Science Daily, 14/08/2023
Hiện nay, các organoids được tạo ra từ tế bào gốc tiết ra các protein hình thành men răng, chất bảo vệ răng khỏi bị hư hại và sâu răng. Một nhóm các nhà khoa học đa ngành từ Đại học Washington ở Seattle đã dẫn đầu hướng nghiên cứu này. Đây là bước quan trọng đầu tiên hướng tới mục tiêu dài hạn là phát triển các phương pháp điều trị dựa trên tế bào gốc để sửa chữa những chiếc răng bị hư hỏng và tái tạo những chiếc răng đã mất. Men răng được tạo ra trong quá trình hình thành răng bởi các tế bào chuyên biệt gọi là ameloblast. Những tế bào này chết đi sau khi quá trình hình thành răng hoàn tất. Do đó, cơ thể không có cách nào để sửa chữa hoặc tái tạo men răng bị hư hỏng.
Hai Zhang, giáo sư nha khoa phục hồi tại Trường Nha khoa UW và là một trong những người đồng tác giả của bài báo mô tả nghiên cứu, chia sẻ: “Đây là bước quan trọng đầu tiên hướng tới mục tiêu dài hạn của chúng tôi là phát triển các phương pháp điều trị dựa trên tế bào gốc để sửa chữa những chiếc răng bị hư hỏng và tái tạo những chiếc răng đã mất.”
Những phát hiện này được công bố ngày hôm nay trên tạp chí Developmental Cell. Ammar Alghadeer, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Hannele Ruohola-Baker thuộc Khoa Hóa sinh tại Trường Y UW là tác giả chính của bài báo. Phòng thí nghiệm được liên kết với Viện Y học Tế bào gốc và Y học Tái tạo UW.
Các nhà nghiên cứu giải thích rằng men răng bảo vệ răng khỏi những áp lực cơ học phát sinh khi nhai và giúp chúng chống sâu răng. Đây là mô cứng nhất trong cơ thể con người.
Men răng được tạo ra trong quá trình hình thành răng bởi các tế bào chuyên biệt gọi là ameloblasts (nguyên bào men). Khi quá trình hình thành răng hoàn tất, những tế bào này sẽ chết đi. Do đó, cơ thể không có cách nào để sửa chữa hoặc tái tạo men răng bị tổn thương và răng có thể dễ bị gãy hoặc rụng.
Để tạo ra ameloblasts trong phòng thí nghiệm, trước tiên các nhà nghiên cứu phải hiểu chương trình di truyền thúc đẩy tế bào gốc của thai nhi phát triển thành các tế bào sản xuất men răng chuyên biệt cao này.
Để làm điều này, họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là giải trình tự RNA lập chỉ mục tổ hợp tế bào đơn (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing, viết tắt là sci-RNA-seq), kỹ thuật này cho thấy gen nào đang hoạt động ở các giai đoạn phát triển khác nhau của tế bào.
Điều này có thể thực hiện được vì các phân tử RNA, được gọi là RNA thông tin (messenger RNA, viết tắt là mRNA), mang các chỉ dẫn về protein được mã hóa trong DNA của các gen được kích hoạt tới các máy phân tử lắp ráp protein. Đó là lý do tại sao những thay đổi về mức độ mRNA ở các giai đoạn phát triển khác nhau của tế bào sẽ tiết lộ gen nào được bật và tắt ở mỗi giai đoạn.
Bằng cách thực hiện sci-RNA-seq trên các tế bào ở các giai đoạn phát triển răng khác nhau của con người, các nhà nghiên cứu có thể thu được một loạt ảnh chụp nhanh về hoạt động gen ở mỗi giai đoạn. Sau đó, họ sử dụng một chương trình máy tính phức tạp có tên Monocle để xây dựng quỹ đạo hoạt động của gen xảy ra khi các tế bào gốc không biệt hóa phát triển thành ameloblast biệt hóa hoàn toàn.
Ruohola-Baker, người đứng đầu dự án cho biết: “Chương trình máy tính dự đoán cách bạn đi từ đây đến đó, lộ trình, kế hoạch chi tiết cần thiết để tạo ra các ameloblasts”. Cô là giáo sư hóa sinh và phó giám đốc của Viện Y học UW về Tế bào gốc và Y học tái tạo.
Với quỹ đạo được vạch ra này, các nhà nghiên cứu, sau nhiều thử nghiệm và sai sót, đã có thể kích thích các tế bào gốc chưa biệt hóa của con người trở thành ameloblasts. Họ đã làm điều này bằng cách cho các tế bào gốc tiếp xúc với các tín hiệu hóa học được biết là có tác dụng kích hoạt các gen khác nhau theo một trình tự bắt chước đường dẫn được tiết lộ bởi dữ liệu sci-RNA-seq. Trong một số trường hợp, họ sử dụng các tín hiệu hóa học đã biết. Trong các trường hợp khác, các cộng tác viên từ Viện Thiết kế Protein Y học UW đã tạo ra các protein do máy tính thiết kế có tác dụng nâng cao.
Trong lúc tiến hành dự án này, các nhà khoa học cũng lần đầu tiên xác định được một loại tế bào khác, được gọi là subodontoblast (nguyên bào phụ) mà họ tin là tiền thân của odontoblasts (nguyên bào ngà), một loại tế bào quan trọng cho sự hình thành răng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các loại tế bào này có thể được tạo ra để tạo thành các cơ quan nhỏ đa bào, ba chiều (3D), được gọi là organoids. Chúng tự tổ chức thành các cấu trúc tương tự như cấu trúc được thấy trong quá trình phát triển răng của con người và tiết ra ba loại protein men thiết yếu: ameloblastin, amelogenin và enamelin. Những protein này sau đó sẽ tạo thành một chất nền. Một quá trình khoáng hóa cần thiết để hình thành men răng với độ cứng cần thiết sẽ diễn ra sau đó.
Zhang cho biết nhóm nghiên cứu hiện hy vọng có thể cải tiến quy trình để tạo ra một loại men có độ bền tương đương với răng tự nhiên và phát triển các cách sử dụng men này để phục hồi những chiếc răng bị hư hỏng. Một cách tiếp cận là tạo ra men răng trong phòng thí nghiệm để sau đó có thể sử dụng để lấp đầy các lỗ sâu răng và các khuyết tật khác.
Ruohola-Baker chỉ ra rằng một cách tiếp cận khác đầy tham vọng hơn là tạo ra ‘chất trám sống’ có thể phát triển và sửa chữa các lỗ sâu răng cũng như các khiếm khuyết khác. Cuối cùng, mục tiêu là tạo ra những chiếc răng có nguồn gốc từ tế bào gốc có thể thay thế hoàn toàn những chiếc răng đã mất.
Ruohola-Baker cho biết răng là mô hình lý tưởng để phát triển các liệu pháp tế bào gốc khác.
Cô chia sẻ: “Nhiều cơ quan mà chúng tôi muốn có thể thay thế, như tuyến tụy, thận và não của con người, đều lớn và phức tạp. Việc tái tạo chúng một cách an toàn từ tế bào gốc sẽ mất thời gian. Mặt khác, răng nhỏ hơn và ít phức tạp hơn nhiều. Có lẽ chúng là thứ dễ tạo ra. Có thể mất một thời gian trước khi chúng ta có thể tái tạo chúng, nhưng giờ đây chúng ta có thể thấy các bước chúng ta cần để đạt được điều đó.”
Cô dự đoán, “Cuối cùng đây có thể là ‘thế kỷ trám răng sống’ và nha khoa tái tạo của con người nói chung.”
Ngoài các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học Sức khỏe Răng miệng thuộc Trường Nha khoa UW, các nhà khoa học khác từ Viện UW Brotman Baty, Trường Khoa học và Kỹ thuật Máy tính UW Allen, Viện Nghiên cứu Trẻ em Seattle, Viện Tế bào gốc và Y học tái tạo, Viện Thiết kế Protein, Khoa Kỹ thuật của Trường Cao đẳng Kỹ thuật Sinh học UW (một khoa liên kết với Trường Cao đẳng Kỹ thuật và Trường Y của UW), Hóa sinh, Y học so sánh và Nhi khoa, Khoa học về bộ gen, tất cả đều tại trường Y UW, và Viện Khoa học và Công nghệ SRM, Chennai, Ấn Độ, đều đóng góp cho nghiên cứu này.
Công việc này được hỗ trợ bởi sự tài trợ của Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (1P01GM081619, R01GM097372, R01GM97372-03S1, R01GM083867, 5R24HD000836, T90DE021984, R01DE033016, U01DK127553, R01DK117 914), Hiệp hội Sinh học Tế bào Tiền thân của Viện Tim, Phổi và Máu Quốc gia (U01HL099997; UO1HL099993), Viện Sức khỏe Trẻ em và Phát triển Con người Quốc gia Eunice Kennedy Shriver, Học bổng Y học Tái tạo và Tế bào gốc của UW và Quỹ Nghiên cứu Tiến sĩ Douglass L. Morell. Nghiên cứu được thực hiện tại Genomics Core của Viện Tế bào gốc và Y học tái tạo đã được hỗ trợ bởi một món quà từ Quỹ John H. Tietze.
Tài liệu tham khảo:
Ammar Alghadeer, Sesha Hanson-Drury, Anjali P. Patni, Devon D. Ehnes, Yan Ting Zhao, Zicong Li, Ashish Phal, Thomas Vincent, Yen C. Lim, Diana O’Day, Cailyn H. Spurrell, Aishwarya A. Gogate, Hai Zhang, Arikketh Devi, Yuliang Wang, Lea Starita, Dan Doherty, Ian A. Glass, Jay Shendure, Benjamin S. Freedman, David Baker, Mary C. Regier, Julie Mathieu, Hannele Ruohola-Baker. Single-cell census of human tooth development enables generation of human enamel. Developmental Cell, 2023; DOI: 10.1016/j.devcel.2023.07.013
Nguồn: University of Washington School of Medicine/UW Medicine
Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230814122258.htm
