Thiết bị vi lỏng giúp liệu pháp tế bào trở nên an toàn hơn

Thiết bị chip vi lỏng siêu nhỏ do TS. Nguyễn Tấn Đại (Trung tâm Nghiên cứu và Công nghệ liên minh Singapore-MIT, Singapore) và các cộng sự phát triển được kỳ vọng sẽ giúp giảm thiểu nguy cơ hình thành các khối u ở người bệnh khi áp dụng liệu pháp tế bào gốc trong điều trị chấn thương tủy sống.

“Liệu pháp tế bào gốc” đã không còn là một khái niệm xa lạ đối với công chúng và là một giải pháp đầy tiềm năng cho y học tái tạo khi những kết quả đầy hứa hẹn của liệu pháp này đã được thể hiện ở rất nhiều nghiên cứu trên toàn thế giới. Trong liệu pháp tế bào, các bác sĩ lâm sàng sẽ tạo ra tế bào gốc đa năng cảm ứng bằng cách “lập trình” lại một số tế bào da hoặc máu lấy từ bệnh nhân. Để điều trị chấn thương tủy sống, họ sẽ kích thích các tế bào gốc đa năng này trở thành tế bào tiền thân (progenitor cells) - những tế bào có nhiệm vụ biệt hóa thành tế bào tủy sống và sau đó được cấy trở lại vào bệnh nhân để điều trị các tổn thương.

Song điểm thách thức nằm ở một mâu thuẫn: trong khi những tế bào mới này có thể tái tạo một phần tủy sống bị tổn thương, nếu các tế bào gốc đa năng không chuyển hóa hoàn toàn thành tế bào gốc, chúng có thể hình thành nên khối u ở người bệnh.

“Công nghệ tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPS) chưa phát triển đến giai đoạn điều trị cấy ghép được chấp nhận là an toàn, trong đó vẫn tồn tại nguy cơ tế bào gốc không biệt hóa hoàn toàn thành tế bào tủy sống có thể tạo ra khối u sau khi cấy ghép”, TS. Nguyễn Tấn Đại (Trung tâm Nghiên cứu và Công nghệ liên minh Singapore-MIT, Singapore) chia sẻ với Báo KH&PT.

Thực tế này khiến cho nhóm nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu và công nghệ liên minh Singapore-MIT, Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore) và Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) nảy ra ý tưởng về việc phát triển một thiết bị để loại bỏ những tế bào không biệt hóa với tốc độ cao và không sử dụng bất kỳ hóa chất nào nhằm mục tiêu tích hợp vào quy trình sản xuất các sản phẩm tế bào gốc phát triển từ iPS.

Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “Label-Free and High-Throughput Removal of Residual Undifferentiated Cells From iPSC-Derived Spinal Cord Progenitor Cells” trên tạp chí Stem Cells Translational Medicine.

Giảm thiểu rủi ro

“Chúng tôi rất quan tâm đến các giải pháp tái tạo để tăng cường ‘sửa chữa’ mô sau chấn thương tủy sống do những chấn thương này có thể dẫn đến suy giảm chức năng nghiêm trọng. Hiện tại không có phương pháp điều trị tái tạo hiệu quả nào cho chấn thương tủy sống như vậy”, GS. Sing Yian Chew tại Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore) cho biết trong bản tin của MIT. “Các tế bào tiền thân tủy sống có nguồn gốc từ tế bào gốc đa năng có nhiều hứa hẹn vì chúng có thể tạo ra tất cả các loại tế bào khác nhau trong tủy sống - những tế bào có khả năng khôi phục cấu trúc và chức năng mô. Song, để có thể sử dụng hiệu quả các tế bào này, bước đầu tiên là phải đảm bảo an toàn cho chúng. Và đó cũng chính là mục tiêu mà chúng tôi đặt ra trong nghiên cứu này”.

Tại sao việc đảm bảo an toàn cho liệu pháp lại khó như vậy? Dù là một giải pháp đầy tiềm năng trong lĩnh vực y học tái tạo, các tế bào gốc đa năng cảm ứng chưa được biệt hóa vẫn có nguy cơ gây ra ung thư - một trong những thách thức đáng lo ngại nhất trong liệu pháp tế bào. “Ngay cả khi chỉ có một số lượng tế bào rất nhỏ chưa được biệt hóa hoàn toàn, chúng vẫn có thể biến thành tế bào tương tự như tế bào ung thư”, GS. Jongyoon Han - thành viên của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử (RLE) tại Viện Nghiên cứu Massachusetts MIT (Mỹ) và là đồng trưởng nhóm nghiên cứu chính của nhóm nghiên cứu CAMP tại Liên minh nghiên cứu và công nghệ Singapore-MIT (SMART) - cho biết trong bản tin của MIT.

Các bác sĩ lâm sàng và nhà nghiên cứu thường tìm cách xác định và loại bỏ các tế bào này bằng cách tìm kiếm các dấu hiệu nhất định trên bề mặt của chúng, nhưng cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể tìm thấy dấu hiệu đặc trưng cho các tế bào không biệt hóa này. Dù đã có các phương pháp khác sử dụng hóa chất để tiêu diệt có chọn lọc các tế bào như vậy, song kỹ thuật xử lý hóa học lại có thể gây hại cho các tế bào đã biệt hóa. “Trong các nghiên cứu trước đây, việc xác định và loại bỏ tế bào không biệt hóa đã đặt ra nhiều thách thức. Các phương pháp sử dụng Flow Cytometry (phân tích tế bào theo dòng chảy) hoặc hóa chất hay biến đổi gene có thể gây hại cho tế bào bình thường khác”, TS. Nguyễn Tấn Đại giải thích thêm và cho biết đây cũng chính là một trong những điểm thách thức nhất khi nghiên cứu về vấn đề này.

Sau hơn một thập kỷ nghiên cứu, nhóm nghiên cứu CAMP đã phát triển một máy phân loại vi lỏng hiệu suất cao, có thể phân loại các tế bào dựa trên kích thước. Theo GS. Han, trước đây, thiết bị được sử dụng để phân loại các tế bào miễn dịch và tế bào mô đệm trung mô (một loại tế bào gốc), và hiện tại nhóm đang mở rộng việc sử dụng nó sang các loại tế bào gốc khác, chẳng hạn như tế bào gốc đa năng cảm ứng.

Khi tiến hành nghiên cứu, họ phát hiện ra rằng các tế bào gốc đa năng có xu hướng lớn hơn các tế bào gốc tiền thân (progenitor cells) có nguồn gốc từ chúng. Có một giả thuyết được đặt ra là: trước khi một tế bào gốc đa năng biệt hóa, nhân của nó chứa một số lượng lớn gene chưa bị “tắt” hoặc bị ức chế. Khi biệt hóa để thực hiện một chức năng cụ thể, tế bào sẽ ức chế nhiều gene mà nó không còn cần nữa, khiến nhân bị thu nhỏ đáng kể. ‘Tận dụng sự khác biệt về kích thước giữa tế bào gốc và tế bào bình thường như vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng lực ly tâm trong các kênh vi dẫn để phân loại tế bào”, TS. Nguyễn Tấn Đại chia sẻ.

Phân loại tế bào

Với phát hiện trên, nhóm nghiên cứu đã hướng trọng tâm vào việc phát triển một thiết bị vi lỏng để loại bỏ các tế bào dựa trên sự khác biệt về kích thước. Theo đó, các kênh dẫn trong chip vi lỏng có một đầu vào, một đường xoắn ốc và bốn đầu ra tạo ra các tế bào có kích thước khác nhau. Khi các tế bào bị ép chuyển động theo hình xoắn ốc ở tốc độ rất cao, các lực khác nhau, bao gồm cả lực ly tâm, sẽ tác động lên các tế bào. Các lực này tác động để tập trung các tế bào vào một vị trí nhất định trong dòng chất lỏng. Điểm tập trung này sẽ phụ thuộc vào kích thước của các tế bào, từ đó phân loại chúng một cách hiệu quả thông qua các đầu ra riêng biệt.

Và giải pháp mà nhóm mang đến sau một quá trình dài nghiên cứu và phát triển là một máy phân loại tế bào vi lỏng có thể loại bỏ khoảng một nửa số tế bào chưa biệt hóa - những tế bào có khả năng trở thành khối u - trong một lượt sử dụng mà không gây ra bất kỳ tổn hại nào cho các tế bào tiền thân đã hình thành đầy đủ. Theo đó, thiết bị của nhóm có hiệu suất cao, không yêu cầu hóa chất đặc biệt, có thể phân loại hơn ba triệu tế bào mỗi phút. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng đã chứng minh việc kết nối nhiều thiết bị lại với nhau có thể phân loại hơn 500 triệu tế bào mỗi phút, qua đó cho thấy thiết bị này có thể trở thành một phương pháp khả thi để một ngày nào đó cải thiện tính an toàn của các phương pháp điều trị bằng liệu pháp tế bào và tích hợp vào quy trình sản xuất liệu pháp tế bào gốc.

Chưa kể đến, chip vi lỏng có thể sản xuất bằng vật liệu nhựa trong sản xuất hàng loạt tại nhà máy với chi phí “chỉ vài USD”, theo TS.Đại, do đó thiết bị cũng có thể dễ dàng được triển khai trên quy mô lớn hơn khi áp dụng đại trà. “Ngay cả khi bạn có một liệu pháp tế bào có thể cứu sống bệnh nhân thì nếu bạn không thể sản xuất nó với chi phí rẻ, ổn định và an toàn thì tầm ảnh hưởng của giải pháp đó cũng sẽ trở nên rất hạn chế”, GS Han chia sẻ.

Không chỉ vậy, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể cải thiện hiệu suất hoạt động của máy phân loại bằng cách chạy nó hai lần, lần đầu tiên ở tốc độ thấp hơn để các tế bào lớn hơn bám vào thành và phân loại các tế bào nhỏ hơn, sau đó ở tốc độ cao hơn để phân loại các tế bào lớn hơn.

Có thể tưởng tượng, thiết bị này hoạt động giống như một máy ly tâm, nhưng điểm khác biệt là máy phân loại vi lỏng của nhóm nghiên cứu không cần sự can thiệp của con người để chọn ra các tế bào đã được phân loại, GS. Han cho biết thêm. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thiết bị của họ có thể loại bỏ khoảng 50% các tế bào lớn hơn chỉ trong một lần. Họ cũng đã tiến hành các thí nghiệm để xác nhận rằng trên thực tế, những tế bào lớn hơn mà họ loại bỏ cũng là các tế bào có nhiều nguy cơ hình thành các khối u hơn. “Mặc dù chúng tôi không thể loại bỏ 100% các tế bào này nhưng chúng tôi tin rằng giải pháp này vẫn sẽ giúp giảm đáng kể các rủi ro”, GS. Han nói.

Với thành công bước đầu ở quy mô nhỏ, nhóm nghiên cứu hiện đang bắt tay vào các nghiên cứu lớn hơn cũng như hướng đến việc thử nghiệm trên mô hình động vật để xem liệu các tế bào sau khi được phân loại có hoạt động tốt hơn trong cơ thể hay không. Điều đáng bàn là các tế bào không biệt hóa không chỉ có nguy cơ hình thành khối u, mà còn có thể gây ra các tác động ngẫu nhiên khác trong cơ thể, vì vậy việc loại bỏ được số lượng lớn các tế bào này có thể nâng cao hiệu quả của các liệu pháp tế bào cũng như cải thiện độ an toàn của liệu pháp. “Nếu chúng tôi có thể chứng minh một cách thuyết phục những lợi ích này trong cơ thể sống, thì tương lai có thể sẽ có thêm nhiều ứng dụng thú vị hơn nữa cho kỹ thuật này”, GS. Han cho biết thêm.

Khoahocphattrien