Tế bào gốc phôi người là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu và định nghĩa

Tế bào gốc phôi người (Human Embryonic Stem Cells – hESCs) là tế bào sinh ra từ khối phôi blastocyst ở giai đoạn 5–7 ngày sau thụ tinh, có khả năng tự làm mới (self-renewal) vô hạn định trong điều kiện nuôi cấy thích hợp và có tính đa năng (pluripotency) – nghĩa là có thể phân biệt thành hầu hết mọi loại tế bào trong cơ thể người.

Khả năng tự làm mới cho phép hESCs nhân lên với số lượng lớn mà không biệt hóa, trong khi tính đa năng thể hiện qua khả năng hình thành ba lá mầm (endoderm, mesoderm, ectoderm) và sinh ra các dòng tế bào chức năng như thần kinh, cơ tim, tế bào tụy sản xuất insulin, tế bào gan, tế bào máu, v.v.

Do tính chất đa năng và khả năng nhân lên không giới hạn, hESCs là công cụ nghiên cứu quý giá trong sinh học phát triển, mô hình bệnh lý, thử nghiệm độc tính dược phẩm và tiềm năng điều trị tái tạo mô. Tuy nhiên, nguồn gốc phôi của chúng đặt ra nhiều vấn đề đạo đức và pháp lý cần tuân thủ chặt chẽ.

Nguồn gốc và phân lập

hESCs được thu thập từ khối phôi thừa sau quy trình thụ tinh trong ống nghiệm (IVF), với sự đồng ý rõ ràng của cặp vợ chồng hiến phôi. Phôi ở giai đoạn blastocyst được nuôi cấy thêm 5–7 ngày để hình thành khối tế bào nội bì phôi (inner cell mass – ICM).

Phân lập tế bào nội bì phôi có thể thực hiện bằng cách bóc tách vi mô (microdissection) dưới kính hiển vi hoặc dùng tia laser để loại bỏ lớp tế bào nuôi cấy bên ngoài (trophectoderm). Sau đó, ICM được chuyển lên lớp nuôi cấy hỗ trợ (feeder layer) hoặc nền nhân tạo để phát triển thành dòng hESC ổn định.

Có hai phương pháp phổ biến:

• Feeder-dependent: Sử dụng tế bào chuột 3T3 đã chết (mitotically inactivated) làm lớp nền, cung cấp yếu tố tăng trưởng (FGF2, LIF) và ma trận ngoại bào.
• Feeder-free: Dùng nền poly-L-ornithine, Matrigel hay các peptide tổng hợp kết hợp với môi trường định dạng sẵn (mTeSR1, Essential 8) để hạn chế nhiễm động vật và dễ chuẩn hóa.

Đặc tính sinh học và pluripotency

hESCs biểu hiện các marker đặc hiệu pluripotency như OCT4, SOX2, NANOG, SSEA-3, SSEA-4, TRA-1-60 và TRA-1-81. Sự biểu hiện đồng thời của các yếu tố này được xác định bằng miễn dịch phát huỳnh quang hoặc RT-PCR định lượng.

Tính đa năng của hESCs được kiểm chứng bằng khả năng hình thành teratoma chứa ba lá mầm khi tiêm tế bào vào chuột miễn dịch suy giảm (NOD/SCID mouse). Teratoma này bao gồm mô ngoại bì (da, cột sống), mô trung bì (cơ, xương, mạch máu) và mô nội bì (biểu mô đường tiêu hóa, phế nang).

Trong điều kiện in vitro, hESCs có thể được kích thích phân biệt theo ba hướng:

• Nội bì: tế bào gan, tế bào biểu mô ruột, tế bào phế nang.
• Trung bì: tế bào cơ tim, tế bào tạo máu, tế bào cơ xương.
• Ngoại bì: tế bào thần kinh, tế bào da, tế bào võng mạc.

Bảo tồn và nuôi cấy

Môi trường nuôi cấy hESCs cần chứa các yếu tố hỗ trợ tăng sinh và ngăn chặn apoptosis: FGF2 (bFGF), TGF-β1 (hoặc Activin A), insulin-transferrin-selenium (ITS) và kháng sinh/kháng nấm. Thành phần môi trường phải thay đổi định kỳ sau mỗi 24–48 giờ.

Thực hành nuôi cấy:

1. Passaging bằng TrypLE hoặc Dispase để tách tế bào, tránh quá mức enzyme gây tổn thương bề mặt tế bào.
2. Clump passaging: tách theo khối nhỏ (~50–100 tế bào) giữ kết nối thượng bì đáy, bảo vệ tính nguyên vẹn của cộng đồng tế bào.
3. Định kỳ kiểm tra pluripotency và nhiễm sắc thể: hESCs nên được đánh giá marker pluripotency sau mỗi 10–15 passage và kiểm tra bộ nhiễm sắc thể (karyotype) để phát hiện đột biến hoặc mất đoạn.

Yếu tố	Vai trò	Nồng độ
FGF2 (bFGF)	Kích thích tăng sinh, duy trì pluripotency	10–20 ng/mL
TGF-β1 / Activin A	Ổn định biểu hiện NANOG, SOX2	2–5 ng/mL
ITS	Cung cấp chất dinh dưỡng vi lượng	1×

Con đường tín hiệu điều hòa

Đường tín hiệu WNT/β-catenin đóng vai trò then chốt trong duy trì trạng thái pluripotency và quyết định hướng phân biệt. Khi ligand WNT gắn vào receptor Frizzled, phức hợp β-catenin tích tụ trong bào tương, chuyển vào nhân và kích hoạt biểu hiện gen pluripotency như OCT4 và NANOG. Ứng dụng ức chế GSK3β (ví dụ CHIR99021) giúp tăng cường tín hiệu WNT, cải thiện hiệu quả duy trì hESCs trong môi trường không có feeder.

Đường tín hiệu TGF-β/SMAD điều khiển cân bằng giữa tự làm mới và phân biệt. Yếu tố Activin A hoặc TGF-β1 gắn vào receptor type II, kích hoạt SMAD2/3, liên kết với SMAD4 rồi di chuyển vào nhân, duy trì biểu hiện pluripotency. Đồng thời, ức chế BMP/SMAD1/5/8 ngăn chặn phân biệt ngoại bì sớm, giữ hESCs ở trạng thái trung tính (ground state).

Đường tín hiệu FGF/ERK (MAPK) kích thích tăng sinh và ngăn chặn apoptosis. FGF2 gắn FGFR, kích hoạt cascade RAS–RAF–MEK–ERK, thúc đẩy phân bào. Tuy nhiên, tín hiệu ERK quá mức có thể thúc đẩy phân biệt; sử dụng chất ức chế MEK (PD0325901) kết hợp với CHIR99021 tạo “2i” environment, ổn định trạng thái naïve pluripotency tương tự tế bào gốc chuột.

Ứng dụng nghiên cứu và y sinh

hESCs được sử dụng làm mô hình in vitro tái hiện bệnh lý di truyền và bệnh mắc phải. Ví dụ, hESCs chuyển gen gây bệnh Timothy syndrome dùng để nghiên cứu rối loạn điện tim; hESCs mang đột biến trong gen CFTR tái tạo biểu mô phế quản bệnh xơ nang, hỗ trợ thử nghiệm thuốc điều chỉnh chức năng kênh chloride.

Trong dược lý học, hESCs cung cấp nguồn tế bào người thuần chủng để sàng lọc độc tính và hiệu quả thuốc trước khi thử nghiệm lâm sàng. Mạng lưới tế bào thần kinh từ hESCs được sử dụng để đánh giá tác dụng dược lý của hợp chất điều trị Alzheimer, giảm lệ thuộc vào mô hình động vật.

Ứng dụng lâm sàng hướng tới tái tạo mô và điều trị tái sinh: tế bào nguyên bào cơ tim từ hESCs giúp cải thiện chức năng thất sau nhồi máu cơ tim; tế bào β tụy biệt hóa từ hESCs đã bước vào thử nghiệm lâm sàng giai đoạn I/II điều trị đái tháo đường type 1 (ClinicalTrials.gov).

Vấn đề đạo đức và quy định

Việc thu hESCs từ phôi người đặt ra quan ngại về quyền lợi phôi và đạo đức. Nhiều quốc gia giới hạn nuôi phôi tối đa 14 ngày sau thụ tinh, yêu cầu phôi được hiến với sự đồng ý rõ ràng của cặp đôi IVF (HFEA 14-day rule). Các hướng dẫn ISSCR 2021 khuyến cáo minh bạch nghiên cứu, tách biệt quy trình hiến phôi và nghiên cứu, đồng thời thành lập ủy ban đạo đức giám sát.

Ở Hoa Kỳ, chính sách “Dickey–Wicker Amendment” cấm sử dụng quỹ liên bang cho việc tạo hoặc phá hủy phôi để nghiên cứu; tuy nhiên, nghiên cứu được hỗ trợ bằng quỹ tư nhân hoặc tiểu bang vẫn có thể tiến hành. Ở EU, một số nước như Pháp, Đức hạn chế nghiêm ngặt, trong khi Anh và Thụy Điển có khung pháp lý tương đối cởi mở.

Thách thức và giới hạn

Nguy cơ hình thành u bướu (teratoma) sau cấy ghép là vấn đề an toàn lớn. Dù hESCs có khả năng biệt hóa, tế bào chưa phân biệt hoàn toàn có thể tạo teratoma; do đó, cần phương pháp tách chọn tế bào đã biệt hóa (cell sorting) và kiểm tra marker di truyền trước cấy ghép.

Di truyền không ổn định sau nhiều passage: hESCs dễ gặp đột biến nhiễm sắc thể như trisomy 12, 17 hoặc mất đoạn tại locus pluripotency, ảnh hưởng đến tính năng và an toàn. Kiểm tra karyotype định kỳ và sử dụng nền tảng nuôi cấy feeder-free, xeno-free để giảm áp lực chọn lọc gen bất lợi.

Hiệu suất phân biệt có kiểm soát vào dòng tế bào cụ thể còn thấp và không đồng nhất. Nghiên cứu tối ưu hóa cocktail cytokine, chất ức chế tín hiệu và kỹ thuật ba chiều (3D culture, organoid) nhằm tái tạo mô phức tạp và tăng tính chức năng của tế bào biệt hóa.

Hướng nghiên cứu tương lai

Phát triển nền tảng nuôi cấy 3D organoid từ hESCs cho phép tái tạo cấu trúc mô và tương tác tế bào – vi mạch phức tạp. Mô hình não organoid và tim organoid từ hESCs đang được sử dụng để nghiên cứu cơ chế bệnh lý Alzheimer và loạn nhịp tim bẩm sinh.

Công nghệ tế bào gốc cảm ứng iPSC (induced pluripotent stem cells) giúp lấy tế bào từ bệnh nhân trưởng thành, giảm phụ thuộc vào phôi. Kết hợp CRISPR/Cas9 cho phép hiệu chỉnh gen chính xác, tạo bộ đôi so sánh giữa hESCs wild-type và đột biến trong cùng môi trường, hỗ trợ phân tích nguyên nhân di truyền.

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) trong phân tích dữ liệu transcriptome, proteome và epigenome của hESCs để dự đoán điều kiện nuôi cấy tối ưu và hướng biệt hóa, rút ngắn thời gian phát triển phác đồ nhân giống và phân biệt.

Tài liệu tham khảo

1. Thomson JA et al., “Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts,” Science, vol. 282, pp. 1145–1147, 1998.
2. Takahashi K, Yamanaka S., “Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors,” Cell, vol. 126, pp. 663–676, 2006.
3. International Society for Stem Cell Research, “ISSCR Guidelines for Stem Cell Research,” 2021, ISSCR.
4. Human Fertilisation and Embryology Authority, “The 14-day rule,” 2022, HFEA.
5. National Institutes of Health, “Stem Cell Basics,” 2024, NIH.
6. ClinicalTrials.gov, “Study of hESC-derived pancreatic cells in T1D,” NCT02239354.
7. Chen G et al., “Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture,” Nat Methods, vol. 8, pp. 424–429, 2011.