Nghiên Cứu Organoids

Có lẽ một trong những tiến bộ thú vị nhất trong nghiên cứu tế bào gốc trong thập kỷ qua là sự phát triển của kỹ thuật nuôi cấy organoid (nuôi cấy cơ quan nội tạng siêu nhỏ). Organoids là nuôi cấy tế bào ba chiều kết hợp một số tính năng và chức năng chính của cơ quan đại diện. Các hệ thống mô hình linh hoạt này có khả năng ứng dụng rộng rãi và đã được áp dụng nhanh chóng trong cả bối cảnh nghiên cứu cơ bản và công nghiệp, do tính liên quan nâng cao của chúng với cơ quan in vivo và sự dễ dàng thao tác với chúng trong ống nghiệm.

Organoids là gì?

Organoids là các cụm tế bào có thể phát triển và sinh sôi trong môi trường nuôi cấy, sử dụng cấu trúc 3-D có cùng cấu trúc mô, chức năng và biểu hiện gen và chức năng di truyền như một phần của cơ quan đang được nghiên cứu (Bộ KH&CN).

Organoid là các mô 3D cực nhỏ được nuôi cấy từ tế bào gốc. Chúng thường có kích thước nhỏ hơn tiết diện sợi tóc người và lớn nhất là năm milimet. Mặc dù đây không phải là lần đầu các nhà khoa học phát triển thành công các organoid trong phòng thí nghiệm, nhưng là nghiên cứu đầu tiên organoid có khả năng kiểm chứng một số loại thuốc có chứa độc tính với con người

Cách nuôi cấy mô 3D này cung cấp cho các nhà khoa học cái nhìn chi tiết về cách các cơ quan hình thành và phát triển, cung cấp hiểu biết mới về sự hình thành và phát triển bệnh của người cũng như sự tương tác của thuốc với những “mini-organs” này như thế nào, có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực nghiên cứu thuốc và mở ra những cách tiếp cận mới cho y học cá nhân hóa (personalized medicine) [Javier Barbuzano, November 7, 2017].

Ưu điểm của Organoids:

Các organoid có khả năng khắc phục một số hạn chế liên quan đến nuôi cấy tế bào 2D cổ điển và mô hình động vật. Với mức độ phù hợp sinh học cao và khả năng thích nghi với thao tác trong ống nghiệm, organoid bổ sung hoặc thay thế các tế bào sơ cấp hoặc các dòng tế bào bất tử cho các thí nghiệm trong ống nghiệm.
Các organoid thể hiện tính ổn định di truyền cao trong quá trình nuôi cấy, giữ lại kiểu gen và kiểu hình của mô nguồn. Do đó, organoid cung cấp các mô hình bệnh chính xác, sử dụng để thử nghiệm tính an toàn và hiệu quả của thuốc, dự đoán các phản ứng cụ thể của bệnh nhân đối với việc điều trị bằng thuốc nhằm thu hẹp khoảng cách giữa các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng, đồng thời giúp quá trình phát triển thuốc nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Các nhà nghiên cứu cũng đang xem xét việc sử dụng organoid để giảm thí nghiệm trên động vật trong nhiều trường hợp.

Cách tạo ra Organoids?

Organoids có thể được tạo ra từ các mẫu mô chứa tế bào gốc trưởng thành, các tế bào gốc trưởng thành đơn lẻ hoặc thông qua sự biệt hóa trực tiếp của các tế bào gốc đa năng. Sự có mặt của quần thể tế bào gốc đang hoạt động trong một số hệ thống mô hình organoid giúp các organoid có thể được mở rộng rất nhiều.

Ví dụ: Có thể tạo ra tối đa 1x10⁶ Organoids gan từ một tế bào tiền thân duy nhất trong vòng 5 đến 6 tuần, mang lại cho các nhà nghiên cứu một nền tảng chắc chắn và có thể mở rộng để nghiên cứu nhiều đối tượng.

Nuôi cấy Organoid

Nuôi cấy organoid là nuôi cấy cơ quan nội tạng siêu nhỏ, nhằm phát triển một hệ thống phức tạp chứa các bản sao siêu nhỏ của các cơ quan nội tạng như gan, tim, phổi, mạch máu, tinh hoàn, đại tràng và não với mục tiêu cải thiện quy trình thử nghiệm dược phẩm.

Cho đến nay, các hệ thống nuôi cấy organoids đã được phát triển để mô hình hóa cấu trúc mô từ cả ba dòng tế bào sơ cấp (tế bào gốc mô mỡ (ASC), tế bào gốc phôi (ES), tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSC)). Mặc dù có nhiều phương pháp nuôi cấy mô đặc hiệu khác nhau, nhưng nói chung, tế bào gốc đa năng hoặc tế bào tiền thân đặc hiệu của mô được nhúng vào Matrigel® hoặc một chất nền ngoại bào thích hợp khác. Các tế bào được phát triển trong môi trường nuôi cấy có chứa các yếu tố tăng trưởng bắt chước các tín hiệu cần thiết trong cơ thể sống để duy trì quần thể tế bào gốc. Trong những điều kiện này, các tế bào đã được nhúng trong chất nền ngoại bào tăng sinh và tự tổ chức thành các cấu trúc organoid dạng 3D, với nhiều hệ thống, có thể được bảo vệ và duy trì vô thời hạn. Ngoài ra, việc nuôi cấy này đã cho thấy sự ổn định di truyền, toàn bộ trình tự bộ gen của các cơ quan gan được mở rộng vô tính từ một tế bào tiền thân gan cho thấy chỉ có một sự thay thế bazơ sau ba tháng nuôi cấy.

Công cụ và công nghệ nuôi cấy Organoid

Organoids đang cách mạng hóa quá trình nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm bằng cách cung cấp các mô hình phù hợp về mặt sinh lý, dễ tiếp cận, mô hình hóa một cách trung thực các yếu tố chính của mô được mô hình hóa. Sử dụng các môi trường được tối ưu hóa này để tạo ra các chất hữu cơ một cách hiệu quả cho nghiên cứu của bạn.

Ứng dụng của Organoid

Organoids là một công cụ nghiên cứu linh hoạt có ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và học thuật.

Nghiên cứu cơ bản:

Nghiên cứu chức năng và phát triển mô.
Mô hình bệnh học.
Tương tác vật chủ và vi khuẩn.
Sinh học tế bào nói chung và mô cụ thể.

Nghiên cứu giải mã gene:

Tiếp cận phương pháp y học chính xác đối với các bệnh ung thư và bệnh di truyền.
Các dự án tái tạo mô.
Phát triển liệu pháp y học tái tạo.

Phát triển công nghệ:

Phát triển thiết bị.
Phát triển chất nền ngoại bào (matrix).

Hướng đi tương lai

Công nghệ organoid có tiềm năng lớn như một công cụ để nghiên cứu nhiều lĩnh vực, bao gồm sinh học phát triển, bệnh lý học, sinh học tế bào, cơ chế tái tạo, y học chính xác, thử nghiệm độc tính và hiệu quả của thuốc. Đối với hầu hết các ứng dụng, nuôi cấy dạng organoid cung cấp các phương pháp tiếp cận bổ sung, có tính thông tin cao cho các phương pháp nuôi cấy 2D và mô hình động vật đã được thiết lập. Công nghệ này cũng có tiềm năng to lớn đối với y học tái tạo, vì các organoid mang đến khả năng điều trị bằng tế bào tự thân và tế bào đồng loại thông qua việc thay thế mô bị bệnh/tổn thương bằng các quần thể tế bào gốc hoặc mô được nhân giống từ organoid. Một ứng dụng như vậy sẽ cho phép chỉnh sửa các đột biến di truyền trong ống nghiệm bằng cách sử dụng CRISPR-Cas9 và chuyển các tế bào khỏe mạnh đã được xử lý trở lại bệnh nhân, sau đó các tế bào này sẽ tích hợp vào mô.

Nuôi cấy organoid có nguồn gốc từ bệnh nhân cũng đã được chứng minh là có giá trị như các công cụ chẩn đoán trong các ứng dụng y học chính xác. Các organoid có nguồn gốc từ các mẫu bệnh phẩm đã được sử dụng để sàng lọc phản ứng thuốc của bệnh nhân trong ống nghiệm trước khi tiến hành điều trị để chỉ đạo việc chăm sóc và dự đoán kết quả điều trị của bệnh nhân ung thư và xơ nang. Khi danh sách các hệ thống nuôi cấy organoid và các kỹ thuật khai thác thử nghiệm của chúng tăng lên, tiện ích và khả năng ứng dụng rộng rãi của organoid tiếp tục được công nhận trên nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Sự phát triển của các hệ thống nuôi cấy này thể hiện sự tiến bộ trong các công cụ dành cho các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu cơ bản, cũng như trong bối cảnh dịch thuật và lâm sàng.

Hiện trạng ứng dụng tại Việt Nam

Thông tin các nghiên cứu về organoid trên thế giới được cập nhật trên Website của Bộ KH&CN - Cục thông tin khoa học và Công nghệ quốc gia (National Agency for Science and Technology Information):