Bài viết này giới thiệu nội dung khoa học và triển vọng ứng dụng trong y học từ những thành tựu của giải Nobel Y học năm 2012, đồng thời phân tích một số hạn chế của các loại tế bào được tạo ra bằng phương pháp này và một số vấn đề kỹ thuật còn cần được giải quyết.
TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 THÔNG TIN Y HỌC: GIẢI THƯỞNG NOBEL Y HỌC NĂM 2012: NỘI DUNG KHOA HỌC VÀ TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG CỦA NHỮNG PHÁT MINH ĐƯỢC GIẢI TÓM TẮT Giải thưởng Nobel Y học năm 2012 trao cho TS John Gurdon TS Shinya Yamanaka với công trình nghiên cứu lĩnh vực chuyển nhân tế bào soma nghiên cứu tế bào gốc (TBG) Các nghiên cứu thực cách 40 năm, theo hai cách tiếp cận khác nhau, có điểm chung tái lập trình máy di truyền tế bào trưởng thành biệt hóa, làm cho chúng trở trạng thái sơ khai TBG vạn tiềm năng, có khả phát triển thành tất loại tế bào cần thiết thể Trên bình diện khoa học, phát minh làm thay đổi lớn nhận thức nhân loại q trình biệt hóa tế bào tính uyển chuyển (hay mềm dẻo - plasticity) trạng thái biệt hóa tế bào Về ý nghĩa thực tiễn lĩnh vực y học, nhiều phương pháp, nhà khoa học tạo tế bào vạn tiềm giống TBG phơi, có đặc điểm di truyền phù hợp với người bệnh Từ tế bào này, tạo tế bào mơ để chữa bệnh liệu pháp TBG y học tái tạo, vượt qua khó khăn thiếu tế bào, mơ, tạng để cấy ghép Tuy nhiên, số trở ngại kỹ thuật cần vượt qua để ứng dụng vào điều trị bệnh cho người Hơn nữa, ứng dụng được, tế bào có giới hạn định Bài viết giới thiệu nội dung khoa học triển vọng ứng dụng y học từ nh÷ng thành tựu giải Nobel Y học năm 2012, đồng thời phân tích số hạn chế loại tế bào tạo phương pháp số vấn đề kỹ thuật cần giải * Từ khóa: Giải Nobel Y học 2012; Tái lập trình tế bào; Tế bào vạn tiềm MỞ ĐẦU Tất tế bào thể người có nguồn gốc từ tế bào ban đầu zygote, hợp từ tinh trùng người cha trứng người mẹ Zygote tế bào toàn năng, từ phân chia tạo nhiều hệ tế bào cháu Mỗi loại tế bào cháu thực chức sinh lý khác hoạt động sống thể Có hai tượng thường xuyên diễn suốt q trình hình thành phát triển phơi, thai thể tăng lên số lượng chủng loại tế bào, thực hai trình tương ứng tăng sinh (proliferation) biệt hoá (differentiation) Tăng sinh tượng tế bào phân chia làm tăng số lượng tế bào Biệt hoá tượng tế bào sinh có cấu trúc chức không giống với tế bào sinh nó, làm xuất loại tế bào Q trình biệt hố biến tế bào thành tế bào chuyên biệt để thực chức chuyên trách cấu tạo chức mô, quan thể Cơ thể có hàng trăm loại tế bào chuyên biệt khác nhau; loại tế bào tạo theo đường biệt hoá riêng tất đường có chung xuất phát điểm tế bào trứng thụ tinh ban đầu, sau toả dần thành nhiều nhánh số nhánh tăng dần lên trình phát triển từ phơi thành thể trưởng thành 140 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 Khả tế bào ban đầu phân chia, tạo tế bào cuối có chức sinh lý khác gọi tiềm biệt hóa tế bào Tế bào nhiều tiềm năng, tạo nhiều loại tế bào khác Những tế bào tiềm tạo vài kiểu tế bào chức định Những tế bào không tiềm năng, không phân chia, không tạo thêm tế bào khác mà thực chức chuyên biệt hồng cầu vận chuyển oxy khí carbonic; tế bào thần kinh đảm trách dẫn truyền xung thần kinh; tế bào có chức co giãn… tế bào xương không cần sợi tham gia co bóp tế bào Khi gen bị tắt, tế bào khả chuyển thành loại tế bào có chức khác, khơng theo lộ trình biệt hố Tế bào biệt hoá, nhiều gen bị tắt khả chuyển đổi thành loại tế bào khác Thông thường, tế bào biệt hố theo đường khơng khả quay trở lại thành tế bào biệt hố tế bào sinh hay chuyển qua đường biệt hố khác để hình thành loại tế bào khác Điều Corrad Hal Waddinton (1957) ví tế bào chưa biệt hóa tảng đá đỉnh núi, biệt hóa, lăn theo sườn núi xuống thung lũng nằm yên đáy thung lũng trạng thái tế bào biệt hóa Do vậy, việc đảo ngược trạng thái tế bào biệt hóa thành tế bào chưa biệt hóa chẳng khác dịch chuyển tảng đá từ đáy thung lũng ngược lên đỉnh núi [5] TÁI LẬP TRÌNH NHÂN TẾ BÀO SOMA ĐÃ BIỆT HĨA Hình 1: Tiềm biệt hóa tế bào [4] Nghiên cứu di truyền biểu sinh (epigenetics) cho thấy, hầu hết tế bào thể có đủ gen di truyền giống zygote để điều khiển hoạt động xây đắp vận hành thể Tuy nhiên, tế bào biệt hoá trở nên chuyên biệt, gen không cần thiết cho hoạt động tế bào bị tắt khơng hoạt động Ví dụ, tế bào phổi không cần sử dụng gen điều khiển phản ứng hoá học để khử độc tế bào gan Mặc dù nhận thức q trình biệt hóa tế bào trạng thái biệt hóa tế bào có lúc coi chân lý Tuy nhiên, có nhiều nhà khoa học tiến hành thí nghiệm nhằm tìm hiểu kỹ vấn đề Năm 1952, Robert Briggs Thomas King phát triển công nghệ chuyển nhân tế bào soma biệt hóa chưa biệt hóa vào trứng thụ tinh, sau loại bỏ nhân loài ếch Rana pipien Các tác giả chọn ếch trứng to, dễ thao tác phơi chúng phát triển bên ngồi khơng cần tử cung Khi chuyển nhân tế bào lấy từ phôi vào bào tương trứng loại bỏ nhân, trứng phát triển thành 141 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 nòng nọc Ngược lại, lấy nhân tế bào biệt hóa chuyển vào bào tương trứng loại bỏ nhân họ khơng tạo nòng nọc Từ đó, tác giả kết luận: có biến đổi khơng phục hồi nhân tế bào biệt hóa, làm tiềm phát triển tế bào [5] Cơng trình Gurdon Năm 1962, John Gurdon tiến hành nghiên cứu loài ếch Xenopus laevis, đó, ơng loại bỏ nhân trứng ếch phương pháp chiếu tia tử ngoại chuyển nhân tế bào biệt hóa tế bào biểu mơ ruột nòng nọc vào trứng loại bỏ nhân đó, kết tạo nòng nọc biết bơi Điều cho thấy thơng tin di truyền cần thiết để tạo tế bào biệt hóa khác thể ếch ngun vẹn nhân tế bào biểu mô ruột tái lập trình thơng tin di truyền nhân tế bào biệt hóa trạng thái sơ khai tế bào vạn tiềm phơi ngun thủy Hình 2: Thí nghiệm John Gurdon: (1) phá hủy nhân trứng ếch tia tử ngoại; (2) chuyển nhân tế bào biểu mô ruột biệt hóa nòng nọc vào trứng loại bỏ nhân; (3) trứng chuyển nhân phát triển thành nòng nọc biết bơi bình thường [5] Phát minh Gurdon làm thay đổi nhận thức nhân tế bào soma biệt hóa có khả điều khiển phát triển tế bào thành tất tế bào soma mô khác sau đặt vào môi trường nguyên sinh chất trứng Các bước phát triển công nghệ tái lập trình nhân tế bào chuyển nhân Phát minh Gurdon mở lĩnh vực nghiên cứu với trọng tâm kỹ thuật chuyển nhân tế bào soma nhằm tìm hiểu trình tái lập trình tế bào tế bào biến đổi q trình biệt hóa Năm 1997, động vật nhân vơ tính cừu Dolly tạo kỹ thuật chuyển nhân tế bào soma dựa tảng kỹ thuật Gurdon với số cải tiến kỹ thuật quan trọng, đó, nhân chọn để chuyển nhân tế bào biểu mô tuyến vú thích hợp giai đoạn sớm phát triển phơi động vật có vú Sau cừu Dolly, hàng loạt động vật có vú nhân vơ tính chuột nhắt, bò, lợn, mèo… Nghiên cứu thú vị Hochedlinger Jaenisch (2002) chuyển nhân tế bào lympho T B biệt hóa, đồng thời trải qua trình tái xếp gen liên quan đến tạo kháng thể đặc hiệu tạo thụ thể tế bào lympho T đặc hiệu với kháng nguyên, cho chứng xác đáng tái lập trình tế bào biệt hóa sâu để tạo chuột nhõn bn vụ tớnh hon chnh [1] TáI LậP TRìNH NGUYêN VẹN Cả Tế BàO SOMA ã BIệT HóA THàNH Tế BàO VạN TIềM NăNG 142 TP CH Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 Phát minh Gurdon tái lập trình nhân tế bào soma biệt hóa sau đặt vào môi trường nguyên sinh chất trứng loại bỏ nhân; giới khoa học tiếp tục theo đuổi việc trả lời câu hỏi liệu tái lập trình tế bào nguyên vẹn biệt hóa trở lại trạng thái non chưa biệt hóa hay khơng? Khi đó, nhiều nhà khoa học cho rằng, điều khơng thể cần có tái xếp vơ phức tạp bên tế bào mở khóa cho trạng thái biệt hóa tế bào Khi người biết TBG phôi vạn tiềm phân lập nuôi cấy theo phương pháp Martin Evans (Giải Nobel Y học năm 2007), lúc Yamanaka tập trung vào nghiên cứu tái lập trình tế bào thành trạng thái vạn tiềm Cơng trình Yamanaka Nhóm nghiên cứu Yamanaka tập trung vào tìm hiểu yếu tố quan trọng định trạng thái vạn tiềm TBG phôi vạn tiềm Kế thừa thành tựu từ phòng thí nghiệm từ phòng thí nghiệm khác, Yamanaka biết có nhiều yếu tố phiên mã biểu TBG phôi vạn tiềm năng, số có yếu tố biết rõ số yếu tố nghi ngời vai trò chúng việc trì trạng thái vạn tiềm tế bào Hơn nữa, nghiên cứu Tada CS (2001) cho thấy, cảm ứng tế bào soma thành tế bào vạn tiềm sau lai TBG phôi vạn tiềm với tế bào soma [2] Từ đó, Yamanaka chọn 24 yếu tố phiên mã TBG phôi làm đối tượng khảo sát Trong nghiên cứu ngoạn mục, toàn 24 gen mã hóa yếu tố phiên mã đưa vào nguyên bào sợi phân lập từ da chuột nhắt, cho thấy số tế bào chuyển gen phát triển thành colony có đặc điểm giống TBG phôi vạn tiềm Bằng cách giảm dần gen số gen này, cuối Yamanaka xác định cần tổ hợp yếu tố phiên mã (Myc, Oct3/4, Sox2 Klf4) đủ để cảm ứng nguyên bào sợi chuột nhắt thành TBG vạn tiềm ông gọi tế bào TBG vạn tiềm cảm ứng (induced pluripotent stem cell - tế bào iPS) Bằng thử nghiệm sinh u quái cho thấy, tế bào iPS phát triển thành nhiều loại tế bào khác phát triển thành mô sau tiêm vào phôi nang tạo chuột khảm (chimera) [3] Tuy nhiên, loạt thí nghiệm đầu tiên, tác giả không thấy chúng phát triển thành tế bào mầm sinh dục Một năm sau, cách thay đổi hệ thống chọn lọc tế bào, nhóm nghiên cứu Yamanaka nhóm nghiên cứu khác Rudolph Jaenisch Konrad Hochedlinger thu dòng tế bào mầm sinh dục [5] Hình 3: Thí nghiệm Yamanaka: Sử dụng tổ hợp yếu tố phiên mã Myc, Oct3/4, Sox2 Klf4 (1) đưa vào nguyên bào sợi nuôi cấy phân lập từ da chuột nhắt bao tử chuột nhắt trưởng thành (2) tạo tế bào vạn tiềm phát triển thành u quái tham gia phát triển thành mô thể chuột khảm 143 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 (3) Các tế bào sau chuyển gen gọi TBG vạn tiềm cảm ứng - tế bào iPS [5] cho yếu tố phiên mã thu kết số trường hợp định [5] Các bước phát triển cơng nghệ tái lập trình tế bào ngun vẹn chuyển gen TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG Y KHOA Phát minh Yamanaka tế bào iPS thực khám phá mang tính tảng, cho thấy tái lập trình tế bào soma ngun vẹn biệt hóa thành tế bào vạn tiềm Phát minh mở lĩnh vực nghiên cứu hồn tồn Vào năm 2007, nhóm nghiên cứu Yamanaka James Thompson thành công việc cảm ứng tạo tế bào iPS người Trong thí nghiệm với tế bào người, nhóm nghiên cứu Yamanaka sử dụng tổ hợp yếu tố phát trước (Myc, Oct3/4, Sox2 Klf4), nhóm Thompson sử dụng tổ hợp khác gồm Lin28, Nanog, Oct4 Sox2 Công nghệ tạo tế bào iPS cải tiến đơn giản hóa để áp dụng nhiều phòng thí nghiệm giới Trong số cải tiến kỹ thuật, có cải tiến phương thức chuyển gen vào tế bào không dùng vector retrovirut, tránh nguy cài gen ngẫu nhiên vào gen làm kiểm soát số gen dẫn đến sinh ung thư Việc chuyển gen thực hệ thống chuyển gen khơng tích hợp vào gen tế bào chủ Qua nghiên cứu chuyển gen vào tế bào khác cho thấy có tế bào khơng cần phải chuyển gen, ví dụ: cần chuyển gen Oct4 vào TBG thần kinh chuột nhắt trưởng thành cảm ứng thành tế bào iPS Bên cạnh chuyển gen, sử dụng hóa chất gây cảm ứng thay Các cơng trình nghiên cứu Gurdon Yamanaka có triển vọng ứng dụng chung cho điều trị bệnh, giúp tạo nguồn TBG có đặc điểm di truyền phù hợp với người bệnh cần điều trị TBG Nhân vơ tính để điều trị Bản chất nhân vơ tính để điều trị chuyển nhân tạo TBG phôi đặc hiệu với bệnh nhân (BN) để điều trị bệnh cho người dựa tảng kỹ thuật Gurdon Để điều trị cho BN cần lấy nhân từ tế bào soma BN (ví dụ nhân nguyên bào sợi da BN); chuyển nhân nguyên bào sợi BN vào trứng người cho trứng loại bỏ nhân, kích thích cho phát triển thành cấu trúc giống phôi nang (hay phôi nhân vơ tính) Phá huỷ phơi này, thu hoạch tế bào khối tế bào bên TBG phơi Các tế bào có đặc điểm di truyền giống với BN (vì tồn chất liệu di truyền nhân lấy từ tế bào soma BN) BN có mơ hay quan bị tổn thương và/hoặc chức năng, tiến hành biệt hố TBG phơi đặc hiệu BN thành tế bào, mô để chữa bệnh Các tế bào mơ tạo hồn tồn khoẻ mạnh, ghép vào BN, bổ sung thay cho tế bào, mô cũ bị tổn thương và/hoặc chức mà không bị hệ thống miễn dịch cơng (vì khơng có khác biệt di truyền tế bào hay mô ghép với BN) 144 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 Với cách làm trên, hy vọng, lý thuyết, sửa chữa tế bào, mô quan bị tổn thương, mở triển vọng cứu chữa vô số bệnh mà y học chưa giải Đái tháo đường týp I, đột quỵ não, bệnh Parkinson, bệnh Alzheimer, suy gan, suy thận số bệnh tự miễn khác bệnh ưu tiên tập trung nghiên cứu ứng dụng TBG Quả thật, hy vọng to lớn mà nhân loại mong chờ nhà khoa học thành công lĩnh vực Cũng kỳ vọng lớn sức ép từ chạy đua khoa học (và tiền tài danh vọng) khiến cho GS Hwang Hàn Quốc vội vã công bố kết ngụy tạo mà họ chưa thực đạt đến, khiến giới hy vọng thất vọng Bên cạnh đó, vấn đề mà dư luận giới quan tâm đòi hỏi nhà quản lý quốc gia cần có biện pháp theo dõi chặt chẽ hoạt động là: từ phơi nhân vơ tính tạo kỹ thuật chuyển nhân, thay hủy để thu thập TBG phôi dùng cho điều trị, đem phôi đặt vào tử cung người phụ nữ mang thai hộ sinh người nhân vơ tính (cloned human) cách người ta tạo cừu Dolly Hình 4: Phương pháp nhân vơ tính điều trị [4] Tạo tế bào iPS BN Bằng công nghệ Yamanaka cho phép tạo tế bào iPS BN làm nguyên liệu biệt hóa thành tế bào chức tế bào thần kinh, tế bào cơ, tế bào tiết insulin… để nghiên cứu mơ hình sinh bệnh, thử thuốc cho BN sử dụng để cấy ghép chữa bệnh Đây triển vọng thu hút ý lớn dư luận, cơng nghệ cho phép vượt qua trở ngại phương diện đạo đức có liên quan đến TBG phơi nhân vơ tính 145 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 nhân tạo thực “cứu cánh” cho người thời điểm bị bệnh cần TBG để điều trị khơng có nguồn TBG khác phù hợp với (do trước khơng có hội cất giữ TBG tự nhiên khác nguồn TBG bị bệnh khơng có người phù hợp sinh học với để xin TBG chữa bệnh) Hình 5: Phương pháp tạo tế bào iPS để điều trị [5] Nhờ triển vọng hấp dẫn trên, có quan điểm cho thành tựu hoàn thiện, áp dụng thường qui vào chữa bệnh cho người loại TBG khác trở nên lạc hậu trí loại bỏ khơng cần thiết Điều có lẽ khơng hồn tồn Trên thực tế, có loại TBG để sử dụng cho điều trị bệnh, việc có thêm loại TBG phù hợp với BN để điều trị, giúp thày thuốc có thêm lựa chọn điều trị cho BN TBG tạo theo cách nhà khoa học “ưu việt tuyệt đối”, có khả thay tất TBG khác biết Trên thực tế, ngun liệu TBG đóng vai trò nhóm thuốc đặc biệt để chữa bệnh, có thuốc có nguồn gốc tự nhiên, có thuốc có nguồn gốc tổng hợp nhân tạo, việc lựa chọn thuốc thích hợp tùy thuộc vào loại bệnh quan phủ tạng bị bệnh Tương tự, có tất TBG tay, người thày thuốc cần cân nhắc dùng TBG tủy xương, TBG dây rốn, TBG mơ mỡ, TBG vùng rìa giác mạc… hay TBG nhân tạo tùy thuộc vào định chữa bệnh Khơng phải bệnh dùng TBG nhân tạo để chữa bệnh TBG KẾT LUẬN Các cơng trình nghiên cứu có liên quan đến TBG trao giải thưởng Nobel Y học năm 2012 nghiên cứu đặc biệt xuất sắc Trên phương diện ứng dụng điều trị y khoa, dựa tảng khoa học từ cơng trình này, tạo nguồn TBG có đặc điểm di truyền phù hợp với người bệnh để điều trị Tuy nhiên, thời điểm tại, cơng trình mức “có đóng góp to lớn cho hiểu biết nhân loại” như tuyên bố Hội đồng Trao giải Nobel Vẫn nhiều rào cản kỹ thuật cần vượt qua ứng dụng kỹ thuật vào việc tạo TBG nhân tạo để điều trị bệnh cho người cách thường qui ứng dụng số loại TBG biết khác (đặc biệt khía cạnh an toàn loại TBG dùng để điều trị bệnh) TÀI LIỆU THAM KHẢO Hochedlinger K, Jaenisch R Monoclonal mice generated by nuclear transfer from mature B and T Donor cells Nature 2002, 415 pp.1035-1038 Tada M, Takahama Y, Abe K, Nakatsuji N, Tada T Nuclear reprogramming of somatic cells by in Vitro hybridization with ES cells Curr Biol 2001, 11, pp.1553-1558 146 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 Takahashi, K, Yamanaka, S Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors Cell 2006, 126, pp.663-676 The 2012 Nobel Prize in Physiology or Medicine Advanced Information Nobelprize.org (truy cập ngày 25 Oct 2012) Wobus AM, Boheler KR Embryonic Stem Cells: Prospects for developmental Physiol Rev 2005, 85, pp.635-678 Lê Văn Đông tổng hợp Ngày nhận bài: 30/9/2012 Ngày giao thảo in: 16/11/2012 147 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9-2012 141 ... bước phát triển cơng nghệ tái lập trình tế bào nguyên vẹn chuyển gen TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG Y KHOA Phát minh Yamanaka tế bào iPS thực khám phá mang tính tảng, cho th y tái lập trình tế bào soma nguyên... TBG trao giải thưởng Nobel Y học năm 2012 nghiên cứu đặc biệt xuất sắc Trên phương diện ứng dụng điều trị y khoa, dựa tảng khoa học từ công trình n y, tạo nguồn TBG có đặc điểm di truyền phù hợp... phơi chúng phát triển bên ngồi khơng cần tử cung Khi chuyển nhân tế bào l y từ phôi vào bào tương trứng loại bỏ nhân, trứng phát triển thành 141 TẠP CHÍ Y - DƯỢC HỌC QUÂN SỰ SỐ 9 -2 012 nòng nọc