DMCA.com Protection Status

Thiết kế mô hình hàng rào máu não invitro  quan tâm

Được đăng bởi: Ẩn danh

Cập nhật lúc 21:16 ngày 28/12/2017

Để có được mô hình phù hợp, có thể là 3 chiều - 3D hoặc 2 chiều - 2D, phải trải qua thử nghiệm trên nhiều nguồn tế bào, nhiều loại tế bào và các điều kiện nuôi cấy khác nhau.

Não được bảo vệ bởi hàng rào máu não – blood brain barrier, chứa các tế bào như tế bào thần kinh đệm hình sao - astrocyte, tế bào ngoại mạch - pericyte, tế bào nội mô – endothelial cell nằm trên mao mạch não. Các tế bào này sản sinh ra các protein liên kết với nhau tạo thành một rào chắn điện trở cao, cùng với một loạt các protein vận chuyển và thụ thể protein giữ các phân tử trong máu không vào trong não. Hàng rào máu não có vai trò bảo vệ não và tủy sống khỏi nhiễm trùng, chất độc và viêm; nhưng đồng thời nó cũng ngăn chặn các chất điều trị đưa vào cơ thể đến các tế bào thần kinh bị tổn thương hoặc rối loạn, đây là một trở ngại trong điều trị chấn thương hay bệnh về não.

Nỗ lực đầu tiên trong việc tạo mô hình này là thử phân tách nguyên vẹn các mao mạch não, sau đó là đến tế bào nội mô động vật và nuôi cấy lớp đơn. Nuôi cấy lớp đơn (2D) như vậy vẫn còn được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong việc sàng lọc thuốc. Tuy nhiên, cần các mô hình mới phức tạp hơn để phản ánh tốt hơn vai trò sinh lý của nó. Một số dựa trên tế bào gốc của người, số khác lại kết hợp nhiều loại tế bào động vật khác nhau trong nhiều cách sắp xếp khác nhau. Mô hình vi lưu - Microfluidic model có cấu trúc 3D đang phổ biến như một hệ thống nghiên cứu chức năng của các loại tế bào hay các quá trình sinh học như di căn.

"Chúng ta chưa có được một mô hình tiêu chuẩn tượng trưng cho tất cả sự phức tạp của tế bào nội mô trong não hoạt động trong môi trường hiệu năng cao. Chúng ta có nhiều mô hình trong ống nghiệm tốt, nhưng chúng ta không có một mô hình phù hợp cho tất cả", theo Birger Brodin, giáo sư Dược học tại Đại học Copenhagen. Ông cũng cho biết thêm, nguồn tế bào, số lượng tế bào, và cách đồng nuôi cấy (coculture – trên hai loại tế bào cùng được nuôi chung trong một đĩa nuôi) nhiều loại tế bào khác nhau, cách chọn mô hình invitro lý tưởng cho nghiên cứu phụ thuộc vào các câu hỏi trên.

Có bao nhiêu loại tế bào và nguồn gốc của chúng là từ đâu?

Các tế bào nội mô phát triển trên lớp đơn sẽ hình thành các liên kết chặt tạo ra rào chắn điện trở cao, nhưng chúng có một nhược điểm lớn đó là các tế bào nội mô khi được phân tách dần dần sẽ mất đi chức năng rào chắn của mình khi không có sự hiện diện của các loại tế bào khác mà chúng thường tương tác.

Vào năm 2007, Mária Deli tại Viện hàn lâm Khoa học Hungary và cộng sự đã tìm thấy một mô hình giải phẫu hàng rào máu não chính xác bao gồm ít nhất ba loại tế bào. Trong đó, các tế bào nội mô và tế bào nội mạch chuột (giúp duy trì các mao mạch khắp cơ thể) được nuôi trên một màng thấm tạo nên một giếng nhỏ trong một giếng lớn hơn của đĩa nuôi cấy mô. Nhóm nghiên cứu cũng nuôi cấy astrocyte chuột- tế bào hỗ trợ chức năng và miễn dịch trong não trong giếng lớn.

Tế bào bao quanh: hình ảnh dưới kính confocal cho thấy các tế bào nội mô não người biệt hóa từ tế bào gốc trưởng thành xung quanh vòng thủy tinh để tạo thành các vi ống đường kính khác nhau nối với nhau bằng mối nối tế bào - tế bào (màu đỏ).

Dù nuôi cấy tế bào động vật có nhiều lợi ích, nhưng các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng tế bào người vẫn là thích hợp nhất để tìm hiểu sinh lý người. Ông Peter Searson, Đại học Johns Hopkins cho biết: "Việc thiếu nguồn cung cấp tế bào nội mô của người trong vài năm gần đây được nhận định là một trong những rào cản chính trong lĩnh vực này".

Đến năm 2012, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo tế bào nội mô não từ tế bào gốc người, phương pháp mà hiện giờ rất được quan tâm, đặc biệt là trong các mô hình vi lưu 3D nhằm mục đích nghiên cứu tổng quan hình thái và sinh học của các hàng rào máu não. Searson cho biết: Tiếp cận được các tế bào này là thuận lợi lớn, mặc dù các quy trình biệt hóa là "khó khăn, tốn thời gian và tiền bạc" và mất tới khoảng 10 ngày để hoàn thành. "Nhưng những lợi ích mang lại hoàn toàn xứng đáng mà tôi nghĩ rằng nó sẽ được sử dụng nhiều trong thời gian tới".

Mỗi loại tế bào có vai trò khác nhau. Astrocyte hiện nay đang được sử dụng trong các mô hình cảm ứng tế bào nội mô tăng sinh bằng các tín hiệu chưa được hiểu rõ. Pericyte tăng tính cản như điện trở và biểu hiện các bơm xuất màng ở mô hình chuột và người.

Lựa chọn một dạng hàng rào máu não

Các vi mạch và mao mạch trong cơ thể đều là hình ống là bằng chứng rõ ràng cho thấy cấu trúc này quan trọng đối với chức năng của hàng rào máu não. Searson nói: "Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là nắm được hình dạng 3D của các mạch máu trong não khi sử dụng tế bào nội mô, astrocyte và pericyte để mô phỏng tối thiểu một số khía cạnh chức năng của chúng".

Năm 2013, ông và các đồng nghiệp so sánh sự phát triển của tế bào nội môtrong nuôi cấy bề mặt phẳng so với khi nuôi thanhgiống mạch máu. Tế bào nội mô từ các mô sẽ phát triển dọc theo chiều dài của các thanh, còn tế bào nội mô biệt hóa từ tế bào gốc ngườithì phát triển xung quanh nó. Ông nói: "Chúng được lập trình để thích nghi với độ cong mà chúng tôi nghĩ rằng sẽ thúc đẩy khả năng hình thành các liên kết chặt với nhau". Tương tự, astrocyte có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện nuôi cấy. Trong năm 2015, Searson và cộng sự đã mô tả sự phát triển của astrocyte khi nuôi cấy trong ống trụ có hình giống như trong cơ thể.

Dòng chảy chất lỏng trong nuôi cấy vi lưu 3D mô phỏng lại áp lực kéo khi máu chảy qua các mạch, điều này làm cho các tế bào sản xuất nhiều protein hàng rào, giống như trong cơ thể.Anna Herland và cộng sự đã xây dựng mô hình vi lưu nuôi 3 loại tế bào và tiếp xúc với TNF- alpha (tumor necrosis factor α), một loại protein gây viêm thường gặp. Họ nhận thấy sự khác biệt rõ rệt về vai trò astrocyte và tế bào ngoại mạch trong việc đáp ứng viêm, sự khác biệt này không có ở mô hình nuôi cấy ổn định.

Mô hình vi lưu ba chiều rất hữu ích cho nghiên cứu hình ảnh giúp làm sáng tỏ các hoạt động của hàng rào máu não và vai trò của các loại tế bào. Tuy nhiên, các thiết bị trong nghiên cứu nuôi cấy vi lưu 3D có quy mô nhỏ, chi phí cao và đòi hỏi chuyên môn gây ra nhiều khó khăn. Đối với sàng lọc thuốc và ứng dụng khác, mô hình invitro phổ biến nhất là nuôi cấy tĩnh và sẽ tiếp tục là tiêu chuẩn vàng.

Chọn mô hình tốt nhất cho nghiên cứu

Mô hình 2D sử dụng màng thấm của giếng nhỏ bên trong một giếng lớn (hình mô hình đĩa đồng nuôi cấy). Tế bào nội mô phát triển trên màng này, rồi theo dõi các phân tử đi vào tế bào và vào trong giếng lớn. Trong đồng nuôi cấy, astrocyte được thêm vào phía dưới mặt tiếp xúc của màng, do đó chúng có thể tiếp xúc với các tế bào nội mô. Trong các mô hình không tiếp xúc, astrocyte được cấy tại các giếng lớn, và tế bào nội mô ở đáy giếng nhỏ.

Mô hình đĩa transwell- đĩa dùng trong đồng nuôi cấy

Để nghiên cứu một phân tử nhỏ khó chuyển hóa, mô hình này đặt astrocyte và tế bào nội mô tiếp xúc ở bên màng để tìm hiểu cơ chế các chất được vận chuyển qua hàng rào. Nhưng với các phân tử là dễ chuyển hóa - thường bởi astrocyte - Brodin đề xuất một mô hình không tiếp xúc, cho phép astrocyte và tế bào nội mô dễ dàng tách ra trong quá trình thí nghiệm bằng cách loại bỏ các tế bào nội mô chèn giữa màng ở giếng lớn hơn chứa astrocyte. Đối với các nghiên cứu tiền lâm sàng trên các tế bào động vật, một mô hình chuột với tất cả ba loại tế bào – tế bào nội mô và pericyte trên màng, astrocyte ở dưới cùng của giếng lớn là tốt nhất.

Mô hình một loại tế bào trong nuôi cấy tĩnh không yêu cầu chuyên môn đặc biệt nào ngoài kỹ thuật nuôi cấy tế bào. Tuy nhiên mô hình vi lưu thì phức tạp hơn. Hiện tại, chỉ có một mô hình vi lưu được bán sẵn, sản xuất bởi Alabama-based SynVivo. Nếu một thí nghiệm đòi hỏi mô hình hàng rào phức tạp, chẳng hạn như đồng nuôi cấy ba loại tế bào hoặc thiết bị vi lưu, tốt nhất nên liên hệ với các nơi chuyên về nó.

Mô hình vi lưu: hình ảnh confocal cho ảnh dọc và mặt cắt ngang của một con chip làm từ tế bào nội mô (màu hồng) được bao quanh bởi một loại gel có chứa astrocyte (xanh lá cây).

Tài liệu tham khảo:

Jyoti Madhusoodanan, "Designing In Vitro Models of the Blood-Brain Barrier", the scientist, September 1, 2016.

Lược dịch Lê Văn Trình- Lê Phạm Tiến Triều

Biên tập Biomedia Việt Nam