Các nhà khoa học tại Bệnh viện Đại học Y khoa Quảng Châu, Trung Quốc vừa công bố kết quả trong việc biệt hóa ngược các tế bào gốc vạn năng cảm ứng thành cấu trúc giống phôi nang của người. Nghiên cứu này sẽ là cơ sở để tiếp tục các nghiên cứu về sự bất thường trong trong quá trình làm tổ sớm của phôi gây ra bởi các khuyết tật phát triển ở giai đoạn đầu của phôi. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature vào ngày 7/9/2021.

Phôi nang bao gồm ba dòng tế bào đầu tiên của phôi: lá nuôi phôi (trophectoderm), ngoại bì và nội bì nguyên thủy, tất cả đều cần thiết cho sự phát triển sớm và hình thành cơ quan. Trong đó, lá nuôi phôi là biểu mô đầu tiên xuất hiện trong quá trình phát sinh phôi của động vật có vú, tạo nên thành ngoài của phôi nang. Lớp tế bào này xuất hiện đồng thời với dịch phôi bào khi phôi dâu phát triển thành phôi nang và thường chỉ có thể thu nhận từ phôi thai, và quan trọng hơn là lớp tế bào này không thể biệt hóa được từ các tế bào gốc vạn năng.

Những lo ngại về đạo đức và việc tiếp cận với phôi nang người bị hạn chế, vì điều này nên cho đến thời điểm hiện tại, những hiểu biết về quá trình hình thành phôi sớm ở người vẫn còn nhiều khiếm khuyết. Để giải quyết điều này, các nhà khoa học cần có một mô hình đáng tin cậy mô phỏng lại các giai đoạn đầu của quá trình hình thành phôi thai người. Nhóm nghiên cứu của Yong Fan và các cộng sự tại Bệnh viện Đại học Y khoa Quảng Châu; Bệnh viện Đại học Bắc Kinh; Đại học Mỏ và Công nghệ Trung Quốc; Đại học Khoa học và Công nghệ Côn Minh (Trung Quốc); Đại học Khoa học và Công nghệ (Vương quốc Ả Rập Xê Út), đã phát triển một quy trình cảm ứng ba chiều (3D). Quy trình này chỉ gồm hai bước để tạo ra các cấu trúc giống như phôi bào (EPS-blastoid) từ các tế bào gốc đa năng (EPS). Các phân tích về hình thái và hệ phiên mã (transcriptome) cho thấy rằng EPS-blastoid chứa các dòng tế đầu tiên của phôi và tương tự với phôi nang tự nhiên.

Trong quy trình cụ thể, nhóm của Yong Fan đã cảm ứng các tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) thành các tế bào vạn năng mở rộng (EPS). Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã xử lý EPS với protein BMP4 để tạo ra các tế bào giống lá nuôi phôi. Trong giai đoạn từ ngày 1 đến ngày 5 cảm ứng với protein BMP4, các gen của ngoại phôi bì giảm dần biểu hiện trong khi các gen liên quan đến lá nuôi phôi tăng biểu hiện. Ở ngày thứ 2 các tế bào được cảm ứng với protein BMP4 đã bắt đầu phân cực giống hình thái của các tế bào lá nuôi phôi thực sự. Ở bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã trộn các tế bào EPS với các tế bào giống lá nuôi phôi vừa thu được theo tỉ lệ từ 1:4–1:5. Sau khoảng từ 5 đến 6 ngày đồng nuôi cấy, cấu trúc giống phôi nang blastoid được hình thành (Hình 1).

Sau 24 giờ đầu tiên của quá trình đồng nuôi cấy, hỗn hợp các tế bào có liên kết lỏng lẻo đã bắt đầu liên kết chặt lại. Từ ngày thứ 4 phối trộn hai dòng tế bào, các khoang nhỏ đặc trưng cho phôi nang bắt đầu hình thành. Các khoang này lớn dần và rõ ràng hơn vào ngày 5 đến ngày 6. Về mặt hình thái, những phôi bào người này tương tự như phôi nang người tự nhiên ở ngày phôi thứ 6 (Hình 2).

Theo nhóm nghiên cứu của TS. Yong Fan, họ đã phát triển thành công mô hình giả lập sự phát triển phôi bào của người và mô hình này có thể được tạo ra với số lượng lớn. Kết quả của công trình này tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu những khiếm khuyết trong quá trình làm tổ của phôi sớm gây nên các hiện tượng sảy thai và khuyết tật ở trẻ sơ sinh; đồng thời thúc đẩy nghiên cứu sự biệt hóa của tế bào gốc trong giai đoạn làm tổ của phôi. Ngoài ra, EPS-blastoid đem đến nguồn mẫu vô tận để nghiên cứu về quá trình phát triển phôi cũng như các thành phần ngoài phôi mà trước đó không thể thực hiện được trên các dòng tế bào gốc vạn năng.

ThS. Trương Châu Nhật – Viện Tế bào gốc, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, VNU-HCM

Tham khảo:

Fan, Y., Z. Min, S. Alsolami, Z. Ma, E. Zhang, W. Chen, K. Zhong, W. Pei, X. Kang, P. Zhang, Y. Wang, Y. Zhang, L. Zhan, H. Zhu, C. An, R. Li, J. Qiao, T. Tan, M. Li and Y. Yu (2021). “Generation of human blastocyst-like structures from pluripotent stem cells.” Cell Discov 7(1): 81.

Tin lược dịch từ nguồn: https://www.nature.com/articles/s41421-021-00316-8

Ti thể là một loại bào quan phức tạp chứa các con đường thiết yếu liên quan đến chuyển hóa năng lượng, cân bằng nội môi ion, truyền tín hiệu và quá trình apoptosis. Với hơn 330 gen bệnh ti thể khác nhau được xác định, việc mô hình hóa tất cả các gen và đột biến riêng biệt liên quan đến bệnh ti thể là vô cùng cần thiết. Cho đến nay, mặc dù có một số lựa chọn điều trị đầy hứa hẹn, nhưng vẫn không có phương pháp điều trị nào được xác nhận về mặt lâm sàng đối với các bệnh về ty thể. Với sự thiếu hụt của các mô hình có thể áp dụng các phương pháp tiếp cận lâm sàng, các mô hình tế bào gốc đa năng ở người (hPSC) về bệnh ti thể cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn như một nền tảng khám phá thuốc.

Không chỉ đơn thuần là “nhà máy năng lượng của tế bào”, ti thể còn xử lý các quá trình sinh hóa cực kỳ quan trọng bao gồm tín hiệu tế bào, quá trình apoptosis, cân bằng nội môi canxi…Các bệnh về ti thể làm gián đoạn quá trình sản xuất năng lượng của tế bào và là một trong những nhóm rối loạn di truyền phức tạp nhất, chúng không đồng nhất về mặt lâm sàng và di truyền, thường ảnh hưởng đến các loại tế bào có nhu cầu năng lượng cao ở não, tim và thận. Các bệnh về ti thể được phân loại là các rối loạn sản sinh năng lượng ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến việc sản xuất ATP thông qua hệ thống phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS). Các bệnh liên quan đến ti thể có thể là kết quả của các đột biến trong DNA ở nhân tế bào (nDNA) hoặc DNA ở ti thể (mtDNA). Ngoài ra, kiểu hình của bệnh không đồng nhất và đặc trưng theo từng mô, gây khó khăn cho việc chẩn đoán và nghiên cứu. Việc mô hình hóa các rối loạn này là một thách thức vì nhiều mô hình bệnh ti thể trên động vật không tương đồng hoàn toàn với kiểu hình ở người cho các gen bệnh đã biết. Ngoài ra, việc tiếp cận với các loại tế bào hoặc mô liên quan đến bệnh từ bệnh nhân thường bị hạn chế. Để khắc phục những khó khăn này, nhiều nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng tế bào gốc vạn năng của người (hPSC) để tạo mô hình bệnh ti thể cho cả nDNA và mtDNA. Tận dụng khả năng của hPSC để biệt hoá thành các loại tế bào có liên quan về mặt lâm sàng, các mô hình này cho phép nghiên cứu chi tiết về các cơ chế gây bệnh và xây dựng phác đồ điều trị đầy hứa hẹn.

Tế bào gốc vạn năng có khả năng tạo ra các tế bào từ cả ba lớp mầm và tự làm mới vô thời hạn (Hình 1). Tế bào gốc vạn năng của người (hPSC) có thể được tạo ra từ khối tế bào bên trong của phôi nang, được gọi là tế bào gốc phôi người (hESC), hoặc bằng cách tái lập trình các tế bào soma, thường là nguyên bào sợi hoặc tế bào đơn nhân máu ngoại vi (PBMC), để tạo ra các tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC). Cả hai dạng hPSC đều có khả năng tự đổi mới vô thời hạn và có thể biệt hóa thành ba lớp mầm sơ cấp. Chính khả năng biệt hoá này làm cho hPSC phù hợp để mô hình hóa vô số hệ thống bị ảnh hưởng bởi các bệnh liên quan đến ti thể.

Mô hình hPSC đối với các bệnh ti thể có thể được tạo ra bằng cách tái lập trình các tế bào soma thành iPSC và sử dụng các phương pháp tiếp cận chỉnh sửa gen (ví dụ, CRISPR-Cas9).

Việc tái lập trình các tế bào soma để tạo thành iPSC có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công nghệ: véc-tơ virus tích hợp như retrovirus và lentivirus, virus không tích hợp như virus Sendai, vectơ từng đoạn và ARN biến đổi (modRNA).

Việc chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9 có thể được thực hiện sau khi tái lập trình, thực hiện đồng thời hoặc trước khi tái lập trình hay thực hiện trên hPSC để tạo ra các dòng đột biến. Rất nhiều nghiên cứu đã tiết lộ rằng hệ thống CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để lập trình lại các tế bào soma thành iPSC và sửa đổi các tế bào vạn năng về mặt di truyền. Tế bào soma được phân lập từ một bệnh nhân mang đột biến được lập trình lại thành iPSC bằng cách chuyển gen thông qua vectơ virus hoặc các dạng vectơ khác. Các iPSC sau đó được biến đổi gen để sửa chữa đột biến bằng công nghệ CRISPR-Cas9. Các iPSC đã hiệu chỉnh được tăng sinh và cảm ứng biệt hóa thành các tế bào đích. Cuối cùng, các tế bào được truyền vào lại bệnh nhân để điều chỉnh tình trạng bệnh.

Các mô hình bệnh ti thể trên hPSC cung cấp một hệ thống để nghiên cứu các cơ chế gây bệnh liên quan đến gen hoặc đột biến trên các mô liên quan đến kiểu hình lâm sàng. Một loạt các nghiên cứu đã sử dụng mô hình này để tạo ra các loại tế bào có liên quan bệnh về ti thể nhằm điều tra các khiếm khuyết cụ thể của mô hoặc để sàng lọc các phương pháp điều trị tiềm năng cho các bệnh thuộc nhóm này như hội chứng Barth, bệnh Parkinson, hội chứng PEO và Alpers, hội chứng cạn kiệt mtDNA, hội chứng Leigh.

Nguyễn Thị Hiền Trang – Viện Tế bào gốc, Trường Đại học khoa học tự nhiên, VNU-HCM

Tin lược dịch từ nguồn: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8306397/

Ánh sáng xanh đang giúp mở ra những hiểu biết mới về con đường tín hiệu quan trọng trong quá trình phát triển phôi, duy trì mô và nguồn gốc ung thư. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã phát triển một phương pháp sử dụng ánh sáng xanh để kích hoạt đường truyền tín hiệu Wnt ở phôi ếch. Nhóm nghiên cứu cho biết, các con đường tín hiệu này có nhiều vai trò khác nhau đối với sự phát triển của động vật và con người, và khả năng điều chỉnh nó bằng ánh sáng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu tốt hơn các chức năng khác nhau của con đường tín hiệu này.

Con đường Wnt được kích hoạt bởi thụ thể trên bề mặt tế bào, kích hoạt phản ứng dây chuyền trong tế bào. GS. Zhang, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu cho biết, quá nhiều hoặc quá ít tín hiệu đều có thể gây tác động có hại, khiến việc nghiên cứu con đường tín hiệu này gặp khó khăn khi phải sử dụng các kỹ thuật thông thường để kích thích các thụ thể trên bề mặt tế bào.

“Trong quá trình phát triển phôi thai, Wnt điều chỉnh sự phát triển của nhiều cơ quan như đầu, tủy sống và mắt. Tín hiệu Wnt cũng duy trì tế bào gốc trong nhiều mô ở người trưởng thành: Trong khi tín hiệu Wnt không đủ mạnh dẫn đến việc sửa chữa mô không thành công, tín hiệu Wnt tăng cao có thể dẫn đến ung thư. GS. Zang cho hay rất khó đạt được sự cân bằng cần thiết với các phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn để điều chỉnh các con đường như vậy, chẳng hạn như kích thích hóa học. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế protein thụ thể để phản ứng với ánh sáng xanh. Với cách tiếp cận này, họ có thể tinh chỉnh mức Wnt bằng cách điều chỉnh cường độ và thời lượng của ánh sáng.

“Ánh sáng như một chiến lược điều trị đã được sử dụng trong liệu pháp quang động, với ưu điểm là tính tương thích sinh học cao và không có tác dụng phụ ở vùng tiếp xúc. Tuy nhiên, hầu hết các liệu pháp quang động thường sử dụng ánh sáng để tạo ra các hóa chất năng lượng cao – ví dụ, các loại oxy phản ứng – mà không phân biệt giữa các mô bình thường và mô bệnh, nên không thể nhắm đích trong điều trị” Zhang nói. “Trong công trình nghiên cứu của mình, chúng tôi đã chứng minh rằng ánh sáng xanh có thể kích hoạt một đường truyền tín hiệu trong các khoang cơ thể khác nhau của phôi ếch. Chúng tôi hình dung rằng một sự kích thích được xác định về mặt không gian đối với các chức năng của tế bào có thể giảm thiểu những tác dụng phụ không mong muốn.”

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật kích thích ánh sáng xanh để thúc đẩy sự phát triển tủy sống và đầu trong phôi ếch. Họ cho rằng kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng cho các thụ thể trên màng khác, khắc phục tình trạng trở ngại trong việc kích thích trúng đích các thụ thể mục tiêu như trước đây, cũng như các động vật khác có chung con đường Wnt, cho phép hiểu rõ hơn về cách những con đường này kiểm soát sự phát triển – và điều gì sẽ xảy ra khi chúng kết thúc – hoặc không được kích thích.

Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng kỹ thuật dựa trên ánh sáng xanh dùng để nghiên cứu con đường tín hiệu Wnt có thể giúp hiểu rõ quá trình sửa chữa mô và nghiên cứu ung thư trên người. Bởi vì ung thư thường liên quan đến tín hiệu được kích hoạt quá mức, bằng cách sử dụng một chất có vai trò là yếu tố kích thích Wnt, đồng thời chất này có tính chất nhạy cảm với ánh sáng xanh, thông qua đó có thể kích hoạt Wnt một cách có kiểm soát để nghiên cứu sự tiến triển của ung thư trong các tế bào sống. Từ đó có thể xác định ngưỡng tín hiệu có thể biến đổi một tế bào bình thường thành một tế bào ung thư, cung cấp dữ liệu cho sự phát triển liệu pháp cụ thể theo mục tiêu trong y học chính xác trong tương lai.”

Nguyễn Trường Sinh – Viện Tế bào gốc, ĐH KHTN, ĐHQG Tp HCM

Tài liệu tham khảo: “Optogenetic Control of the Canonical Wnt Signaling Pathway During Xenopus laevis Embryonic Development” by Vishnu V. Krishnamurthy, Hyojeong Hwang, Jia Fu, Jing Yang and Kai Zhang, 19 May 2021, Journal of Molecular Biology. DOI: 10.1016/j.jmb.2021.167050

Tin lược dịch từ: https://scitechdaily.com/blue-light-can-trigger-key-signaling-pathway-for-embryonic-development-and-cancer-genesis/