Đọc thêm: Ứng dụng kỹ thuật khử hóa tế bào (Decellularization) trong thiết kế tim sinh học nhân tạo

Ngay lúc này, có tới 4186 người Mỹ đang đợi được cấy ghép tim, tuy nhiên, sự khan hiếm người hiến tạng là lý do nhiều bệnh nhân không thể chờ được ca phẫu thuật của mình. Vì lẽ đó, nuôi cấy các trái tim có khả năng cấy ghép trong phòng thí nghiệm là mong muốn từ rất lâu của cộng đồng y học.

Nhiều nghiên cứu trước đó đã cho thấy công nghệ in 3D có thể tạo ra các mẫu tim ba chiều bằng cách sử dụng vật liệu sinh học. Mặc dù thiếu đi các tế bào tim thật sự, những cấu trúc này cung cấp một “khung nền” cho mô tim phát triển bên trong. Gần đây, một nhóm nghiên cứu đến từ Bệnh viện Massachusetts (MGH) và Trường Y khoa Harvard đã ứng dụng ý tưởng “khung nền” này kết hợp với kỹ thuật tế bào gốc và thu được nhiều kết quả đáng ngạc nhiên.

Vấn đề chính trong cấy ghép tim không phải là thiếu hụt người hiến mà là nguy cơ cơ thể người nhận từ chối bộ phận mới. Hệ thống miễn dịch được lập trình để nhận biết các mô ngoại lai như một mối đe dọa, do đó, chúng sẽ tấn công và phá hủy cơ quan mới (hiện tượng thải ghép). Cách duy nhất để ngăn cản hiện tượng này là sử dụng thuốc ức chế hệ thống miễn dịch dù tỷ lệ thành công không cao.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã đạt được những thành tựu đầu tiên trong việc thiết kế một trái tim từ tim người cho, đã loại bỏ các thành phần gây đáp ứng miễn dịch. Các tế bào cơ tim được hình thành từ tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSCs) lấy từ những người nhận tiềm năng. Nghiên cứu cũng thiết kế một hệ thống phản ứng sinh học (bioreactor) với chức năng hỗ trợ quá trình phát triển của trái tim con người trong suốt quá trình tái tế bào hóa (recellularization).

“Quá trình tạo ra mô tim có chức năng gặp rất nhiều thử thách”, tiến sĩ Jacques Guyette, công tác tại MGH Center for Regenerative Medicine (CRM), tác giả báo cáo phát biểu. “Đó là khó khăn trong cung cấp một cấu trúc khung nền có thể hỗ trợ các chức năng tim cũng như việc bổ sung các tế bào tim chuyên hóa, tạo dựng môi trường phù hợp cho tế bào tái bản và hình thành các mô trưởng thành sở hữu những chức năng phức tạp.”

Năm 2008, Harald Ott – giáo sư tại Trường Y khoa Harvard, một tác giả khác của nghiên cứu - đã phát triển quy trình loại bỏ các tế bào sống từ tạng người nhận đồng thời duy trì khung nền ngoại bào bằng cách sử dụng dung dịch có tính tẩy rửa. (Quá trình này được mô tả bởi thuật ngữ “decellularization”- tạm dịch “khử hóa tế bào“). Nhóm của ông đã tạo ra thận, phổi chuột có chức năng và khử hóa tế bào thận, phổi và tim của một vài động vật lớn. Đây là nghiên cứu đầu tiên tiến hành phân tích chi tiết quy trình duy trì khung nền ngoại bào của một trái tim người sau khi khử hóa tế bào, theo sau là quy trình “recellularization” (tạm dịch “tái hóa tế bào”).

73 trái tim từ nguồn hiến tặng dùng trong nghiên cứu lần này được xác định là không thích hợp cho cấy ghép. Sau khi nhận được sự đồng thuận, chúng được khôi phục sử dụng. Kế thừa quá trình đã phát triển trên tim chuột, các nhà khoa học tiến hành khử hóa tế bào ở tim người cho đã chết não và người cho chết vì bệnh tim mạch. Khung nền tim còn lại được xác định có chứa các protein nền và các cấu trúc tự do của tế bào tim, đồng thời cũng duy trì cấu trúc mạch vành và vi mạch. Có rất ít khác biệt trong sự đáp ứng với quá trình khử hóa tế bào từ 2 nhóm cho tạng.

Tim người trước (i) trong (ii) và sau (iii) quá trình khử hóa tế bào

Mô mỡ sau quá trình khử hóa tế bào (kích thước 100 µm)

Collagens I, III, IV, fibronectin, laminin, và chuỗi nặng myosin (MHC) sau quá trình khử hóa tế bào  (kích thước 200 µm)

 (1) và (2) Ảnh chụp mạch vành của động mạch chủ trái và phải trong trái tim đã khử hóa tế bào.

(3) Ảnh chụp mạch vành một trái tim đã khử hóa tế bào ở bệnh nhân mắc bệnh mạch vành. Mũi tên màu trắng chỉ đoạn hẹp lòng mạch liên quan đến mảng xơ vữa động mạch.

Động mạch vành trái (LCA), động mạch liên thất trước hướng trái (LAD), động mạch mũ trái (LCX), động mạch bờ tù (OM), động mạch vành phải (RCA), động mạch bờ nhọn (AM).

Thay thế cho việc sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo các iPSCs từ tế bào trưởng thành, nhóm nghiên cứu áp dụng một phương pháp mới giúp tái lập trình tế bào da với các nhân tố ARN thông tin. Họ cho rằng, phương pháp này hiệu quả hơn và gặp ít khó khăn hơn. Sau đó, họ kích thích iPSCs biệt hóa thành tế bào cơ tim và cấy các tế bào cơ tim vào mô 3D.

Một điều đáng chú ý là bất kỳ tế bào tim nào sinh ra theo cách này đều được hệ thống miễn dịch của bệnh nhân coi là "thân thiện", miễn là các tế bào da ban đầu có nguồn gốc từ cơ thể của chính người bệnh. Điều này đồng nghĩa với việc những trái tim từ phòng thí nghiệm sẽ không bị cơ thể thải loại.

Tại bước cuối cùng, nhóm nghiên cứu tiêm khoảng 500 triệu tế bào cơ tim nguồn gốc iPSC vào thành mạch thất trái của một trái tim đã khử hóa tế bào và nuôi tim này trong hệ thống phản ứng sinh học tự động trong 14 ngày. Trái tim được tưới dịch để cung cấp chất dinh dưỡng và các nhân tố stress như áp suất tâm thất được thiết kế tương tự như trái tim bình thường. Phân tích các mô tái tạo, các nhà khoa học nhận thấy những khu vực tập trung nhiều tế bào nguồn gốc iPSC có xuất hiện các mô cơ tim chưa trưởng thành; quá trình co cơ chức năng đáp ứng với kích thích điện cũng đã được phát hiện.

A.  Giản đồ mô tả hệ thống phản ứng sinh học nuôi cấy tim. Mũi tên thể hiện hướng của dòng chảy.

B. Hệ thống phản ứng sinh học nuôi cấy tim trong phòng thí nghiệm. Từ trái sang phải: máy tính cài đặt phần mềm điều khiển máy bơm, bộ điều khiển máy bơm, buồng chứa tim người đã trải qua quá trình khử hóa tế bào, bơm con lăn, bình 50 L chứa dịch tưới.

 “Tái tạo toàn bộ một trái tim là mục tiêu dài hạn trong nhiều năm nữa, vì vậy chúng tôi hiện đang cố gắng thiết kế cơ tim có chức năng để thay thế những mô tim bị hủy hoại sau một cơn đau tim hoặc suy tim," Guyette nói. Để cải thiện các phương pháp tạo ra trái tim có lượng tế bào tim được tái tế bào hóa nhiều hơn - có thể lên đến hàng chục tỉ tế bào - cần rất nhiều nỗ lực như tối ưu hóa các kỹ thuật nuôi cấy qua đó thúc đẩy quá trình trưởng thành và chức năng của các mô tim và tích hợp chúng vào trái tim người nhận.

Tài liệu tham khảo:

1. http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-03/mgh-fhm031116.php

2. http://www.iflscience.com/health-and-medicine/beating-human-hearts-grown-laboratory-using-stem-cells-made-skin

3. Jacques P. Guyette et al., “Bioengineering Human Myocardium on Native Extracellular Matrix”, Circulation Research

Dịch giả Nguyễn Ngọc Nam

Biên soạn BioMedia VN

Đọc thêm: Ứng dụng kỹ thuật khử hóa tế bào (Decellularization) trong thiết kế tim sinh học nhân tạo