In 3D sinh học tế bào gốc trong không gian

Parent’s Guide to Cord Blood, 01/2024

Vào mùa hè năm 2023, lần đầu tiên một đột phá mới đã được thực hiện khi tế bào gốc trung mô (MSC) được in 3D sinh học thành công vào sụn đầu gối của người trong môi trường không trọng lực trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Theo nghiên cứu của ISS, cần có một nhóm cộng tác viên để nghiên cứu này được thành công. Bộ phận nghiên cứu y sinh của Đại học Dịch vụ Quân Y (4Dbio3) đã tiến hành thí nghiệm với động lực tìm ra các phương pháp điều trị cải tiến cho các vết thương như rách sụn chêm thường gặp ở các quân nhân. Cơ sở tạo tấm sinh học 3D nơi các tế bào phát triển và được tạo bởi Redwire-một Công ty nghiên cứu về sự phát triển ở người trong không gian bằng các công nghệ vũ trụ thế hệ mới. Thiết bị in 3D của họ đã giành Giải thưởng Popular Science Best of What’s New Award năm 2023. MSC của nghiên cứu này được lấy từ lọ tế bào Ready-to-Print (RTP) do RoosterBio cung cấp. Sản phẩm RoosterRTP được thiết kế đặc biệt cho phép MSC làm mực cho máy in 3D sinh học, mỗi lọ chứa 50 triệu tế bào được kiểm soát chất lượng, có đặc tính hoạt động tốt và dễ dàng rã đông để in. Tên lửa Dragon của Space X vận chuyển mẫu đến ISS và sau đó với sứ mệnh đưa các phi hành đoàn, thiết bị và sụn chêm mới.

Theo bài báo của Rooster, ngoài không gian chính là giới hạn cuối cùng cho quá trình in 3D sinh học của MSC¹. Trọng lực cực nhỏ của quỹ đạo Trái đất giúp phát triển các vật liệu công nghệ sinh học không thể tạo ra trên Trái đất. Ai cũng biết rằng MSC là loại tế bào bám dính và hầu hết chúng sẽ chết nếu không bám vào bề mặt². Đây là lý do tại sao nhiều phòng thí nghiệm nuôi cấy MSC số lượng lớn trong các đĩa nuôi cấy, quá trình này cần số nhiều kỹ thuật viên và khó mở rộng quy mô lớn hơn. Các công ty dược phẩm cần số lượng lớn MSC cho các sản phẩm trị liệu đã phải tăng quy mô sản xuất bằng các lò phản ứng sinh học (bioreactors). Để đáp ứng được yêu cầu sự kết dính của tế bào, các lò phản ứng được thiết kế thêm như bể khuấy chứa chất mang vi mô, bể quay sợi rỗng,…³ Sau khi MSC được tăng sinh bằng nhiều phương pháp khác nhau, bước tiếp theo trong việc tạo ra các cơ quan là đưa chúng vào cấu trúc 3D. Cách để làm được điều này là cung cấp một giá thể để các tế bào bám vào. Giá thể được sử dụng có cấu trúc đơn giản như xương cho đến toàn bộ trái tim người^4,5. Tuy nhiên, thách thức ở đây là các tế bào tăng sinh tạo ra các lớp mô dày hơn , các tế bào không đồng đều và cần phải có mạch máu để nuôi dưỡng chúng.

Các cơ quan được in 3D sinh học trong môi trường không trọng lực có thể giải quyết thách thức này, đồng thời cũng gặp phải trở ngại mới. Ở quỹ đạo tầm thấp của Trái đất, các vật thể trên ISS rơi tự do với vận tốc 27500 m/h và các tế bào sẽ không bị lõm xuống dưới tác động của trọng lực. Nhưng khi xây dựng bất kỳ bộ phận cấy ghép hay cơ quan nào sử dụng MSC, các tế bào cần phải bám vào một thứ gì đó. Và phương pháp in 3D MSC lơ lửng trong mực sinh học đã thực hiện được điều đó, MSC sẽ bám vào các thành phần trong đế mực. Mực sinh học chủ yếu bằng hydrogel nằm trong khuôn sinh học, vì vậy chúng ổn định về kích thước để in các cấu trúc có độ chân thực cao, đủ mềm trong không gian dựa vào hỗn hợp alginate (một loại polymer tự nhiên có nguồn gốc từ rong biển) và cellulose⁶. Trong không gian, mực sinh học MSC được sử dụng để in các cơ quan có tế bào phân bố rất đồng đều và không bị lắng đọng. Kỹ thuật này không thể thực hiện trên Trái đất.

Những phát hiện về in sinh học trong không gian vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, sụn chêm được tạo ra từ MSC được bảo quản lạnh trước đây của RoosterBio đã  là một thành tựu lớn. Các công nghệ in sinh học hiện đã có mặt trên Trái đất, do đó môi trường không gian đặt ra nhiều thách thức mới về thiết bị sử dụng cũng như quy trình thực hiện. Trong không gian, khi bạn làm rơi một giọt nước, nhưng giọt nước đó sẽ không thể rơi dưới tác dụng của trọng lực. “Trong không gian, khoảng cách và tốc độ dòng chảy, kích thước giọt nước và sức căng bề mặt chất lỏng đều thể hiện những kết quả hoàn toàn khác nhau. Những bong bóng có kích thước dưới milimet trong chất lỏng có thể là một vấn đề nguy hiểm, vì không thể để chúng sủi bọt lên bề mặt và vỡ ra” ¹. Đây là lý do tại sao cần các thiết bị của Redwire để in sinh học trong không gian. Các biện pháp an toàn trong quá trình sản xuất không gian cũng là mối quan tâm lớn, bởi vì bất kỳ sự rò rỉ chất lỏng nào cũng sẽ lan ra mọi hướng chứ không chỉ tràn xuống sàn. Đây là lý do tại sao thiết bị in sinh học được vận hành bên trong tủ chế tạo khép kín trên ISS (xem ảnh của NASA về phi hành gia ISS Jasmin Moghbeli đang làm việc với Cơ sở Chế tạo Sinh học).

Bất chấp chi phí cao để đưa các tế bào và thiết bị lên quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO) và đưa chúng trở lại, việc in sinh học các cơ quan trong không gian vẫn có ý nghĩa về mặt tài chính. Hiện tại, chi phí rẻ nhất cho mỗi kg để đưa vật liệu lên LEO là khoảng 2.000 USD. Các phương tiện đưa hạng nặng hiện đang được phát triển hứa hẹn sẽ giảm chi phí đó xuống còn 100 USD/kg, khiến các khu công nghiệp ở LEO trở nên khả thi. So với giá của các sản phẩm khoa học đời sống cao cấp thì mức giá này không hề đắt. “Một ví dụ điển hình là enzyme Taq polymerase phổ biến, có giá khoảng 100 USD/microgram…hoặc 100 tỷ USD/kg, gấp hơn 1,5 triệu lần giá vàng nguyên khối” ¹. Trong khi đó, mỗi năm có hàng nghìn bệnh nhân tử vong tại Hoa Kỳ trong khi chờ đợi trong danh sách chờ ghép tạng⁷ . Nếu các cơ quan cấy ghép cứu sống có thể được nuôi cấy trong không gian, tỷ lệ chi phí trên có thể sẽ có lợi cho việc sản xuất sinh học trong không gian. Hy vọng lâu dài là loài người sẽ tiến đến xa ngoài vũ trụ. Khả năng phát triển tế bào trên tàu vũ trụ sẽ là một thành phần quan trọng trong hộp công cụ y tế dành cho các phi hành gia đường dài⁸. Trong cuộc hành trình dài trong không gian, các phi hành gia sẽ phải sống sót khi tiếp xúc nhiều lần với bức xạ ion hóa. Họ sẽ cần phải vượt qua những ảnh hưởng gây suy nhược tình trạng không trọng lượng kéo dài. Và tất nhiên họ sẽ cần được chữa trị nếu mắc bệnh ung thư hoặc suy nội tạng. Trên hết, các phi hành gia sẽ cần thực phẩm để ăn và thịt được nuôi trong phòng thí nghiệm có thể sẽ là một phần trong chế độ ăn uống của họ^9,10 . Hiện tại, việc vượt qua những thách thức trong việc in sinh học MSC trên quỹ đạo là bước đầu tiên hướng tới những mục tiêu đầy tham vọng dài hạn này.

Tài liệu tham khảo:

1. Carson J. The Final Frontier for Mesenchymal Stem/Stromal Cells. RoosterBio blog Published 2023-11-20
2. Lee S, Choi E, Cha MJ, Hwang KC. Cell Adhesion and Long-Term Survival of Transplanted Mesenchymal Stem Cells: A Prerequisite for Cell Therapy. Oxid. Med Cell Longevity 2015; 2015:632902.
3. Silva Couto P, Rotondi MC, Bersenev A, Hewitt CJ, Nienow AW, Verter F, Rafiq QA. Expansion of human mesenchymal stem/stromal cells (hMSCs) in bioreactors using microcarriers: lessons learnt and what the future holds. Biotechnology Advances 2020; 45:107636.
4. Levin D. Stanford bioengineers aim to build a heart, one layer at a time. Stanford news. Published 2022-03-14
5. Morrissey J, Mesquita FCP, Hochman-Mendez C, Taylor DA. Whole Heart Engineering: Advances and Challenges. Cells Tissues Organs 2022; 211 (4):395–405.
6. Windisch, J, et al. Bioinks for Space Missions: The Influence of Long-Term Storage of Alginate-Methylcellulose-Based Bioinks on Printability as well as Cell Viability and Function. Adv. Healthcare Materials. 2023; 12(23):e2300436.
7. Donate Life America. Organ, Eye and Tissue Donation Statistics. Accessed 2024-01-01
8. Giri J, Moll G. MSCs in Space: Mesenchymal Stromal Cell Therapeutics as Enabling Technology for Long-Distance Manned Space Travel. Current Stem Cell Reports. 2022; 8(1):1-13.
9. Benayahu D. Mesenchymal stem cell differentiation and usage for biotechnology applications: tissue engineering and food manufacturing. Biomaterials Transl. 2022; 3(1):17–23.
10. Thompson, J. Lab-Grown Meat Approved for Sale: What You Need to Know. Scientific American Published 2023-06-30

Nguồn: Parent’s Guide to Cord Blood

Link: https://parentsguidecordblood.org/en/news/bioprinting-msc-outer-space