Tế Bào Gốc Vạn Năng Cảm Ứng (iPSC) Là Gì? Ứng Dụng Mới Nhất

Tác giả: Ngô Thị Thúy An , bài viết được tư vấn chuyên môn bởi: BÁC SĨ TAKAHIRO HONDA (Pajili) Giám đốc Viện Nghiên cứu Điều trị Cấy ghép Tế bào Gốc Tokyo (TSRI)

Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC)là một thành tựu nổi bật trong lĩnh vực nghiên cứu tế bào gốc, mở ra nhiều hướng tiếp cận mới trong y học tái tạo và nghiên cứu bệnh lý. Khác với tế bào gốc phôi, iPSC được tạo ra bằng cách tái lập trình các tế bào trưởng thành về trạng thái giống tế bào gốc vạn năng, từ đó có khả năng phát triển thành nhiều loại tế bào khác nhau trong cơ thể.

Vậytế bào gốc vạn năng cảm ứng iPSC là gì, có đặc điểm như thế nào và đang được ứng dụng ra sao trong y học hiện đại? Cùng tìm hiểu những thông tin quan trọng và các hướng ứng dụng mới của iPSC trong bài viết dưới đây.

1. Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC) là gì? 

Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (induced pluripotent stem cells – iPSC)là những tế bào trưởng thành đã đượctái lập trình về trạng thái gần giống tế bào gốc phôi, nhờ đó có khả năng tự đổi mới và biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau của cơ thể. Khác với tế bào gốc phôi, iPSC được tạo ra từtế bào soma (tế bào cơ thể) đã biệt hóa, chẳng hạn tế bào da hoặc nguyên bào sợi.

Điểm đặc biệt của iPSC nằm ở khả năng“đưa một tế bào đã trưởng thành quay trở lại trạng thái đa năng”. Ví dụ, một tế bào da vốn có chức năng chuyên biệt có thể được tái lập trình để trở thành iPSC, sau đó tiếp tục biệt hóa thành các loại tế bào khác như tế bào thần kinh, cơ tim hoặc tế bào gan trong những điều kiện nuôi cấy thích hợp.

2. Cơ chế tạo ra tế bào gốc vạn năng cảm ứng 

Quá trình tạo iPSC được gọi làtái lập trình tế bào (cellular reprogramming). Về bản chất, các nhà khoa học đưa một sốyếu tố phiên mãvào tế bào trưởng thành để thay đổi chương trình biểu hiện gene, từ đó đưa tế bào đã biệt hóa trở về trạng thái đa năng.

Bước 1: Lựa chọn tế bào trưởng thành

Quá trình thường bắt đầu từ một loạitế bào soma, phổ biến là nguyên bào sợi lấy từ da. Đây là những tế bào đã biệt hóa và có chương trình gene đặc trưng cho chức năng của chúng.

Bước 2: Đưa các yếu tố tái lập trình vào tế bào

Nghiên cứu kinh điển của Shinya Yamanaka và cộng sự cho thấy có thể sử dụng 4 yếu tố phiên mã:

OCT4 – SOX2 – KLF4 – c-MYC, thường được gọi chung làcác yếu tố Yamanaka (OSKM), để tái lập trình tế bào soma thành iPSC.

Các yếu tố này không đơn giản “biến” tế bào này thành tế bào khác. Chúngtác động lên mạng lưới điều hòa gene, làm thay đổi chương trình gene vốn duy trì đặc tính của tế bào trưởng thành.

Bước 3: Thay đổi chương trình biểu hiện gene và biểu sinh

Đây là phần cốt lõi của quá trình tái lập trình.

Trong tế bào trưởng thành, nhiều gene liên quan đến trạng thái đa năng bị đóng hoặc hoạt động ở mức thấp. Khi các yếu tố OSKM được kích hoạt, chúng thúc đẩy:

• Ức chế các gene đặc trưng của tế bào trưởng thành.
• Kích hoạt các gene liên quan đến tính đa năng.
• Thay đổi cấu trúc và trạng thái hoạt động củachromatin.
• Điều chỉnh các dấu ấnbiểu sinh (epigenetic)như methyl hóa DNA và biến đổi histone.

Nhờ đó, tế bào từng bước mất đi “chương trình” chuyên biệt ban đầu và thiết lập lại mạng lưới gene đặc trưng của tế bào đa năng.

Bước 4: Hình thành trạng thái đa năng

Quá trình tái lập trình không xảy ra ngay lập tức mà trải qua nhiều giai đoạn trung gian, thường được mô tả gồmkhởi đầu, trưởng thành và ổn định. Cuối quá trình, một số tế bào đạt trạng thái đa năng và hình thành các dòng iPSC có khả năng tự đổi mới.

Một điểm quan trọng làkhông phải mọi tế bào ban đầu đều được tái lập trình thành công. Hiệu suất tái lập trình tương đối thấp và quá trình này chịu ảnh hưởng bởi loại tế bào, phương pháp đưa yếu tố tái lập trình vào tế bào và điều kiện nuôi cấy.

Bước 5: Kiểm tra và biệt hóa iPSC thành tế bào mong muốn

Sau khi tạo được iPSC, các nhà nghiên cứu cần kiểm tra xem tế bào có thực sự đạt những đặc điểm của trạng thái đa năng hay không. Sau đó, iPSC có thể đượcđịnh hướng biệt hóathành loại tế bào mong muốn bằng cách sử dụng các tín hiệu và điều kiện nuôi cấy phù hợp.

Có thể hình dung quá trình đơn giản như sau:

Tế bào trưởng thành → đưa yếu tố OSKM → tái lập trình gene/biểu sinh → iPSC → biệt hóa → tế bào chuyên biệt

3. Đặc điểm sinh học nổi bật của iPSC 

3.1. Tính vạn năng — biệt hóa thành tế bào của cả 3 lá phôi 

Tính vạn năng (pluripotency)là đặc điểm quan trọng nhất của iPSC. Sau khi được tái lập trình, iPSC có khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào thuộccả 3 lá phôi:

• Ngoại bì (ectoderm):có thể tạo ra các tế bào thần kinh, tế bào da...
• Trung bì (mesoderm):có thể tạo ra tế bào cơ tim, tế bào máu, tế bào cơ...
• Nội bì (endoderm):có thể tạo ra tế bào gan, tế bào tuyến tụy và một số tế bào biểu mô đường tiêu hóa...

Nhờ đó, từ một mẫu tế bào trưởng thành ban đầu, các nhà khoa học có thể tạo ra nhiều loại tế bào chuyên biệt đểnghiên cứu cơ chế bệnh, thử nghiệm thuốc hoặc nghiên cứu khả năng tái tạo mô. Tuy nhiên, cần phân biệtpluripotent (vạn năng)vớitotipotent (toàn năng): iPSC có thể tạo ra nhiều loại tế bào của cơ thể nhưngkhông có khả năng tự phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh.

3.2. Khả năng tăng sinh gần như vô hạn 

Giống các tế bào gốc đa năng khác, iPSC có khả năngtự đổi mới (self-renewal)và duy trì trạng thái chưa biệt hóa qua nhiều lần phân chia khi được nuôi cấy trong điều kiện thích hợp.

Đặc tính này cho phép các nhà nghiên cứu tạo rasố lượng lớn tế bào từ một mẫu ban đầu, phục vụ cho các nghiên cứu quy mô lớn hoặc quá trình biệt hóa thành các loại tế bào chuyên biệt.

Tuy nhiên, cụm từ“tăng sinh gần như vô hạn” không có nghĩa iPSC có thể phân chia vô hạn mà không cần kiểm soát. Trong quá trình nuôi cấy, cần theo dõi chặt chẽ các thay đổi về gene, nhiễm sắc thể và đặc tính tế bào. Những tế bào còn sót lại ở trạng thái đa năng sau khi biệt hóa cũng có thể làm tăngnguy cơ hình thành khối u, đặc biệt là u quái (teratoma). Vì vậy, kiểm soát chất lượng là yêu cầu quan trọng khi nghiên cứu và phát triển liệu pháp dựa trên iPSC.

3.3. Tính cá thể hóa — giảm nguy cơ thải ghép miễn dịch  

Một ưu điểm đáng chú ý của iPSC làcó thể được tạo từ chính tế bào của người bệnh. Ví dụ, tế bào da của một người có thể được lấy ra, tái lập trình thành iPSC rồi biệt hóa thành loại tế bào cần nghiên cứu hoặc hướng tới sử dụng trong y học tái tạo.

Nếu tế bào được tạo ra từ iPSCtự thânđược sử dụng trở lại cho chính người đó, về lý thuyết chúng có thể giúpgiảm nguy cơ phản ứng miễn dịch so với tế bào có nguồn gốc từ người hiến không tương thích. Đây là cơ sở cho tiềm năng phát triển các liệu pháp tế bào mang tính cá thể hóa.

Tuy nhiên,iPSC tự thân không đồng nghĩa với hoàn toàn không bị hệ miễn dịch nhận diện hoặc chắc chắn không xảy ra thải ghép. Quá trình tái lập trình và biệt hóa có thể tạo ra những thay đổi khiến tế bào bị hệ miễn dịch nhận diện; ngoài ra, nguy cơ còn phụ thuộc vào loại tế bào, quy trình sản xuất và tình trạng của người nhận.

4. So sánh iPSC với các loại tế bào gốc khác 

4.1. iPSC và tế bào gốc phôi (ESC) 

Điểm giống nhau:iPSC và ESC đều thuộc nhómtế bào gốc vạn năng (pluripotent stem cells). Cả hai đều có khả năng tự đổi mới và biệt hóa thành nhiều loại tế bào thuộcba lá phôi: ngoại bì, trung bì và nội bì.

Điểm khác biệt quan trọng nhất nằm ởnguồn gốc:

• ESCđược phân lập từkhối tế bào bên trong của phôi nangở giai đoạn sớm.
• iPSCđược tạo ra bằng cáchtái lập trình các tế bào soma trưởng thành, chẳng hạn tế bào da, về trạng thái đa năng.

Chính sự khác biệt này tạo nên một ưu điểm đáng chú ý của iPSC:không cần sử dụng tế bào từ phôi để tạo dòng tế bào đa năng. Vì vậy, công nghệ iPSC giúp giảm một số tranh luận đạo đức liên quan đến việc sử dụng phôi trong nghiên cứu tế bào gốc.

Ngoài ra, iPSC có thể được tạo từ tế bào của chính người bệnh. Điều này mở ra khả năng tạo ra các tế bào mangbộ gene gần như tương ứng với từng cá nhân, rất hữu ích trong nghiên cứu bệnh, thử nghiệm thuốc và phát triển y học cá thể hóa.

4.2. iPSC và tế bào gốc trưởng thành  

Khác với iPSC và ESC,tế bào gốc trưởng thành (adult stem cells)tồn tại tự nhiên trong các mô sau khi cơ thể đã phát triển. Chúng giúp duy trì, thay mới và sửa chữa mô trong suốt cuộc đời.

Ví dụ:

• Tế bào gốc tạo máu (HSC):tạo ra các tế bào máu.
• Tế bào gốc biểu mô:duy trì và tái tạo một số mô biểu mô như da, ruột.
• Tế bào gốc thần kinh:được tìm thấy ở một số vùng nhất định của hệ thần kinh.

Khác biệt lớn nhất làmức độ tiềm năng. iPSC có tính vạn năng, trong khi phần lớn tế bào gốc trưởng thành có tiềm năng biệt hóahạn chế hơn và thường gắn với mô hoặc dòng tế bào cụ thể. Vì vậy, iPSC có thể cung cấp nhiều lựa chọn hơn cho việc tạo các loại tế bào khác nhau trong phòng thí nghiệm.

Ngược lại, tế bào gốc trưởng thành có một lợi thế quan trọng làđã tồn tại tự nhiên trong cơ thể và có vai trò sinh lý rõ ràng. Một số loại đã được sử dụng trong điều trị từ lâu, điển hình là ghép tế bào gốc tạo máu trong điều trị một số bệnh lý về máu và hệ miễn dịch.

5. Ứng dụng của iPSC trong y học và nghiên cứu 

5.1. Mô hình hóa bệnh học và sàng lọc thuốc (organoid) 

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của iPSC làtạo mô hình bệnh trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học có thể lấy tế bào của người bệnh, tái lập trình thành iPSC rồi biệt hóa chúng thành tế bào thần kinh, tế bào tim, tế bào gan, tế bào võng mạc... Nhờ mang đặc điểm di truyền của người bệnh, những tế bào này có thể giúp nghiên cứu cách bệnh hình thành và tiến triển.

Đặc biệt, iPSC có thể được sử dụng để tạoorganoid (cơ quan thu nhỏ trong phòng thí nghiệm). Organoid mô phỏng một phần cấu trúc và chức năng của mô hoặc cơ quan thật, qua đó cung cấp mô hình gần với sinh học của con người hơn so với một số dòng tế bào nuôi cấy truyền thống. Công nghệ này đang được ứng dụng để nghiên cứu bệnh vàsàng lọc hàng loạt thuốc hoặc hợp chất tiềm năng.

Ví dụ, với bệnh thoái hóa thần kinh, các tế bào thần kinh được tạo từ iPSC của người bệnh có thể giúp quan sát những thay đổi bệnh lý và đánh giá phản ứng với thuốc. Một nghiên cứu gần đây trên iPSC của bệnh nhân ALS cho thấy các neuron vận động tạo ra từ iPSC có thể tái hiện một số đặc điểm của bệnh và được sử dụng cho nghiên cứu sàng lọc thuốc quy mô lớn.

5.2. Y học tái tạo — thay thế mô, cơ quan tổn thương 

Về lý thuyết, iPSC có thể được biệt hóa thành nhiều loại tế bào chuyên biệt, từ đó mở ra hướngtạo tế bào thay thế cho những mô bị tổn thương hoặc thoái hóa.

Quy trình có thể hình dung đơn giản:

Tế bào trưởng thành → tái lập trình thành iPSC → biệt hóa thành tế bào mong muốn → kiểm tra chất lượng → đưa vào nghiên cứu/điều trị

Các hướng nghiên cứu đang được quan tâm gồm tạotế bào thần kinh, tế bào cơ tim, tế bào võng mạc, tế bào gan, tế bào tụy...để phục vụ y học tái tạo.

Ưu điểm tiềm năng của iPSC là có thể tạo ra số lượng lớn tế bào từ nguồn ban đầu và trong một số chiến lược có thể sử dụng tế bào mang đặc điểm di truyền của chính người bệnh. Tuy nhiên, để đưa vào cơ thể, các tế bào phải được kiểm soát nghiêm ngặt vềđộ tinh sạch, ổn định di truyền, khả năng biệt hóa và nguy cơ hình thành khối u. Vì vậy, khả năng tạo ra một loại tế bào trong phòng thí nghiệm không đồng nghĩa với việc đã có thể dùng chúng để thay thế cơ quan bị tổn thương trên người.

5.3. Hướng điều trị bệnh nan y: Parkinson, thoái hóa điểm vàng, ALS, loạn dưỡng cơ Duchenne  

Một trong những kỳ vọng lớn nhất của công nghệ iPSC là phát triểnliệu pháp tế bào cho các bệnh thoái hóa hoặc bệnh di truyền hiện chưa có phương pháp chữa khỏi hoàn toàn.

• Parkinson:iPSC có thể được biệt hóa thành các neuron dopaminergic – loại tế bào bị mất đi trong bệnh Parkinson. Mục tiêu của hướng nghiên cứu này là thay thế những neuron bị tổn thương và khôi phục một phần chức năng thần kinh. Đây là lĩnh vực đã tiến tới các nghiên cứu lâm sàng trên người, nhưng vẫn cần thêm dữ liệu để đánh giá đầy đủ hiệu quả và độ an toàn lâu dài.
• Thoái hóa điểm vàng:iPSC có thể được biệt hóa thànhtế bào biểu mô sắc tố võng mạc (RPE)nhằm nghiên cứu và phát triển phương pháp thay thế những tế bào bị tổn thương trong một số bệnh thoái hóa võng mạc. Các mô hình võng mạc và organoid từ iPSC cũng đang được sử dụng để nghiên cứu cơ chế thoái hóa tế bào và sàng lọc thuốc.
• ALS:các tế bào thần kinh vận động được tạo từ iPSC của bệnh nhân cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu bệnh ngay trên những tế bào mang đặc điểm di truyền của từng người. Đây hiện là một hướng quan trọng chomô hình hóa bệnh và tìm kiếm thuốc, thay vì đồng nghĩa với việc iPSC đã trở thành phương pháp điều trị ALS thường quy.
• Loạn dưỡng cơ Duchenne (DMD):iPSC của bệnh nhân DMD có thể được sử dụng để tạo tế bào cơ và nghiên cứu cơ chế bệnh, thử nghiệm các phương pháp sửa chữa đột biến gene hoặc tạo tế bào cơ thay thế. Hướng kết hợpiPSC với chỉnh sửa geneđặc biệt được quan tâm, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trước khi có thể ứng dụng rộng rãi trên bệnh nhân.

5.4. Ứng dụng trong huyết học — sản xuất tiểu cầu nhân tạo 

Một ứng dụng nổi bật khác của iPSC làsản xuất tiểu cầu trong phòng thí nghiệm. Thay vì hoàn toàn phụ thuộc vào tiểu cầu hiến từ người khỏe mạnh, các nhà khoa học có thể biệt hóa iPSC thànhtế bào mẫu tiểu cầu (megakaryocyte), sau đó tạo ra tiểu cầu để sử dụng trong nghiên cứu và hướng tới truyền máu.

Công nghệ này đặc biệt có ý nghĩa với những bệnh nhân bịgiảm tiểu cầu hoặc khó tìm được tiểu cầu tương thích, chẳng hạn trường hợp có kháng thể gây giảm hiệu quả truyền tiểu cầu. iPSC cũng mở ra khả năng xây dựng nguồn tiểu cầu có đặc điểm HLA phù hợp hoặc được thiết kế để giảm phản ứng miễn dịch.

Đáng chú ý,iPLAT1là thử nghiệm lâm sàng đầu tiên trên người sử dụng tiểu cầu có nguồn gốc từ iPSC. Trong thử nghiệm này, tiểu cầu tự thân được sản xuất từ iPSC của một bệnh nhân thiếu máu bất sản có tình trạng khó đáp ứng với truyền tiểu cầu. Kết quả bước đầu cho thấy không ghi nhận biến cố bất lợi nghiêm trọng trong thời gian theo dõi, nhưng nghiên cứu cũng cho thấy những vấn đề cần tiếp tục giải quyết, trong đó có khả năng lưu hành của tiểu cầu sau truyền và hiệu quả sản xuất.

Kết luận 

Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC)mang đến nhiều tiềm năng trong nghiên cứu và phát triển các phương pháp y học mới nhờ khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau. Từ mô hình hóa bệnh, thử nghiệm thuốc đến y học tái tạo, iPSC đang được nghiên cứu với kỳ vọng mở ra thêm những hướng điều trị trong tương lai. 

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

iPSC khác gì tế bào gốc phôi (ESC)?

iPSC và ESC đều là tế bào gốcvạn năng, có khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào trong cơ thể. Tuy nhiên, ESC được lấy từ phôi sớm, còn iPSC được tạo ra bằng cáchtái lập trình tế bào trưởng thànhvề trạng thái giống tế bào gốc phôi. Vì vậy, iPSC không cần sử dụng phôi và có thể tạo từ tế bào của chính người bệnh. 

Tế bào gốc vạn năng cảm ứng có an toàn không? 

iPSC có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và y học tái tạo, nhưngchưa thể xem là hoàn toàn an toàn. Các vấn đề như nguy cơ hình thành khối u, biến đổi di truyền hoặc tế bào biệt hóa chưa hoàn toàn vẫn cần được kiểm soát. Do đó, việc ứng dụng iPSC trong điều trị phải trải qua quy trình kiểm tra nghiêm ngặt và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn. 

Việt Nam đã nghiên cứu/ứng dụng công nghệ iPSC chưa?  

Có. Việt Nam đã có các nhóm nghiên cứu triển khainghiên cứu về tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSC), tập trung vào tạo dòng iPSC, biệt hóa tế bào và ứng dụng trong mô hình bệnh, sàng lọc thuốc và y học tái tạo. Tuy nhiên, việc ứng dụng iPSC vào điều trị thường quy trên người vẫn cần thêm nghiên cứu và đánh giá an toàn, hiệu quả. 

Ai là người phát minh ra công nghệ iPSC?

Công nghệ iPSC được phát triển bởi Shinya Yamanaka và cộng sự tại Nhật Bản. Năm 2006, nhóm của ông công bố việc tái lập trình tế bào trưởng thành thành tế bào có đặc tính giống tế bào gốc phôi. Phát hiện này đã mở ra một hướng nghiên cứu mới trong công nghệ tế bào gốc và giúp Yamanaka cùng John B. Gurdon nhận Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2012.