có giá trị

- Trong nuôi cấy mô tế bào động vật in vitro, tế bào tăng trưởng và phân chia, có thể hình thành các dòng tế bào (trong nuôi cấy tế bào), mô (trong nuôi cấy mô) hoặc cơ quan (trong nuôi cấy cơ quan).

- Các yếu tố như nhiệt độ, pH, khi (CO₂, O₂), áp suất thẩm thấu, các chất dinh dưỡng và các chất điều hoà sinh trưởng,... của môi trường nuôi cấy được điều chỉnh để đạt tới điều kiện tương tự môi trường trong cơ thể sống (in vivo).

- Công nghệ tế bào động vật hiện nay được áp dụng để sản xuất các dòng tế bào, mô phục vụ nghiên cứu y học, sinh học và sản xuất các sản phẩm khác có giá trị kinh tế.

II. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

1. Sản xuất các dòng tế bào cho nghiên cứu và ứng dụng

- Công nghệ nuôi cấy mô tế bào động vật cung cấp các dòng tế bào dùng cho nghiên cứu sinh học tế bào.

- Các dòng tế bào còn được sử dụng trong thử nghiệm độc tính nhằm nghiên cứu tác động của thuốc mới hoặc trong liệu pháp gene.

- Ngoài ra, dòng tế bào còn được sử dụng trong nghiên cứu ung thư, tác động của hoá chất, bức xạ và virus với tế bào ung thư.

- Các dòng tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC), là nguồn tế bào gốc để biệt hoá thành các mô khác và được dùng cho mục đích trị liệu.

2. Sản xuất các chế phẩm thương mại

Sản xuất vaccine phòng bệnh do virus

- Công nghệ tế bào động vật tạo khả năng thay thế cho việc sử dụng động vật sống trong sản xuất kháng nguyên, là nguyên liệu tạo ra vaccine.

- Hệ thống sản xuất vaccine hiện đại sử dụng các dòng tế bào động vật nuôi cấy có thể khắc phục hạn chế về sự phụ thuộc chất lượng nguyên liệu của các hệ thống sản xuất vaccine dựa vào trứng gia cầm.

- Nhờ kết hợp công nghệ tế bào với công nghệ gene, nhiều loại vaccine tái tổ hợp được sản xuất với lượng lớn.

- Ví dụ: Loại vaccine có tính an toàn cao được sản xuất dựa vào công nghệ tế bào động vật là vaccine cấu trúc tương tự virus hay các vaccine phòng bệnh cúm.

Sản xuất protein tái tổ hợp trị liệu

- Protein tái tổ hợp được biểu hiện sau khi chuyển vector tái tổ hợp mang gene địch vào tế bảo động vật nuôi cấy.

- Protein tái tổ hợp được sản xuất bằng công nghệ tế bào bao gồm các chất chống ung thư, enzyme, các chất sinh miễn dịch như interleukin, lymphokine, kháng thể đơn dòng và hormone.

Nuôi cấy tế bào và liệu pháp gene

- Liệu pháp gene với việc chèn thêm, loại bỏ hoặc thay thế gene hỏng bằng gene lành hoặc gene có khả năng hoạt động chức năng nhằm mục đích chữa bệnh, làm chậm lại quá trình tiến triển bệnh, nhờ đó cải thiện được chất lượng cuộc sống của con người.

- Trong liệu pháp gene in vivo, gene lành được đưa vào cơ thể ở một vị trí đặc thù.

- Trong liệu pháp gene ngoài cơ thể (ex vivo), các tế bào đích được xử lí bên ngoài cơ thể bệnh nhân.

- Các tế bào này sau đó được nhân lên và chuyển lại vào cơ thể ở một vị trí đặc thù là mô đích.

- Liệu pháp gene ex vivo đã được áp dụng để điều trị các bệnh về thần kinh, bệnh thiếu hụt miễn dịch phức hợp nghiêm trọng,...

- Trong thực tế, đây là phương pháp đã được thực hiện ở giai đoạn tiền lâm sàng trên động vật và các thử nghiệm lâm sàng ở người.

Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học

- Thuốc trừ sâu sinh học là những chế phẩm được sử dụng hiệu quả trong kiểm soát côn trùng và bệnh cây trồng. Tuy nhiên, trở ngại lớn trong việc sản xuất đại trà chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học là giá thành cao.

- Việc phát triển quy trình nuôi cấy tế bào in vitro để sản xuất lượng lớn thuốc trừ sâu sinh học có thể làm giảm giá thành so với sản xuất thuốc trừ sâu hóa học, góp phần cung cấp nguồn thực phẩm sạch và an toàn đối với môi trường.

- Ví dụ: Nuôi cấy tế bào côn trùng để lây nhiễm baculovirus trong sản xuất thuốc trừ sâu sinh học baculovirus. Đây là loại thuốc trừ sâu sinh học có hiệu quả cao trong phòng trừ sâu bướm hại cây.

Sản xuất kháng thể đơn dòng

- Phần lớn kháng thể có trên thị trường ngày nay được tạo ra nhờ công nghệ tế bào động vật, trong đó công nghệ lai tế bào được sử dụng rộng rãi để sản xuất kháng thể đơn dòng.

- Một số dòng tế bào hiện đang được sử dụng để sản xuất kháng thể đơn dòng như CHO (dòng tế bào buồng trứng chuột hamster), NSO (tế bào u tuỷ), HEK-93 (dòng tế bào thận phôi người) và BHK (dòng tế bào thận chuột hamster nhỏ).

Nuôi cấy 3D vi lỏng

- Nghiên cứu sinh học người và phát triển thuốc trị liệu thường dựa vào hệ thống nuôi cấy tế bào đơn lớp hai chiều (2D), trong đó, tế bào nuôi tạo đơn lớp trên bề mặt phẳng và rắn. Tuy nhiên, hệ thống này không tái hiện được chính xác cấu trúc, chức năng, sinh lí học của các mô sống, không phản ánh được mức độ phức tạp cao và môi trường động học ba chiều (3D) in vivo.

- Công nghệ nuôi tế bào 3D vi lỏng có thể cung cấp các cấu trúc hiển vi phức tạp và các thông số được điều khiển chính xác để bắt chước được môi trường in vivo của tế bào.

- Các thiết bị vi lỏng được dùng để điều khiển chất lỏng trong mao mạch nhỏ hoặc vi kênh.

- Sự kết hợp công nghệ vi lỏng với mô tế bào 3D đưa ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng dựa vào mô tương tự trong cơ thể, chẳng hạn hệ cơ quan trên chip điện tử.

3. Nhân bản vô tính động vật

- Kể từ khi cừu Dolly ra đời đến nay, nhân bản vô tính đã được thực hiện thành công ở nhiều loài động vật có vú như cừu, mèo, lợn,...

- Tuy nhiên, động vật có vú tạo ra từ nhân bản vô tính có nguy cơ bộc lộ những sai hỏng bất thường trong quá trình phát triển.

- Cho đến nay, câu hỏi liệu có cho phép nhân bản vô tính người hay không vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi. Nhiều quốc gia đưa vào luật về việc cấm nhân bản vô tính người.