Tế bào côn trùng là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm về tế bào côn trùng

Tế bào côn trùng là các tế bào được tách chiết từ mô của các loài côn trùng và nuôi cấy trong điều kiện in vitro để phục vụ nghiên cứu và sản xuất trong lĩnh vực sinh học phân tử, miễn dịch học và công nghệ sinh học. Chúng sở hữu khả năng sinh trưởng ổn định, tốc độ phân chia đều và độ biến động di truyền thấp, khiến chúng trở thành nền tảng quan trọng trong các hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp.

Các dòng tế bào này có khả năng biểu hiện protein ngoại lai với hiệu suất cao khi được sử dụng trong hệ thống baculovirus, vốn là một trong những công nghệ được sử dụng phổ biến trong sản xuất vaccine, enzyme và kháng nguyên nghiên cứu. Việc sử dụng tế bào côn trùng giúp giảm chi phí sản xuất so với hệ thống tế bào động vật có vú, đồng thời vẫn đảm bảo tạo ra protein có cấu trúc và chức năng chính xác.

Tế bào côn trùng được sử dụng trong nhiều nghiên cứu liên quan đến virus, vi khuẩn và cơ chế đáp ứng miễn dịch, cũng như trong các ứng dụng công nghiệp sinh học. Các hướng dẫn về nuôi cấy, kiểm soát chất lượng và an toàn sinh học của tế bào côn trùng được công bố bởi các tổ chức như FDA và NCBI.

Thuộc tính	Mô tả
Nguồn gốc	Mô côn trùng (tự nhiên hoặc biến đổi)
Ứng dụng	Biểu hiện protein, nghiên cứu virus, sản xuất vaccine
Ưu điểm	Chi phí thấp, dễ nuôi cấy, hiệu suất biểu hiện cao

• Là hệ thống biểu hiện protein quan trọng thứ hai sau tế bào động vật có vú.
• Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường linh hoạt.
• Được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu các bệnh truyền nhiễm.

Cấu trúc và đặc điểm sinh lý của tế bào côn trùng

Tế bào côn trùng sở hữu cấu trúc chuẩn của tế bào nhân thực, gồm nhân, ti thể, lưới nội chất và bộ Golgi. Tuy nhiên, chúng thể hiện những đặc điểm sinh lý độc đáo, chẳng hạn như khả năng sinh trưởng trong điều kiện không cần CO₂ và chịu biến động pH tốt hơn tế bào động vật có vú. Điều này giúp giảm yêu cầu về thiết bị phòng thí nghiệm, tăng tính linh hoạt trong nuôi cấy.

Nhiệt độ lý tưởng cho tế bào côn trùng thường trong khoảng 25–28 °C, thấp hơn đáng kể so với yêu cầu của tế bào động vật có vú, giúp giảm tiêu thụ năng lượng trong quy trình sản xuất. Ngoài ra, tốc độ phân chia của tế bào ổn định trong thời gian dài, hạn chế sự xuất hiện của biến thể không mong muốn.

Tế bào côn trùng có khả năng gấp cuộn protein đúng cấu trúc, hình thành liên kết disulfide và glycosyl hóa theo hướng tương tự tế bào động vật, dù hình thức glycosyl hóa có khác biệt nhất định. Điều này giúp tạo ra protein có hoạt tính sinh học cao, thích hợp cho nghiên cứu hoặc ứng dụng lâm sàng.

Đặc điểm	Lợi ích
Không cần CO₂	Tiết kiệm chi phí vận hành
Nhiệt độ nuôi thấp	Giảm hao phí năng lượng
Ổn định di truyền	Giảm rủi ro biến đổi không mong muốn

• Cấu trúc tế bào đơn giản hơn nhưng vẫn đảm bảo chức năng biểu hiện protein.
• Hoạt động enzyme nội bào hỗ trợ quá trình chuyển hóa mạnh.
• Kích thước nhỏ giúp tăng mật độ tế bào trong hệ thống huyền phù.

Các dòng tế bào côn trùng phổ biến

Các dòng tế bào quan trọng được sử dụng phổ biến nhất hiện nay bao gồm Sf9 và Sf21 từ loài *Spodoptera frugiperda*, cũng như dòng High Five (Tn5) từ *Trichoplusia ni*. Sf9 được đánh giá cao vì sự ổn định, dễ thích nghi và phù hợp cho các hệ thống baculovirus trong sản xuất protein quy mô lớn. Sf21 là biến thể gần gũi của Sf9, thường dùng trong các nghiên cứu cơ bản hoặc các thử nghiệm biểu hiện ban đầu.

Dòng High Five có khả năng biểu hiện protein cao vượt trội, đặc biệt đối với các protein phức tạp hoặc yêu cầu tiết ra môi trường. Việc lựa chọn dòng tế bào phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu kỹ thuật của từng dự án, bao gồm sản lượng protein, mức độ glycosyl hóa và khả năng chịu stress khi nuôi cấy mật độ cao.

Các dòng tế bào này được chuẩn hóa và cung cấp bởi các ngân hàng tế bào như ATCC, nơi đảm bảo kiểm soát chất lượng và tính ổn định di truyền. Bảng sau minh họa sự khác biệt cơ bản giữa các dòng tế bào.

Dòng tế bào	Nguồn gốc	Đặc tính
Sf9	*S. frugiperda*	Ổn định, phù hợp sản xuất vaccine
Sf21	*S. frugiperda*	Thích nghi tốt, năng suất trung bình
High Five	*T. ni*	Biểu hiện protein rất cao, dễ mở rộng quy mô

• Sf9: lựa chọn tối ưu cho baculovirus recombinant.
• Sf21: phù hợp cho nghiên cứu cơ bản và tối ưu hóa quy trình.
• High Five: hiệu suất tốt nhất trong sản xuất protein secreted.

Môi trường và điều kiện nuôi cấy tế bào côn trùng

Môi trường nuôi cấy tế bào côn trùng được thiết kế dựa trên nhu cầu dinh dưỡng của mô côn trùng tự nhiên, thường bao gồm amino acid, glucose, vitamin và muối khoáng. Các môi trường phổ biến như Grace’s medium, TNM-FH và ESF 921 được tối ưu hóa để hỗ trợ tăng trưởng dài hạn mà không cần bổ sung huyết thanh, giúp giảm chi phí và tăng độ ổn định.

Tế bào côn trùng có thể được nuôi ở dạng bám dính hoặc dạng huyền phù. Dạng huyền phù cho phép tăng mật độ tế bào trong các bình lắc hoặc bioreactor, phù hợp cho sản xuất công nghiệp. Kiểm soát mật độ tế bào, tốc độ lắc, nồng độ oxy hòa tan và độ thoáng khí là yếu tố then chốt để giữ hiệu suất biểu hiện protein ổn định.

Bảng sau mô tả điều kiện tối ưu cho nuôi cấy tế bào côn trùng:

Tham số	Giá trị chuẩn
Nhiệt độ	25–28 °C
pH	6.2–6.4
Kiểu nuôi cấy	Bám dính hoặc huyền phù
Nhu cầu CO₂	Không yêu cầu

• Môi trường không cần huyết thanh giúp giảm rủi ro nhiễm tạp.
• Dạng huyền phù dễ mở rộng quy mô theo nhu cầu sản xuất.
• pH ổn định là yếu tố quan trọng giúp tránh giảm năng suất protein.

Ứng dụng của tế bào côn trùng trong nghiên cứu và công nghệ sinh học

Tế bào côn trùng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu sinh học phân tử nhờ khả năng biểu hiện protein chức năng và ổn định. Hệ thống biểu hiện baculovirus–insect cell (BEVS) là nền tảng phổ biến nhất, được sử dụng để sản xuất enzyme, protein tái tổ hợp và kháng nguyên vaccine. Khi virus baculovirus xâm nhập tế bào côn trùng, chúng kích hoạt quá trình biểu hiện protein mục tiêu với nồng độ rất cao mà không gây độc tính nghiêm trọng cho tế bào chủ.

BEVS đã góp phần sản xuất nhiều vaccine thương mại, bao gồm vaccine cúm tái tổ hợp của FDA và một số vaccine thú y. Một số nghiên cứu sử dụng tế bào côn trùng để sản xuất virus vector cho liệu pháp gen vì khả năng xử lý các protein dạng phức hợp tốt hơn so với hệ vi khuẩn. Ngoài ra, tế bào côn trùng còn được tận dụng trong sản xuất protein màng, vốn rất khó biểu hiện trong hệ thống khác.

Trong nghiên cứu miễn dịch học, tế bào côn trùng được dùng để biểu hiện các kháng nguyên đặc hiệu, phục vụ phân tích đáp ứng miễn dịch hoặc tạo bộ kit chẩn đoán. Nhờ khả năng tái tạo cấu trúc protein phức tạp, các protein này giữ được tính kháng nguyên gần giống phiên bản tự nhiên.

Ứng dụng	Mô tả
Sản xuất vaccine	Biểu hiện kháng nguyên virus, hỗ trợ sản xuất vaccine tái tổ hợp
Nghiên cứu protein màng	Xử lý tốt các protein khó biểu hiện trong hệ khác
Chẩn đoán	Tạo kháng nguyên phục vụ xét nghiệm miễn dịch

• BEVS là hệ thống biểu hiện có hiệu suất cao.
• Tế bào côn trùng hỗ trợ tạo protein có cấu trúc gần tự nhiên.
• Phù hợp sản xuất protein phức tạp ở quy mô lớn.

Ưu điểm và hạn chế của tế bào côn trùng

Ưu điểm nổi bật nhất của tế bào côn trùng là khả năng nuôi cấy đơn giản với chi phí thấp. Chúng không cần khí CO₂, không yêu cầu môi trường giàu huyết thanh và có thể sinh trưởng trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Ngoài ra, tốc độ phân chia ổn định giúp giảm nguy cơ biến đổi di truyền và duy trì chất lượng dòng tế bào trong sản xuất kéo dài.

Tế bào côn trùng có khả năng thực hiện các biến đổi hậu dịch mã (post-translational modifications) như glycosyl hóa, phosphoryl hóa và tạo cầu disulfide. Điều này giúp tạo ra protein có hoạt tính sinh học tương đương với protein tự nhiên, đặc biệt là enzyme và kháng nguyên. Chúng cũng chịu được nồng độ biểu hiện protein cao mà không gây độc tính, nhờ đó tăng sản lượng trên mỗi lít môi trường nuôi.

Hạn chế của tế bào côn trùng là hệ glycosyl hóa không hoàn toàn giống tế bào động vật có vú; một số protein yêu cầu dạng glycan phức hợp có thể không được tạo ra đầy đủ. Ngoài ra, một số ứng dụng lâm sàng đòi hỏi mức độ tinh khiết rất cao, khiến bước tinh sạch phải được kiểm soát nghiêm ngặt. Đối với các protein nhạy cảm, việc gấp cuộn sai hoặc phân hủy nội bào có thể xuất hiện khi nuôi mật độ quá cao.

Khía cạnh	Ưu điểm	Hạn chế
Kỹ thuật	Nuôi dễ, không cần CO₂	Glycosyl hóa khác động vật có vú
Hiệu suất	Biểu hiện protein cao	Nguy cơ stress khi mật độ cực cao
Ứng dụng	Phù hợp protein phức tạp	Không tối ưu cho mọi loại protein

• Ưu điểm mạnh nhất là chi phí nuôi thấp và hiệu suất biểu hiện tốt.
• Hạn chế chủ yếu nằm ở biến đổi glycan và yêu cầu tinh sạch cao.
• Cần tối ưu hóa điều kiện nuôi cho từng loại protein.

Kỹ thuật nuôi cấy và mở rộng quy mô sản xuất

Kỹ thuật nuôi cấy tế bào côn trùng có thể thực hiện dưới dạng bám dính hoặc huyền phù. Dạng huyền phù được ưu tiên trong sản xuất công nghiệp vì có thể mở rộng quy mô dễ dàng bằng các bình lắc hoặc bioreactor. Để duy trì tốc độ tăng trưởng ổn định, cần kiểm soát mật độ tế bào ở mức tối ưu, thường từ 0.5 đến 2 × 10⁶ tế bào/mL, tùy thuộc dòng tế bào và mục đích sử dụng.

Trong quy mô lớn, các bioreactor dạng stirred-tank hoặc wave-bioreactor thường được sử dụng. Stirred-tank yêu cầu kiểm soát trộn và sục khí, trong khi wave-bioreactor phù hợp với tế bào nhạy shear stress nhờ chuyển động sóng nhẹ nhàng. Việc bổ sung chất dinh dưỡng theo chu kỳ (fed-batch) giúp duy trì tốc độ biểu hiện protein cao trong thời gian dài.

Các công nghệ kiểm soát tự động như cảm biến DO, pH, nhiệt độ và mật độ tế bào đang dần được tích hợp vào dây chuyền sản xuất. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình và giảm biến động giữa các mẻ sản xuất. Đối với BEVS, thời điểm nhiễm virus (MOI – multiplicity of infection) là tham số quan trọng quyết định sản lượng protein.

• Mở rộng quy mô cần tối ưu hóa DO, shear stress và mật độ tế bào.
• Bioreactor dạng sóng giảm tổn thương tế bào.
• Fed-batch tăng thời gian biểu hiện hiệu quả.

Ứng dụng trong sản xuất vaccine và protein tái tổ hợp

Tế bào côn trùng đã được sử dụng trong sản xuất nhiều vaccine thương mại, chẳng hạn vaccine cúm tái tổ hợp được FDA phê duyệt. Các kháng nguyên virus như hemagglutinin (HA) được biểu hiện hiệu quả trong hệ BEVS và sau đó tinh sạch để sản xuất vaccine. Việc sử dụng tế bào côn trùng thay thế trứng gà hoặc tế bào động vật có vú giúp giảm nguy cơ dị ứng và tăng tốc độ sản xuất.

Các protein có cấu trúc phức hợp như enzyme đa tiểu đơn vị, protein màng hoặc virus-like particles (VLPs) đều có thể được biểu hiện tốt trong tế bào côn trùng. VLPs đặc biệt quan trọng vì chúng mô phỏng cấu trúc vỏ virus mà không chứa vật liệu di truyền, phù hợp sản xuất vaccine an toàn.

Bảng mô tả các sản phẩm sinh học phổ biến được tạo ra từ tế bào côn trùng:

Sản phẩm	Mô tả	Ứng dụng
Kháng nguyên HA	Protein virus cúm được biểu hiện bằng BEVS	Vaccine cúm
VLPs	Hạt giống virus không mang RNA/DNA	Vaccine an toàn
Enzyme tái tổ hợp	Protein đa tiểu đơn vị	Y sinh học và nghiên cứu

• Tế bào côn trùng hỗ trợ biểu hiện protein phức tạp hiệu quả.
• VLPs mở ra hướng phát triển vaccine an toàn hơn.
• Sản xuất vaccine không phụ thuộc nguồn trứng gà.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Xu hướng hiện nay tập trung vào việc cải tiến hệ thống BEVS để tăng sản lượng và chất lượng protein. Các kỹ thuật chỉnh sửa gen như CRISPR được áp dụng để tạo tế bào côn trùng biến đổi nhằm tăng cường glycosyl hóa hoặc giảm các enzyme nội bào gây phân hủy protein. Ngoài ra, các dòng tế bào được thiết kế để chịu mật độ cao hơn giúp giảm chi phí sản xuất.

Một mảng nghiên cứu đang phát triển là tối ưu hóa quá trình gấp cuộn protein bằng cách đồng biểu hiện chaperone. Điều này đặc biệt quan trọng với protein màng và enzyme phức tạp có nguy cơ gấp cuộn sai. Công nghệ phân tích omics như transcriptomics và proteomics góp phần hiểu rõ hơn quá trình biểu hiện trong tế bào côn trùng, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

• CRISPR giúp tạo tế bào côn trùng thế hệ mới.
• Chaperone nâng cao hiệu quả gấp cuộn protein.
• Omics giúp dự đoán và tối ưu hóa năng suất biểu hiện.

Tài liệu tham khảo

• U.S. Food and Drug Administration (FDA). https://www.fda.gov
• National Center for Biotechnology Information (NCBI). https://www.ncbi.nlm.nih.gov
• American Society for Microbiology (ASM). https://asm.org