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

Định nghĩa và khái niệm cơ bản về organoid

Organoid là mô hình ba chiều được tạo ra từ tế bào gốc trong điều kiện nuôi cấy in vitro, có khả năng tự tổ chức để mô phỏng cấu trúc và chức năng của các cơ quan hoặc mô cụ thể trong cơ thể người hoặc động vật. Khác với tế bào nuôi cấy hai chiều truyền thống, organoid phát triển trong môi trường ba chiều giúp bảo tồn tốt hơn sự tương tác tế bào–tế bào và tế bào–môi trường ngoại bào.

Organoid được xem là “mô hình thu nhỏ” (mini-organ) đại diện cho các cơ quan như não, gan, ruột, phổi, tuyến tụy, v.v. Chúng giữ được các đặc tính sinh học quan trọng như phân cực tế bào, đa dạng loại tế bào, và sự biệt hóa chức năng. Nhờ vậy, organoid đang trở thành nền tảng chính trong nghiên cứu phát triển cơ quan, mô hình hóa bệnh và thử nghiệm thuốc.

Với khả năng mô phỏng sinh lý học người một cách chính xác hơn so với mô hình động vật, organoid đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như sinh học phát triển, ung thư học, y học cá nhân hóa và độc tính học. Nhiều nghiên cứu còn sử dụng organoid như một bước trung gian trong quá trình chuyển giao từ thử nghiệm tiền lâm sàng sang nghiên cứu lâm sàng.

Các loại organoid phổ biến

Hiện nay, các nhà khoa học đã phát triển nhiều loại organoid khác nhau từ tế bào người và động vật, mỗi loại mô phỏng một cơ quan cụ thể với cấu trúc và chức năng tương đối chính xác. Các loại phổ biến bao gồm:

• Organoid não: mô phỏng sự phát triển và phân tầng vỏ não, sử dụng trong nghiên cứu thần kinh và các bệnh lý như động kinh, tự kỷ, Parkinson.
• Organoid ruột: tái hiện cấu trúc biểu mô ruột với tế bào hấp thu, tế bào tiết nhầy và tế bào gốc ruột.
• Organoid gan: biểu hiện các chức năng chuyển hóa thuốc, giải độc và tổng hợp protein gan.
• Organoid phổi, dạ dày, tuyến tụy, thận, võng mạc: mô hình hóa tổn thương và phục hồi mô, sàng lọc thuốc và phân tích độc tính.

Dưới đây là bảng phân loại một số organoid tiêu biểu:

Loại organoid	Cơ quan mô phỏng	Ứng dụng chính
Brain organoid	Não	Nghiên cứu phát triển thần kinh, virus Zika
Intestinal organoid	Ruột non và già	Mô hình hóa bệnh Crohn, hấp thu thuốc
Hepatic organoid	Gan	Chuyển hóa thuốc, độc tính hóa chất
Retinal organoid	Võng mạc	Nghiên cứu thoái hóa võng mạc, liệu pháp gen

Tùy theo mục đích nghiên cứu, mỗi loại organoid có thể được tùy biến về nguồn gốc tế bào, thành phần môi trường nuôi và thời gian biệt hóa nhằm tối ưu hóa khả năng mô phỏng cơ quan tương ứng.

Nguồn gốc tế bào và quá trình tạo organoid

Organoid thường được tạo ra từ các loại tế bào gốc có khả năng phân chia và biệt hóa cao. Nguồn tế bào chính bao gồm:

• Tế bào gốc phôi (ESC): có khả năng biệt hóa thành mọi loại tế bào trong cơ thể.
• Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC): được tái lập trình từ tế bào trưởng thành như tế bào da hoặc máu, giữ được khả năng biệt hóa như ESC.
• Tế bào gốc trưởng thành: thường lấy từ mô đích như tế bào gốc ruột hoặc gan.

Quá trình tạo organoid bao gồm các bước chính:

1. Chiết tách hoặc cảm ứng tế bào gốc từ nguồn thích hợp
2. Nuôi cấy trong môi trường gel nền (thường dùng Matrigel) để cung cấp scaffold ba chiều
3. Thêm các yếu tố tăng trưởng đặc hiệu để kích thích quá trình biệt hóa
4. Theo dõi và thu hoạch organoid sau một khoảng thời gian phát triển nhất định

Mỗi loại organoid sẽ yêu cầu các điều kiện biệt hóa khác nhau. Ví dụ, organoid ruột cần bổ sung Wnt3a, R-spondin1, Noggin, EGF, trong khi organoid não cần tín hiệu ức chế SMAD và tăng BMP4 ở giai đoạn đầu. Khả năng tự tổ chức của các tế bào là yếu tố then chốt giúp hình thành cấu trúc ba chiều gần giống với mô thật.

Các đặc tính sinh học nổi bật của organoid

Organoid mang nhiều đặc điểm sinh học tương đồng với mô cơ quan gốc, giúp phân biệt chúng với mô hình tế bào truyền thống. Các đặc tính nổi bật bao gồm:

• Tính đa dạng tế bào: chứa nhiều loại tế bào chuyên biệt tương tự như cơ quan thật
• Khả năng phân cực: các tế bào sắp xếp có định hướng rõ ràng (ví dụ: lòng ống ruột)
• Hoạt động chức năng: có thể tiết hormone, hấp thu chất dinh dưỡng, truyền tín hiệu thần kinh

Một điểm đặc biệt là organoid có thể duy trì hoạt động sinh học ổn định trong thời gian dài, từ vài tuần đến hơn một năm, tùy thuộc vào loại tế bào và điều kiện nuôi cấy. Chúng có thể được đông lạnh và tái hoạt hóa khi cần, mở rộng khả năng sử dụng trong nghiên cứu dài hạn và sàng lọc thuốc lặp lại.

Dữ liệu phân tích biểu hiện gen và phiên mã RNA từ organoid cho thấy độ tương đồng cao với mô người thật. Ngoài ra, các đặc điểm như phản ứng miễn dịch, khả năng biệt hóa thứ cấp và tương tác với vi sinh vật cũng được ghi nhận trong một số loại organoid, đặc biệt là organoid ruột và phổi.

Ứng dụng trong nghiên cứu bệnh và phát triển thuốc

Organoid đã mở ra một hướng đi mới trong nghiên cứu y sinh nhờ khả năng tái hiện chính xác cấu trúc và chức năng cơ quan người. Một ứng dụng nổi bật là mô hình hóa bệnh di truyền, ví dụ như organoid ruột mang đột biến Cftr để nghiên cứu bệnh xơ nang. Organoid gan có thể biểu hiện các đột biến gây bệnh Wilson hoặc viêm gan siêu vi để mô phỏng quá trình tổn thương mô.

Ngoài ra, organoid còn được dùng để nghiên cứu bệnh truyền nhiễm. Trong dịch virus Zika, organoid não đã cho thấy mức độ phá hủy tế bào thần kinh ở giai đoạn phát triển thai nhi. Tương tự, organoid phổi và ruột được sử dụng để nghiên cứu cơ chế lây nhiễm của virus SARS-CoV-2 với độ chính xác cao hơn mô hình động vật.

Trong phát triển thuốc, organoid giúp thực hiện các sàng lọc thuốc có độ phân giải cao và đánh giá độc tính chuyên biệt theo từng loại mô. Một số nền tảng như Crown Bioscience và Hubrecht Organoid Technology đã thương mại hóa quy trình sàng lọc thuốc cá thể hóa trên organoid bệnh nhân.

So sánh organoid và mô hình động vật

So với mô hình động vật, organoid mang lại nhiều lợi thế trong việc mô phỏng đặc tính sinh học người. Chúng cho phép nghiên cứu trên nền gen người thực sự, tránh được sự sai khác liên loài vốn là rào cản trong dịch chuyển từ nghiên cứu tiền lâm sàng sang lâm sàng. Ngoài ra, organoid còn giúp giảm thiểu việc sử dụng động vật thí nghiệm, phù hợp với các tiêu chuẩn đạo đức nghiên cứu hiện đại.

Tuy vậy, organoid cũng có một số giới hạn nhất định, chủ yếu là:

• Thiếu hệ tuần hoàn và miễn dịch tích hợp
• Không thể mô phỏng toàn bộ tương tác hệ thống (nội tiết, thần kinh, miễn dịch)
• Khó mở rộng quy mô đồng nhất cho các nghiên cứu lâm sàng diện rộng

Dưới đây là bảng so sánh nhanh giữa organoid và mô hình động vật:

Tiêu chí	Organoid	Động vật thí nghiệm
Đại diện sinh lý người	Rất cao	Trung bình/thấp
Chi phí vận hành	Thấp–trung bình	Cao
Khả năng mô phỏng tương tác toàn thân	Thấp	Cao
Đạo đức nghiên cứu	Ít tranh cãi	Gây tranh cãi

Thách thức trong nuôi cấy và ứng dụng organoid

Dù có nhiều ưu điểm, việc triển khai organoid trong nghiên cứu và ứng dụng lâm sàng vẫn còn gặp một số thách thức. Đầu tiên là sự không đồng nhất giữa các lô organoid, gây khó khăn cho việc chuẩn hóa kết quả. Sự biến dị tế bào hoặc sai lệch trong biệt hóa có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của mô hình.

Ngoài ra, organoid hiện vẫn chưa tái hiện được hệ thống mạch máu và miễn dịch một cách đầy đủ. Điều này giới hạn việc mô phỏng các quá trình như viêm, di căn hoặc tương tác thuốc toàn thân. Kỹ thuật nuôi cấy phức tạp, thời gian biệt hóa dài và chi phí cao cũng khiến organoid khó được ứng dụng đại trà trong môi trường lâm sàng hoặc công nghiệp.

Một rào cản lớn khác là thiếu các giao thức chuẩn hóa quốc tế cho từng loại organoid. Việc mỗi nhóm nghiên cứu tự thiết kế quy trình riêng khiến dữ liệu khó tái lập hoặc so sánh giữa các phòng thí nghiệm khác nhau.

Kết hợp organoid với công nghệ tiên tiến

Để khắc phục các giới hạn trên, nhiều hướng tiếp cận đa công nghệ đã được triển khai. Một trong số đó là organoid-on-chip, kết hợp giữa organoid và công nghệ vi lưu (microfluidics) giúp tạo ra môi trường vi mô mô phỏng dòng máu, trao đổi chất, và tương tác cơ học giống như trong cơ thể thật.

Ngoài ra, việc ghép organoid với tế bào miễn dịch hoặc tế bào nội mô giúp mô phỏng chính xác hơn quá trình viêm, miễn dịch kháng khối u, hoặc phản ứng dị ứng. Các kỹ thuật “multi-omics” như single-cell RNA-seq, ATAC-seq và proteomics được sử dụng để phân tích chi tiết trạng thái của từng tế bào trong organoid.

Những hướng tiếp cận này mở ra cơ hội tạo ra các mô hình bệnh phức hợp, hỗ trợ nghiên cứu các bệnh như ung thư, Alzheimer, xơ gan, và các bệnh rối loạn tự miễn có cơ chế phức tạp liên hệ nhiều loại tế bào khác nhau.

Ứng dụng trong y học cá nhân hóa

Một trong những ứng dụng mang tính đột phá của organoid là trong y học cá nhân hóa. Các tế bào được lấy từ sinh thiết mô bệnh nhân (thường là mô ung thư) có thể được nuôi cấy thành organoid đặc hiệu cho từng người. Sau đó, các organoid này được thử nghiệm với nhiều loại thuốc khác nhau để xác định phản ứng và chọn phác đồ điều trị hiệu quả nhất.

Quá trình này giúp tránh được việc điều trị thử-sai trên bệnh nhân, đồng thời tiết kiệm thời gian và giảm tác dụng phụ. Một số bệnh viện như University Health Network ở Canada và Trung tâm ung thư Gustave Roussy (Pháp) đã bắt đầu thử nghiệm lâm sàng sử dụng organoid để hỗ trợ ra quyết định điều trị ung thư tuyến tụy, đại trực tràng và buồng trứng.

Mô hình organoid không chỉ phục vụ chẩn đoán mà còn hỗ trợ theo dõi tiến triển bệnh theo thời gian thực bằng cách tạo lại organoid từ nhiều lần sinh thiết, qua đó phản ánh mức độ kháng thuốc hoặc biến đổi ác tính của tế bào.

Tài liệu tham khảo

1. Clevers, H. (2016). Modeling Development and Disease with Organoids. Cell, 165(7), 1586–1597. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082
2. Lancaster, M. A., & Knoblich, J. A. (2014). Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. Science, 345(6194), 1247125. doi: 10.1126/science.1247125
3. Fatehullah, A., Tan, S. H., & Barker, N. (2016). Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nature Cell Biology, 18(3), 246–254. doi: 10.1038/ncb3312
4. Hubrecht Organoid Technology. https://hubrecht-organoid-technology.nl/
5. Crown Bioscience. Organoid Services. https://www.crownbioscience.com/services/organoids
6. University Health Network – Organoid Trials. https://www.uhn.ca/