Phát triển võng mạc từ tế bào gốc

Trong 5 năm qua, đã xuất hiện một hình thức mới của nghiên cứu tế bào gốc. Thay vì tập trung vào việc tạo ra các cơ quan hoàn chỉnh từ những tế bào gốc đa năng, xu hướng mới bao gồm xây dựng những 'organoid' – những mô tạng 3D phức tạp trong ống nghiệm – tuy chưa phải là cơ quan hoàn chỉnh – nhưng nó giúp hiểu sâu hơn về sự phát triển của tế bào và bệnh tật.

Những organoid với 2 võng mạc mini nằm cạnh nhau trên đĩa petri

Tại một phòng thí nghiệm nhỏ ở Dresden, Đức, nhóm các nhà nghiên cứu đứng đầu là TS. Mike Karl đã có một bước tiến đáng kể trong nghiên cứu organoid: Họ đã tìm thấy một cách hiệu quả để tạo ra những võng mạc mini, hay võng mạc organoid, để nghiên cứu sự phát triển của mắt và các bệnh mắt khác nhau gây mù lòa.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Stem Cell Reports, mô tả 'tính linh động của các tế bào gốc đa năng' 'mang đến những khả năng mới cho việc nghiên cứu sự phát triển, thoái hóa, và tái sinh' của các tế bào võng mạc.

Nói cách khác, họ đã bắt các tế bào gốc tạo thành những 'võng mạc tí hon', cho phép nghiên cứu các bệnh lý về phát triển võng mạc, thoái hóa hoàng điểm tuổi già, rối loạn di truyền, hoặc tổn thương mắt.

'Chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp này để phát triển những mô hình thực nghiệm - như rách võng mạc, có thể xảy ra ở những bệnh nhân trẻ tuổi, hoặc ở những bệnh nhân lớn tuổi khi võng mạc bị mỏng đi,' TS Karl cho biết. 'Mục tiêu lớn nhất là nghiên cứu quá trình bệnh', và cuối cùng là sử dụng công nghệ để nghiên cứu những liệu pháp điều trị mới cho mắt.

Mike Karl đã làm việc tại Trung tâm Bệnh lý thoái hóa thần kinh Đức được 5 năm, tập trung chủ yếu vào mối liên quan giữa tính 'linh động' của não với sự phát triển và bệnh võng mạc. Tại phòng thí nghiệm này, nơi những võng mạc nhỏ xíu được tạo ra. Các nhà nghiên cứu ngồi lặng lẽ bên những đĩa nuôi cấy, cất trên giá trong tủ ủ ấm nuôi cấy tế bào, nơi chúng phát triển ở nhiệt độ  37oC.

Võng mạc organoid của chuột mất khoảng 20 đến 30 ngày để phát triển, trong khi organoid của người mất nhiều thời gian hơn nhiều – tới 180 ngày, hoặc gần 6 tháng.

Phần lớn trong nghiên cứu organoid là chờ đợi. TS Karl giải thích rằng chúng ta vẫn chưa hoàn toàn hiểu những gì sẽ xảy ra khi các tế bào gốc đa năng – những tế bào có khả năng phát triển thành mọi loại tế bào trong cơ thể - tự điều chỉnh thành những týp tế bào cụ thể.

Các nhà khoa học có thể tạo ra môi trường bằng yếu tố tăng trưởng thúc đẩy tế bào gốc đi theo một hướng nhất định, nhưng hầu hết thời gian họ thực sự không biết kết cục sẽ là thế nào.

Quy trình mới cho phép thúc đẩy các tế bào theo hướng phát triển võng mạc, nhưng vẫn có sự 'linh động' rất lớn giữa sự ra đời của các tế bào gốc đa năng và giai đoạn cuối cùng của chúng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn thành công trong việc bắt nhiều tế bào gốc bước sang giai đoạn organoid cuối cùng.

Nhà nghiên cứu Manuela Völkner đang soi kính hiển vi một võng mạc organoid đã hình thành đầy đủ (Ảnh: TS Mike Karl)

Sức mạnh của organoid

Đây không phải là organoid đầu tiên được phát triển: Các nhà khoa học đã thành công trong việc tạo ra những qui trình cho thận, ruột, và não organoid. Mặc dù sự 'bùng nổ' trong nghiên cứu organoid mới diễn ra trong 5 năm trở lại đây, song những tiến bộ của nó có lẽ bắt đầu từ năm 2008, khi nhà nghiên cứu Nhật Bản Yoshiki Sasai của Viện RIKEN tại Nhật Bản chứng minh rằng có thể thúc đẩy tế bào gốc trở thành những cụm tế bào thần kinh nhỏ tự tổ chức thành các lớp và bắt đầu hình thành các mô.

Sau đó, vào năm 2013, các nhà nghiên cứu Áo đã phát triển mô hình 'não mini' từ các tế bào gốc phôi của chuột. Những organoid này không phải là 'những bộ não trong ống nghiệm,' mà là 'những bước đi đầu tiên của sự phát triển não phôi thai, như trong 9 tuần đầu tiên của thai kỳ,' Jürgen Knoblich, tác giả chính của nghiên cứu giải thích.

'Chúng không hề giống với não người và không tạo thành bất cứ thứ gì tương tự mạng lưới thần kinh.' Tuy nhiên, những 'bộ não organoid ' cho phép các nhà khoa học nghiên cứu sự phát triển của các bệnh não, điều chưa từng được thực hiện theo cách như vậy trước đó.

Quá trình cũng tương tự đối với sự phát triển võng mạc. Hình thành từ những nghiên cứu trước đây, Karl và nhóm của ông đã lần đầu tiên tạo ra một phương pháp cho phép phát triển mô võng mạc phức tạp. Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể phát triển những đám tế bào võng mạc, và không thể đi xa hơn.

Tuy nhiên, trái với quan niệm phổ biến, mục tiêu chính của Karl không phải là xây dựng một võng mạc hoàn chỉnh hoặc một con mắt hoàn chỉnh từ các tế bào gốc. Mối quan tâm của ông nằm ở việc nghiên cứu các bệnh võng mạc khác nhau do di truyền, tuổi tác, môi trường hoặc chấn thương.

'Mục tiêu không phải là chỉ tạo ra thứ gì đó gần với võng mạc thực sự nhất, mà còn để khai thác sự linh hoạt của hệ thống để tạo ra những cách đa dạng hơn cho nghiên cứu mô võng mạc'. TS Karl phát biểu.

Nhiều bệnh trong số này có liên quan với sự hình thành sẹo của mô võng mạc, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết chính xác lý do tại sao. Nghiên cứu phát triển của chúng trên organoid sẽ mở ra cơ hội để quan sát quá trình mắc bệnh theo cách mà không thể được thực hiện trên người.

'Ở bệnh nhân, bạn không thể thực sự nghiên cứu quá trình bệnh học của bệnh', TS Karl cho biết, chủ yếu là vì đến khi các bác sĩ nhìn thấy triệu chứng của bệnh mắt, thì bệnh đã được nung nấu và phát triển trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm. Organoid sẽ cho phép các sĩ nhìn thấy bệnh xảy ra trong thời gian thực, từ đầu đến cuối.

Trung tâm Bệnh lý thoái hóa thần kinh Đức là cơ sở nghiên cứu duy nhất của Đức dành cho việc nghiên cứu tất cả các loại sa sút trí tuệ, thoái hóa và tái sinh não. Cụ thể, Trung tâm Dresden tập trung vào việc nghiên cứu tế bào gốc và y học tái tạo và sự liên quan của nó với khả năng bộ não thay đổi theo thời gian.

Mục tiêu cuối cùng tại phòng thí nghiệm của Karl là xem có thể tìm cách tái tạo các mô võng mạc bằng tế bào gốc hay không, nhưng trước hết, nhóm nghiên cứu dự định mở rộng qui trình organoid sang cho tế bào của người và 'đưa nó vào sâu hơn trong hệ thống của người.' Điều này, theo TS Karl, sẽ mở đường cho các liệu pháp mới.