Tế bào sụn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm tế bào sụn

Tế bào sụn (chondrocyte) là loại tế bào biệt hóa chuyên biệt tồn tại bên trong mô sụn, đảm nhiệm vai trò tổng hợp và duy trì chất nền ngoại bào đặc trưng cho mô này. Đây là thành phần tế bào duy nhất có mặt trong sụn trưởng thành, cư trú bên trong các ổ gọi là lacunae và được bao quanh hoàn toàn bởi chất nền giàu collagen type II, aggrecan và các glycoprotein cấu trúc khác.

Tế bào sụn không phân chia khi đã trưởng thành và có hoạt tính chuyển hóa thấp. Tuy vậy, chúng vẫn liên tục điều chỉnh sự cân bằng giữa tổng hợp và phân giải protein trong chất nền nhằm duy trì độ đàn hồi, khả năng chịu lực và cấu trúc ổn định của sụn khớp. Tùy theo vị trí giải phẫu và loại mô sụn, đặc điểm cấu trúc và chức năng của chondrocyte có thể biến đổi.

Chondrocyte hình thành từ tế bào trung mô chưa biệt hóa qua một quá trình sinh học được kiểm soát chặt chẽ bởi các yếu tố tăng trưởng. Trong các mô sụn trưởng thành như sụn khớp hay sụn mũi, chondrocyte nằm rải rác hoặc theo nhóm nhỏ, thể hiện vai trò duy trì nền ngoại bào và phản ứng với áp lực cơ học.

Phân loại mô sụn và vai trò của tế bào sụn

Có ba loại mô sụn chính trong cơ thể con người, bao gồm sụn trong (hyaline cartilage), sụn chun (elastic cartilage), và sụn xơ (fibrocartilage). Mỗi loại có đặc điểm cấu trúc và chức năng riêng biệt, tương ứng với vị trí và vai trò sinh học khác nhau. Tế bào sụn là yếu tố tế bào duy nhất có mặt trong cả ba loại mô này, nhưng biểu hiện và sản phẩm tiết ra có sự thay đổi phù hợp với chức năng đặc thù của từng loại sụn.

Sụn trong là loại phổ biến nhất, chiếm phần lớn ở khớp xương, khí quản, và xương sườn. Trong sụn trong, chondrocyte tổng hợp chủ yếu collagen type II và aggrecan để hình thành nền ngoại bào đàn hồi và chịu lực. Sụn chun có thêm sợi elastin, được tìm thấy ở tai ngoài và nắp thanh quản, cho phép mô sụn biến dạng và hồi phục. Trong khi đó, sụn xơ chứa nhiều collagen type I và ít tế bào hơn, thường xuất hiện tại các vị trí cần chịu tải lớn như đĩa đệm và sụn khớp chậu.

Bảng dưới đây tóm tắt đặc điểm cơ bản của ba loại mô sụn:

Loại mô sụn	Thành phần sợi chính	Vị trí điển hình	Đặc điểm
Sụn trong	Collagen type II	Khớp, khí quản, xương sườn	Đàn hồi, chịu lực nén tốt
Sụn chun	Elastin và collagen	Tai ngoài, nắp thanh quản	Đàn hồi cao, biến dạng linh hoạt
Sụn xơ	Collagen type I	Đĩa đệm, sụn gối, gân	Chịu kéo tốt, ít tế bào

Thông tin chi tiết về phân loại mô sụn có thể xem tại NCBI Bookshelf.

Cấu trúc tế bào sụn

Chondrocyte có hình dạng tròn, bầu dục hoặc hơi dẹt tùy vào vị trí trong mô sụn. Tế bào có nhân lớn, màng nhân rõ, lưới nội chất hạt phát triển và bộ Golgi nổi bật, phù hợp với chức năng tổng hợp protein mạnh mẽ. Màng tế bào giàu thụ thể cảm nhận tín hiệu hóa học và cơ học từ môi trường ngoại bào.

Mỗi tế bào nằm trong một ổ gọi là lacuna, và thường không tiếp xúc trực tiếp với tế bào khác. Trong vùng tăng trưởng hoặc mô sụn trẻ, các tế bào có thể phân chia tạo thành nhóm gọi là cụm isogenic – là dấu hiệu của sự sinh trưởng mô. Chondrocyte trưởng thành thường có kích thước lớn hơn, hoạt tính thấp hơn và không phân chia.

Trong chất nền bao quanh, ngoài collagen type II và aggrecan, còn có các glycoprotein như decorin, fibronectin, tenascin-C. Tỷ lệ các thành phần này thay đổi tùy giai đoạn phát triển, tải cơ học, và yếu tố bệnh lý.

Quá trình biệt hóa và phát triển tế bào sụn

Tế bào sụn phát triển từ tế bào gốc trung mô (mesenchymal stem cells – MSCs) thông qua quá trình biệt hóa được điều khiển bởi các yếu tố tín hiệu sinh học. Yếu tố phiên mã SOX9 là thành phần trung tâm kích hoạt các gen đặc trưng của sụn như $COL2A1$ (collagen type II) và $ACAN$ (aggrecan). Biệt hóa chondrocyte diễn ra theo chuỗi giai đoạn: MSC → chondroprogenitor → chondroblast → chondrocyte trưởng thành.

Trong giai đoạn phát triển phôi và xương sụn hóa, chondrocyte còn có thể trải qua giai đoạn phì đại (hypertrophic chondrocyte), biểu hiện $COL10A1$, từ đó kích thích khoáng hóa và hình thành xương. Ở người trưởng thành, quá trình này chỉ diễn ra trong các vị trí đặc biệt như đĩa tăng trưởng (growth plate).

Danh sách các gen và yếu tố tín hiệu liên quan đến biệt hóa chondrocyte:

• SOX9: kích hoạt gen sụn, ức chế phì đại
• BMPs (Bone Morphogenetic Proteins): kích thích biệt hóa
• TGF-β (Transforming Growth Factor Beta): điều hòa tăng sinh

Chi tiết hơn có thể tham khảo tại Cell – Mechanisms of Chondrogenesis.

Chức năng sinh học của tế bào sụn

Tế bào sụn đóng vai trò trung tâm trong việc duy trì tính toàn vẹn và chức năng của mô sụn bằng cách điều hòa liên tục quá trình tổng hợp và phân hủy chất nền ngoại bào (extracellular matrix – ECM). Chondrocyte sản xuất các protein cấu trúc chính như collagen type II, aggrecan và các proteoglycan khác, cùng với enzyme kiểm soát phân giải ECM như matrix metalloproteinase (MMPs) và aggrecanase (ví dụ ADAMTS).

Sự cân bằng giữa tổng hợp và phân giải chất nền giúp mô sụn duy trì độ bền cơ học và độ đàn hồi trước các tác động cơ học lặp lại trong khớp. Tế bào sụn cũng tiết các cytokine và yếu tố tăng trưởng (như IGF-1, TGF-β) có tác dụng tự điều hòa và phản hồi với các kích thích sinh học. Dưới áp lực cơ học vừa phải, chondrocyte tăng tổng hợp ECM; ngược lại, nếu bị áp lực bất thường hoặc viêm, tế bào sẽ tăng tiết enzyme phân giải, gây suy thoái mô.

Các chức năng chính của tế bào sụn:

• Tổng hợp ECM: collagen II, proteoglycan, fibronectin
• Tiết enzyme phân giải ECM: MMP-1, MMP-13, ADAMTS-4/5
• Phản ứng với kích thích cơ học và hóa học
• Điều tiết vi môi trường nội mô sụn

Hệ vi môi trường và trao đổi chất

Tế bào sụn sống trong một hệ vi môi trường đặc biệt: mô sụn không có mạch máu, thần kinh hay bạch huyết. Do đó, trao đổi chất của chondrocyte phụ thuộc hoàn toàn vào khuếch tán từ dịch khớp (synovial fluid) qua ECM. Điều này khiến nồng độ oxy, glucose và pH bên trong mô sụn thấp hơn nhiều so với các mô khác – một đặc điểm thách thức sự sống còn và chức năng tế bào.

Về trao đổi năng lượng, tế bào sụn chủ yếu sử dụng đường phân yếm khí (anaerobic glycolysis) để tạo ATP, sản phẩm phụ là lactate thường tích tụ trong ECM và ảnh hưởng đến pH nội mô. Nồng độ lactate cao gây toan hóa mô, làm thay đổi biểu hiện gen và giảm tổng hợp ECM. Chondrocyte thích nghi bằng cách điều chỉnh biểu hiện các kênh vận chuyển như GLUT-1, MCT-4 để kiểm soát chuyển hóa.

Bảng so sánh điều kiện trao đổi chất giữa mô sụn và mô cơ:

Thông số	Mô sụn	Mô cơ
Oxy	1–5%	10–15%
Glucose	Thấp, không ổn định	Cao, được cấp máu trực tiếp
Cơ chế tạo ATP	Đường phân yếm khí	Hô hấp hiếu khí
Tốc độ trao đổi chất	Rất chậm	Cao

Chi tiết thêm về đặc điểm trao đổi chất của chondrocyte có thể tham khảo tại Nature Reviews Rheumatology.

Biến đổi bệnh lý và vai trò trong viêm khớp

Trong viêm xương khớp (osteoarthritis – OA), tế bào sụn mất khả năng duy trì cân bằng nội mô. Chúng thay đổi biểu hiện gen, giảm tổng hợp ECM và tăng sản xuất các enzyme phá hủy mô. Đồng thời, chondrocyte tiết nhiều cytokine tiền viêm như IL-1β, TNF-α, gây tổn thương tế bào lân cận và làm nặng thêm quá trình thoái hóa mô sụn.

Ở giai đoạn tiến triển, các tế bào sụn có thể trải qua quá trình lão hóa sớm, chết theo chương trình (apoptosis) hoặc chuyển sang trạng thái giống như phì đại – tương tự tế bào sụn trong đĩa tăng trưởng, biểu hiện $COL10A1$ và $MMP-13$. Những biến đổi này góp phần khoáng hóa bất thường mô sụn và hình thành gai xương (osteophyte).

Các yếu tố phân tử thường tăng cao trong viêm khớp:

• MMP-13: phân giải collagen type II
• ADAMTS-5: phân giải aggrecan
• NO, PGE2: gốc tự do và chất trung gian viêm

Ứng dụng trong y học tái tạo

Tế bào sụn được ứng dụng trong điều trị tổn thương khớp thông qua kỹ thuật cấy ghép chondrocyte tự thân (ACI – Autologous Chondrocyte Implantation). Phương pháp này gồm ba bước chính: lấy mô sụn nhỏ từ bệnh nhân, nuôi cấy tế bào chondrocyte trong phòng thí nghiệm, và cấy trở lại vùng tổn thương. Kỹ thuật ACI được áp dụng chủ yếu cho tổn thương sụn khớp gối khu trú, đặc biệt ở người trẻ, hoạt động cao.

Bên cạnh đó, mô học tái tạo (tissue engineering) đang phát triển các scaffold sinh học 3D như collagen, gelatin methacrylate, hoặc hydrogel có tích hợp yếu tố tăng trưởng để hỗ trợ chondrocyte duy trì trạng thái biệt hóa và tái tạo mô sụn chức năng. Tế bào gốc trung mô (MSCs) cũng được sử dụng như nguồn thay thế, với các kỹ thuật cảm ứng biệt hóa hướng sụn.

Chi tiết xem thêm tại PMC – Chondrocyte-based therapy.

Hướng nghiên cứu mới

Hiện nay, các hướng nghiên cứu tiên tiến tập trung vào sử dụng tế bào gốc cảm ứng đa năng (iPSCs) để biệt hóa thành chondrocyte, kết hợp với vật liệu scaffold thông minh có khả năng dẫn hướng và hỗ trợ tế bào phát triển. In sinh học 3D (3D bioprinting) là công nghệ được đánh giá tiềm năng cao trong tạo mô sụn nhân tạo có cấu trúc giống mô thật.

Một số chiến lược cải tiến đang được nghiên cứu:

• Sử dụng hệ dẫn tín hiệu kiểm soát phát biểu gen như microRNA, siRNA
• Tạo mô sụn từ iPSCs kết hợp chỉnh sửa gen (CRISPR/Cas9)
• Phát triển hệ scaffold phân hủy sinh học điều khiển được (responsive hydrogel)

Tích hợp mô hình mô sụn in 3D với tín hiệu cơ học và sinh học có thể tạo nên các nền tảng kiểm tra thuốc mới và mô cấy khớp nhân tạo trong lâm sàng. Nguồn tham khảo chi tiết: Frontiers in Bioengineering.