Cách mạng kỹ thuật sinh học - Phần 6
26/5/2017CÁCH MẠNG KỸ THUẬT SINH HỌC
Trần Đăng Hồng, PhD
Phần 6. KỸ THUẬT TẾ-BÀO-GỐC
Chính kỹ thuật chuyển nhân tế bào thường (somatic nuclear transfer) để tạo tế-bào-lai bằng sinh-sản-vô-tính (cloning) tạo cừu Dolly năm 1996 (Phần 4) đã được cải tiến đưa đến kỹ thuật tế-bào-gốc (stem cells).
Tế-bào-gốc có một tiềm năng áp dụng vô cùng to lớn, bởi vì từ một tế-bào-gốc của phôi bào (embryo) chúng phát triển thành nhiều loại tế bào khác nhau và cơ quan khác nhau trong cơ thể với chức năng riêng biệt. Khi một tế-bào-gốc phân bào, mỗi tế bào mới sanh tiếp tục duy trì bản chất tế-bào-gốc, hoặc trở thành một loại tế bào khác có chức năng riêng biệt, chẳng hạn như tế bào da, tóc, thần kinh, máu v.v., rồi tạo thành tim, phổi, ruột, v.v. Ngoài ra, có nhiều loại mô tế bào lúc nào cũng sản xuất tế bào mới để sửa chữa, thay thế tế bào chết trong cơ thể. Chẳng hạn, khi tế bào da chết hay bị thương, có tế bào da mới thay thế. Tế bào thành ngoài của bao tử chỉ sống vài ba ngày, nên có tế-bào-gốc tự động sản xuất tế bào mới thay thế tế bào chết. Tế bào hồng huyết cầu ở người có đời sống khoảng 100-120 ngày, một người có khoảng 20–30 ngàn tỉ hồng huyết cầu, và trung bình cứ mỗi giây đồng hồ khoảng 2,4 triệu hồng huyết cầu được tạo ra từ tế-bào-gốc trong tủy sống (bone marrow). Ngược lại, ở những cơ quan khác, như tụy tạng hay tim, tế-bào-gốc chỉ được phân bào trong vài điều kiện đặc biệt nào đó mà thôi.
Hình 1. Tiến trình hình thành tế-bào-gốc-phôi-người
Tế-bào-gốc khác với tế bào thông thường bởi 2 đặc tính: (i) Tế bào không chuyên biệt (unspecialized cells) có khả năng sinh sản ra tế bào y như vậy qua phân bào (mitosis); (ii) trong vài điều kiện sinh lý hay thí nghiệm nào đó, tế bào được kích động tạo thành tế bào mô hay cơ quan đặc thù có chức năng chuyên biệt.
Có 2 loại tế-bào-gốc: (i) tế bào phôi (embryonic stem cells, viết tắt ES hay ESC) lấy từ khối bên trong của tiền-phôi-bào (blastocyst), và (ii) tế-bào-gốc-trưởng-thành (adult stem cells, viết tắt AS hay ASC) hay còn gọi là “somatic stem cells” thấy ở nhiều loại mô khác nhau. Ở sinh vật trưởng thành, tế-bào-gốc và tế bào tiền thân (progenitor cells) làm nhiệm vụ sửa chữa cơ thể bổ sung mô tế bào.
Tế-bào-gốc rất quan trọng. Ở phôi 3-5 ngày tuổi, được gọi là “tiền-phôi-bào” (blastocyst), những tế bào bên trong tạo sinh ra toàn cơ thể sinh vật, tức gồm nhiều loại tế bào chuyên biệt và cơ quan như tim, phổi, da, tinh trùng, trứng và nhiều mô khác. Ở vài loại mô, như tủy xương (bone marrow), cơ thịt, bộ óc, có nhiều tế-bào-gốc trưởng thành tạo sinh tế bào mới để thay thế tế bào chết vì bị thương tật hay bị bệnh. Vì khả năng tái tạo, tế-bào-gốc cho nhiều tiềm năng để chửa bệnh như tiểu đường (diabetes), đau tim, v.v. Các nhà khoa học dùng tế-bào-gốc để thử nghiệm thuốc mới, nghiên cứu lý do sinh con khuyết tật.
Nghiên cứu tế-bào-gốc là lãnh vực hấp dẫn nhất thời đại, và đã phát triển nhanh chóng, với nhiều khám phá mới.
Tế-bào-gốc có 3 đặc tính:
- Tế-bào-gốc có khả năng tự phân bào và tự sinh sản vô tận. Trong vài ba tháng, một tế-bào-gốc có thể tự sinh sản ra hàng triệu tế-bào-gốc khác.
- Tế-bào-gốc không chuyên biệt (unspecialized).
- Tế-bào-gốc sinh ra tế bào chuyên biệt (specialized cells). Diễn trình biến từ tế bào không chuyên biệt tạo sinh ra tế bào chuyên biệt được gọi là diễn trình chuyên hóa (differentiation). Có 2 yếu tố kích động cho diễn trình chuyên hóa. Yếu tố bên trong và yếu tố bên ngoài. Yếu tố bên trong là gen, tức DNA được mã hóa mang thông tin ra lệnh tế bào thi hành. Yếu tố bên ngoài gồm các hóa chất tiết ra bởi tế bào khác, do tiếp cận với tế bào kế bên, và do vài phân tử trong môi trường. Ảnh hưởng tương tác của các hiệu lệnh trong diễn trình chuyên hóa làm DNA của tế bào đạt được phương cách kiểm soát gen tùy theo giai đoạn phát triển theo một trình tự có thứ lớp.
Tế bào trưởng thành ASC thì tạo sinh ra loại tế bào mà nơi chứa nó. Chẳng hạn, tế bào ASC tạo máu nằm trong tủy xương thì sinh sản ra các loại máu. Trước đây, nghĩ rằng tế bào tạo máu trong tủy xương không thể sản sinh ra loại tế bào của mô khác, như tế bào thần kinh trong não. Tuy nhiên, các thí nghiệm trong các năm gần đây cho thấy tế-bào-gốc ASC của một mô này có thể tạo sinh ra tế bào của một mô hoàn toàn khác.
Việc thành công tạo con cừu Dolly đã mở đường cho 2 khả năng mới trong nghiên cứu:
(i) Sinh-sản-vô-tính (reproductive cloning) là phương pháp sinh sản không qua dục để tính tạo ra con vật mới giống y hệt về bộ di truyền và hình dạng từ một con vật gốc (làm giống), như đã thực hiện ở cừu Dolly;
(ii) Tạo tế bào phôi ESC thành nhiều loại tế bào khác có chức năng đặc thù nhằm mục đích trị liệu trong y khoa. Có nhiều bệnh do thiếu sót một vài loại tế bào đặc thù nào đó. Chẳng hạn, thiếu tế bào beta sản xuất chất insulin ở bệnh nhân tiểu đường; thiếu tế bào tạo myelin ở bệnh đa xơ cứng (multiple sclerosis). Tạo phôi bào trưởng thành ASC bằng phương pháp chuyển nhân để tạo những tế bào cần thiết mục đích chửa trị các bệnh nói trên. Đó là tiềm năng “liệu pháp qua sinh-sản-vô-tính” (therapeutic cloning).
Tế-bào-gốc lần đầu tiên được cấy thành công trong phòng thí nghiệm từ phôi bào (embryo) loài chuột năm 1981, và ở phôi bào người năm 1998 ở thời kỳ tiền-phôi-bào mới phát triển khoảng 200-300 tế bào. Chúng được nuôi và sinh sản bằng phương pháp cấy tế bào (cell culture) trong phòng thí nghiệm. Những tế bào này được mang tên “tế-bào-gốc-phôi-người” (human embryonic stem cells - hESCs). Kỹ thuật này cần đến phôi bào người (human embryo) lấy từ bào thai sơ sinh (chết) nên bị các nhà đạo đức và lãnh đạo tôn giáo chống đối. Báo chí phản ảnh sự chống đối việc tạo con người nhân tạo bằng kỹ thuật sinh-sản-vô-tính như chuyện con cừu Dolly, cho đó là trái với thiên nhiên, trái với đạo đức và niềm tin tôn giáo. Ngoài ra, có thể tạo con người không hoàn thiện như Frankenstein, tạo sinh con người ác độc như lấy DNA từ Hitler, gây thêm nhiều bệnh tật không thể tiên đoán trước như “mad cow disease – bịnh bò điên - ở thập niên 1990s, v.v. Vì áp lực chống đối, chánh phủ Hoa Kỳ, Pháp và Tòa Thánh Vatican cấm nghiên cứu tế-bào-gốc-phôi-người lấy từ phôi bào thai nhi.
Ở Hoa Kỳ, bị cấm sử dụng tế-bào-gốc-phôi-người trong nghiên cứu “sinh-sản-vô-tính”, một số nhà nghiên cứu chuyển hướng đến nghiên cứu tế-bào-gốc trưởng thành ASC, và ở các nước khác, như ở Anh có chính sách cởi mở hơn trong việc sử dụng tế-bào-gốc-phôi-người, chuyển hướng đến nghiên cứu “liệu pháp qua sinh-sản-vô-tính” để tìm cách trị liệu một số bệnh như tiểu đường, bịnh đa xơ cứng, v.v. Vì vậy, để không sử dụng bào thai người, các nhà sinh vật học ở Âu Châu đã tạo và tồn trữ trong ngân hàng các dòng tế-bào-gốc (stem cell line ESC) được khoảng 300 loại tế-bào-gốc-phôi-người khác nhau vào tháng 10/2016. Mỗi dòng tế-bào-gốc được cấy từ một bào thai.
Tuy nhiên cho đến 2006, chưa có một kết quả thành tựu nào về việc tạo tế-bào-gốc từ ASC thành tế bào có chức năng của tế-bào-gốc-phôi-người.
Với kỹ thuật chuyển nhân, sinh sản vô tính (cloning) áp dụng cho mèo và chuột thì dễ dàng, cho chó và mèo thì khó hơn, còn với loài nhân hầu (primate) thì vô hy vọng vì không sinh ra con khỉ nào. Tuy nhiên kỹ thuật chuyển nhân áp dụng cho cừu Dolly lại hứa hẹn việc tạo ra một loại tế-bào-gốc mới, thay thế được tế-bào-gốc-phôi-người, phù hợp với đạo lý và pháp luật.
Năm 2006, khoa học gia Nhật Bản Shinya Yamanaka có một đột phá mới là xác định được điều kiện tái lập trình tế bào, biến vài loại tế bào trưởng thành chuyên biệt ở người, như tế bào da, trở lại chức năng giống như tế-bào-gốc, được gọi là “tế-bào-gốc-đa-năng” (induced pluripotent stem cells – IPS hay IPSC). Thí nghiệm cho thấy hóa chất trong trứng có thể biến DNA trưởng thành hóa trẻ trở lại. Đầu tiên ông thử nghiệm đưa 24 hóa chất vào tế vào chuột, các hóa chất này được xem là ngăn chận tế-bào-gốc không chuyên hóa, và ông nhận thấy các tế bào trưởng thành này trở nên giống như các tế-bào-gốc-phôi chuột. Loại dần những hóa chất không ảnh hưởng, và vào năm 2006 chỉ còn 4 hóa chất biến tế bào trưởng thành trở lại trạng thái của tế-bào-gốc, mang tên IPSC “tế-bào-gốc-đa-năng”. Nhờ phát minh này, TS Shinya Yamanaka đoạt giải Nobel y học vào năm 2012.
Hình 2. Hai nhánh nghiên cứu từ tế bào chuyên biệt, như tế bào da, máu. Ở nhánh bên dưới, theo phương pháp sinh-sản-vô-tính của cừu Dolly, bằng cách chuyển nhân vào trứng non đã hút mất nhân trước đó (6) để tạo phôi bào lai (7), và nhờ một con vật đồng loại khác mang thai và đẻ giùm (8) để đẻ ra con thú (9), nghĩa là cần 3 mẹ. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho thú vật hay cho người. Nhánh trên, theo phương cách tạo tế-bào-gốc-đa-năng IPS bằng cách nhét DNA vào tế bào đã được tái-lập-trình trẻ lại (1) để thành tế-bào-gốc-đa-năng (2), rồi cho phân hóa thành tế-bào-chuyên-biệt (3), sử dụng để nghiên cứu khoa học (4), hay nghiên cứu trị pháp trong y khoa (5).
Kể từ 2006, các phòng thí nghiệm chấm dứt nghiên cứu và phát triển tế-bào-gốc-phôi-người từ phôi-bào người, mà quan tâm nghiên cứu “tế-bào-gốc-đa-năng” từ các tế bào chuyên biệt thông thường như da, máu, v.v. (Hình 2).
Hình 3. Số lượng bài tường trình khoa học theo thời gian kể từ 1996, khi kỹ thuật chuyển nhân (nucleus transfer) áp dụng tạo con cừu Dolly (1); năm 1997 bài tường trình đầu tiên về cừu Dolly xuất bản (2); năm 1998 tế-bào-gốc người được thiết lập (3); năm 2001 Tổng Thống Bush hạn chế tài trợ nghiên cứu tế-bào-gốc ở cấp liên bang (4); năm 2006 kỹ thuật tạo tế-bào-gốc-đa-năng IPS ra đời (5); năm 2010 áp dụng chữa trị xương sống bằng tế-bào-gốc (6); năm 2013 tạo tế-bào-gốc người nhân tạo (7); năm 2014 áp dụng tế-bào-gốc nhân tạo chữa trị bịnh (8). Trong cùng thời gian 1996 đến 2015, nhiều loại thú ra đời do sinh sản vô tính, kết hợp kỹ thuật chuyển nhân và IPS.
Kết quả thành tựu từ IPS rất khích lệ. Các nhà khoa học ở phòng nghiên cứu tế-bào-gốc New York biến tế bào da thành tế bào IPS chuyển thành tế bào tái tạo mycelin chữa trị bịnh đa xơ cứng. Tuy nhiên, một phòng thí nghiệm nổi tiếng ở Kobe phải tạm dừng thử nghiệm IPS năm 2015, vì thực hiện ý tưởng tạo tế-bào-gốc-đa-năng IPS từ tế bào da, rồi sau đó biến thành tế bào võng mạc của mắt để chữa trị chứng lòa mắt sắp mù. Cuộc thử nghiệm phải dừng trên một bệnh nhân, vì khám phá là đột biến đã xảy ra trên các tế bào tái tạo.
Một đột phá khác vào năm 2013 là TS Shoukhrat Mitalipov thuộc Đại học Oregon tạo được đường dây tế-bào-gốc-phôi-người (ES cell line). Chỉ cần thêm một chút caffeine vào đúng thời điểm thì trứng ngừng phát triển nhanh.
Tóm lại, có thể chia tế-bào-gốc thành 5 loại chánh:
*Tế-bào-gốc máu (haematopotetic stem cells – HSC). Đó là tế-bào-gốc trưởng thành thấy ở trong tủy xương và trong dòng máu có khả năng tạo tế bào máu và hệ miễn nhiễm.
*Tế-bào-gốc trung mô (mesenchymal stem cells – MSC). Đó là tế-bào-gốc trưởng thành thấy ở nhiều nơi trong cơ thể, kể cả tủy xương, da và mô mở. MSC sản xuất tế bào hổ trợ giúp các tế-bào-gốc khác hoạt động hiệu quả.
*Tế-bào-gốc thần kinh (neuro stem cells – NSC). Nhóm tế-bào-gốc có nhiệm vụ sửa chữa chất myelin bao che dây thần kinh não bộ.
*Tế-bào-gốc phôi người (human embryonic stem cells – hESC) là tế-bào-gốc lấy từ phôi người, không chuyên biệt có khả năng tạo sinh mọi loại tế bào chuyên biệt trong cơ thể. Được sử dụng vì tiềm năng trong trị liệu y khoa, nhưng có điều lo ngại là nó cũng tạo u bướu ung thư.
*Tế-bào-gốc đa năng (induced pluripotent stem cells – IPS) là tế-bào-gốc nhân tạo làm từ tế bào thường như da. Có tiềm năng lớn trong khoa trị liệu y học, nhưng có điều lo ngại là nó cũng tạo u bướu ung thư.
Như vậy sau 16 năm tạo cừu Dolly, kỹ thuật tạo sinh sản vô tính đã hoàn thiện trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, kỹ thuật này bị chống đối vì lý do đạo đức, tôn giáo, và cả kỹ thuật, nên có nhiều quốc gia như Pháp, Đức, Nga, Hoa Kỳ cấm nghiên cứu. Ngay cả các quốc gia cởi mở hơn như Anh quốc và Nhật Bản cũng hạn chế, phải xin phép cho mỗi nghiên cứu, và rất khó khăn mới được giấy phép. Một khó khăn khác thuộc về kỹ thuật. Đường dây tế bào sản xuất bởi IPS tạo thuốc chữa trị không phù hợp với hệ miễn nhiễm của bệnh nhân nên cơ thể loại bỏ. Phòng nghiên cứu ViaCyte ở San Diego California chế tạo tế bào sản xuất insulin trị bịnh tiểu đường bằng phương pháp nuôi tế bào phôi gặp nhiều khó khăn vì tế bào nhân tạo này bị hệ miễn nhiễm loại trừ. Vì vậy, tế bào nhân tạo phải được bọc bằng màng plastic để tránh bị hệ miễn nhiễm loại bỏ. Ngoài ra, phương pháp này có lúc kết quả có lúc không.
ÁP DỤNG CỦA TẾ-BÀO-GỐC.
Hình 4. Tế-bào-gốc-người được sử dụng trong nhiều lãnh vực y học. Tế-bào-gốc không chuyên biệt cấy trong phòng thí nghiệm rồi dùng kỹ thuật chuyển-hóa thành tế bào chuyên biệt như tế bào trong bao tử, tế bào gan, tế bào cơ tim, tế bào thần kinh, tế bào máu, tế bào bắp thịt.
Tế-bào-gốc đã mở rộng đường nghiên cứu khoa học và áp dụng trị bịnh cho người. Bởi vì tế-bào-gốc-phôi-người (hESCC) bị chống đối (và bị cấm), nên hiện nay sử dụng tế-bào-gốc-trưởng-thành AS và tế-bào-gốc-đa-năng IPS để đạt hai mục đích trên. Vì khoa học này còn quá mới, nên áp dụng còn nhiều hạn chế và cần được thử nghiệm và chuẩn y trước khi áp dụng. Hiện nay sử dụng tế-bào-gốc-phôi-người để chữa trị một vài loại bệnh, và tế-bào-gốc-đa-năng để chữa trị bịnh võng mạc thoái hóa do tuổi già (Age-related macular degeneration).
1. Sử dụng tế-bào-gốc để thử nghiệm thuốc mới.
Nhiều loại thuốc mới phải được thử nghiệm an toàn cho bệnh nhân, vừa hiệu nghiệm chữa trị, vừa ít độc hại cho cơ thể. Ngày nay, thuốc được thử nghiệm độ an toàn trên tế bào chuyên biệt từ dòng tế-bào-gốc đa năng của người. Nhiều dòng tế bào ung thư được thử nghiệm tính hiệu quả của thuốc mới chống tạo u bướu.
2. Sử dụng tế-bào-gốc để trị bịnh. Hiện nay, có một số biện pháp trị liệu đã được kiểm chứng bởi cơ quan y tế và được áp dụng rộng rãi như biện pháp cấy tế-bào-gốc máu cho một số bệnh như bệnh-bạch-cầu (Leukemia), các bệnh về máu khác do hệ miễn nhiễm hư hại, và tái tạo hệ thống máu cho bệnh nhân sau khi điều trị ung thư. Có khoảng 80 bệnh do hệ miễn nhiễm hư hại gây ra.
- Bệnh-bạch-cầu (Leukemia) là bệnh ung thư bạch huyết cầu. Bạch huyết cầu được tạo từ tế-bào-gốc trong tủy xương, đưa vào dòng máu để bảo vệ cơ thể chống lại mọi nguồn nhiễm trùng. Khi bạch huyết cầu bị ung thư thì không bảo vệ được cơ thể. Chữa trị bệnh-bạch-cầu là tìm phương cách tiêu diệt tế bào bạch huyết cầu ung thư như hóa trị (chemotherapy), hay xạ trị (radiation) và giúp tế bào bạch huyết cầu khỏe mạnh hoạt động bình thường bằng cách ghép tế-bào-gốc tủy xương (bone marrow).
Tế-bào-gốc máu đa số nằm trong tủy xương, nhưng cũng có một số nằm trong dòng máu lưu thông, gọi là tế-bào-gốc máu ngoại vi (peripheral blood stem cells - PBSC) nên cũng được sử dụng cấy ghép vào bệnh nhân bệnh-bạch-cầu.
Một kỹ thuật khác là sử dụng tế-bào-gốc máu lấy từ cuốn rốn (Umbilical Cord Blood Stem Cells) của trẻ mới sanh. Cuốn rốn của nhau hài nhi rất giàu tế-bào-gốc máu nên hiện tại dùng để cấy vào bệnh nhân, dễ dàng hơn lấy từ tủy sống và không bị cơ thể loại trừ.
- Bệnh đa xơ cứng (multiple sclerosis - MS). Đây là bệnh do hệ miễn nhiễm trục trặc. Hệ miển nhiểm thay vì tấn công mầm bệnh, lại tự tấn công lớp myelin bao bọc che chở tế bào thần kinh trong não bộ và cột xương sống. Vì ảnh hưởng đến trung khu hệ thần kinh nên làm hư hại thị giác, thính giác, trí nhớ, mất thăng bằng, nói khó khăn và bại liệt. Chữa trị bệnh MS nhắm sửa chữa hệ miễn nhiễm làm việc đúng vai trò bảo vệ tiêu diệt mầm bệnh. Để hoàn thành công tác này, tế-bào-gốc có nhiệm vụ ngăn chận tế bào thần kinh không bị hư hại bằng cách tái tạo myelin.
Ngày nay, để chữa trị bệnh MS, bằng cách cấy vào cơ thể bệnh nhân tê-bào-gốc máu lấy từ tủy xương, hay từ tê-bào-gốc máu ngoại vị của chính họ. Ở trẻ con thì cấy tế-bào-gốc lấy từ cuốn rốn.
- Viêm xương khớp (Osteoarthritis – OA). Là bệnh rối loạn đưa đến thoái hóa khớp sụn (cartilage) ở khớp xương. Hiện chưa có thuốc trị liệu hay giải phẫu hiệu quả đối với bệnh này. Tiêm tế-bào-gốc trung mô vào khớp xương giúp tái tạo lớp sụn làm chất nhờn giảm sự cọ xát gây đau đớn cho bệnh nhân.
Hình 5. Khớp đầu gối lành mạnh (trái), và khớp bị viêm (phải)
- Cấy ghép da khi bị phỏng nặng. Từ thập niên 1980s, đã áp dụng kỹ thuật cấy ghép tế-bào-gốc da vào nơi bị phỏng nặng.
- Tái tạo thị giác. Ghép tế-bào-gốc vào võng mạc (cornea) để sửa chữa thương tật ở mắt.
Hiện tại đã có nhiều trị liệu được thử nghiệm thành công, nhưng còn trong giai đoạn chứng nghiệm độ an toàn hay chờ phê chuẩn của cơ quan y tế quốc gia:
- Các bệnh thuộc hệ thần kinh như Parkinson (run rẩy), Huntingdon (không kiểm soát được thăng bằng, cơ thịt, ngọng nghịu, v.v.) và suy thoái hệ thần kinh (Motor Neuron disease).
- Chấn thương cột xương sống (spinal cord injury).
TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÁNH
Wikipedia. Stem cell. https://en.wikipedia.org/wiki/Stem_cell
National Institute of Health. Stem cell information. Stem cell basics Part1 – Part 8. https://stemcells.nih.gov/info/basics/1.htm
Genetic learning science center, Utah University. Stem cells in use. http://learn.genetics.utah.edu/content/stemcells/sctoday/
Jan Barfoot (22/11/2016). Types of stem cells and their use. EuroStemCell. http://www.eurostemcell.org/type-stem-cells-and-their-use