Công nghệ tế bào động vật và ứng dụng trong sinh học hiện đại

1. MỞ ĐẦU

Sự tiến hóa của sinh học từ thế kỷ 21 được định hình bởi khả năng điều khiển và tái lập trình sự sống ở cấp độ tế bào. Trong đó, công nghệ tế bào động vật đã vượt khỏi khuôn khổ của một kỹ thuật phòng thí nghiệm đơn thuần để trở thành một “nền tảng sinh học tính toán” (biological foundry), nơi các quá trình sống phức tạp được phân tích, mô phỏng và tối ưu hóa. Sức mạnh của công nghệ này nằm ở khả năng phân lập tế bào từ mạng lưới điều hòa chặt chẽ của cơ thể đa bào, đưa chúng vào một môi trường được kiểm soát hoàn toàn, từ đó cho phép thực hiện các thao tác và quan sát không thể thực hiện được trong cơ thể sống (Pampaloni, Reynaud, & Stelzer, 2007).

Sự phát triển của lĩnh vực này phản ánh một sự hội tụ đa ngành: từ những tiến bộ trong hóa sinh và khoa học vật liệu để tạo ra môi trường nuôi cấy và giá đỡ sinh học (scaffolds) tương thích, đến các công cụ di truyền cho phép chỉnh sửa bộ gen tế bào với độ chính xác chưa từng có. Nhờ vậy, công nghệ tế bào động vật không chỉ là một công cụ nghiên cứu thụ động mà đã trở thành một hệ thống sản xuất sinh học chủ động, thúc đẩy các cuộc cách mạng trong y học cá thể hóa, phát triển dược phẩm, và thậm chí là sản xuất thực phẩm bền vững (Bhatia & Ingber, 2014).

2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

2.1. Định nghĩa và phạm vi

Công nghệ tế bào động vật là tập hợp các kỹ thuật giúp chúng ta lấy tế bào ra khỏi cơ thể động vật, nuôi chúng sống, phát triển và kiểm soát chúng trong phòng thí nghiệm để phục vụ nghiên cứu và sản xuất.

Lĩnh vực này làm việc với ba nhóm tế bào chính, mỗi nhóm có ưu điểm riêng: các dòng tế bào ổn định có thể sống và nhân lên vô hạn trong đĩa nuôi cấy, rất tiện lợi cho các thí nghiệm tái lặp; tế bào sơ cấp được lấy trực tiếp từ mô và nuôi cấy ngay, giữ được nhiều đặc điểm thực tế của mô gốc nhưng chỉ sống được trong thời gian ngắn; và quan trọng nhất là tế bào gốc – loại tế bào đặc biệt với khả năng tự tái tạo không giới hạn và biến đổi thành nhiều loại tế bào chuyên biệt như tế bào thần kinh hay tế bào cơ, bao gồm các loại như tế bào gốc phôi, tế bào gốc trưởng thành và tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) (Lodish et al., 2021).

2.2. Cơ sở sinh học phân tử

Công nghệ này dựa trên hai khả năng sinh học cốt lõi của tế bào. Đầu tiên là khả năng thích nghi: tế bào có thể tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất và hoạt động của gen để sống sót trong môi trường mới, miễn là được cung cấp những điều kiện cơ bản như dinh dưỡng, yếu tố phát triển và bề mặt thích hợp để bám dính. Thứ hai là tính toàn năng của bộ gen: mỗi tế bào (trừ tế bào miễn dịch đã trưởng thành) đều chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền cần thiết để tạo nên mọi đặc điểm của cơ thể. Nhờ đó, dưới những tác động phù hợp (như các yếu tố phiên mã đặc biệt hoặc môi trường cơ học được thiết kế), chương trình hoạt động của gen trong tế bào có thể được “tái lập trình”, cho phép một tế bào đã biệt hóa (như tế bào da) quay trở lại trạng thái non trẻ hơn hoặc chuyển đổi sang một dạng tế bào khác (Yamanaka & Blau, 2010). Đây chính là nền tảng cho các công nghệ đột phá như tạo tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) và xây dựng mô hình bệnh trong phòng thí nghiệm.

3. CÁC KỸ THUẬT CỐT LÕI TRONG CÔNG NGHỆ TẾ BÀO ĐỘNG VẬT

3.1. Nuôi cấy tế bào động vật: Từ 2D đến 3D và vi lỏng

Phương pháp nuôi cấy 2D (tế bào trên mặt phẳng) vẫn là nền tảng của kỹ thuật nuôi cấy, nhưng không thể mô phỏng môi trường 3D phức tạp trong cơ thể. Hai kỹ thuật hiện đại đã khắc phục hạn chế này:

- Nuôi cấy 3D và cơ quan thu nhỏ: Tế bào được nuôi trong gel đặc biệt để tự tổ chức thành cấu trúc 3D phức tạp, có chức năng như một phần cơ quan thật (ví dụ: mô não, ruột nhỏ), giúp nghiên cứu bệnh và thử thuốc chính xác hơn (Lancaster & Knoblich, 2014).

- Chip cơ quan (Organs-on-Chips): Là các vi mạch chứa tế bào sống, mô phỏng chính xác dòng chảy dinh dưỡng và lực cơ học (như dòng máu) trong cơ thể. Nhiều chip có thể kết nối để tạo thành "cơ thể người thu nhỏ" giúp nghiên cứu toàn diện tác động của thuốc, hứa hẹn thay thế một phần thử nghiệm trên động vật (Bhatia & Ingber, 2014).

3.2. Kỹ thuật sinh học phân tử và chỉnh sửa gen

Sự phát triển của các công cụ chỉnh sửa gen, đặc biệt là hệ thống CRISPR/Cas9, đã cách mạng hóa công nghệ tế bào. Cho phép tạo ra các dòng tế bào "thiết kế" với độ chính xác cao: tạo đột biến bệnh, đánh dấu protein huỳnh quang, hoặc chèn gen để sản xuất protein trị liệu (Doudna & Charpentier, 2014).

3.3. Công nghệ tế bào gốc và tái lập trình

Việc tạo ra tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) từ tế bào trưởng thành đã xóa nhòa ranh giới giữa tế bào phôi và tế bào soma. Công nghệ này cho phép tạo ra ngân hàng tế bào bệnh nhân đa dạng để nghiên cứu cơ chế bệnh và sàng lọc thuốc cá thể hóa.

4. ỨNG DỤNG ĐỘT PHÁ TRONG SINH HỌC HIỆN ĐẠI

4.1. Y học tái tạo và Kỹ thuật mô

Công nghệ tế bào đã trở thành nền tảng chủ động để tạo ra các mô và cấu trúc chức năng thay thế, dựa trên sự kết hợp của tế bào, vật liệu sinh học (khung nâng đỡ) và các tín hiệu sinh học. Ba hướng tiếp cận chính đang được phát triển:

- Kỹ thuật mô cổ điển: Sử dụng một khung nâng đỡ sinh học có cấu trúc phù hợp làm “giá đỡ” để tế bào bám vào và phát triển. Hỗn hợp này được nuôi dưỡng trong các thiết bị đặc biệt (bioreactor) mô phỏng điều kiện cơ thể (như có dòng dinh dưỡng chảy qua) để tạo thành mô. Ví dụ: Da nhân tạo để điều trị bỏng, sụn khớp nuôi cấy in vitro.

- In sinh học 3D: Đây là công nghệ tiên tiến, sử dụng "mực sinh học" (bioink) – một loại gel chứa tế bào sống – để in từng lớp và tạo ra cấu trúc mô 3D chính xác dựa trên thiết kế kỹ thuật số. Ứng dụng: Tạo ra các cấu trúc phức tạp như mảnh xương, van tim hoặc mô gan nhỏ được cá thể hóa cho bệnh nhân. Thách thức lớn nhất hiện nay là tạo ra hệ thống mạch máu hoàn chỉnh bên trong các mô in để nuôi dưỡng chúng (Murphy & Atala, 2014).

- Cấy ghép tế bào trực tiếp: Phương pháp này tập trung vào việc thu nhận, nuôi cấy hoặc biến đổi tế bào của chính bệnh nhân (như tế bào gốc), sau đó cấy ghép trực tiếp vào vùng tổn thương để kích thích cơ thể tự sửa chữa. Ví dụ: Tiêm tế bào gốc trung mô vào khớp bị thoái hóa để giảm viêm và thúc đẩy tái tạo sụn.

4.2. Phát triển dược phẩm và độc chất

Các mô hình 2D truyền thống thường thất bại trong việc dự đoán phản ứng của cơ thể người do thiếu độ phức tạp. Công nghệ tế bào 3D đang lấp đầy khoảng trống này. Các mô hình tiên tiến bao gồm:

- Cơ quan thu nhỏ (Organoids): Là các cụm tế bào tự tổ chức, phát triển từ tế bào gốc, mô phỏng cấu trúc và chức năng của cơ quan thật (như não, gan, ruột). Chúng cho phép nghiên cứu bệnh lý di truyền (tạo organoid từ iPSC của bệnh nhân), tương tác vi khuẩn-ký chủ, và cơ chế kháng thuốc trong ung thư (Lancaster & Knoblich, 2014).

- Chip cơ quan (Organs-on-Chips): đại diện cho một bước tiến đột phá trong công nghệ mô hình sinh học in vitro. Về bản chất, đây là các hệ thống vi lỏng (microfluidic) ba chiều được thiết kế tinh vi, trong đó các kênh vi mạch được lót bằng những loại tế bào sống đặc hiệu, tái tạo chức năng cơ bản của một đơn vị cơ quan. Điểm ưu việt của hệ thống này nằm ở khả năng mô phỏng động các điều kiện sinh lý không thể đạt được trong nuôi cấy tế bào thông thường, bao gồm: Dòng chảy liên tục của môi trường dinh dưỡng, mô phỏng lưu lượng máu. Các kích thích cơ học như lực co giãn theo chu kỳ (để mô phỏng hô hấp của phổi) hay lực kéo ma sát của dòng máu lên thành mạch. Hơn nữa, các chip riêng lẻ này có thể được kết nối vật lý thông qua các dòng vi lỏng, tạo thành một hệ thống đa cơ quan tích hợp (ví dụ: chip gan-thận-ruột). Hệ thống này cho phép nghiên cứu các quá trình sinh học tuần tự, như sự hấp thu, chuyển hóa và đào thải của một phân tử thuốc, một cách có hệ thống và gần với sinh lý người hơn.

4.3. Liệu pháp tế bào và miễn dịch trị liệu

Liệu pháp tế bào là phương pháp sử dụng tế bào như một loại "thuốc sống" để sửa chữa, thay thế hoặc tái tạo các mô bị tổn thương. Một số liệu pháp nền tảng đã được ứng dụng rộng rãi:

Tế bào gốc trung mô (MSCs): Là các tế bào đa năng có nguồn gốc từ tủy xương, mô mỡ hoặc dây rốn. Chúng không chỉ có khả năng biệt hóa thành các tế bào xương, sụn, mỡ mà còn sở hữu đặc tính điều hòa miễn dịch mạnh mẽ và tiết ra các yếu tố tăng trưởng giúp hỗ trợ sửa chữa mô. Nhờ vậy, MSCs đang được nghiên cứu và ứng dụng trong điều trị các bệnh tự miễn (như viêm khớp dạng thấp), bệnh ghép chống chủ (GvHD), và thoái hóa khớp (Squillaro et al., 2016).

Tế bào gốc tạo máu (HSCs): Đây là nền tảng của liệu pháp ghép tủy xương - phương pháp điều trị tiêu chuẩn cho nhiều bệnh ung thư máu ác tính (bệnh bạch cầu, u lympho) và rối loạn suy tủy. Công nghệ tế bào hiện đại cho phép xử lý HSCs ngoài cơ thể (ex vivo) trước khi ghép, mở ra nhiều khả năng: mở rộng quy mô số lượng tế bào từ các nguồn hiến hạn chế như máu cuống rốn; sửa chữa gen để điều trị các bệnh máu di truyền (như thalassemia, thiếu máu hồng cầu hình liềm); và biến đổi tế bào để tăng cường miễn dịch trị liệu đã cách mạng hóa việc chữa ung thư. Nổi bật nhất là liệu pháp CAR-T, một loại "thuốc sống" được tạo ra từ chính tế bào miễn dịch (tế bào T) của bệnh nhân. Các tế bào này được lấy ra, biến đổi gen trong phòng thí nghiệm để gắn thêm "đầu dò" đặc biệt (CAR) giúp chúng nhận diện và tiêu diệt chính xác tế bào ung thư (ví dụ: tế bào ung thư máu mang dấu CD19), sau đó được truyền trở lại cơ thể. Liệu pháp này đạt tỷ lệ chữa khỏi >80% cho một số bệnh ung thư máu kháng trị. Tuy nhiên, phương pháp này rất đắt, có thể gây độc tính nghiêm trọng và kém hiệu quả với các khối u rắn (như ung thư phổi, vú). Để chống lại các khối u rắn, liệu pháp TCR-T đang được phát triển. Thay vì nhận diện mục tiêu bên ngoài như CAR-T, TCR-T sử dụng thụ thể tự nhiên của tế bào T (TCR) để nhận diện các mảnh protein bên trong tế bào ung thư, cho phép tấn công chúng hiệu quả hơn (June et al., 2018).

4.4. Sản xuất protein phức tạp và thịt nuôi cấy

Sản xuất protein trị liệu dựa vào tế bào động vật vì chỉ chúng mới có thể tạo ra các protein phức tạp với các sửa đổi sinh học chính xác, như gắn thêm đường (glycosyl hóa). Tế bào CHO từ buồng trứng chuột lang là “hệ thống” biểu hiện chính, chiếm >70% protein phát triển từ công nghệ tế bào động vật do nó tạo ra protein giống người và dễ nuôi cấy quy mô lớn. Quy trình này gồm ba bước: (1) tạo dòng tế bào mang gen mục tiêu, (2) nuôi cấy công nghiệp trong bioreactor, (3) thu hoạch và tinh sạch protein. Nhờ đó, các thuốc sinh học quan trọng như kháng thể đơn dòng, yếu tố đông máu và enzyme thay thế đã được sản xuất (Walsh, 2018).

Công nghệ thịt nuôi cấy nhằm tạo ra thịt thật mà không cần giết mổ, giải quyết vấn đề đạo đức và môi trường. Từ một mẫu mô nhỏ, các tế bào vệ tinh (tế bào gốc cơ) được thu nhận, nhân lên trong bioreactor, sau đó kích thích thành sợi cơ. Các sợi cơ này được định hình trên giá đỡ ăn được và kết hợp với tế bào mỡ để tạo hương vị. Thịt gà nuôi cấy đầu tiên đã được bán tại Singapore (2020), nhưng thách thức lớn là phải giảm chi phí và mở rộng sản xuất (Post, 2012).

5. THÁCH THỨC VÀ TRIỂN VỌNG TƯƠNG LAI

5.1. Thách thức

Mặc dù có tiềm năng to lớn, sự phát triển của công nghệ tế bào động vật vẫn đang vấp phải một số rào cản quan trọng. Thách thức về tài chính và kỹ thuật là một trở ngại lớn, khi các hệ thống nuôi cấy 3D phức tạp và công nghệ vi lỏng tiên tiến yêu cầu chi phí đầu tư và vận hành rất cao, khiến chúng khó tiếp cận rộng rãi. Đi kèm với đó là vấn đề thiếu tính chuẩn hóa. Các quy trình nuôi cấy, đặc biệt đối với các cơ quan thu nhỏ (organoids), thường khác biệt giữa các phòng thí nghiệm, dẫn đến kết quả khó tái lập và so sánh, làm giảm độ tin cậy trong nghiên cứu và ứng dụng. Cuối cùng, lĩnh vực này tiếp tục đối mặt với những tranh luận về đạo đức và các khung quản lý chưa hoàn thiện, đặc biệt xoay quanh việc sử dụng tế bào gốc phôi người hay việc đánh giá an toàn lâu dài của các sản phẩm mới như thịt nuôi cấy.

5.2. Triển vọng

Bất chấp những thách thức, tương lai của công nghệ tế bào động vật được dự báo sẽ rất triển vọng, nhờ vào sự hội tụ của nhiều công nghệ đột phá. Thứ nhất, sự kết hợp với sinh học tổng hợp sẽ biến tế bào động vật thành những "nhà máy sinh học thông minh", được lập trình để sản xuất chính xác các loại protein, vật liệu hoặc thậm chí mô theo yêu cầu. Thứ hai, sức mạnh của trí tuệ nhân tạo (AI) và dữ liệu lớn sẽ cách mạng hóa việc phân tích, cho phép chúng ta dự đoán hành vi tế bào, tự động hóa việc tối ưu hóa môi trường nuôi cấy và khám phá ra các cơ chế bệnh mới từ khối dữ liệu hình ảnh và "omics" khổng lồ. Thứ ba và cũng là mục tiêu cuối cùng, là hướng tới y học cá thể hóa tối đa. Với công nghệ tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC), các liệu pháp tế bào và mô ghép có thể được phát triển từ chính tế bào của người bệnh, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ thải ghép và nâng cao tối đa hiệu quả điều trị. Sự hội tụ của các xu hướng này không chỉ mở ra kỷ nguyên mới cho nghiên cứu mà còn hứa hẹn tạo ra những giải pháp thực tiễn, biến đổi sâu sắc ngành y tế, công nghiệp sinh học và chất lượng cuộc sống.

6. KẾT LUẬN

Công nghệ tế bào động vật đã hoàn thành hành trình chuyển mình từ một công cụ quan sát thụ động trở thành nền tảng sáng tạo chủ động, đặt sinh học vào kỷ nguyên mới của khả năng can thiệp và kiến tạo. Không dừng lại ở việc giúp con người "giải mã" các quy luật của sự sống, lĩnh vực này đã cung cấp những công cụ để trực tiếp "thiết kế" và "tái lập trình" sự sống in vitro. Những tiến bộ này đang và sẽ tiếp tục là động lực chính thúc đẩy các cuộc cách mạng trong y học tái tạo cá thể hóa, sản xuất dược phẩm và thực phẩm bền vững, cũng như nâng cao hiểu biết căn nguyên của bệnh tật.

Trước mắt, những thách thức về chi phí, độ phức tạp và vấn đề đạo đức vẫn cần được giải quyết. Tuy nhiên, với sự hội tụ của công nghệ gen, khoa học vật liệu và trí tuệ nhân tạo, tương lai của công nghệ tế bào động vật hứa hẹn sẽ tiếp tục xóa nhòa ranh giới giữa nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tiễn, từng bước hiện thực hóa giấc mơ về một nền y sinh học chủ động dự phòng, một nền công nghiệp sinh học chính xác và một sự hiểu biết toàn diện về chính bản thân con người.

TS. Lê Thị Lan Anh & TS. Hoàng Đăng Hiếu, Viện Y sinh nhiệt đới (tổng hợp)

Tài liệu tham khảo:

1. Pampaloni, F., Reynaud, E. G., & Stelzer, E. H. (2007). The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 8(10), 839–845. https://doi.org/10.1038/nrm2236

2. Bhatia, S. N., & Ingber, D. E. (2014). Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology, 32(8), 760–772. https://doi.org/10.1038/nbt.2989

3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A., & Martin, K. C. (2021). Molecular Cell Biology (9th ed.). W.H. Freeman.

4. Yamanaka, S., & Blau, H. M. (2010). Nuclear reprogramming to a pluripotent state by three approaches. Nature, 465(7299), 704712. https://doi.org/10.1038/nature09229

5. Lancaster, M. A., & Knoblich, J. A. (2014). Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science, 345(6194), 1247125. https://doi.org/10.1126/science.1247125

6. Doudna, J. A., & Charpentier, E. (2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science, 346(6213), 1258096. https://doi.org/10.1126/science.1258096

7. Murphy, S. V., & Atala, A. (2014). 3D bioprinting of tissues and organs.Nature Biotechnology, 32(8), 773–785.https://doi.org/10.1038/nbt.2958

8. Langer, R., & Vacanti, J. P. (2016).Tissue Engineering. Science, 260(5110), 920-926. DOI: 10.1126/science.8493529

9. Lancaster, M. A., & Knoblich, J. A. (2014). Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science, 345(6194), 1247125.https://doi.org/10.1126/science.1247125

10. Squillaro, T., Peluso, G., & Galderisi, U. (2016). Clinical Trials with Mesenchymal Stem Cells: An Update. Cell Transplantation, 25(5), 829–848. https://doi.org/10.3727/096368915X689622

11. Doulatov, S., Notta, F., Laurenti, E., & Dick, J. E. (2012). Hematopoiesis: a human perspective. Cell Stem Cell, 10(2), 120–136. https://doi.org/10.1016/j.stem.2012.01.006

12. June, C. H., O’Connor, R. S., Kawalekar, O. U., Ghassemi, S., & Milone, M. C. (2018). CAR T cell immunotherapy for human cancer. Science, 359(6382), 1361–1365. https://doi.org/10.1126/science.aar6711

13. Walsh, G. (2018). Biopharmaceutical benchmarks 2018. Nature Biotechnology, 36(12), 1136-1145.https://doi.org/10.1038/nbt.4305

14. Post, M. J. (2012). Cultured meat from stem cells: Challenges and prospects. Meat Science, 92(3), 297–301.https://doi.org/10.1016/j.meatsci.2012.04.008