Exosome là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Exosome

Exosome là các túi ngoại bào nhỏ, được tiết ra bởi hầu hết các tế bào có nhân trong cơ thể con người và động vật có vú. Chúng là thành phần thuộc hệ thống túi ngoại bào (extracellular vesicles - EVs), bao gồm exosome, microvesicle và apoptotic bodies. Trong đó, exosome có kích thước nhỏ nhất, thường nằm trong khoảng 30–150 nanomet, có khả năng lưu thông trong các dịch sinh học như máu, nước tiểu, nước bọt, dịch não tủy và sữa mẹ.

Exosome đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin giữa các tế bào, bằng cách vận chuyển một loạt các phân tử sinh học như RNA, protein và lipid. Do đó, chúng được xem như là "bưu kiện sinh học" mang thông tin từ tế bào gốc phát đến các tế bào đích, ảnh hưởng đến chức năng sinh học và phản ứng của các mô nhận thông tin. Nhờ đặc tính này, exosome đã trở thành đối tượng nghiên cứu nổi bật trong các lĩnh vực y học tái tạo, chẩn đoán không xâm lấn và liệu pháp miễn dịch.

Trong sinh lý học bình thường, exosome góp phần duy trì cân bằng nội môi và hỗ trợ phản ứng miễn dịch. Trong bệnh lý, chúng có thể trở thành phương tiện lan truyền yếu tố gây bệnh, như trong ung thư hoặc nhiễm virus. Sự phổ biến và tính đa năng của exosome khiến chúng trở thành một công cụ sinh học cực kỳ tiềm năng trong cả nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng lâm sàng.

Cấu trúc và nguồn gốc của Exosome

Exosome có màng lipid kép bao bọc, cấu trúc tương đồng với màng sinh chất của tế bào. Bên trong, chúng chứa nhiều phân tử sinh học khác nhau, được chọn lọc kỹ lưỡng trong quá trình nội bào. Quá trình hình thành exosome bắt đầu khi các túi nội bào nhỏ (early endosomes) được tạo ra từ sự nội hóa của màng tế bào. Những endosome này phát triển thành túi đa túi (multivesicular bodies - MVBs), chứa hàng trăm túi nhỏ bên trong gọi là intraluminal vesicles (ILVs).

Khi MVBs hòa màng với màng tế bào, các ILVs được phóng thích ra ngoài và trở thành exosome. Quá trình này là một chuỗi các bước được điều phối chặt chẽ bởi các protein nội bào như ESCRT (endosomal sorting complexes required for transport), Rab GTPases, và tetraspanins. Một số tế bào có thể tiết ra exosome theo con đường độc lập với ESCRT, sử dụng ceramide và các yếu tố lipid khác.

So với các loại túi ngoại bào khác, exosome có nguồn gốc nội sinh rõ ràng và chứa các dấu ấn phân tử đặc trưng. Các đặc tính này giúp phân biệt chúng trong nghiên cứu cũng như trong ứng dụng y học. Dưới đây là bảng so sánh giữa các loại túi ngoại bào chính:

Loại túi	Kích thước	Nguồn gốc	Đặc điểm
Exosome	30–150 nm	MVBs nội bào	Chứa protein ESCRT, tetraspanins (CD63, CD9, CD81)
Microvesicle	100–1000 nm	Chồi ra trực tiếp từ màng tế bào	Chứa phosphatidylserine, ít đặc hiệu hơn
Apoptotic bodies	500–2000 nm	Thoát ra khi tế bào chết	Chứa DNA bị phân mảnh, organelle

Thành phần sinh học của Exosome

Thành phần của exosome rất đa dạng, phản ánh nguồn gốc tế bào cũng như trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý của tế bào đó. Một exosome điển hình có thể chứa hàng trăm loại protein, RNA và lipid khác nhau. Những thành phần này không chỉ được gói ngẫu nhiên mà còn qua quá trình chọn lọc sinh học chuyên biệt.

Các thành phần chính thường gặp trong exosome bao gồm:

• Protein: CD9, CD63, CD81, TSG101, Alix, HSP70
• Lipid: cholesterol, sphingomyelin, ceramide
• RNA: mRNA, microRNA, circRNA, lncRNA
• DNA: đoạn DNA ti thể và DNA nhân

Nhờ vào sự phong phú của RNA và protein đặc hiệu, exosome trở thành đối tượng hấp dẫn để nghiên cứu chức năng sinh học và làm chỉ dấu sinh học (biomarker) cho chẩn đoán. Ngoài ra, việc exosome có thể được cô lập từ các dịch sinh học cũng giúp giảm nhu cầu lấy mẫu xâm lấn, từ đó tăng tính khả thi trong các ứng dụng lâm sàng.

Vai trò sinh học và cơ chế hoạt động

Exosome là một phần quan trọng trong mạng lưới truyền tín hiệu giữa các tế bào. Chúng vận chuyển các thông tin phân tử qua các cơ chế phức tạp, bao gồm: (1) hòa màng trực tiếp với tế bào đích để phóng thích nội dung, (2) được nội hóa thông qua các receptor bề mặt, hoặc (3) gắn kết lên receptor và hoạt hóa các đường truyền tín hiệu nội bào.

Các chức năng sinh học chủ yếu của exosome bao gồm:

1. Tham gia điều hòa miễn dịch: kích hoạt hoặc ức chế phản ứng miễn dịch tùy thuộc vào tế bào nguồn.
2. Truyền thông tin trong mô: điều hướng sự phát triển và biệt hóa tế bào.
3. Phản ứng viêm và sửa chữa tổn thương: mang theo cytokine và yếu tố tăng trưởng.

Một ví dụ cụ thể là exosome từ tế bào miễn dịch như tế bào T hoặc dendritic cells có thể mang các phân tử MHC-I, MHC-II và co-stimulatory molecules, cho phép chúng trình diện kháng nguyên và kích hoạt các phản ứng miễn dịch tương tự như chính tế bào gốc phát.

Exosome trong bệnh lý

Exosome không chỉ đóng vai trò thiết yếu trong sinh lý bình thường mà còn góp phần vào cơ chế bệnh sinh của nhiều loại bệnh lý. Chúng có thể truyền tải thông tin phân tử gây rối loạn chức năng tế bào hoặc hỗ trợ tiến triển bệnh. Các nghiên cứu đã chỉ ra exosome tham gia vào sự hình thành và lan rộng của các bệnh như ung thư, thoái hóa thần kinh, tim mạch và các bệnh truyền nhiễm.

Trong ung thư, exosome từ tế bào ác tính mang theo oncoprotein, microRNA gây đột biến và các yếu tố thúc đẩy tân mạch (angiogenesis). Chúng tạo điều kiện cho quá trình di căn bằng cách chuẩn bị môi trường xa (pre-metastatic niche) cho tế bào ung thư bám dính và phát triển. Ngoài ra, exosome ung thư còn có khả năng ức chế hoạt động của tế bào miễn dịch như tế bào T, NK, hoặc tăng cường các tế bào T điều hòa (Treg), giúp khối u trốn tránh sự giám sát miễn dịch.

Trong bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer và Parkinson, exosome có thể vận chuyển các protein bất thường như amyloid-beta và alpha-synuclein giữa các tế bào thần kinh, góp phần lan rộng tổn thương. Tương tự, trong bệnh tim mạch, exosome từ tế bào nội mạc bị tổn thương mang theo yếu tố viêm và RNA điều hòa có thể ảnh hưởng đến chức năng mạch máu và tim.

Danh sách một số bệnh lý liên quan đến exosome:

• Ung thư: phổi, vú, tuyến tụy, gan
• Bệnh thần kinh: Alzheimer, Parkinson, ALS
• Bệnh tim mạch: suy tim, xơ vữa động mạch
• Nhiễm trùng: HIV, HCV, SARS-CoV-2

Ứng dụng trong chẩn đoán

Với đặc tính mang thông tin sinh học phản ánh trạng thái của tế bào gốc phát, exosome đang được khai thác như một nguồn biomarker không xâm lấn tiềm năng. Chúng có thể được thu thập từ huyết tương, nước tiểu, nước bọt và các dịch sinh học khác để phân tích dấu hiệu bệnh lý, đặc biệt trong ung thư và các bệnh mạn tính.

Ví dụ, exosome chứa miRNA-21, miRNA-155 và protein HER2 đã được chứng minh có liên quan đến ung thư vú. Các mẫu exosome trong dịch tiểu cũng có thể chứa PSA (prostate-specific antigen), hỗ trợ phát hiện ung thư tuyến tiền liệt giai đoạn sớm. Trong thần kinh học, sự xuất hiện của tau protein trong exosome huyết tương được đề xuất như chỉ dấu sớm của bệnh Alzheimer.

Các kỹ thuật hiện đại được sử dụng để phân tích exosome trong chẩn đoán:

• qRT-PCR cho RNA vi mô
• Western blot, ELISA cho protein đặc hiệu
• Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) để định lượng và đo kích thước
• Next-generation sequencing (NGS) cho phân tích toàn diện RNA

Một số startup công nghệ sinh học đã phát triển các bộ xét nghiệm thương mại hóa dựa trên exosome, như Exosome Diagnostics, mở ra hướng đi mới cho chẩn đoán chính xác và kịp thời trong y học cá thể hóa.

Ứng dụng trong điều trị

Không chỉ là công cụ chẩn đoán, exosome còn được ứng dụng như hệ thống truyền tải thuốc và công cụ điều trị sinh học. Do có nguồn gốc tế bào và mang màng lipid tương thích sinh học cao, exosome ít gây phản ứng miễn dịch và có thể xuyên qua các hàng rào sinh học như hàng rào máu não.

Một số hướng điều trị tiềm năng sử dụng exosome:

• Liệu pháp truyền thuốc: nạp thuốc chống ung thư (doxorubicin, paclitaxel) vào exosome để tăng hiệu quả và giảm độc tính
• Điều trị miễn dịch: dùng exosome mang kháng nguyên khối u để kích hoạt tế bào T
• Liệu pháp tái tạo mô: exosome từ tế bào gốc trung mô (MSC) giúp tái tạo da, xương, cơ tim

Đặc biệt, exosome từ MSC đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong mô hình điều trị tổn thương phổi cấp (ARDS), bệnh gan, chấn thương tủy sống và thậm chí cả COVID-19. Một số thử nghiệm lâm sàng giai đoạn đầu đang được tiến hành để xác nhận hiệu quả và độ an toàn trong người bệnh.

Kỹ thuật tách chiết và phân tích Exosome

Việc tách chiết exosome là bước quan trọng để nghiên cứu và ứng dụng. Do kích thước nhỏ và tính chất vật lý tương tự nhiều thành phần trong dịch sinh học, việc tinh sạch exosome đòi hỏi kỹ thuật chính xác và quy trình chuẩn hóa cao.

Các phương pháp phổ biến để thu nhận exosome bao gồm:

1. Siêu ly tâm vi phân: phương pháp truyền thống nhưng mất thời gian và dễ lẫn tạp
2. Lọc màng (ultrafiltration): nhanh nhưng phụ thuộc kích thước
3. Sắc ký miễn dịch (immunoaffinity chromatography): chọn lọc cao nhờ kháng thể gắn CD63, CD81
4. Công nghệ vi lưu (microfluidics): tách và phân tích tức thời, đang phát triển nhanh

Sau khi tách, exosome được định lượng và phân tích thông qua các phương pháp như:

• Transmission electron microscopy (TEM) – xem hình thái
• Western blot – xác định protein đặc hiệu
• Nanoparticle tracking analysis – đo kích thước và nồng độ
• Mass spectrometry – phân tích proteome

Để tăng tính tái lập và minh bạch, Hội đồng Quốc tế về Túi Ngoại bào (ISEV) đã phát hành tiêu chuẩn MISEV2018 để hướng dẫn thực hành nghiên cứu exosome.

Thách thức và triển vọng

Mặc dù exosome mang lại nhiều cơ hội, vẫn còn một số thách thức lớn cần giải quyết trước khi ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng. Thứ nhất là vấn đề chuẩn hóa quy trình tách và phân tích exosome để đảm bảo độ tinh sạch và khả năng lặp lại. Thứ hai là khó khăn trong việc sản xuất exosome quy mô lớn với chất lượng đồng nhất.

Bên cạnh đó, cần làm rõ thêm các cơ chế lựa chọn phân tử và tương tác sinh học của exosome với các tế bào đích. Sự đa dạng về nguồn gốc tế bào và trạng thái bệnh lý cũng đặt ra yêu cầu về định danh đặc hiệu, tránh nhầm lẫn giữa các loại túi ngoại bào khác nhau.

Dù vậy, exosome vẫn là lĩnh vực hứa hẹn, đặc biệt trong bối cảnh y học cá thể hóa đang phát triển mạnh. Sự kết hợp giữa công nghệ nano, sinh học phân tử và kỹ thuật cao sẽ thúc đẩy việc chuyển đổi exosome từ nghiên cứu sang thực tế điều trị, tạo ra thế hệ thuốc sinh học và công cụ chẩn đoán thế hệ mới.

Tài liệu tham khảo

1. Théry, C., Witwer, K.W., Aikawa, E., et al. (2018). Minimal information for studies of extracellular vesicles 2018 (MISEV2018). Journal of Extracellular Vesicles.
2. Kalluri, R., LeBleu, V.S. (2020). The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science.
3. Li, S., et al. (2018). Exosomes are natural nanoparticles that can deliver biological information. Journal of Controlled Release.
4. Yáñez-Mó, M., et al. (2015). Biological properties of extracellular vesicles and their physiological functions. J Extracell Vesicles.
5. El Andaloussi, S., et al. (2013). Extracellular vesicles: biology and emerging therapeutic opportunities. Nat Rev Drug Discov.