Tế bào gan chuột cống là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về tế bào gan chuột cống

Tế bào gan chuột cống (rat hepatocytes) là các tế bào chính đảm nhiệm chức năng sinh học trong gan của loài Rattus norvegicus. Đây là loài chuột thường được sử dụng trong nghiên cứu y sinh học do có hệ gen đã được giải mã, dễ kiểm soát trong phòng thí nghiệm và chi phí nuôi dưỡng thấp. Gan chuột cống là cơ quan tiêu biểu để nghiên cứu quá trình chuyển hóa và phản ứng độc chất, nhờ tính tương đồng chức năng với gan người.

Tế bào gan chiếm phần lớn thể tích của gan – khoảng 70–80% khối lượng mô. Chúng được đặc trưng bởi khả năng cao trong trao đổi chất, giải độc, tổng hợp protein và điều hòa nội môi. Nhờ đó, chúng trở thành đối tượng mô hình lý tưởng cho các nghiên cứu tiền lâm sàng, đặc biệt là trong các lĩnh vực như độc chất học, dược lý học, sinh học phân tử và công nghệ sinh học.

Các nghiên cứu sử dụng tế bào gan chuột cống không chỉ giúp đánh giá an toàn và hiệu quả của thuốc mà còn hỗ trợ khám phá cơ chế bệnh sinh, từ đó mở ra tiềm năng ứng dụng trong thiết kế thuốc đích và phát triển liệu pháp mới.

Đặc điểm sinh học và chức năng

Tế bào gan chuột cống là tế bào đa diện với một hoặc hai nhân, có mạng lưới nội bào phát triển, hệ ty thể dày đặc và lưới nội chất trơn chiếm ưu thế – đặc điểm phù hợp cho chức năng chuyển hóa. Bề mặt tế bào gồm ba vùng chính: vùng đối mặt với mao mạch gan (sinusoidal domain), vùng giữa các tế bào (lateral domain) và vùng tạo ống mật (canalicular domain).

Chức năng sinh học chính của tế bào gan chuột cống bao gồm:

• Chuyển hóa các hợp chất nội sinh (hormone, lipid, glucose)
• Giải độc các chất ngoại lai (thuốc, hóa chất công nghiệp, kim loại nặng)
• Tổng hợp protein huyết tương như albumin, fibrinogen
• Lưu trữ glycogen và vitamin
• Tham gia vào quá trình đông máu và miễn dịch bẩm sinh

Một số enzym đặc hiệu như cytochrome P450 (CYP), glutathione S-transferase (GST), UDP-glucuronosyltransferase (UGT) và sulfotransferase (SULT) đóng vai trò trung tâm trong quá trình oxy hóa, khử, liên hợp các phân tử. Những enzyme này được sử dụng như chỉ dấu trong đánh giá chức năng gan trong môi trường nuôi cấy.

Bảng sau thể hiện một số enzyme điển hình và chức năng của chúng:

Enzyme	Chức năng chính	Giai đoạn chuyển hóa
CYP1A2	Chuyển hóa amin thơm và thuốc	Giai đoạn I
UGT1A1	Liên hợp bilirubin và thuốc	Giai đoạn II
GSTP1	Giải độc chất phản ứng	Giai đoạn II

Phân lập và nuôi cấy tế bào gan chuột cống

Phân lập tế bào gan chuột cống thường được thực hiện theo phương pháp perfusion hai bước do Seglen đề xuất (1976), bao gồm: (1) rửa gan bằng dung dịch không có canxi để loại bỏ máu và mở kết nối tế bào, (2) tiêu hóa mô gan bằng enzyme collagenase chứa canxi để tách rời tế bào. Quy trình này đòi hỏi điều kiện vô trùng, kiểm soát nhiệt độ và thời gian chặt chẽ để đảm bảo chất lượng tế bào.

Sau phân lập, tế bào được ly tâm và rửa sạch, sau đó nuôi cấy trong các loại môi trường như Williams’ E hoặc DMEM. Môi trường được bổ sung insulin, dexamethasone, transferrin và fetal bovine serum (FBS) nhằm duy trì chức năng biệt hóa. Việc phủ bề mặt đĩa nuôi bằng collagen type I giúp cải thiện khả năng bám dính và tăng cường biểu hiện chức năng gan.

Các điều kiện tiêu chuẩn trong nuôi cấy bao gồm:

• Nhiệt độ: 37°C
• Khí CO₂: 5%
• Độ pH ổn định (khoảng 7.2–7.4)
• Mật độ nuôi: 0.5–1 triệu tế bào/cm²

Thời gian sống của tế bào gan chuột cống in vitro dao động từ 3 đến 7 ngày, tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy. Tuy nhiên, chức năng chuyển hóa có thể suy giảm theo thời gian, đặc biệt là hoạt tính enzym P450, do mất tín hiệu từ hệ vi môi gan tự nhiên.

Mô hình nghiên cứu sử dụng tế bào gan chuột cống

Tế bào gan chuột cống là công cụ quan trọng trong nghiên cứu độc chất học. Chúng cho phép đánh giá sớm độc tính tế bào, sự hình thành chất chuyển hóa độc và cơ chế gây tổn thương gan. Đây là giai đoạn quan trọng trong quy trình sàng lọc thuốc và hóa chất, trước khi chuyển sang thử nghiệm in vivo hoặc lâm sàng.

Các mô hình nuôi cấy thường sử dụng tế bào gan nguyên phát (primary hepatocytes), tế bào gan bất tử hóa hoặc các mô hình đồng nuôi (co-culture) với tế bào Kupffer hoặc tế bào nội mô gan. Tùy theo mục tiêu nghiên cứu, các mô hình này có thể được thiết kế để kiểm tra:

• Ảnh hưởng của chất độc mạn tính hoặc cấp tính
• Tác động đến gen liên quan đến apoptosis, viêm, stress oxy hóa
• Khả năng gây cảm ứng hoặc ức chế enzym chuyển hóa

Ngoài ra, tế bào gan chuột cống còn được dùng để mô phỏng bệnh lý như gan nhiễm mỡ, xơ gan hoặc viêm gan qua việc xử lý với các tác nhân như ethanol, palmitate hoặc lipopolysaccharide (LPS). Những mô hình này hỗ trợ khám phá các cơ chế bệnh học và đánh giá hiệu quả điều trị.

So sánh với tế bào gan người

Mặc dù tế bào gan chuột cống và tế bào gan người có nhiều điểm tương đồng về mặt hình thái học và chức năng cơ bản, nhưng vẫn tồn tại những khác biệt sinh lý và di truyền quan trọng. Sự khác biệt này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác trong dự báo phản ứng dược lý và độc tính của thuốc ở người khi sử dụng mô hình chuột.

Một điểm khác biệt đáng chú ý là hệ enzyme cytochrome P450. Ở chuột, các isoform như CYP2C6, CYP2C11 và CYP3A1 đóng vai trò chính, trong khi ở người, CYP3A4, CYP2D6 và CYP2C9 là chủ yếu. Điều này dẫn đến sự khác biệt trong chuyển hóa thuốc, đặc biệt là với các thuốc trải qua quá trình oxy hóa giai đoạn I.

Một số khác biệt cụ thể giữa tế bào gan chuột và người được trình bày trong bảng dưới:

Tiêu chí	Chuột cống	Người
Isoform chính CYP450	CYP2C11, CYP3A1	CYP3A4, CYP2D6
Thời gian bán hủy albumin	~1.5 ngày	~19 ngày
Phản ứng với rifampicin	Ít cảm ứng	Cảm ứng mạnh CYP3A4

Ngoài ra, biểu hiện gene và điều hòa epigenetic giữa hai loài cũng có sự khác biệt, ảnh hưởng đến phản ứng với thuốc, kích thích tố và yếu tố viêm. Vì vậy, việc nội suy dữ liệu từ tế bào gan chuột sang người cần thực hiện thận trọng và có đối chứng bổ sung.

Ứng dụng trong nghiên cứu độc tính và dược lý

Tế bào gan chuột cống là nền tảng trong nghiên cứu tiền lâm sàng nhằm đánh giá độc tính gan tiềm tàng của các hợp chất mới. Chúng được sử dụng để sàng lọc sơ bộ các chất có nguy cơ gây tổn thương gan (hepatotoxicity) như acetaminophen, methotrexate, troglitazone hoặc aflatoxin B1.

Một số chỉ tiêu đánh giá độc tính trong nuôi cấy tế bào gan bao gồm:

• Mức độ rò rỉ enzym nội bào: ALT, AST
• Giảm tổng hợp albumin
• Biến đổi ti thể: giảm điện thế màng, sản sinh ROS
• Kích hoạt caspase (apoptosis)
• Sự thay đổi biểu hiện gen qua RT-PCR hoặc RNA-seq

Bên cạnh đó, tế bào gan chuột còn hỗ trợ nghiên cứu dược động học (phân bố, chuyển hóa, thải trừ thuốc) bằng cách xác định thông số như:

• Độ thanh thải nội tại (intrinsic clearance)
• Tốc độ chuyển hóa thuốc
• Sự cảm ứng hoặc ức chế các isozyme chuyển hóa

Các dữ liệu này hỗ trợ mô hình hóa PBPK (physiologically-based pharmacokinetic), giúp dự đoán hành vi của thuốc trong cơ thể người.

Mô hình 3D và đồng nuôi cấy

Mô hình nuôi cấy 2D truyền thống có hạn chế về mặt duy trì chức năng sinh học lâu dài và không phản ánh đầy đủ vi môi trường gan in vivo. Do đó, các mô hình 3D và đồng nuôi cấy đang được phát triển để cải thiện độ chính xác trong nghiên cứu.

Mô hình 3D như spheroids, organoids cho phép tế bào gan tự sắp xếp lại cấu trúc không gian và tăng thời gian sống lên tới 2–3 tuần. Sự phân cực tế bào và tạo lumen mật được duy trì tốt hơn, từ đó nâng cao độ chính xác trong đánh giá độc tính mãn tính.

Đồng thời, mô hình đồng nuôi với các loại tế bào như:

• Tế bào Kupffer (miễn dịch tại gan)
• Tế bào stellate (liên quan đến xơ hóa)
• Tế bào nội mô mao mạch gan (LSEC)

giúp tái tạo hệ vi mô gan đầy đủ hơn, đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu bệnh gan mạn tính và phản ứng miễn dịch.

Các chỉ số sinh học thường dùng

Để đánh giá chức năng và sức khỏe của tế bào gan trong nuôi cấy, các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều chỉ số sinh học định lượng. Những chỉ số này cho phép theo dõi sự sống còn, biệt hóa và hoạt tính chức năng của tế bào qua thời gian.

Một số chỉ số quan trọng gồm:

• Albumin: phản ánh khả năng tổng hợp protein
• Urea: chỉ báo chuyển hóa nitơ
• ALT, AST: enzym nội bào, tăng khi tế bào tổn thương
• Glycogen: khả năng dự trữ glucose

Việc định lượng glycogen có thể thực hiện bằng phương pháp anthrone hoặc PAS staining. Công thức chuẩn để tính nồng độ glycogen như sau:

$\text{Glycogen (mg/mg protein)} = \frac{\text{OD}_{570} \times \text{volume factor}}{\text{protein concentration}}$

Ngoài ra, các chỉ thị như MTT, LDH, JC-1 hoặc CellROX cũng được sử dụng để kiểm tra hoạt tính ty thể và stress oxy hóa.

Hạn chế của việc sử dụng tế bào gan chuột cống

Dù mang lại nhiều lợi ích, tế bào gan chuột cống vẫn có các hạn chế đáng kể:

• Khác biệt loài khiến kết quả không hoàn toàn chuyển đổi sang người
• Tuổi thọ trong nuôi cấy ngắn, thường dưới 7 ngày
• Suy giảm chức năng enzyme sau vài ngày nuôi
• Biến dị giữa các cá thể và lô chuột

Việc này đòi hỏi phát triển thêm các mô hình người hóa, ví dụ như sử dụng tế bào gan người từ nguồn hiến hoặc tế bào gốc cảm ứng biệt hóa (iPSC). Những mô hình này đang dần thay thế để cung cấp dữ liệu tin cậy hơn cho nghiên cứu dược lý người.

Kết luận

Tế bào gan chuột cống là công cụ thiết yếu trong nghiên cứu sinh học và độc chất học, đặc biệt ở giai đoạn tiền lâm sàng. Chúng cung cấp nền tảng mạnh mẽ để đánh giá chuyển hóa thuốc, độc tính gan, và cơ chế bệnh học. Dù có những hạn chế về mặt sinh lý loài và thời gian sống, các cải tiến trong kỹ thuật mô hình 3D và đồng nuôi cấy đang mở ra khả năng ứng dụng sâu rộng hơn trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. Seglen, P. O. (1976). Preparation of isolated rat liver cells. Methods in Cell Biology, 13, 29–83. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6902591/
2. Hewitt, N. J., et al. (2013). Primary hepatocytes: current understanding of the regulation of metabolic enzymes and transporter proteins, and pharmaceutical practice for the use of hepatocytes in drug development. Drug Metabolism Reviews, 45(1), 1–17. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0273230012000711
3. Godoy, P., et al. (2013). Recent advances in 2D and 3D in vitro systems using primary hepatocytes, alternative hepatocyte sources and non-parenchymal liver cells and their use in investigating mechanisms of hepatotoxicity, cell signaling and ADME. Archives of Toxicology, 87(8), 1315–1530. https://link.springer.com/article/10.1007/s00204-013-1078-5
4. Li, A. P. (2007). Human hepatocytes: Isolation, cryopreservation and applications in drug development. Chemico-Biological Interactions, 168(1), 16–29. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000927970700108X
5. FDA. (2020). Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) Modeling. https://www.fda.gov/drugs/development-resources/physiologically-based-pharmacokinetic-pbpk-modeling