Khả năng biệt hóa của tế bào gốc

1. Tế bào gốc và tiềm năng biệt hóa

Tế bào gốc là những tế bào chưa đảm nhận chức năng cụ thể để duy trì hoạt động trong cơ thể, chúng có khả năng biệt hóa thành các tế bào khác tại mô xác định để thực hiện chức năng.

Tiềm năng biệt hóa của tế bào gốc là mức độ khả năng biệt hóa thành các loại tế bào khác nhau. Theo tiêu chí này, người ta có thể chia tế bào gốc thành các loại sau: tế bào gốc toàn năng, tế bào gốc đa tiềm năng, tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng, tế bào gốc vài tiềm năng, tế bào gốc đơn tiềm năng.

Tế bào gốc toàn năng (totipotent stem cell) là tế bào có khả năng biệt hóa thành tất cả các loại tế bào trong cơ thể, có thể hình thành cơ thể hoàn chỉnh. Đây là các tế bào ở những lần phân chia đầu tiên trong sự phát triển phôi (không còn được tìm thấy trong cơ thể trưởng thành), đồng thời chưa thể duy trì được trong điều kiện nuôi cấy ngoài cơ thể. Vì vậy, tế bào gốc toàn năng chưa được ứng dụng trong y học.

Trong những lần phân chia đầu tiên (giai đoạn 1-8 tế bào), các phôi bào là tế bào gốc toàn năng, khi tách ra đều có thể phát triển thành phôi mới, từ đó hình thành cơ thể hoàn chỉnh. Ở giai đoạn túi phôi, các tế bào được tách ra từ nút phôi gọi là tế bào gốc phôi, đó là những tế bào gốc đa tiềm năng, có thể biệt hóa thành bất cứ loại tế bào nào của cơ thể nhưng không thể hình thành cơ thể hoàn chỉnh.

Tế bào gốc đa tiềm năng (pluripotent stem cell) là tế bào có khả năng biệt hóa thành tất cả các loại tế bào trong cơ thể, nhưng không thể hình thành cơ thể hoàn chỉnh. Các tế bào gốc đa tiềm năng được quan tâm nhiều nhất bao gồm tế bào gốc phôi, tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng, tế bào muse.

Tế bào gốc phôi (Embryonic Stem Cell – ESC) ở người được phân lập từ túi phôi (blastocyst) – hình thành khoảng 5-6 ngày sau khi thụ tinh. Túi phôi có cấu trúc gồm một xoang rỗng, bao ngoài bởi lớp dưỡng bào (trophoblast) sau này tạo nên nhau thai (có vai trò nuôi dưỡng thai), bên trong chứa khối tế bào gọi là nút phôi (inner cell mass) – cấu trúc này sẽ hình thành nên toàn bộ cơ thể. Mặc dù có tiềm năng biệt hóa rất lớn, nhưng ESC không được nghiên cứu rộng rãi và sử dụng, do gặp phải rào cản đạo đức: muốn phân lập ESC, người ta phải giết phôi, trong khi phôi đó có thể phát triển thành cơ thể hoàn chỉnh.

Do tiềm năng to lớn của tế bào gốc phôi, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để phát hiện hoặc tạo ra những loại tế bào có đặc tính tương tự với nó. Năm 2006, nhóm nghiên cứu của Yamanaka đã sử dụng các yếu tố phiên mã hoạt động ở giai đoạn phôi để cảm ứng nguyên bào sợi (một loại tế bào đã biệt hóa sâu) trở lại trạng thái đa tiềm năng, gọi là tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng (induced Pluripotent Stem cell – iPS cell). Các tế bào iPS có thể biệt hóa thành tất cả các loại tế bào trong cơ thể, không vi phạm vấn đề đạo đức, đồng thời có thể được tạo ra từ chính bệnh nhân nên có thể ghép tự thân, hạn chế được vấn đề đào thải miễn dịch. Chính vì vậy, tế bào iPS hứa hẹn được ứng dụng mạnh mẽ trong y học ở tương lai gần.

Năm 2010, nhà khoa học Mari Dezawa và các cộng sự đã phát hiện ra một nhóm tế bào gốc đa tiềm năng cư trú trong mô liên kết của gần như mọi loại cơ quan, được gọi là tế bào muse (Multi-lineage differentiating stress enduring cell). Các tế bào này chiếm tỷ lệ rất thấp trong cơ thể, do đó tương đối khó khăn để phân lập. Tuy vậy, loại tế bào này có những ưu điểm vượt trội so với iPS: không cần thao tác cải biến gen phức tạp trong phòng thí nghiệm, không tạo u, dễ dàng tìm đến vị trí tổn thương để tái tạo mô,... Vì vậy, tế bào muse hứa hẹn được ứng dụng rộng rãi trong thời gian tới. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều thử nghiệm lâm sàng sử dụng loại tế bào này để điều trị nhồi máu cơ tim cấp tính, đột quỵ, tổn thương biểu bì, chấn thương tủy sống,...

Tế bào gốc đa tiềm năng giới hạn (multipotent stem cell) là tế bào có khả năng biệt hóa thành một nhóm tế bào liên quan chặt chẽ. Ví dụ: tế bào gốc tạo máu có thể trở thành các tế bào máu (hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu) và tế bào miễn dịch; tế bào gốc trung mô có thể trở thành các tế bào thuộc mô liên kết như tế bào mỡ, sụn, xương.

Tế bào gốc tạo máu (Hematopoietic Stem Cell – HSC) được tìm thấy nhiều nhất ở tủy xương, máu cuống rốn, ngoài ra có thể phát hiện với lượng nhỏ ở máu ngoại vi. Việc sử dụng HSC từ tủy xương hoặc huy động từ máu ngoại vi để điều trị các bệnh lý huyết học được thực hiện thành công từ năm 1965 (ở Việt Nam là từ năm 1995), đến nay đã ghép được hàng triệu ca trên toàn thế giới. Nguồn HSC từ máu cuống rốn có ưu điểm hơn so với hai nguồn trên: thu thập dễ dàng, không xâm lấn; tế bào thu được ở giai đoạn sớm nên còn non, tiềm năng lớn, khả năng bị đào thải miễn dịch thấp hơn,... Vì vậy hiện nay việc lưu trữ tế bào gốc máu cuống rốn ngày càng được chú ý đến ở nhiều cơ sở y tế. Bên cạnh đó, những nghiên cứu gần đây cho thấy HSC có thể biệt hóa thành tế bào gan, cơ, thần kinh,... hứa hẹn loại tế bào này có thể ứng dụng để chữa trị nhiều loại bệnh hơn ngoài các bệnh lý huyết học.

Tế bào gốc trung mô (Mesenchymal Stem Cell – MSC) là các tế bào đệm đa tiềm năng, có thể biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác nhau của mô liên kết bao gồm nguyên bào xương, nguyên bào sụn, tế bào cơ, tế bào mỡ,...

MSC có thể được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau như tủy xương, mô mỡ, dây rốn, tủy răng sữa,... MSC có khả năng biệt hóa thành các tế bào thuộc mô liên kết như mỡ, cơ, xương, sụn,... ngoài ra có thể biệt hóa thành nhiều loại tế bào khác có nguồn gốc từ cả ba lá phôi như tế bào thần kinh, gan, thận,... Điều này mang lại triển vọng lớn cho việc ứng dụng MSC vào y học tái tạo.

Hiện nay, theo thống kê của cơ quan quản lý thử nghiệm lâm sàng Hoa Kỳ, trên thế giới có hơn 900 thử nghiệm lâm sàng sử dụng MSC, với sự đa dạng về mặt bệnh: tổn thương thần kinh trung ương, tim mạch, đột quỵ, miễn dịch hệ thống,...

Tế bào gốc vài tiềm năng (oligopotent stem cell) là tế bào có khả năng biệt hóa thành một vài loại tế bào nhất định, ví dụ: các tế bào gốc máu dòng lympho có thể trở thành tế bào bạch cầu lympho B, bạch cầu lympho T. Tiềm năng thấp nhất là tế bào gốc đơn tiềm năng (unipotent stem cell), chỉ biệt hóa được thành một loại tế bào duy nhất. Trên thực tế, người ta chưa thể khẳng định chắc chắn có tồn tại tế bào gốc đơn tiềm năng hay không. Nguyên bào gan là loại tế bào ít tiềm năng nhất được biết hiện nay, có thể hình thành tế bào gan (cấu tạo nên hầu hết gan) và tế bào biểu mô ống mật. Do tiềm năng biệt hóa thấp nên các nhóm tế bào này thường ít được quan tâm và sử dụng. Loại tế bào được quan tâm nhiều nhất là nguyên bào sợi, ứng dụng trong điều trị vết thương và thẩm mỹ.

Tóm lại, các tế bào gốc có khả năng biệt hóa càng lớn thì có thể hình thành càng nhiều loại tế bào trong cơ thể, nhưng khả năng duy trì tính gốc cũng như sự định hướng biệt hóa càng khó khăn. Khi cân nhắc sử dụng loại tế bào nào, người ta cần cân nhắc giữa tiềm năng biệt hóa và khả năng phát triển của chúng. Tế bào gốc tạo máu (HSC) và tế bào gốc trung mô (MSC) được sử dụng nhiều nhất hiện nay, bên cạnh đó tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng (iPS cell) và tế bào muse đang nhận được sự quan tâm lớn, hứa hẹn được sử dụng rộng rãi trong tương lai.