Tế bào caco 2 là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và nguồn gốc tế bào Caco‑2

Tế bào Caco‑2 là dòng tế bào biểu mô người có nguồn gốc từ ung thư biểu mô đại tràng (colorectal adenocarcinoma) và được sử dụng rộng rãi như mô hình in vitro mô phỏng lớp tế bào hấp thu của ruột non người. Khi phát triển thành lớp đơn bào phân cực trên màng bán thấm, Caco‑2 biểu hiện nhiều đặc điểm cấu trúc và chức năng của enterocyte, do đó trở thành hệ chuẩn để đánh giá tính thấm, hấp thu qua đường tiêu hóa và tương tác tế bào–chất tan trong dược động học đường uống. Thông tin mô tả nguồn gốc, đặc điểm hình thái và yêu cầu nuôi cấy của dòng này được các ngân hàng tế bào lớn ghi nhận, ví dụ ATCC HTB‑37 và hồ sơ kỹ thuật ECACC.

Trong nghiên cứu hấp thu thuốc, Caco‑2 hỗ trợ đánh giá khuếch tán thụ động, vận chuyển trung gian chất mang, và dòng thải ngược qua bơm efflux. Dòng tế bào này được dùng để ước lượng độ thấm biểu kiến hai chiều (apical‑to‑basolateral và basolateral‑to‑apical) qua thông số apparent permeability coefficient (P_app). Các hướng dẫn thực hành tiêu chuẩn và tổng quan phương pháp có thể tham khảo từ chương “Caco‑2 Cell Line” của sách chuyên khảo trên NCBI Bookshelf và các bài báo kinh điển mô tả thiết lập assay trên màng Transwell.

• Mục tiêu sử dụng: sàng lọc ADME đường uống, dự đoán hấp thu người, kiểm tra tương tác vận chuyển.
• Điều kiện điển hình: nuôi trên insert polycarbonate, 37 °C, 5 % CO₂, môi trường DMEM + FBS + NEAA.
• Thước đo toàn vẹn hàng rào: điện trở xuyên biểu mô (TEER) và độ thấm chất đánh dấu như Lucifer Yellow.

Khả năng biệt hóa và đặc tính tế bào biểu mô ruột

Sau khi đạt confluence và nuôi dưỡng thêm 2–3 tuần trên hệ thống màng thấm, Caco‑2 tự phát biệt hóa theo hướng enterocyte với sự hình thành vi nhung mao (brush border) giàu actin ở cực apical, phát triển liên kết chặt (tight junctions) và phân cực rõ rệt apical–basolateral. Tính phân cực này cho phép thiết lập gradient điện hóa và dòng vận chuyển định hướng, phản ánh tốt hơn hàng rào biểu mô ruột. Các mô tả hình thái, dấu ấn liên kết chặt (ví dụ ZO‑1, occludin) và thời gian biệt hóa được trình bày chi tiết trong NCBI Bookshelf và hồ sơ ECACC.

Chỉ số TEER tăng dần trong quá trình biệt hóa và đạt mức cao khi lớp đơn bào khép kín, là chỉ báo định lượng cho độ kín của hàng rào. Việc duy trì dinh dưỡng, pH, độ thẩm thấu và thay môi trường cân bằng giữa hai buồng (apical/basolateral) là yếu tố quyết định để bảo toàn cấu trúc nối chặt và hạn chế rò rỉ paracellular. Hình thái brush border có thể được kiểm chứng bằng nhuộm phalloidin‑F‑actin và kính hiển vi huỳnh quang, trong khi cấu trúc tight junctions đánh giá bằng miễn dịch huỳnh quang kháng ZO‑1/claudin.

Thông số	Ý nghĩa sinh học	Theo dõi/kiểm định
TEER (Ω·cm2)	Độ kín liên kết chặt	Điện cực chopstick/EVOM
Brush border	Bề mặt hấp thu apical	Nhuộm phalloidin, SEM
Phân cực apical–basolateral	Hướng vận chuyển	Đánh dấu Na+/K+-ATPase (basolateral)

Đặc điểm chức năng và enzyme/transporters biểu hiện

Caco‑2 biểu hiện nhiều enzyme bờ bàn chải (brush‑border) và hệ vận chuyển đặc trưng của enterocyte, bao gồm sucrase‑isomaltase, aminopeptidase N, alkaline phosphatase, cùng các chất vận chuyển dinh dưỡng như PEPT1 (SLC15A1), OATP, và các bơm efflux P‑glycoprotein (ABCB1), BCRP (ABCG2). Sự hiện diện đồng thời của kênh thụ động paracellular và các cơ chế chủ động xuyên màng cho phép phân loại cơ chế đi qua hàng rào đối với phân tử thử nghiệm. Tổng quan cập nhật về protein vận chuyển và enzyme của Caco‑2 có thể tham khảo trong chương sách trên NCBI Bookshelf và một số bài báo tổng quan lâm sàng – tiền lâm sàng trên PubMed.

Trong thí nghiệm thấm, P_app được tính từ tốc độ xuất hiện chất tan ở khoang nhận trên đơn vị diện tích và nồng độ ban đầu, là chỉ số so sánh xuyên nghiên cứu. P‑glycoprotein và BCRP tạo ra hiện tượng dòng thải ngược (efflux) làm giảm P_app theo hướng apical‑to‑basolateral đối với cơ chất đặc hiệu, vì vậy tỷ số thấm hai chiều (B→A/A→B) được dùng để suy luận vai trò của efflux. Một số marker chuẩn như propranolol (thấm cao), atenolol (thấm thấp paracellular), digoxin (cơ chất P‑gp) thường được dùng để hiệu chuẩn hệ thống theo thông lệ công nghiệp dược.

• Enzyme bờ bàn chải: sucrase‑isomaltase, aminopeptidase N, alkaline phosphatase.
• Transporters hấp thu: PEPT1 (peptide), OATP (anion hữu cơ), SGLT1/GLUT (glucose).
• Efflux pumps: ABCB1/P‑gp, ABCG2/BCRP ảnh hưởng mạnh đến dòng thải ngược.

Marker	Cơ chế	Kỳ vọng trong Caco‑2	Nguồn tham khảo
Propranolol	Khuếch tán xuyên màng	Papp cao, tỷ số B→A/A→B ≈ 1	PubMed
Atenolol	Paracellular giới hạn	Papp thấp, nhạy với thay đổi tight junction	PubMed
Digoxin	Cơ chất P‑gp (ABCB1)	Tỷ số B→A/A→B > 2, giảm khi ức chế P‑gp	PubMed

Tính không đồng nhất và khả năng tái sản xuất kết quả

Caco‑2 thể hiện tính không đồng nhất nội tại, bao gồm khác biệt về tốc độ tăng trưởng, mức độ phân cực, biểu hiện enzyme/vận chuyển và TEER giữa các tiểu quần thể và giữa các lô (lot) khác nhau. Sự biến thiên này chịu ảnh hưởng của số lần chuyền (passage number), nguồn gốc ngân hàng tế bào, công thức môi trường, huyết thanh, loại insert và quy trình nuôi dưỡng. Do đó, tính tái lặp giữa phòng thí nghiệm phụ thuộc mạnh vào chuẩn hóa quy trình và kiểm soát chất lượng định kỳ. Các khuyến nghị về tiêu chuẩn hóa, quản lý passage và kiểm tra xác thực danh tính (STR profiling, mycoplasma test) được nêu trong NCBI Bookshelf và tài liệu ngân hàng ATCC.

Thiết lập SOP bao gồm tiêu chí chấp nhận TEER, ngưỡng rò rỉ Lucifer Yellow, thời gian biệt hóa sau confluence, và panel marker hình thái–chức năng giúp giảm sai lệch. Báo cáo đầy đủ các tham số thử nghiệm (diện tích màng, tốc độ khuấy, nhiệt độ, pH, thành phần đệm, chất mang phụ gia, nồng độ thử nghiệm, thời gian lấy mẫu) là yêu cầu bắt buộc để diễn giải và so sánh dữ liệu xuyên nghiên cứu. Cách tiếp cận này phù hợp với nguyên tắc đảm bảo chất lượng trong nghiên cứu tiền lâm sàng và thực hành tốt phòng thí nghiệm (GLP) khi áp dụng dữ liệu Caco‑2 cho quyết định phát triển thuốc.

• Kiểm soát biến thiên: giới hạn passage (ví dụ < 40), đồng nhất nguồn FBS, ghi nhật ký lô insert.
• QC định kỳ: TEER tối thiểu, thử Lucifer Yellow, xác thực STR, tầm soát mycoplasma.
• Báo cáo phương pháp: thông số P_app, tỷ số hai chiều, chuẩn nội/ngoại được sử dụng.

Ứng dụng trong nghiên cứu hấp thu thuốc và dinh dưỡng

Caco-2 là mô hình in vitro được chuẩn hóa rộng rãi để dự đoán khả năng hấp thu đường uống của dược chất. Khi nuôi trên insert bán thấm, lớp đơn bào Caco-2 tạo hàng rào phân cực giữa khoang apical (tương ứng lòng ruột) và basolateral (tương ứng máu), cho phép đo lường độ thấm theo cả hai hướng. Thông số chính được sử dụng là hệ số thấm biểu kiến (P_app), tính từ tốc độ xuất hiện hợp chất ở khoang nhận chia cho diện tích bề mặt và nồng độ ban đầu. Mô hình này đã được sử dụng để phân loại hợp chất theo phân loại sinh dược học (BCS) và hỗ trợ quyết định miễn thử in vivo trong một số trường hợp.

Bên cạnh nghiên cứu dược động học, Caco-2 còn phục vụ nghiên cứu dinh dưỡng, ví dụ đánh giá hấp thu vi chất (sắt, kẽm, canxi), acid béo, cholesterol, vitamin tan trong dầu và tương tác giữa thành phần thực phẩm với hấp thu. Sự biểu hiện của các transporter như PEPT1 (peptide), NPC1L1 (cholesterol), DMT1 (sắt) trong Caco-2 giúp mô phỏng tương đối chính xác quá trình hấp thu in vivo. Dữ liệu từ các thí nghiệm này có thể định hướng phát triển thực phẩm chức năng và công thức bổ sung dinh dưỡng.

• Đánh giá tính thấm của phân tử nhỏ và lớn qua lớp biểu mô.
• Nghiên cứu tương tác thuốc–thuốc, thuốc–thực phẩm qua ức chế/hoạt hóa transporter.
• Xác định cơ chế hấp thu chất dinh dưỡng và tác động của chế biến thực phẩm.

Ứng dụng trong nghiên cứu độc chất học và bệnh học

Caco-2 được sử dụng để kiểm tra độc tính tế bào và ảnh hưởng của hợp chất lên tính toàn vẹn hàng rào ruột. Các chỉ số như giảm TEER, tăng rò rỉ chất đánh dấu (ví dụ Lucifer Yellow, mannitol) phản ánh sự phá vỡ liên kết chặt, cho phép đánh giá nguy cơ tổn thương biểu mô. Mô hình này cũng hỗ trợ nghiên cứu viêm ruột, phản ứng miễn dịch tại chỗ và tương tác với vi sinh vật đường ruột.

Trong bệnh học, Caco-2 giúp phân tích cơ chế xâm nhập của vi khuẩn (ví dụ Salmonella, E. coli gây tiêu chảy), virus (Rotavirus), và độc tố. Thí nghiệm đồng nuôi (co-culture) với tế bào miễn dịch hoặc bổ sung màng nhầy nhân tạo giúp mở rộng khả năng mô phỏng phản ứng bệnh lý. Dữ liệu này phục vụ phát triển thuốc chống nhiễm trùng đường ruột, probiotics và vaccine đường uống.

Loại nghiên cứu	Chỉ số theo dõi	Ý nghĩa
Độc chất học	TEER, rò rỉ Lucifer Yellow	Đánh giá phá hủy hàng rào
Bệnh học vi khuẩn	Xâm nhập, nhân lên	Cơ chế gây bệnh
Viêm ruột	Cytokine, ROS	Đáp ứng viêm biểu mô

Ứng dụng trong hệ “Gut-on-a-chip” và mô hình 3D

Gut-on-a-chip là công nghệ microfluidic nuôi cấy tế bào Caco-2 trong điều kiện dòng chảy và áp lực cơ học mô phỏng nhu động ruột. Cấu trúc vi kênh và giá đỡ đàn hồi cho phép tế bào trải qua co giãn chu kỳ, hình thành vi nhung mao dày đặc và biểu hiện gen tương tự in vivo hơn so với mô hình tĩnh. Điều này cải thiện độ tin cậy khi dự đoán phản ứng sinh lý, hấp thu, độc tính và tương tác thuốc–vi sinh vật.

Mô hình 3D và đồng nuôi với tế bào tiết nhầy (HT29-MTX) hoặc tế bào miễn dịch tạo ra hệ thống đa dòng tế bào, tái hiện môi trường vi sinh vật và lớp nhầy của ruột. Các nền tảng này đang được áp dụng trong nghiên cứu bệnh ruột mạn tính (IBD), ung thư đường tiêu hóa và phát triển thuốc sinh học mới.

Ưu điểm nổi bật

Caco-2 cung cấp dữ liệu đáng tin cậy về hấp thu và tính thấm nhờ khả năng biệt hóa thành enterocyte với hàng rào liên kết chặt và hệ thống transporter, enzyme bờ bàn chải. Khả năng thiết lập mô hình đồng nhất trên insert tiêu chuẩn giúp so sánh kết quả giữa các nghiên cứu và áp dụng trong quy trình phát triển thuốc.

• Tự biệt hóa, không cần kích thích ngoại lai.
• Phân cực rõ rệt, TEER cao.
• Hỗ trợ phân tích cơ chế vận chuyển phức tạp.

Hạn chế của mô hình Caco-2

Caco-2 chỉ đại diện cho enterocyte, thiếu các loại tế bào khác của ruột non (tế bào tiết nhầy, Paneth, enteroendocrine), do đó không tái hiện đầy đủ môi trường sinh lý. Lớp nhầy mỏng hoặc không hiện diện làm giảm mô phỏng bảo vệ cơ học và tương tác với vi sinh vật. Thời gian nuôi cấy dài (17–21 ngày) cũng hạn chế năng suất nghiên cứu.

Biểu hiện transporter và enzyme có thể khác biệt so với ruột người, đặc biệt ở giai đoạn trưởng thành, ảnh hưởng đến dự đoán hấp thu một số hợp chất. Do đó, cần thận trọng khi ngoại suy dữ liệu Caco-2 sang bối cảnh in vivo và kết hợp với các mô hình bổ trợ như ex vivo hoặc in situ.

Chế độ nuôi cấy và tiêu chuẩn hóa

Điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ biệt hóa và độ tin cậy dữ liệu. Môi trường thường dùng là DMEM cao glucose bổ sung 10% FBS, non-essential amino acids, penicillin-streptomycin, ở 37 °C, 5% CO₂. Tế bào được gieo trên insert polycarbonate hoặc polyester với mật độ phù hợp để đạt confluence trong 3–5 ngày, sau đó nuôi thêm 14–21 ngày để biệt hóa hoàn toàn.

Đo TEER định kỳ và thử chất đánh dấu giúp theo dõi chất lượng hàng rào. Chuẩn hóa passage number, nguồn FBS, loại insert và giao thức thay môi trường giúp giảm biến thiên. Việc báo cáo chi tiết phương pháp (diện tích bề mặt, thời gian nuôi, điều kiện môi trường, thiết bị đo) là cần thiết để tái lập kết quả.

Tài liệu tham khảo

• Tor Lea. Caco-2 Cell Line. In: The Impact of Food Bioactives on Health: in vitro and ex vivo models. NCBI Bookshelf. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK500149/
• ECACC Cell Line Profile: CACO-2. Culture Collections. https://www.culturecollections.org.uk/products/cell-cultures/ecacc-cell-line-profiles/caco-2/
• ATCC. Caco-2 (HTB-37) Cell Line Information. https://www.atcc.org/products/htb-37
• Biological Procedures Online. Applications of Caco-2 cells in lipid and cholesterol research. https://biologicalproceduresonline.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12575-020-00120-w
• PubMed. Caco-2 permeability assays and transporter expression. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/
• Organ-on-a-chip technologies for gut models. https://www.nature.com/articles/s41578-019-0115-4