Tế bào gốc (Stem cell)

Tế bào gốc (Stem cell)

TẾ BÀO GỐC(Stem cell)

I- Lịch sử nghiên cứu tế bào gốc.

1945- Phát hiện ra tế bào gốc tạo máu

Thập kỷ 1960 - Xác định được các tế bào carcinoma phôi chuột là một loại tế bào gốc

- Khám phá ra trong não trưởng thành có chứa các tế bào gốc có thể biệt hóa thanh các tế bào thần kinh

1981 - Evans và Kaufman và Martin phân lập được tế bào gốc phôi từ khối tế

bào bên trong của phôi túi (blastocyst) chuột

1995-1996 – Tế bào gốc phôi linh trưởng có nhân lưỡng bội bình thường được phân lập từ khối tế bào bên trong của phôi túi và duy trì trên in vitro

1998 - Thomson và cộng sự ở đại học Wisconsin-Madison (Mỹ) tạo ra dòng

tế bào gốc phôi người đầu tiên từ khối tế bào bên trong của phôi túi

1999 – Khẳng định khả năng chuyển biệt hóa (transdifferentiation) hay tính mềm dẻo (plasticity) của tế bào gốc trưởng thành

2001 – Tìm ra một số phương pháp định hướng tế bào gốc biệt hóa trên in

vitro tạo ra các mô có thể dùng cho ghép mô

2003 - Tạo được noãn bào từ tế bào gốc phôi chuột Điều này gợi ý rằng tế

bào gốc phôi có thể có tính toàn năng, bằng thực nghiệm có thể làm một tế bào “trẻ lại”

2005 - Phát triển kỹ thuật mới cho phép tách chiết tế bào gốc phôi mà không làm

tổn thương phôi

II- Khái niệm và phân loại tế bào gốc.

II.1 Khái niệm.

Tế bào gốc là các tế bào chưa biệt hóa, có thể tự tái tạo (self renew) và phân chia nhiều lần Trong những điều kiện sinh lý/thực nghiệm nhất định, tế bào gốc có thể cảm ứng biệt hóa thành các tế bào có chức năng chuyên biệt như tế bào cơ tim, tế bào tuyến tụy, tế bào bào da, tế bào máu, tế bào thần kinh…

II.2 Phân loại.

II.2.1.Phân loại theo đặc tính hay mức độ biệt hoá:

Theo mức độ biệt hoá có thể xếp tế bào gốc thành bốn loại: toàn năng (hay

thuỷ tổ), vạn năng, đa năng và đơn năng

a/ Tế bào gốc toàn năng hay tế bào gốc thủy tổ (totipotent stem cells):

Là những tế bào có khả năng biệt hóa thành tất cả các loại tế bào cơ thể từ một

tế bào ban đầu Tế bào toàn năng có khả năng phát triển thành thai nhi, tạo nên một cơ thể sinh vật hoàn chỉnh Trứng đã thụ tinh (hợp tử) và các tế bào được sinh ra từ những lần phân chia đầu tiên của tế bào trứng đã thụ tinh (giai đoạn 2

-4 tế bào – các blastosomer) là các tế bào gốc toàn năng, có khả năng phân chia và biệt hóa ra tất cả các dòng tế bào để tạo nên một cơ thể sinh vật hoàn chỉnh

b/ Tế bào gốc vạn năng (pluripotent stem cells):

Là những tế bào có khả năng biệt hóa thành tất cả các tế bào của cơ thể có nguồn gốc từ ba lá mầm phôi – lá trong, lá giữa và lá ngoài Ba lá mầm phôi này là nguồn gốc của tất cả các loại tế bào chuyên biệt khác nhau của cơ thể Khác với tế bào gốc toàn năng, các tế bào gốc vạn năng không thể phát triển thành thai, không tạo nên được một cơ thể sinh vật hoàn chỉnh mà chỉ có thể tạo nên được các tế bào, mô nhất định Các tế bào gốc phôi lấy từ khối tế bào bên trong (inner cell mass) là những tế bào gốc vạn năng

c/ Tế bào gốc đa năng (multipotent stem cells):

Là những tế bào có khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào của cơ thể từ một tế bào ban đầu Các tế bào được tạo thành nằm trong một hệ tế bào có liên quan mật thiết, ví dụ chỉ tạo nên các tế bào máu (bao gồm hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu lympho…), hoặc chỉ tạo nên các tế bào của hệ thống thần kinh Thường thì các tế bào gốc trưởng thành như tế bào gốc tạo máu, tế bào gốc thần kinh chỉ có tính đa năng; nhưng trong những điều kiện nhất định, chúng vẫn có thể chuyển biệt hóa và trở nên có tính vạn năng

Hình 1 Tế bào gốc toàn năng, vạn năng và đa năng:

d/ Tế bào gốc đơn năng (mono/unipotential progenitor cells):

Tế bào gốc đơn năng, còn gọi là tế bào định hướng đơn dòng hay tế bào đầu dòng (progenitor cells), là những tế bào gốc chỉ có khả năng biệt hóa theo một dòng Ví dụ mẫu tiểu cầu, tế bào định hướng dòng lympho, tế bào định hướng dòng hồng cầu, dòng bạch cầu Trong điều kiện bình thường, các tế bào gốc trưởng thành trong nhiều tổ chức đã biệt hóa có tính đơn năng

và có thể biệt hóa thành chỉ một dòng tế bào Khả năng biệt hóa theo dòng này cho phép duy trì trạng thái sẵn sàng tự tái tạo mô, thay thế các tế bào mô chết vì già cỗi bằng các tế bào mô mới

II.2.2 Phân loại theo nguồn gốc phân lập:

Theo nguồn gốc phân lập có thể xếp loại tế bào gốc làm 3 loại: tế bào gốc phôi (trong đó có tế bào gốc phôi thực thụ và tế bào mầm phôi), tế bào gốc thai, và tế bào gốc trưởng thành

a/ Tế bào gốc phôi (Embryonic stem cells-ESCs) và tế bào mầm phôi (Embryonic germ cells)

Tế bào gốc phôi là các tế bào gốc vạn năng được lấy từ phôi giai đoạn sớm (4-7 ngày tuổi) Ở giai đoạn này phôi có hình cầu và được gọi là phôi túi (blastocyst) Blastocyst có cấu trúc gồm 3 thành phần: Một lớp tế bào bên ngoài (trophoblast), một khoang chứa đầy dịch và một nhóm có khoảng 30 tế bào vạn năng nằm lệch về một cực gọi là khối tế bào bên trong (inner cell mass) Dùng một loại enzyme đặc biệt để phân tách các tế bào của khối này sẽ thu được các

tế bào gốc phôi

Tế bào mầm phôi là các tế bào mầm nguyên thủy có tính vạn năng Đó là các tế bào sẽ hình thành nên giao tử (trứng và tinh trùng) ở người trưởng thành Các tế bào mầm nguyên thủy này được phân lập từ phôi 5-9 tuần tuổi hoặc từ thai nhi So với tế bào gốc phôi, các tế bào mầm phôi khó duy trì dài hạn hơn trong nuôi cấy nhân tạo do chúng ở giai đoạn biệt hóa cao hơn

Hình 2: Tế bào gốc phôi người trông nuô cấy tế bào

b/ Tế bào gốc thai (Foetal stem cells):

Là các tế bào vạn năng hoặc đa năng được phân lập từ tổ chức thai sau nạo phá thai hoặc từ máu cuống rốn sau khi sinh Nhiều người cho rằng, tế bào gốc thai thuộc loại tế bào gốc trưởng thành ở giai đoạn biệt hóa thấp

c/ Tế bào gốc trưởng thành (Adult stem cells/Somatic stem cells):

Còn gọi là tế bào gốc thân Là các tế bào chưa biệt hóa được tìm thấy với một số lượng ít trong các mô của người trưởng thành (máu ngoại vi, mô não,

mô da, mô cơ…) Tuy nhiên, cũng có thể tìm thấy ở trẻ em, thai nhi và có thể tách chiết từ máu cuống rốn Trong cơ thể, vai trò chủ yếu của các tế bào gốc trưởng thành là duy trì và sửa chữa tổ chức mà ở đó chúng được tìm ra

Bình thường, các tế bào gốc trưởng thành được cho là có tính đa năng, chúng có thể phát triển thành nhóm các tế bào có quan hệ mật thiết với nhau trong cùng một tổ chức Ví dụ tế bào gốc tạo máu có khả năng hình thành nên tất cả các loại tế bào máu khác nhau bao gồm hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu, lympho… Tuy nhiên, các bằng chứng gần đây cho thấy một số loại tế bào gốc trưởng thành còn có thể có tính vạn năng, hoặc ít nhất có khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau (tức là có tính mềm dẻo-plasticity)

III- Nguồn lấy tế bào gốc:

a Nguồn lấy tế bào gốc phôi:

Tế bào gốc phôi được lấy từ khối tế bào bên trong (inner cell mass) của phôi túi (blastocyst) phát triển từ:

- Các phôi tạo nên bằng kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm

- Các phôi nhân bản (cloned embryo) tạo nên bằng tách blastosomer trong giai đoạn phôi 2- 4 tế bào, hoặc bằng phân chia blastocyst

- Các phôi nhân bản vô tính tạo nên bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào thân

b Nguồn lấy tế bào mầm phôi và tế bào gốc thai:

Nguồn lấy tế bào mầm phôi và tế bào gốc thai là thai động vật hoặc thai thai nhi nạo bỏ Với thai người nạo bỏ, thường chỉ lấy ở thai nhi dưới 6 tuần

tuổi (thai sớm, mức độ biệt hóa chưa cao) Tổ chức mầm sinh dục thai là nơi lấy tế bào mầm phôi, các tổ chức khác của thai (não, gan) là nơi lấy tế bào gốc thai

c Nguồn lấy tế bào gốc trưởng thành:

Thường lấy từ các tổ chức trưởng thành như: máu cuống rốn, trung mô cuống rốn, tủy xương, máu ngoại vi, nang lông, tổ chức não…

Hình 3 Các nguồn lấy tế bào gốc

IV- Ưu và nhược điểm của các loại tế bào gốc

a Tế bào gốc phôi:

Do có tính vạn năng và dễ tăng sinh khi nuôi cấy labo, tế bào gốc phôi có

lẽ thuận lợi hơn cho liệu pháp điều trị bằng tế bào gốc Tuy nhiên nếu chỉ đơn thuần tiêm tế bào gốc phôi vào vị trí tổn thương, rất có khả năng hình thành nên khối u teratoma tại vị trí tiêm Do đó các tế bào gốc cần được định hướng biệt hóa thành các tế bào mong muốn trước khi được tiêm vào vị trí tổn thương Hiện nay có một số kỹ thuật được dùng để kiểm soát sự biệt hóa tế bào gốc trên nuôi cấy thực nghiệm, ví dụ: thay đổi thành phần hóa học của

môi trường nuôi cấy, tác động vào bề mặt của đĩa nuôi cấy (tạo các giá thể), hay gài các gen đặc hiệu vào những tế bào này

Một trở ngại khác có thể có của việc sử dụng các dòng tế bào gốc phôi trong tế bào gốc trị liệu là khi truyền tế bào gốc từ một cơ thể này vào một

cơ thể khác chúng có thể bị loại bỏ bởi cơ chế miễn dịch vì hệ miễn dịch của

cơ thể nhận coi các protein có trên bề mặt tế bào gốc truyền vào như một kháng nguyên lạ

b Tế bào gốc trưởng thành:

Lợi ích của việc sử dụng tế bào gốc trưởng thành lấy từ bệnh nhân là ở chỗ: đó là các tế bào của bản thân bệnh nhân có thể được nhân lên trong nuôi cấy, xử lý để biệt hóa thành các tế bào mong muốn, và rồi đưa trở lại vào bệnh nhân Việc sử dụng tế bào của bản thân bệnh nhân có thể loại bỏ khả năng chúng bị thải loại bởi hệ thống miễn dịch Các tế bào gốc trưởng thành

về cơ bản là có tính đa năng, tuy nhiên cũng có thể có tính vạn năng (nhờ khả năng mềm dẻo) cho phép chúng biệt hóa thành các chủng loại tế bào khác nhau Nhược điểm của việc sử dụng tế bào gốc trưởng thành là chúng có rất

ít trong các tổ chức trưởng thành và khó nhân lên về số lượng trong nuôi cấy hơn so với các tế bào gốc phôi do chúng ở giai đoạn biệt hóa cao hơn

c So sánh tế bào gốc trưởng thành và tế bào gốc phôi

Tế bào gốc phôi Tế bào gốc trưởng thành

Có ở phôi túi (blastocyst) với số

lượng lớn

Có ở các mô trưởng thành, số lượng ít

Dễ nuôi cấy nhân tạo Khó nuôi cấy nhân tạo hơn

Tế bào gốc phôi Tế bào gốc trưởng thành

Có tính vạn năng cao hơn, dễ tăng

sinh trên nuôi cấy in vi tro, cho phép

tạo ra lượng lớn

Về cơ bản có tính đa năng, có thể có tính vạn năng

Gần như bất tử Không bất tử, số lần phân chia bị giới

hạn Nguy cơ tạo các khối u teratoma cao

Vì thế mà tế bào gốc phôi chưa được

sử dụng trên lâm sàng Để tránh tạo

khối u, cần định hướng biệt hóa tế

bào gốc phôi trước trên nuôi cấy

nhân tạo

Ít nguy cơ tạo các khối u teratoma

Do lấy từ một cơ thể khác nên tế bào

gốc phôi “lạ” với cơ thể nhận vì thế

có nguy cơ gây nên phản ứng thải

ghép

- Không bất đồng miễn dịch, không gây thải ghép nếu là ghép tự thân

- Nếu ghép cho một người khác thì vẫn bất đồng gây phản ứng thải ghép

Không dùng được cho ghép tự thân,

trừ trường hợp tế bào gốc tạo ra bằng

kỹ thuật nhân bản tạo phôi vô tính

Các tế bào gốc của bản thân là nguồn

tế bào tốt nhất cho ghép

V- Ứng dụng tế bào gốc:

a Ghép tế bào gốc trị liệu (stem cell therapy):

Là dùng tế bào gốc để thay thế, sửa chữa các phần cơ thể bị bệnh và tổn thương bằng các tế bào mới khỏe mạnh Kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật ghép tế bào trị liệu (cell transplantation therapy) hay kỹ thuật thay thế tế bào trị liệu (cell replacement therapy)

i Quy trình ứng dụng tế bào gốc trị liệu bao gồm các khâu sau:

- Sản xuất dòng tế bào gốc:

 Thu tế bào gốc: từ phôi hoặc từ tổ chức trưởng thành

 Nuôi cấy các tế bào gốc này trong labo nhằm nhân lên về mặt số lượng

- Với tế bào gốc phôi, cần nuôi cấy nhân tạo trong các điều kiện môi trường lý hóa thích hợp để định hướng biệt hóa thành các tế bào mong muốn

- Ghép tế bào gốc, đưa các tế bào gốc này vào các khu vực tổn thương cần sửa chữa

ii Ứng dụng tế bào gốc trưởng thành trong điều trị:

Trên lâm sàng, tế bào gốc trưởng thành đã được sử dụng trong điều trị các bệnh tự miễn, tai biến mạch máu não, suy giảm miễn dịch, thiếu máu, nhiễm Estein-barr virus, tổn thương giác mạc, các bệnh máu và bệnh gan, tạo xương không hoàn chỉnh, tổn thương tủy sống, liền vết thương da, điều trị ung thư (kết hợp với hóa chất và tia xạ), u não, u nguyên bào võng mạc, ung thư buồng trứng, các khối u đặc, ung thư tinh hoàn, đa u tủy, lơ-xê-mi, ung thư

vú, u nguyên bào thần kinh, u lympho Non-Hodgkin, carcinoma tế bào thận, tái tạo cơ tim sau cơn đau tim, đái đường type I, tổn thương xương và sụn, bệnh Parkinson…

iii Ứng dụng tế bào gốc phôi trong điều trị

Tuy có nhiều triển vọng, hiện nay các tế bào gốc phôi chưa được dùng trong tế bào gốc trị liệu trên người Các bệnh có thể được điều trị bằng ghép các tế bào có nguồn gốc từ tế bào gốc phôi người bao gồm bệnh Parkinson, đái đường, chấn thương tủy sống, suy tim… Vấn đề là khi điều trị cho các bệnh này yêu cầu các tế bào gốc phôi phải được định hướng biệt hóa thành các chủng loại tế bào đặc thù trước khi ghép

Một ưu điểm của dùng tế bào gốc phôi so với tế bào gốc trưởng thành là các tế bào gốc phôi có khả năng tăng sinh không giới hạn trên in vitro và có khả năng sinh ra nhiều chủng loại tế bào hơn khi được định hướng biệt hóa

Ưu thế này sẽ tăng lên nếu như trong quá trình ghép tế bào/mô, các tế bào

gốc phôi không gây kích hoạt quá trình thải ghép do miễn dịch Có thể tránh tính sinh miễn dịch của các tế bào phát triển từ tế bào gốc phôi người bằng chuyển gen cơ thể nhận vào các tế bào gốc phôi làm cho chúng mang các phân tử kháng nguyên hòa hợp tổ chức (MHC) lớp I của cơ thể nhận, hoặc bằng kỹ thuật chuyển nhân để tạo ra các tế bào gốc phôi đồng nhất về gen với người nhận mô ghép

Nhược điểm của dùng tế bào gốc phôi cho ghép trị liệu là dễ hình thành các khối u teratoma Điều này làm cho tế bào gốc phôi chưa được sử dụng trong ghép tế bào gốc trị liệu trên lâm sàng Hiện đã có một số phương pháp nhằm loại bỏ các tế bào gốc phôi không biệt hóa trước khi ghép cho phép có thể tránh việc hình thành các khối u teratoma trên cơ thể nhận

b Công nghệ mô (tissue engineering)

Có thể coi công nghệ

mô là một ứng dụng của tế

bào gốc trị liệu Các tiến bộ

gần đây trong nghiên cứu

công nghệ mô và tế bào

gốc cho thấy có thể thiết

lập tế bào thành các cấu

trúc không gian ba chiều

dùng để sửa chữa mô tổn

thương Sửa chữa tổ chức

bằng công nghệ mô có thể

được thực hiện bằng cách

nuôi cấy tế bào gốc và sau

đó ghép vào mô tổn thương

Trong công nghệ mô có thể sử dụng tế bào gốc trưởng thành để phát triển thành mô ghép hoặc có thể dùng tế bào gốc phôi tạo ra trong kỹ thuật nhân bản phôi vô tính để sản xuất ra các mô ghép phù hợp về mặt miễn dịch (sơ đồ B) Một hướng khác có khả năng tạo ra mô ghép phù hợp với bệnh nhân từ

nguồn tế bào gốc phôi là dùng kỹ thuật chỉnh sửa gen mã hóa phân tử hòa hợp tổ chức chính (MHC) (sơ đồ A)

c Các ứng dụng tế bào gốc phôi không liên quan đến ghép:

Các ứng dụng không liên quan đến ghép chủ yếu được thực hiện trên tế bào gốc phôi Có thể kể đến một số ứng dụng sau:

- Nghiên cứu những sự kiện sớm xảy ra trong quá trình phát triển phôi thai người như các nguyên nhân có thể gây sinh ra trẻ dị tật bẩm sinh và các bất thường nhau thai dẫn đến sảy thai

- Khám phá ảnh hưởng của các bất thường chrosome trong giai đoạn sớm của quá trình phát triển Ảnh hưởng này có thể là sự hình thành sớm các khối u ở trẻ em mà qua nghiên cứu người ta thấy rằng các tế bào khối u này chủ yếu có nguồn gốc từ phôi

- Thử nghiệm các thuốc điều trị Hiện nay trước khi thử một thuốc mới trên người tình nguyện, thuốc đó phải được qua thử nghiệm tiền lâm sàng Trong thử nghiệm tiền lâm sàng có sàng lọc thuốc trên các mô hình động vật –

ví dụ các thử nghiệm trên in vitro có dùng tế bào chuột, hoặc các thử nghiệm

in vivo liên quan đến việc đánh giá độc tính cấp và độc tính bán trường diễn của thuốc Mặc dù các nghiên cứu dược lấy phương pháp thử nghiệm trên các

mô hình động vật làm căn bản, biện pháp này không phải lúc nào cũng cho phép phỏng đoán chính xác các tác dụng có thể có của thuốc trên các tế bào người Vì lý do này việc nuôi cấy tế bào người thường được sử dụng trong các thử nghiệm tiền lâm sàng Các dòng tế bào người này thường được duy trì in vitro trong thời gian dài và như vậy thường mang các đặc tính biệt hóa hơn các

tế bào trong cơ thể Các khác biệt này có thể gây khó khăn trong việc phỏng đoán tác dụng của thuốc trong cơ thể nếu chỉ dựa trên các đáp ứng của các dòng tế bào người trên in vitro Chính vậy nếu các tế bào gốc phôi có thể được định hướng biệt hóa thành các loại tế bào đặc thù cho sàng lọc thuốc, các tế bào đặc thù này có lẽ sẽ mô phỏng tốt hơn đáp ứng của các tế bào/mô trong cơ thể với thuốc và như vậy cũng cung cấp các mô hình sàng lọc thuốc an toàn, kinh tế và hiệu quả hơn

- Sàng lọc các chất có khả năng gây độc Lý do sử dụng tế bào gốc phôi người trong sàng lọc độc chất cũng giống như lý do dùng chúng vào việc thử thuốc như đã nêu trên Độc chất thường có tác dụng khác nhau trên các loài động vật khác nhau, điều này nói lên tầm quan trọng cần có các mô hình in vitro phù hợp nhất cho đánh giá tác dụng của độc chất trên các tế bào người