Science Daily, 26/08/2021
Cơ thể con người có thể có xu hướng di truyền tấn công các tế bào của chính mình, phá hủy các tế bào beta trong tuyến tụy tạo ra insulin, loại hoc môn giúp chuyển hóa đường thành năng lượng. Rối loạn này – được gọi là bệnh đái tháo đường type 1, có thể xảy ra ở mọi lứa tuổi và có thể gây tử vong nếu không được điều trị cẩn thận bằng việc tiêm insulin hoặc bơm insulin để cân bằng lượng đường trong cơ thể.
Nhưng có thể có một lựa chọn cá nhân hóa khác, theo Xiaojun “Lance” Lian – Phó giáo sư về kỹ thuật y sinh và sinh học tại Penn State. Lần đầu tiên, Lian và nhóm nghiên cứu của ông đã chuyển đổi tế bào gốc của con người thành tế bào beta có khả năng sản xuất insulin chỉ bằng các phân tử nhỏ trong phòng thí nghiệm, giúp quá trình này hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn.
Tế bào gốc có thể trở thành các loại tế bào khác thông qua các tín hiệu trong môi trường nuôi chúng, và một số tế bào trưởng thành có thể trở lại thành tế bào gốc – vạn năng cảm ứng. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phương pháp tiếp cận của họ có hiệu quả với các tế bào gốc vạn năng cảm ứng và tế bào gốc phôi người, cả hai đều có nguồn gốc từ các dòng tế bào gốc đã được liên bang phê duyệt. Theo Lian, hiệu quả của phương pháp tiếp cận của họ có thể làm giảm hoặc loại bỏ nhu cầu về tế bào gốc phôi người trong tương lai. Họ đã công bố kết quả vào ngày hôm nay (26 tháng 8) trên Stem Cell Reports.
“Đái tháo đường là một căn bệnh nghiêm trọng ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới,” Lian nói. “Các tế bào miễn dịch của chính bệnh nhân giết chết khả năng sản xuất insulin và điều hòa lượng glucose của họ. Chúng tôi nghĩ rằng tế bào gốc có thể giải quyết vấn đề và cho phép bệnh nhân điều chỉnh lại mức insulin và glucose của họ một cách thích hợp.”
Tế bào gốc có thể trở thành bất kỳ loại tế bào nào thông qua điều kiện môi trường hoặc sự can thiệp trong phòng thí nghiệm. Lian cho biết, thủ thuật là tìm ra các điều kiện chính xác để biến một tế bào gốc trở thành một phiên bản hoạt động có chức năng của loại tế bào mong muốn.
Lian nói: “Nếu chúng tôi có thể chuyển đổi tế bào gốc thành tế bào beta tuyến tụy và chuyển chúng trở lại cho bệnh nhân, thì có thể chữa được bệnh đái tháo đường. Đó là một câu hỏi khó. Các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra lời giải trong hơn 20 năm. Phòng thí nghiệm của chúng tôi nhận ra rằng cần phải có một cách tiếp cận khác.”
Trong những nỗ lực trước đây, theo Lian, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các yếu tố tăng trưởng, hoặc các nhóm protein, để điều khiển tế bào gốc thành các loại tế bào khác nhau. Tuy nhiên, các yếu tố tăng trưởng rất tốn kém và không ổn định, dẫn đến quá trình sản xuất tốn kém và kém hiệu quả.
“Vào năm 2012, nhóm của chúng tôi đã phát hiện ra một chất trung gian phân tử hoàn toàn mới có thể biệt hóa các tế bào gốc sang giai đoạn trung bì hoặc nội bì, đây là những điểm phát triển trên đường đến các tế bào trưởng thành,” Lian cho biết, và lưu ý là quá trình sử dụng các phân tử hữu cơ nhỏ hơn có lợi hơn so với sử dụng các yếu tố tăng trưởng lớn hơn. “Những phân tử nhỏ này rẻ hơn và ổn định hơn nhiều so với các yếu tố tăng trưởng, và chúng tôi vẫn có thể mô phỏng tác động của các yếu tố tăng trưởng để biệt hóa tế bào gốc đến giai đoạn trung gian.”
Các phân tử nhỏ này bao gồm một hợp chất hóa học được gọi là CHIR99021 (CHIR) và kích hoạt con đường tín hiệu gọi là Wnt, hướng tế bào biệt hóa đến một trong các loại trung gian. Khi Wnt được kích hoạt hoàn toàn, tế bào sẽ trở thành trung bì và cuối cùng là tế bào tim trưởng thành. Nhưng một liều CHIR nhỏ hơn chỉ kích hoạt một phần con đường Wnt, dẫn đến một tế bào nội bì có thể được ghép thành tế bào beta tuyến tụy hoặc tế bào gan trưởng thành.
“Không ai khác phát hiện ra điều này bởi vì bạn phải tối ưu hóa chính xác và cẩn thận nồng độ CHIR”, tác giả đứng đầu bài báo Yuqian Jiang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ kỹ thuật y sinh tại phòng thí nghiệm của Lian, cho biết. “Chúng tôi biết CHIR rất quan trọng đối với sự biệt hóa tế bào gốc, nhưng những người khác có thể chỉ kiểm tra một nồng độ ngoài mục tiêu của hóa chất này và cho rằng nó hoàn toàn không hoạt động. Chúng tôi đã thử nghiệm tất cả các nồng độ có thể và tìm ra nồng độ chính xác để biệt hóa tế bào gốc thành tế bào nội bì.”
Các nhà nghiên cứu đã định liều tế bào với nồng độ CHIR ngày càng tăng. Họ phát hiện ra rằng liều thấp nhất không đủ để chuyển đổi tế bào, trong khi liều cao hơn sẽ giết chết hoàn toàn tế bào. Ở liều thấp thứ hai và thứ ba, có tới 87% tế bào gốc trở thành tế bào nội bì và chúng có thể được hướng dẫn thêm để trở thành tế bào beta tuyến tụy.
Jiang cho biết: “Quá trình biệt hóa tế bào beta mất khoảng một tháng, bằng việc bổ sung các hỗn hợp hóa học khác nhau đã được thiết lập bởi các nghiên cứu trước đó ở các bước khác nhau”. “Nhưng các quy trình trước đây sử dụng các yếu tố tăng trưởng để biệt hóa tế bào gốc thành tế bào nội bì. Quy trình của chúng tôi loại bỏ nhu cầu đó, tiết kiệm chi phí trong khi vẫn tạo ra một số lượng tế bào tốt.”
Các nhà nghiên cứu cũng thử nghiệm các tế bào beta tuyến tụy đã phát triển với glucose. Lian cho biết, các tế bào sản xuất insulin dựa trên sự hiện diện của glucose trong môi trường của chúng, chứng tỏ chức năng của chúng. Để giữ cho cơ thể bệnh nhân không giết chết những tế bào này – vấn đề ban đầu đối với những người mắc bệnh đái tháo đường type 1 – các nhà nghiên cứu có kế hoạch bao bọc các tế bào beta có nguồn gốc từ tế bào gốc bằng màng polyme vật liệu sinh học trước khi cấy ghép chúng. Theo Lian, điều này sẽ bảo vệ các tế bào trong khi vẫn cho phép chúng cảm nhận được môi trường và tạo ra mức insulin thích hợp.
Lian cho biết: “Cách tiếp cận của chúng tôi cho phép chúng tôi sử dụng cùng một loại hóa chất chi phí thấp với liều lượng khác nhau để tạo ra các loại tế bào trung gian khác nhau, một trong số đó có thể trở thành tế bào beta tuyến tụy. Chúng tôi hiện đang làm việc để tối ưu hóa phương pháp tiếp cận này và chuyển nó sang thử nghiệm lâm sàng, nhưng chúng tôi đã nỗ lực để giảm đáng kể chi phí. Liệu pháp tế bào thật tuyệt vời, nhưng không phải ai cũng có thể “mua” được. Mục tiêu của chúng tôi là làm cho nó có sẵn cho tất cả những ai cần nó.”
Lian cũng liên kết với Viện Khoa học Đời sống Huck.
Andrew Read, giám đốc Viện Khoa học Đời sống Huck cho biết: “Lần đầu tiên tôi nghe Lance nói về những gì anh ấy đang cố gắng làm, tôi đã rất ngạc nhiên về sự táo bạo của anh ấy. Công việc của anh ấy là hình ảnh thu nhỏ của loại hình khoa học nhằm mục đích thay đổi hoàn toàn cuộc chơi. Tôi thực sự hài lòng vì anh ấy đã đạt được cột mốc quan trọng này.”
Những người đóng góp khác bao gồm các thành viên phòng thí nghiệm của Lian: Chuanxin Chen, người đã tốt nghiệp vào năm 2018 và hiện đang làm việc cho Phòng thí nghiệm Bioland ở Trung Quốc, và Lauren N. Randolph, một học giả sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Y sinh và Viện Khoa học Đời sống Huck. Xin Zhang và Songtao Ye, thuộc Khoa Hóa học tại Đại học Khoa học Eberly; và Xiaoping Bao, thuộc Trường Kỹ thuật Hóa học Davidson tại Đại học Purdue, cũng có đóng góp.
Viện Quốc gia về Hình ảnh Y sinh và Kỹ thuật Sinh học của Viện Y tế Quốc gia, Quỹ Khoa học Quốc gia và Penn State đã hỗ trợ nghiên cứu này.
Tài liệu tham khảo:
Yuqian Jiang, Chuanxin Chen, Lauren N. Randolph, Songtao Ye, Xin Zhang, Xiaoping Bao, Xiaojun Lance Lian. Generation of pancreatic progenitors from human pluripotent stem cells by small molecules. Stem Cell Reports, 2021; DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.07.021
Nguồn: Penn State
