Thể ngoại bào exosome là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về thể ngoại bào (Exosome)

Thể ngoại bào, hay exosome, là những túi màng nhỏ được giải phóng bởi tất cả các loại tế bào có nhân trong cơ thể con người. Chúng tồn tại trong nhiều loại dịch sinh học như huyết tương, nước tiểu, nước bọt, sữa mẹ và dịch não tủy. Với kích thước siêu nhỏ, khoảng từ 30–150 nanomet, exosome có thể vận chuyển một lượng lớn thông tin sinh học giữa các tế bào, đóng vai trò như một hình thức giao tiếp tế bào-tế bào không tiếp xúc.

Trong những năm gần đây, exosome đã được xác định là trung gian chính trong việc truyền tín hiệu và điều phối các quá trình sinh học phức tạp, từ miễn dịch đến tăng sinh tế bào. Chính vì vậy, lĩnh vực nghiên cứu về exosome đã trở thành một trong những hướng đi tiềm năng trong sinh học phân tử và y học chính xác.

Khác với các loại túi ngoại bào khác như microvesicle hay apoptotic body, exosome hình thành thông qua quá trình nội bào phức tạp và có đặc điểm cấu trúc, thành phần phân tử riêng biệt. Do đó, việc nhận diện và phân biệt exosome trong mẫu sinh học cần dựa vào các dấu ấn phân tử đặc trưng và phương pháp phân tích chuyên sâu.

Cấu trúc và thành phần của exosome

Exosome có cấu trúc màng lipid kép, tương tự như màng sinh học của tế bào gốc. Nhờ đặc điểm này, chúng có khả năng bảo vệ nội dung bên trong khỏi các enzyme phân giải ngoài môi trường. Bên trong exosome chứa nhiều phân tử sinh học có hoạt tính chức năng, được vận chuyển chọn lọc từ tế bào mẹ, bao gồm protein, RNA, DNA mạch đôi hoặc mạch đơn, và lipid chuyên biệt.

Một số protein được xem là dấu ấn đặc hiệu cho exosome như:

• CD9, CD63, CD81 – thuộc nhóm tetraspanin
• Alix và TSG101 – liên quan đến quá trình tạo túi nội bào
• HSP70, HSP90 – protein sốc nhiệt có vai trò bảo vệ

Bên cạnh đó, exosome cũng mang các acid nucleic, trong đó microRNA (miRNA) và mRNA là hai thành phần nổi bật có khả năng điều hòa biểu hiện gen ở tế bào nhận. Ngoài ra, lipid trong exosome cũng không ngẫu nhiên mà được chọn lọc kỹ lưỡng, điển hình như:

Loại lipid	Chức năng chính
Cholesterol	Ổn định cấu trúc màng
Sphingomyelin	Tham gia vào truyền tín hiệu nội bào
Phosphatidylserine	Đánh dấu exosome với tế bào miễn dịch

Tính đa dạng và chọn lọc của các thành phần này khiến exosome trở thành một “chữ ký phân tử” đại diện cho trạng thái sinh lý hoặc bệnh lý của tế bào nguồn.

Cơ chế hình thành exosome

Exosome được hình thành qua một quá trình nội bào nhiều giai đoạn, bắt đầu từ sự lõm vào của màng tế bào tạo thành endosome sớm. Sau đó, các endosome sớm phát triển thành endosome muộn, bên trong có chứa các túi nội bào nhỏ gọi là intraluminal vesicles (ILVs). Khi endosome muộn chứa ILVs được gọi là multivesicular bodies (MVBs).

Khi MVBs hòa màng với màng sinh chất, các ILVs được giải phóng ra ngoài tế bào và được gọi là exosome. Cơ chế này có sự điều phối của các phức hợp protein gọi là ESCRT (endosomal sorting complex required for transport). Ngoài ra, một số con đường không phụ thuộc ESCRT cũng được ghi nhận, liên quan đến tetraspanin và lipid ceramide.

• Giai đoạn 1: Hình thành endosome và ILVs
• Giai đoạn 2: Maturation của MVBs
• Giai đoạn 3: Hòa màng MVBs với màng sinh chất
• Giai đoạn 4: Giải phóng exosome ra môi trường ngoại bào

Việc exosome được giải phóng hay bị phân hủy phụ thuộc vào tín hiệu sinh học và điều kiện vi môi trường. MVBs cũng có thể hòa màng với lysosome để phân hủy nếu không được kích hoạt giải phóng.

Vai trò sinh học của exosome

Exosome giữ vai trò là phương tiện truyền thông tin giữa các tế bào. Chúng vận chuyển các phân tử có chức năng sinh học đến tế bào đích, từ đó ảnh hưởng đến hoạt động phiên mã, tín hiệu tế bào, biệt hóa hoặc miễn dịch. Đây là hình thức giao tiếp gián tiếp nhưng cực kỳ hiệu quả, đặc biệt trong môi trường vi mô mô bệnh hoặc mô tổn thương.

Vai trò của exosome được ghi nhận trong nhiều quá trình sinh học:

• Thúc đẩy hoặc ức chế phản ứng miễn dịch
• Tham gia sửa chữa mô bị tổn thương
• Điều hòa quá trình chết tế bào theo chương trình
• Ảnh hưởng đến sự biệt hóa của tế bào gốc

Một ví dụ điển hình là exosome từ tế bào đuôi gai có thể kích hoạt tế bào T thông qua trình diện kháng nguyên MHC-peptide, từ đó đóng vai trò như chất trung gian truyền tin miễn dịch. Ở chiều ngược lại, exosome từ khối u có thể gây ức chế miễn dịch, tạo điều kiện cho tế bào ung thư trốn tránh sự tấn công của hệ miễn dịch.

Exosome cũng được ghi nhận có thể vượt qua hàng rào máu não, điều này mở ra khả năng ứng dụng trong việc truyền tải thuốc hoặc phân tử sinh học vào hệ thần kinh trung ương – một thách thức lớn trong y học lâm sàng.

Exosome trong bệnh lý và sinh lý

Trong điều kiện sinh lý bình thường, exosome đóng vai trò như một cơ chế điều hòa nội môi, giúp các tế bào duy trì sự cân bằng chức năng và liên lạc hiệu quả với nhau. Chúng hỗ trợ vận chuyển thông tin di truyền, protein tín hiệu, và lipid giữa các mô để duy trì sự ổn định về mặt sinh học.

Tuy nhiên, trong bối cảnh bệnh lý, exosome có thể trở thành tác nhân thúc đẩy quá trình bệnh. Ví dụ, trong ung thư, exosome từ tế bào khối u có thể chứa RNA hoặc protein thúc đẩy tăng sinh, tạo môi trường vi mô thuận lợi cho di căn. Chúng cũng có thể mang các yếu tố giúp tế bào ung thư tránh bị hệ miễn dịch phát hiện, làm giảm hiệu quả của các liệu pháp miễn dịch truyền thống.

• Trong bệnh tim mạch: exosome tham gia điều hòa quá trình viêm mạch máu và xơ vữa động mạch.
• Trong bệnh thần kinh: exosome từ tế bào thần kinh có thể chứa prion hoặc protein sai cấu hình như tau, amyloid-beta – góp phần lan truyền bệnh lý thần kinh.
• Trong bệnh nhiễm trùng: vi sinh vật cũng có thể tận dụng exosome của vật chủ để phát tán và né tránh miễn dịch.

Vai trò hai mặt này khiến exosome trở thành một chủ đề quan trọng trong việc tìm hiểu cơ chế bệnh sinh và tiềm năng ứng dụng điều trị.

Ứng dụng của exosome trong y học

Nhờ khả năng chứa thông tin sinh học đại diện cho tế bào nguồn, exosome được xem là nguồn dữ liệu quý cho các ứng dụng lâm sàng. Một trong những ứng dụng nổi bật là chẩn đoán không xâm lấn. Bằng cách phân lập exosome từ huyết tương, nước tiểu hoặc nước bọt, người ta có thể thu thập dấu ấn sinh học phản ánh tình trạng bệnh lý hoặc sự hiện diện của ung thư.

Exosome chứa miRNA, protein hoặc DNA đột biến có thể là công cụ chẩn đoán sớm ung thư, chẳng hạn như:

• miR-21 – dấu ấn exosome trong ung thư vú, gan
• EGFRvIII mRNA – đặc hiệu cho glioblastoma
• GPC1-positive exosome – tiềm năng trong phát hiện ung thư tụy

Exosome còn được phát triển như một công cụ đưa thuốc nhắm đích. Nhờ đặc điểm sinh học tự nhiên, exosome có thể mang thuốc, siRNA hoặc protein đặc hiệu đến các mô đích mà không bị hệ miễn dịch phá hủy hoặc bị thải loại nhanh. Khả năng vượt hàng rào máu não của exosome làm cho chúng đặc biệt phù hợp trong điều trị các bệnh thần kinh như Alzheimer, Parkinson hoặc glioblastoma.

Hơn nữa, một số nghiên cứu còn khai thác exosome làm nền tảng cho vaccine, ví dụ như exosome từ tế bào trình diện kháng nguyên chứa peptide khối u – kích hoạt tế bào T để tiêu diệt tế bào ung thư. Các thử nghiệm lâm sàng bước đầu cho thấy exosome có độ an toàn cao và ít gây phản ứng phụ so với các vector nhân tạo.

Tiềm năng exosome trong liệu pháp ung thư

Trong điều trị ung thư, exosome có vai trò cả trong chẩn đoán, theo dõi lâm sàng và điều trị. Việc định lượng và phân tích exosome từ máu người bệnh có thể giúp theo dõi đáp ứng điều trị, phát hiện tái phát sớm hoặc đánh giá nguy cơ di căn.

Các chiến lược sử dụng exosome trong điều trị ung thư đang được nghiên cứu gồm:

1. Sử dụng exosome tự nhiên từ tế bào miễn dịch (như tế bào NK hoặc tế bào T) để vận chuyển phân tử tiêu diệt khối u.
2. Kỹ thuật biến đổi exosome để mang các chất điều trị như siRNA, miRNA hoặc thuốc hóa trị nhắm trúng đích.
3. Ứng dụng exosome trong điều biến vi môi trường khối u, làm tăng độ nhạy với điều trị.

Một số thử nghiệm lâm sàng đang sử dụng exosome chứa paclitaxel (thuốc điều trị ung thư vú) hoặc doxorubicin để điều trị các loại khối u đề kháng thuốc. Kết quả ban đầu ghi nhận khả năng tăng hiệu lực thuốc và giảm độc tính toàn thân.

Thách thức và giới hạn

Mặc dù exosome có nhiều tiềm năng, nhưng ứng dụng lâm sàng của chúng vẫn gặp phải nhiều rào cản. Một trong những thách thức lớn nhất là quy trình phân lập và làm giàu exosome. Hiện tại, siêu ly tâm là phương pháp chuẩn nhưng tốn thời gian, yêu cầu thiết bị đắt tiền và cho hiệu suất thấp. Các phương pháp thay thế như sắc ký, lọc kích thước hoặc microfluidics tuy nhanh hơn nhưng thiếu tiêu chuẩn hoá.

Vấn đề thứ hai là đặc tính không đồng nhất của exosome. Exosome từ các tế bào khác nhau – hoặc cùng một loại tế bào trong điều kiện khác nhau – có thể có thành phần rất khác biệt. Điều này gây khó khăn trong việc chuẩn hóa để ứng dụng lâm sàng hoặc đưa vào sản xuất đại trà.

Một rào cản quan trọng khác là độ an toàn sinh học. Dù bản chất tự nhiên của exosome giảm thiểu độc tính, nhưng vẫn có nguy cơ gây đáp ứng miễn dịch ngoài ý muốn, đặc biệt khi sử dụng exosome từ tế bào không tự thân.

Các công nghệ phân tích và phân lập exosome

Nghiên cứu exosome đòi hỏi công cụ phân tích chính xác và quy trình phân lập tinh vi. Các phương pháp phân tích phổ biến hiện nay gồm:

• Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) – phân tích kích thước và mật độ
• Transmission Electron Microscopy (TEM) – quan sát cấu trúc
• Western Blot và khối phổ – xác định protein đặc hiệu
• qPCR – định lượng RNA trong exosome

Để phân lập exosome, các công nghệ mới đang được thương mại hóa như:

• NanoView Biosciences – phát hiện exosome đơn phân tử
• System Biosciences – bộ kit phân lập và xác định exosome
• QIAGEN – công nghệ RNA exosome cho nghiên cứu ung thư

Những tiến bộ này đóng vai trò nền tảng trong việc thúc đẩy ứng dụng lâm sàng của exosome trong tương lai gần.

Kết luận

Exosome đang mở ra một hướng đi mới trong y học hiện đại, từ chẩn đoán đến điều trị. Khả năng phản ánh tình trạng sinh lý bệnh của tế bào nguồn, kết hợp với cấu trúc ổn định và khả năng truyền tải phân tử chức năng, khiến exosome trở thành nền tảng tiềm năng cho y học chính xác. Dù vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật và sinh học, xu hướng tích hợp công nghệ mới sẽ giúp vượt qua các rào cản hiện tại, đưa exosome từ phòng thí nghiệm đến lâm sàng một cách bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. Yáñez-Mó M, Siljander PR, Andreu Z, et al. Biological properties of extracellular vesicles and their physiological functions. J Extracell Vesicles. 2015;4:27066. DOI: 10.3402/jev.v4.27066
2. Kalluri R, LeBleu VS. The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science. 2020 Feb 7;367(6478):eaau6977. DOI: 10.1126/science.aau6977
3. Théry C, Witwer KW, Aikawa E, et al. Minimal information for studies of extracellular vesicles 2018 (MISEV2018). J Extracell Vesicles. 2018;7(1):1535750. DOI: 10.1080/20013078.2018.1535750
4. Li W, Li C, Zhou T, et al. Role of exosomal proteins in cancer diagnosis. Mol Cancer. 2017;16:145. DOI: 10.1186/s12943-017-0706-8
5. Gurunathan S, Kang MH, Jeyaraj M, et al. Review of the isolation, characterization, biological function, and multifarious therapeutic approaches of exosomes. Cells. 2019;8(4):307. DOI: 10.3390/cells8040307