I. HỖ TRỢ SINH SẢN
Năm 1982, Brackett và cs, đã nuôi và sử dụng tế bào trứng chín in vivo, sau đó thử nghiệm kỹ thuật IVF (in vitro fertilization) để cho ra đời con bê từ ống nghiệm đầu tiên trên thế giới. Từ đó, phôi của nhiều loài động vật đã được sản xuất theo cách này như bò (Gordon và Lu, 1990), dê (Hanada 1985), heo (Cheng và cs, 1986)…
Thụ tinh trong ống nghiệm trên người được manh nha từ năm 1961, nhưng mãi đến năm 1978 mới có em bé đầu tiên ra đời (bé Louise Brown). Từ đó, công nghệ này phát triển vượt bậc:
tính đến năm 1990, trên thế giới, đã có tới gần 100.000 bé ra đời bằng thụ tinh trong ống nghiệm, năm 2006, con số này lên đến hàng triệu.
Ở khu vực Đông Nam Á, cùng với Thái lan, Singapore, Malaysia…Việt nam cũng đã thực hiện thành công kỹ thuật này vào năm 1998. Công nghệ IVF thực sự đã mang lại niềm hy vọng cho nhiều cặp vợ chồng hiếm muộn. Tới nay, sự tiến bộ của kỹ thuật IVF có thể điều trị hầu hết các chứng vô sinh.
Với sự ra đời của nhiều kỹ thuật mới như ET (embryo transfer – chuyển phôi vào tử cung), GIFT (gamete intrafallopian transfer – chuyển giao tử vào vòi trứng), ZIFT ( zygote intrafallopian transfer – cấy chuyển phôi vào vòi trứng của động vật mang), ROSI (Round spermatid injection – tiêm những tinh trùng hình tròn) giúp tăng đáng kể hiệu quả hỗ trợ sinh sản, đến nay, người ta đã có thể điều trị hầu hết các chứng vô sinh. Kỹ thuật IVM (in vitro maturation–nuôi chín trong ống nghiệm) có ý nghĩa lớn đối với các bệnh nhi được điều trị bằng những tác nhân có khả năng gây đột biến di truyền, giúp cho những người này vẫn có thể có con bình thường khi trưởng thành.
Kỹ thuật đông lạnh bảo quản phôi đã đạt được những thành công to lớn và được ứng dụng rộng rãi ở người và động vật. Các phương pháp đông lạnh mới tỏ ra rất hiệu quả, nhất là trong việc bảo tồn nguồn gen của các loài có nguy cơ tuyệt chủng. Bảo quản tế bào gốc phôi là một phương pháp hữu hiệu để bào tồn nguồn gen.
Thông qua việc chọn lọc giới tính tinh trùng hoặc xác định trực tiếp giới tính phôi, người ta có thể điều khiển giới tính phôi, điều này rất có ý nghĩa trong chăn nuôi.
Kỹ thuật tạo dòng (cloning) động vật bằng phương pháp cắt phôi (EMS) hay chuyển nhân (BNT) là một thành tựu khoa học quan trọng. Cừu Dolly là động vật hữu nhũ đầu tiên được nhân dòng từ tế bào 2n trưởng thành (1997), đây cũng là vấn đề gây nhiều tranh cãi về đạo lý sinh học.
Sau đó, nhiều động vật khác cũng được nhân dòng theo phương pháp trên. Kỹ thuật nhân dòng được sử dụng để nhân nhanh giống vật nuôi (VD: nhân dòng bò Holstein bằng kỹ thuật cắt phôi) và bảo tồn các loài động vật có nguy cơ tuyệt chủng và phục vụ nghiên cứu y sinh.
55 Hình 4.1. Các chiến lược bảo tồn và tái thiết lập bầy đàn
II. ĐỘNG VẬT BIẾN ĐỔI GEN
Một trong những xu hướng chủ đạo của việc ứng dụng công nghệ di truyền là tạo ra những động vật biến đổi gen và dùng các sinh vật này sản xuất những sản phẩm không truyền thống, phục vụ cho nhu cầu của con người: nguồn thuốc (động vật sản xuất hormone, protein máu… từ sữa, trứng, máu… cho người và động vật; nguồn tế bào, mô và cơ quan sống phục vụ cho trị liệu dị ghép (xenotransplantation); tạo mô hình động vật thí nghiệm phục vụ cho nghiên cứu bệnh lí, dược lí và độc học; tạo nguồn thực phẩm cho người và động vật cùng các sản phẩm hữu dụng khác (vaccine, sợi...).
Động vật biến đổi gen là những động vật đã được làm thay đổi đặc tính di truyền không thông qua sự giao phối tự nhiên hay tái tổ hợp tự nhiên của cá gen. Quá trình tạo nên các động vật biến đổi gen được gọi là quá trình biến đổi gen động vật. Có nhiều cách khác nhau để làm biến đổi gen của động vật: chuyển gen (transgenesis), bất hoạt gen (knock out), thay thế gen (knock in), công nghệ NST (chromosome engineering), gây đột biến (bằng tia phóng xạ, hóa chất, virus chọn lọc dòng) hay kỹ thuật nhân bản…
Sử dụng động vật biến đổi gen có hàng loạt những ưu điểm như: chúng có khả năng sinh sản bình thường để phát triển thế hệ các động vật chuyển gen tiếp theo, khả năng sản xuất của chúng rất linh động, số lượng sản phẩm phụ thuộc vào số lượng cá thể hay bầy đàn. Đặc biệt, các động vật này có khả năng tự duy trì nguồn năng lượng, nguồn nguyên vật liệu cho chính bản thân chúng.
Bảo tồn in situ Bảo tồn in vitro
Cá thể
Cá thể đực Cá thể cái Giải đông
Cấy truyền Hỗ trợ sinh sản
Bảo tồnThiết lập bầy đàn
Bảo quản phôi, tinh
Tinh
Tế bào sinh dưỡng
Tạo dòng vô tính Tinh
Trứng
Tế bào sinh tinh, sinh trứng
Phôi
Bảo tồn
Bầy đàn
56
* Ứng dụng động vật biến đổi gen trong y học
Hình 4.2. Các mục đích chính của nghiên cứu chuyển gen vật nuôi
- Mô hình gen gây bệnh: các nhà khoa học đã tạo ra những động vật biến đổi gen như là mô hình bệnh lý ở người giúp tìm hiểu con đường gây bệnh, cũng như đánh giá các liệu pháp trị liệu mới.
- Tạo động vật biến đổi gen để nghiên cứu chức năng gen: động vật biến đổi gen cũng được tạo ra như là những mô hình để phân tích chức năng của gen. Những mô hình động vật này đóng góp to lớn trong nghiên cứu nhiều quá trình tế bào cơ bản.
- Kiểm tra chất độc: động vật chuyển gen được sử dụng để thử nghiệm những hợp chất mới trước khi đưa ra khỏi phòng thí nghiệm, đặc biệt trước khi đưa vào thực phẩm, mỹ phẩm, thuốc hay những dung dịch công nghiệp khác. Các này cho kết quả nhanh, rẻ, sàng lọc được lượng lớn thuốc và hóa chất chứa yếu tố độc hay có khả năng ung thư. Ngày nay, các phòng thí nghiệm còn sử dụng nhiều phương pháp khác như: dựa vào máy tính; các kỹ thuật lý-hóa; microarry; nuôi cấy cơ quan, mô, tế bào; phôi và sinh vật bậc thấp nhằm làm giảm số lượng động vật thử nghiệm cũng như giảm stress đối với động vật nuôi.
- Tạo sản phẩm trong cơ thể động vật: động vật biến đổi gen được sử dụng như là một nhà máy dược phẩm rất hiệu quả. Đến nay, có khoảng 29 protein liệu pháp người được sản xuất bởi các động vật chuyển gen, hầu hết chúng có trong sữa, một số ở máu, nước tiểu hay dịch tinh trùng. Một số loài được sử dụng để thu nhận protein trị liệu: gà, thỏ, dê, cừu, bò… Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại hai rủi ro lớn cho người sử dụng: thứ nhất là sự truyền nhiễm các bệnh từ động vật sang người (đặc biệt là virus); thứ hai là xuất hiện các protein mới lạ, bị biến đổi trong các thế hệ con cháu của động vật biến đổi gen, khi thời gian điều hòa ban đầu của gen đã hết.
- Cấy ghép: động vật chuyển gen là nguồn cung cấp các mô, cơ quan cho dị ghép ở người.
Khó khăn khi sử dụng liệu pháp này là các mối nguy về truyền nhiễm virus từ động vật cho và sự tương hợp sinh lí giữa mảnh ghép và cơ thể nhận mảnh ghép. Bên cạnh đó, chuyển gen ở động vật nhằm mục đích cấy ghép còn phải đương đầu với mối nguy lớn là sức khỏe của động vật, vấn đề trật tự bộ gen loài hay sự lây nhiễm nguồn gen trong thế giới sống…
DNA
Vật nuôi chuyển gen
Cải thiện sức khỏe, sản
phẩm động vật Sản xuất dược liệu, cơ
quan cấy ghép Các thông tin khác
Hình 4.3. Điều trị bằng liệu pháp cấy ghép
- Ngoài ra, động vật biến đổi gen còn được sử dụng cho các mục đích khác như sản xuất thịt, len, sữa, tơ nhện, kháng bệnh trong thú y, giảm ô nhiễm phosphor, tăng khả năng chống chịu của động vật nuôi (cá, giáp xác…), tạo côn trùng kháng sự truyền bệnh…
Bên cạnh nhiều lợi ích, các động vật chuyển gen nói riêng, sinh vật chuyển gen nói chung, cũng làm nảy sinh nhiều tranh cãi về tính an toàn cho người tiêu dùng và cho môi trường.
III. CÔNG NGHỆ TẾ BÀO GỐC
Tế bào gốc là những tế bào chưa biệt hóa, có khả năng tự trẻ hóa lâu dài, và có thể biệt hóa thành các loại tế bào chức năng khác… Tế bào gốc có nhiều ứng dụng:
Hình 4.4. Một số bằng chứng tính mềm dẻo tế bào gốc trưởng thành Thu nhận
(tế bào, mô, cơ quan)
Chuyển vào người (tế bào, mô, cơ quan)
Bệnh nhân cần thay thế (tế bào, mô,
cơ quan) Chèn gen
Immunoprotective của người vào heo
Gan
Não Tế bào gốc CNS
Tủy xương
Xương
Cơ xương Tế bào
máu
Mạch máu
Tế bào mỡ
Tế bào thần kinh Tế bào biểu mô Tế bào nền
tủy xương
Cơ tim
58 - Cấy ghép tế bào, mô và cơ quan: mô, cơ quan được tạo từ tế bào gốc phôi của người là tiềm năng quan trọng nhất. Nhiều bệnh có thể được điều trị bằng cấy ghép tế bào gốc phôi người đã được ghi nhận gồm Parkinson, tiểu đường, chấn thương cột sống, suy thoái tế bào purkinje, loạn dưỡng cơ Duchenne’s, tim, tạo xương… Các tế bào gốc phôi được cấy ghép có thể tồn tại, hợp nhất và có chức năng trong cơ thể nhận. Tuy nhiên, việc cấy ghép tế bào gốc phôi cũng tiềm ẩn bất lợi là xu hướng cảm ứng hình thành khối u (dù là u lành tính và hiện nay người ta đã có thể tránh được sự hình thành khối u này).
Hình 4.5. Chiến lược ghép tế bào gốc
- Liệu pháp gen: sử dụng tế bào gốc biến đổi di truyền như một vector mang gen chuyển để đưa gen mong muốn vào cơ thể.
Hình 4.6. Chiến lược dùng tế bào gốc trong liệu pháp gen
- Kiểm nghiệm hóa chất: Các tế bào gốc là những tế bào bình thường về di truyền, đồng nhất trong quần thể nên có thể nuôi cấy và duy trì trong một thời gian dài. Vì vậy, việc ứng dụng tế bào gốc động vật có vú mở ra liệu pháp mới trong các thử nghiệm dựa trên tế bào, thuận lợi hơn sử dụng những tế bào non, từ khối u lành tính hay những tế bào biến đổi di truyền như truyền thống.
° Ο
°
°
° Ο°
°
° ° Ο
° Ο
Tế bào thần kinh Tế bào tim Tế bào máu Tế bào cơ
Thu nhận và khuếch đại ES Phát triển
blastocyst in vitro
Tái thiết lập chương trình Chuyển nhân
Tế bào gốc thần kinh
Tế bào gốc máu Tế bào thần kinh
Cấy ghép
Tế bào mầm phôi Nhân
Tế bào sinh dưỡng
Tương hợp MHC Tb tụy Tb máu Tb da…
Tổng hợp gen
Vector
Bệnh di truyền Bệnh ung thư Bệnh miễn dịch ...
59 - Trong nghiên cứu: các tế bào gốc phôi của người có thể cho phép nghiên cứu quá trình, thời điểm định hướng và phương thức biệt hóa của tế bào thành các dòng chính của cơ thể. Từ đó, giúp các nhà nghiên cứu hiểu được nguyên nhân của nhiều bệnh tật để đưa đến hướng khắc phục đúng đắn và hợp lý. Các tế bào gốc phôi còn cung cấp các dạng tế bào và mô cho nghiên cứu bệnh.
Hiện nay, người ta có xu hướng sử dụng những tế bào gốc được thu nhận từ tủy hay các mô khác của chính bệnh nhân để trị liệu, gọi là myES (my stem cell). Các myES hầu như an toàn và khó bị thải loại.
IV. CHẨN ĐOÁN BỆNH Có ba phương pháp:
- Chẩn đoán trực tiếp: quan sát phân biệt bằng kính hiển vi, phương pháp ELISA, kỹ thuật phân tử dựa vào bộ gen (PCR, LCR, NASBA, bDNA, Realtime PCR, lai phân tử, SSCP, RFLP...) để nhận diện tác nhân gây bệnh.
- Chẩn đoán gián tiếp: nuôi cấy các tác nhân bệnh và dựa trên các cơ chế miễn dịch (RIA, EIA, WB, RIBA, Line immuoassay…) để nhận diện tác nhân gây bệnh.
- Phương pháp huyết thanh.
Những tiến bộ của y sinh học ngày nay giúp chẩn đoán phân tử có nhiều ưu điểm về độ nhanh, nhạy và chính xác.
V. LIỆU PHÁP GEN
Có nhiều phương pháp điều trị các bệnh gây nên bởi các gen đột biến:
- Ăn kiêng (đối với loại bệnh gây nên bởi các khiếm khuyết trong cơ chế chuyển hóa) - Cấy ghép tủy xương hay cơ quan để thay thế cho các mô bị tổn thương.
- Thay thế những gen hỏng bằng gen lành (liệu pháp gen)
Liệu pháp gen là những kỹ thuật sửa sai những gen bị hỏng gây bệnh, bao gồm những chiến lược sau:
- Gen lành được chèn vào bất kỳ một vị trí nào trong cơ thể để thay thế chức năng cho các gen bệnh. Hoặc gen lành thay thế gen bệnh thông qua sự tái tổ hợp.
Hình 4.7. Sơ đồ chiến lược điều trị bằng gen
IN VIVO Gen
liệu pháp
Tiêm vào bệnh nhân
EX VIVO Tế bào bệnh
nhân (thường là tế bào gốc)
Đưa gen vào tế bào
Tăng sinh tế bào biến đổi di truyền Mô nhận
Cấy tế bào vào bệnh nhân
60 - Gen bệnh có thể được sửa sai bằng cách thông qua đột biến ngược chọn lọc (selected reverse mutation) thành gen lành.
- Điều hoà hoạt động của một gen đặc biệt nào đó.
- Liệu pháp antisen, liệu pháp RNAi, vaccine DNA.
VI. VẬT LIỆU Y - SINH
• Đóng vai trị thiết yếu trong việc thay thế và cải thiện chức năng của mọi hệ thống chính trong cơ thể
• Năm 1952, các hoạt chất sinh học nhân tạo đã được dùng trong phẫu thuật tim mạch
• Hơn 600000 đoạn mạch dẫn được cấy ghép mỗi năm để thay thế những mạch máu bị tổn thương
• Phát triển các màng sống có cố định thuốc và tế bào ứng dụng trong trị liệu và nuôi cấy tế bào
Vật liệu sinh học ngày nay đóng vai trò thiết yếu trong việc thay thế và cải thiện chức năng của mọi hệ thống chính trong cơ thể (hệ xương, hệ tuần hoàn…). Một vài mảnh cấy ghép thông thường có thể kể đến là những bộ phận chỉnh hình (khớp gối, khớp háng, mảnh ghép tủy sống, vật cố định xương); những mảnh ghép tim (van tim và nút xoang nhĩ nhân tạo); những mảnh ghép mềm (mảnh ghép ngực, collagene dùng bơm vào để tăng kích thước mô mềm); mảnh ghép trong nha khoa để thay thế răng, chân răng và những mô có xương trong khoang miệng…
Những hoạt chất sinh học nhân tạo đã được dùng trong phẫu thuật tim mạch vào năm 1952, khi đó mảnh ghép Hufnagel là van tim nhân tạo đầu tiên thành công, và Voorleses cũng là người giới thiệu mảnh ghép tim nhân tạo đầu tiên.
Hiện nay, mỗi năm có hơn 600.000 đoạn mạch dẫn được cấy ghép để thay thế những mạch máu bị tổn thương ở các bệnh nhân.
Ngoài các vật liệu có chức năng vật lý, thời gian gần đây, CNSH cũng đã phát triển hàng loạt vật liệu có tính chất sinh hóa, đó là các màng sống có cố định thuốc và tế bào, nhằm ứng dụng trị liệu hoặc phát triển công nghệ tế bào động vật…
61