Science Daily, 29/03/2021
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Southampton đã phát triển một phương pháp mới sử dụng vật liệu nano để xác định và làm giàu các tế bào gốc xương – một khám phá cuối cùng có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới cho những trường hợp gãy xương lớn và mất hoặc tổn thương xương.
Một nhóm các nhà vật lý, hóa học và các chuyên gia kỹ nghệ mô đã làm việc cùng nhau, sử dụng các hạt nano vàng được thiết kế đặc biệt để ‘tìm kiếm’ các tế bào gốc xương người chuyên biệt – tạo ra ánh sáng huỳnh quang để tiết lộ sự hiện diện của chúng giữa các loại tế bào khác và cho phép chúng được phân lập hoặc ‘làm giàu’.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng kỹ thuật mới của họ đơn giản và nhanh chóng hơn các phương pháp khác và hiệu quả làm giàu tế bào gốc gấp 50-500 lần.
Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Giáo sư Richard Oreffo – chuyên về Khoa học Cơ xương, và Giáo sư Antonios Kanaras – chuyên về nhóm Lượng tử, Ánh sáng và Vật chất thuộc Trường Vật lý và Thiên văn. Nghiên cứu được công bố trên ACS Nano – một tạp chí đa ngành được quốc tế công nhận.
Trong các thử nghiệm ở phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano vàng – các hạt hình cầu nhỏ được tạo thành từ hàng nghìn nguyên tử vàng – được phủ bằng oligonucleotides (các sợi DNA), để phát hiện bằng quang học các dấu hiệu RNA thông tin (mRNA) cụ thể của các tế bào gốc xương trong tủy xương. Khi quá trình phát hiện diễn ra, các hạt nano giải phóng một chất nhuộm huỳnh quang, làm cho tế bào gốc có thể phân biệt được với các tế bào khác xung quanh khi quan sát dưới kính hiển vi. Các tế bào gốc sau đó có thể được tách ra bằng quy trình phân lập tế bào huỳnh quang phức tạp.
Tế bào gốc là những tế bào chưa được chuyên biệt hóa và có thể phát triển để thực hiện các chức năng khác nhau. Việc xác định các tế bào gốc xương cho phép các nhà khoa học phát triển các tế bào này trong những điều kiện xác định để chúng phát triển và hình thành mô xương và sụn – ví dụ, để giúp hàn gắn xương gãy.
Trong số những thách thức do dân số đang già đi của chúng ta đặt ra là nhu cầu về các phương pháp tiếp cận mới và hiệu quả về chi phí để điều trị các tổn thương xương. Với 1/3 phụ nữ và 1/5 nam giới có nguy cơ bị gãy xương do loãng xương trên toàn thế giới, chi phí cho điều trị rất đáng kể, chỉ riêng điều trị gãy xương đã tiêu tốn của nền kinh tế Châu Âu 17 tỷ euro và nền kinh tế Mỹ 20 tỷ đô la mỗi năm.
Trong nhóm nghiên cứu Xương và Khớp của Đại học Southampton, Giáo sư Richard Oreffo và cộng sự của ông đã xem xét các liệu pháp dựa trên tế bào gốc xương trong hơn 15 năm để tìm hiểu sự phát triển mô xương và quá trình tạo ra xương và sụn. Trong cùng khoảng thời gian đó, Giáo sư Antonios Kanaras và các cộng sự của ông trong nhóm Lượng tử, Ánh sáng và Vật chất đã thiết kế các vật liệu nano mới và nghiên cứu các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khoa học y sinh và năng lượng. Nghiên cứu mới nhất này kết hợp các ngành này lại với nhau một cách hiệu quả và là một ví dụ về tác động của hoạt động hợp tác, liên ngành có thể mang lại.
Giáo sư Oreffo cho biết: “Các liệu pháp dựa trên tế bào gốc xương cung cấp một số lĩnh vực thú vị và hứa hẹn nhất để điều trị bệnh xương và y học tái tạo xương cho dân số già. Các nghiên cứu hiện tại đã khai thác các chuỗi DNA độc đáo từ các mục tiêu mà chúng tôi tin rằng sẽ làm giàu tế bào gốc xương, và bằng cách sử dụng hệ thống Fluorescence Activated Cell Sorting (viết tắt là FACS) chúng tôi có thể làm giàu tế bào gốc xương từ bệnh nhân. Việc xác định các dấu ấn độc nhất (unique marker) là chén thánh trong sinh học tế bào gốc xương, và trong khi chúng tôi vẫn còn một số chặng đường phải đi những nghiên cứu này cung cấp một bước thay đổi trong khả năng nhắm mục tiêu và xác định các tế bào gốc xương người cũng như tiềm năng điều trị thú vị trong đó.”
Giáo sư Oreffo nói thêm: “Quan trọng là những nghiên cứu này cho thấy lợi thế của nghiên cứu liên ngành để giải quyết một vấn đề thách thức với sinh học phân tử / tế bào hiện đại kết hợp với công nghệ nền tảng hóa học vật liệu nano.”
Giáo sư Kanaras cho biết: “Thiết kế vật liệu phù hợp là điều cần thiết cho ứng dụng của chúng trong các hệ thống phức tạp. Tùy chỉnh hóa học của các hạt nano, chúng tôi có thể lập trình các chức năng cụ thể trong thiết kế của chúng.”
“Trong dự án nghiên cứu này, chúng tôi đã thiết kế các hạt nano phủ các chuỗi DNA ngắn, có khả năng cảm nhận mRNA HSPA8 và mRNA Runx2 trong tế bào gốc xương và cùng với các chiến lược kiểm tra FACS tiên tiến, để cho phép phân loại các tế bào có liên quan từ tủy xương người.”
“Một khía cạnh quan trọng của thiết kế vật liệu nano liên quan đến các chiến lược điều chỉnh mật độ của các oligonucleotide trên bề mặt của các hạt nano, giúp tránh sự phân hủy enzym DNA trong tế bào. Các phóng xạ huỳnh quang trên các oligonucleotide cho phép chúng tôi quan sát trạng thái của các hạt nano ở các giai đoạn khác nhau của thí nghiệm, đảm bảo chất lượng của cảm biến nội bào.”
Cả hai nhà nghiên cứu chính cũng công nhận rằng những thành tựu có được là nhờ công việc của tất cả các nghiên cứu sinh và các nhà nghiên cứu có kinh nghiệm tham gia vào nghiên cứu này cũng như sự cộng tác với Giáo sư Tom Brown và Tiến sĩ Afaf E-Sagheer của Đại học Oxford, người đã tổng hợp một số lượng lớn các oligonucleotide chức năng.
Các nhà khoa học hiện đang áp dụng trình tự RNA tế bào đơn cho công nghệ nền tảng được phát triển với các đối tác ở Oxford và Viện Khoa học Đời sống (IfLS) tại Southampton để tinh chỉnh và làm giàu thêm các tế bào gốc xương cũng như đánh giá chức năng. Nhóm nghiên cứu đề xuất sau đó chuyển sang ứng dụng lâm sàng với các nghiên cứu hình thành xương tiền lâm sàng để tạo ra bằng chứng cho các nghiên cứu khái niệm ban đầu.
Nghiên cứu đã có thể thực hiện được thông qua dự án BBSRC tài trợ cho Giáo sư Oreffo và Giáo sư Kanaras.
Tài liệu tham khảo:
Miguel Xavier, Maria-Eleni Kyriazi, Stuart Lanham, Konstantina Alexaki, Elloise Matthews, Afaf H. El-Sagheer, Tom Brown, Antonios G. Kanaras, Richard O. C. Oreffo. Enrichment of Skeletal Stem Cells from Human Bone Marrow Using Spherical Nucleic Acids. ACS Nano, 2021; DOI: 10.1021/acsnano.0c10683
Nguồn: University of Southampton
