Khả năng biệt hóa của tế bào gốc

Nếu không có sự phân chia tế bào, sự tồn tại lâu dài của mô sẽ là không thể. Bên trong mỗi mô, các tế bào liên tục tự bổ sung thông qua quá trình phân chia, mặc dù tốc độ luân chuyển có thể rất khác nhau giữa các loại tế bào khác nhau trong cùng một mô. Ví dụ, trong não động vật có vú trưởng thành, các tế bào thần kinh hiếm khi phân chia. Tuy nhiên, các tế bào thần kinh đệm trong não tiếp tục phân chia trong suốt cuộc đời trưởng thành của động vật có vú. Các tế bào biểu mô của động vật có vú cũng đảo lộn thường xuyên, thường là vài ngày một lần.

Tế bào thần kinh không phải là tế bào duy nhất mất khả năng phân chia khi chúng trưởng thành. Trên thực tế, nhiều tế bào đã biệt hóa mất khả năng này. Để giúp chống lại sự mất mát này, các mô duy trì các tế bào gốc để phục vụ như một ổ chứa các tế bào chưa biệt hóa. Tế bào gốc thường có khả năng trưởng thành thành nhiều loại tế bào khác nhau. Các yếu tố phiên mã – các protein quy định gen nào được phiên mã trong tế bào – dường như rất cần thiết để xác định con đường mà các tế bào gốc cụ thể thực hiện khi chúng biệt hóa. Ví dụ, cả tế bào hấp thụ ruột và tế bào gốc đều phát sinh từ cùng một quần thể tế bào gốc, nhưng các chương trình phiên mã khác nhau khiến chúng trưởng thành thành các tế bào khác nhau đáng kể.

Bất cứ khi nào tế bào gốc được kêu gọi để tạo ra một loại tế bào cụ thể, chúng sẽ trải qua quá trình phân chia tế bào không đối xứng. Với sự phân chia không đối xứng, mỗi tế bào trong số hai tế bào con kết quả có một quá trình sống riêng của nó. Trong trường hợp này, một trong các tế bào con có khả năng phân chia tế bào hữu hạn và bắt đầu biệt hóa, trong khi tế bào con còn lại vẫn là tế bào gốc có khả năng sinh sản vô hạn.

Mặc dù hầu hết các mô ở các sinh vật trưởng thành duy trì kích thước không đổi, nhưng các tế bào tạo nên các mô này liên tục đảo lộn. Do đó, để một mô cụ thể giữ nguyên kích thước, tỷ lệ tế bào chết và phân chia tế bào của nó phải duy trì ở mức cân bằng. Nhiều yếu tố có thể kích hoạt tế bào chết trong mô. Ví dụ, quá trình apoptosis, hoặc chết tế bào theo chương trình, loại bỏ một cách có chọn lọc các tế bào bị hư hỏng – bao gồm cả những tế bào bị tổn thương DNA hoặc ti thể bị lỗi.

Trong quá trình apoptosis, các protease và nuclease của tế bào được kích hoạt, và các tế bào tự hủy. Tế bào cũng theo dõi các yếu tố sống sót và các tín hiệu tiêu cực mà chúng nhận được từ các tế bào khác trước khi bắt đầu quá trình chết tế bào theo chương trình. Một khi quá trình apoptosis bắt đầu, nó diễn ra nhanh chóng, để lại những mảnh vỡ nhỏ với các bit có thể nhận biết được của vật liệu hạt nhân. Sau đó, các tế bào chuyên biệt sẽ nhanh chóng ăn và phân hủy các mảnh này, làm cho bằng chứng về quá trình chết rụng khó phát hiện.

Cũng như nuôi cấy tế bào gốc, các phương pháp biệt hóa phụ thuộc vào loại tế bào gốc, loài, dòng đích và loại tế bào sinh dưỡng. Khi tế bào gốc đang được cảm ứng để biệt hóa, điều quan trọng là phải theo dõi tiến trình và xác nhận kiểu hình của tế bào. Dòng dõi và định danh các loại tế bào biệt hóa có thể được phân tích kỹ bằng các kỹ thuật PCR như PCR thời gian thực hoặc PCR kỹ thuật số, phân loại tế bào/ đo dòng chảy, hóa miễn dịch tế bào, phương pháp thấm phương tây và phân tích dấu ấn sinh học.

Cơ thể phôi: Một trong những phương pháp lâu đời nhất để biệt hóa tế bào gốc là tạo cơ thể phôi (EB). Nói chung, khi tế bào gốc được nuôi cấy mà không có bề mặt kết dính, tế bào trung chuyển, hoặc chất nền phức tạp, các tế bào sẽ tập hợp lại. Tập hợp tế bào này biệt hóa một cách tự nhiên. Một EB chứa tất cả ba lớp mầm (lớp ngoại bì, lớp trung bì, lớp nội bì). EBs vẫn thường được sử dụng làm giai đoạn biệt hóa ban đầu cho tế bào gốc phôi (ESC) và tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSCs).

Tất cả các tế bào biệt hóa xuôi dòng đều có nguồn gốc từ cấu trúc ban đầu này. Có một số phương pháp để hình thành EBs, bao gồm nuôi cấy huyền phù, nuôi cấy thả treo và nuôi cấy trong môi trường bán rắn. Tất cả các quy trình đều bắt đầu bằng việc tách môi trường nuôi cấy tế bào mật độ cao ra khỏi đĩa, bằng enzym hoặc bằng versine, tùy thuộc vào đặc tính của tế bào. Tùy thuộc vào kết quả mong muốn sau cùng, sự hiện diện của cả ba lớp mầm trong EBs có thể là một bất lợi. Khi cần một dòng hoặc loại tế bào cụ thể, các mẫu cấy phải được loại bỏ các loại tế bào không mong muốn. Do đó, nhiều giao thức đã được phát triển để phân biệt trực tiếp ESC và iPSC mà không sử dụng EB. Các phương pháp này dành riêng cho loài, dòng và loại tế bào.

Các tế bào của lớp ngoại bì (Ectoderm): Hệ thần kinh trung ương, tóc và biểu bì đều có nguồn gốc từ ngoại bì. Có một số quy trình sản xuất tế bào tiền thần kinh từ nuôi cấy chưa biệt hóa. Một trong những giao thức này được mô tả dưới đây (Zhang và cộng sự 2001). Giao thức này là cơ sở cho việc tạo ra một số loại tế bào thần kinh khác nhau. Để cảm ứng EBs hình thành tế bào thần kinh, môi trường nuôi cấy được thay thế bằng môi trường nền thần kinh có chứa heparin bFGF (yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi cơ bản) và bổ sung N2. Bổ sung N2 bao gồm transferrin, insulin, progesterone, putrescine và selenite. Hai ngày sau, sự gắn kết của các EB phân biệt được tạo ra bằng cách phết chúng lên các đĩa có phủ laminate hoặc polyornithine. Sau 10–11 ngày nuôi cấy, EBs biệt hóa thành các tế bào biểu mô thần kinh nguyên thủy.

Định danh các tế bào có thể được xác nhận bằng cách nhuộm PAX6 (protein hộp 6 được ghép nối, một yếu tố phiên mã), SOX2 (vùng xác định giới tính Y-hộp 2, một yếu tố phiên mã khác) và N-cadherin (một chất kết dính tế bào phụ thuộc canxi phân tử đặc trưng cho mô thần kinh). Tại thời điểm này, có thể phân biệt các tế bào biểu mô thần kinh thành các loại tế bào cụ thể của hệ thần kinh trung ương bao gồm tế bào thần kinh vận động (Li và cộng sự 2005), tế bào thần kinh dopaminergic (Yan và cộng sự 2005), và tế bào hình cầu (Nistor và cộng sự 2005).

Các tế bào lớp trung bì (Mesoderm): Các tế bào của trung bì tạo nên hầu hết các cấu trúc hỗ trợ bên trong của cơ thể, bao gồm máu, cơ, xương, sụn và tim. Bởi vì các tế bào trung bì mới có tiềm năng sử dụng trong điều trị các bệnh thông thường như viêm xương khớp, loãng xương và bệnh tim mạch, người ta đã tập trung chủ yếu vào các quy trình để biệt hóa tế bào gốc thành tế bào trung bì. Tế bào cơ tim phát triển một cách tự phát từ các EBs 10 ngày tuổi được phết lên các tấm phủ gelatin (Kehat et al. 2001). May mắn thay, mặc dù chúng chiếm một tỷ lệ nhỏ trong số các tế bào, nhưng các tế bào cơ tim rất dễ nhận biết do các cơn co thắt nhịp nhàng đặc trưng của chúng. Tế bào cơ tim có thể được tách ra khỏi phần còn lại của quá trình nuôi cấy biệt hóa bằng cách phân loại tế bào sử dụng các kháng thể chống lại các dấu ấn tim (Xu và cộng sự 2002).

Một phương pháp thay thế để tạo ra các tế bào cơ tim là cấy truyền tế bào gốc với vectơ virus có chứa gen kháng thuốc được thúc đẩy bởi chất xúc tiến chuỗi nặng alpha-myosin. Lựa chọn tiếp theo để kháng thuốc cho phép lựa chọn các tế bào biệt hóa thành tế bào cơ tim (Zhao và Lever 2007). Sự biệt hóa của các tế bào gốc thành các tế bào trong dòng tạo máu từ lâu đã được quan tâm trong lâm sàng, đặc biệt quan trọng đối với các bệnh ung thư máu, chẳng hạn như bệnh bạch cầu.

Công việc ban đầu đã dẫn đến sự phát triển của các kỹ thuật biệt hóa tế bào gốc phôi người (hESCs) thành hầu hết các tế bào của hệ thống tạo máu (Keller et al. 1993, Kaufman et al. 2001). Gần đây, tiềm năng tạo ra các tế bào thay thế để truyền máu, bệnh tế bào máu, bệnh mạch máu (với tế bào nội mô), và rối loạn suy giảm miễn dịch đã làm tăng sự quan tâm đến việc phát triển các kỹ thuật để biệt hóa cả iPSC và hESC thành các tế bào của hệ thống tạo máu và mạch máu, và các thử nghiệm lâm sàng đã được thực hiện đối với các liệu pháp có nguồn gốc từ tế bào gốc đối với bệnh bạch cầu, bệnh ung thư hạch và bệnh hồng cầu hình liềm (Nature Biotechnology News 2014).

Các tế bào nội bì (Endoderm): Nội bì tạo thành nhiều cơ quan nội tạng, bao gồm cả tuyến tụy và gan. Tỷ lệ mắc bệnh tiểu đường và bệnh gan cao đã khiến việc sản xuất tế bào tiết insulin và tế bào gan trở thành mục tiêu quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu tế bào gốc. Bệnh tiểu đường type 1 là do sự phá hủy các tế bào beta tiết insulin của đảo Langerhans trong tuyến tụy. Các lựa chọn điều trị hiện tại bao gồm cấy ghép tuyến tụy hoặc truyền tế bào beta của người hiến tặng. Tuy nhiên, nguồn cung cấp của người hiến đang thiếu hụt và việc cấy ghép tế bào beta thường không phải là cách chữa khỏi vĩnh viễn do phản ứng miễn dịch ở người nhận, dẫn đến sự phá hủy các tế bào beta được hiến tặng.

Hiện nay người ta có thể tạo ra các tế bào gốc phôi người thành tất cả các dòng tế bào tuyến tụy (Guo và Hebrok 2009). Tuy nhiên, các tế bào giống beta được tạo ra trong quá trình biệt hóa phức tạp không phải là nhà sản xuất insulin hiệu quả và không đáp ứng hoàn toàn với tín hiệu tế bào như tế bào beta tự nhiên (Furth và Atala 2009). Một bước đột phá trong dòng nghiên cứu này đã được báo cáo gần đây trong đó số lượng lớn các tế bào β tuyến tụy của con người có chức năng được tạo ra trong ống nghiệm, cung cấp một nguồn tế bào chưa từng có để khám phá thuốc và liệu pháp cấy ghép tế bào trong bệnh tiểu đường (Pagliuca và cộng sự 2014). Quá trình phát triển tế bào gan (tế bào gan) để cấy ghép diễn ra chậm chạp. Tế bào gốc đã được biệt hóa thành các tế bào giống tế bào gan bằng một số phương pháp (Hay và cộng sự 2008, Basma và cộng sự 2009, Szkolnika và cộng sự.

Nguồn tham khảo: bio-rad.com, nature.com