Góc nhìn cận cảnh về tế bào gốc phôi (ESCs): Khái niệm sinh học

Bài viết đã có sự tham vấn chuyên môn bởi Tiến sĩ Trịnh Như Thùy – Giám đốc Ngân hàng Mô – Tế bào gốc – Bệnh viện Quốc tế DNA.

Tế bào gốc phôi (Embryonic stem cells, ESCs) có nguồn gốc từ phôi ở giai đoạn tiền làm tổ, thường là từ khối tế bào bên trong (ICM – inner cell mass) của phôi giai đoạn phôi nang. Tìm hiểu chi tiết về tế bào gốc phôi qua bài viết dưới đây!

Mục lục

Tế bào gốc phôi (ESCs) và định nghĩa ngắn gọn

Trong quá trình phát triển phôi sớm, các tế bào này vẫn chưa biệt hóa và có khả năng biệt hóa thành hầu hết các loại mô trong cơ thể (Hình 1). ESCs có hai đặc điểm quan trọng: Khả năng tự làm mới và tính vạn năng, cả hai đặc điểm này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng in vitro [1].

Hình 1. Cấu trúc phân cấp của tế bào gốc. Hợp tử và các giai đoạn phân chia tế bào sớm đến giai đoạn phôi dâu được xác định là có tính toàn năng, vì chúng có khả năng tạo ra một cơ thể sống hoàn chỉnh. Ở giai đoạn phôi nang, chỉ các tế bào thuộc khối tế bào bên trong (ICM) vẫn giữ khả năng phát triển thành cả ba lớp mầm chính: nội bì, trung bì và ngoại bì, cũng như các tế bào mầm nguyên thủy (PGC – primordial germ cells), là những tế bào tiền thân của giao tử nam và nữ. Trong các mô trưởng thành, tế bào gốc đa năng và tế bào tiền thân tồn tại trong các mô và cơ quan để thay thế các tế bào đã mất hoặc bị tổn thương. Hiện tại, chưa rõ các tế bào gốc trưởng thành có thể phát triển (chuyển biệt hóa – transdifferentiate) thành tế bào thuộc các dòng khác hay không, hoặc các yếu tố nào có thể tăng cường khả năng biệt hóa của chúng (các đường nét đứt trong hình minh họa). Tế bào gốc phôi, được tách từ khối tế bào bên trong (ICM), có khả năng phát triển thành các dòng tế bào soma khác nhau trong cơ thể cũng như thành giao tử nam và nữ thông qua biệt hóa in vitro [2].

Lịch sử ngắn gọn về tế bào gốc phôi (ESCs)

Tế bào gốc phôi (ESC) đầu tiên được phân lập từ khối tế bào bên trong của phôi nang chuột hơn 40 năm trước [3]. Những tế bào này có tính vạn năng và được gọi là tế bào gốc phôi nang. Từ đó, ESCs đã được phân lập từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như từ ICM của phôi trước khi làm tổ và cả ở các động vật có vú khác, bao gồm cừu (năm 1987), thỏ (năm 1993), gia súc (năm 1994), lợn (năm 1995), con người (năm 1998), và chuột cống (năm 2008).

ESCs cũng được chiết xuất thành công từ các giai đoạn khác nhau của phôi người (như phôi nang, phôi giai đoạn phôi dâu, phôi nang bị ngừng phát triển, và giai đoạn phân chia tế bào sớm). Ngoài ra, ESCs còn được phân lập từ phôi nhân bản từ tế bào soma người (SCNT), được gọi là tế bào gốc phôi người được chuyển nhân (NT-ESCs) [4].

Đặc điểm của tế bào gốc phôi (ESCs)

ESCs sở hữu một số đặc điểm đặc biệt, giúp chúng trở thành công cụ độc đáo cho các ứng dụng như:

Nghiên cứu cơ chế bệnh lý cơ bản
Mô phỏng sự phát triển của tế bào và thậm chí là cơ quan in vitro
Sàng lọc hợp chất để phát triển thuốc
Và cuối cùng, liệu pháp thay thế tế bào.

ESCs dễ dàng nhân lên và có khả năng biệt hóa thành bất kỳ loại tế bào trưởng thành nào trong cơ thể.

Trong những năm sau khi ESCs được phân lập, các phương pháp khác nhau đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu cụ thể của chúng và cải thiện kỹ thuật nuôi cấy. Nếu môi trường nuôi cấy không được xác định rõ hoặc không phù hợp, sự biệt hóa tự phát và giảm tính tái lập thí nghiệm sẽ xảy ra.

Trước đây, người ta cho rằng việc ức chế tín hiệu MEK/ERK và glycogen synthase kinase-3 (GSK3), kết hợp với kích hoạt Stat3 bằng yếu tố Leukemia Induced Factor (LIF), đủ để duy trì trạng thái vạn năng của ESCs [6]. Tuy nhiên, phương pháp hiện đại hơn là nuôi cấy tế bào với yếu tố tăng trưởng sợi cơ bản (bFGF), một yếu tố liên kết heparin, được chứng minh có hiệu quả tốt hơn trong việc duy trì ESCs người (hESCs) tự làm mới [5].

Các thành phần cần thiết để duy trì đặc tính tế bào gốc bao gồm:

Tế bào nuôi, môi trường điều hòa hoặc cytokine (ví dụ: TGF, WNT3A),
Huyết thanh albumin người (HSA) hoặc chất thay thế huyết thanh,
Chất nền như matrigel, fibronectin, hoặc laminin.

Để giảm bớt hậu quả của ghép dị loài trong nuôi cấy tế bào gốc (như hình thành protein độc hại, nguy cơ nhiễm mầm bệnh từ động vật và các biến chứng trong nghiên cứu phát triển), các dòng ESCs người (hESCs) được nuôi cấy trong môi trường xác định không chứa sản phẩm động vật đã được áp dụng và đạt kết quả tốt hơn [7].

Ứng dụng của tế bào gốc phôi (ESCs)

ESCs có tiềm năng ứng dụng trong điều trị:

Bệnh tim mạch;
Bệnh thần kinh;
Bệnh đái tháo đường;
Bệnh về mắt…

Trước khi áp dụng lâm sàng, cần lưu ý rằng tế bào gốc phôi người (hESC) thường không được sử dụng ở dạng tế bào gốc chưa biệt hóa do nguy cơ hình thành khối u, chẳng hạn như u quái. Thay vào đó, các hESC thường được biệt hóa thành các tế bào tiền thân hoặc tế bào chức năng như tế bào sản xuất insulin, tế bào tiền thân cơ tim,….hoặc thu nhận các sản phẩm tiết ra từ môi trường nuôi cấy của chúng, chẳng hạn như các yếu tố tăng trưởng, cytokine, hoặc exosomes. Điều này nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả khi triển khai trong các liệu pháp điều trị.

Bệnh tim mạch

Trong lĩnh vực điều trị suy tim, ứng dụng sáng tạo của tế bào gốc phôi người (hESC) mang lại một phương pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các liệu pháp thông thường.

Mã số thử nghiệm

Địa điểm

Nội dung

Kết quả

ESCORT (NCT02057900)

Pháp (2018)

– Sử dụng tế bào tiền thân tim từ hESC, gắn trên miếng vá fibrin.

– Áp dụng trong phẫu thuật bắc cầu động mạch vành cho bệnh nhân suy chức năng thất trái thiếu máu nghiêm trọng.

– Chứng minh được tính khả thi và an toàn.

– Cải thiện triệu chứng, nhưng có hiện tượng dị ứng miễn dịch âm thầm.

HECTOR (NCT05068674)

Hoa Kỳ (2022)

– Sử dụng tế bào cơ tim từ hESC để cải thiện chức năng tim ở bệnh nhân suy thất trái mạn tính sau nhồi máu cơ tim.

– Giai đoạn 1: Đánh giá an toàn và liều tối đa dung nạp được (MTD).

– Đang thực hiện.

– Kỳ vọng xác định liều phù hợp và chuẩn bị cho giai đoạn 2 ngẫu nhiên, mù đôi, có đối chứng.

Bệnh thần kinh

Các bệnh lý thần kinh như Parkinson (PD), xơ cứng teo cơ một bên (ALS), chấn thương tủy sống (SCI), và đột quỵ thiếu máu cục bộ mạn tính luôn là thách thức lớn do tính phức tạp và tổn thương thường không thể phục hồi của hệ thần kinh.

Việc ứng dụng tế bào gốc phôi người (hESC) trong điều trị đã mở ra triển vọng mới, nhờ khả năng biệt hóa thành các loại tế bào thần kinh khác nhau và phục hồi chức năng tại vùng tổn thương. Các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng trong lĩnh vực này đang tạo nền tảng quan trọng cho các bước tiến đột phá, với nhiều kết quả khả quan về tính an toàn và hiệu quả ban đầu.

Mã số thử nghiệm	Bệnh lý	Nội dung	Kết quả
NCT01217008 (2009, 2011)	Chấn thương tủy sống (SCI)	– Sử dụng tế bào tiền thân oligodendrocyte (LCTOPC1), tiêm trong nhu mô.	– Theo dõi 10 năm cho thấy 80% bệnh nhân có sự hình thành mô tại vị trí tổn thương và không có tác dụng phụ nghiêm trọng.
NCT02302157 (2022)	Chấn thương tủy sống (SCI)	– Tiêm liều LCTOPC1 (2, 10, hoặc 20 triệu tế bào) cho 25 bệnh nhân với chấn thương tủy C4-C7.	– 96% bệnh nhân cải thiện 1 mức chức năng thần kinh, 32% cải thiện 2 mức trở lên.
NCT04802733 (2021)	Parkinson (PD)	– Sử dụng MSK-DA01 – một tế bào thần kinh dopamine não giữa có nguồn gốc từ hESC	– Tiền lâm sàng cho thấy cải thiện hành vi ở chuột và an toàn. Đang thử nghiệm giai đoạn 1.
NCT03482050 (2023)	Xơ cứng teo cơ một bên (ALS)	– AstroRx®, một liệu pháp tế bào mới có nguồn gốc từ hESC được sử dụng dưới dạng tiêm nội tủy một lần. Thử nghiệm trên 2 nhóm bệnh nhân – một nhóm liều thấp và một nhóm liều cao (mỗi nhóm 5 bệnh nhân).	– Hiệu quả lâm sàng rõ rệt trong 3 tháng ở nhóm bệnh tiến triển nhanh.
NCT04631406 (2023)	Đột quỵ thiếu máu cục bộ	– Sử dụng NR1- tế bào gốc thần kinh có nguồn gốc từ hESC, tiêm tế bào gốc thần kinh cho 6 bệnh nhân đột quỵ mãn tính.	– Tăng điểm vận động Mugl-Meyer, tín hiệu Flair thoáng qua cải thiện trong vòng 2 tháng, đi kèm hồi phục thần kinh.

Bệnh đái tháo đường

Đái tháo đường típ 1 (T1DM) là bệnh tự miễn mãn tính thường khởi phát từ thời thơ ấu hoặc thanh thiếu niên, do sự phá hủy các tế bào beta sản xuất insulin trong tuyến tụy. Liệu pháp tế bào gốc phôi người (hESC) trong điều trị T1DM đang được nghiên cứu với hai chiến lược chính: thay thế tế bào beta bị mất và điều hòa miễn dịch để bảo vệ các tế bào beta còn lại.

Các nghiên cứu lâm sàng sử dụng hESC đã đạt được một số kết quả khả quan, tạo ra được các sản phẩm mục tiêu, mở ra hy vọng cho một hướng tiếp cận hiệu quả và lâu dài trong điều trị T1DM.

Mã số thử nghiệm (NCT)	Mục tiêu	Kết quả/Nhận xét
NCT02239354, NCT04678557, NCT02939118	Tạo ra sản phẩm thay thế tế bào beta, không cần dùng thuốc ức chế miễn dịch.	Sản phẩm bị phá hủy do phản ứng miễn dịch từ cơ thể chủ, dẫn đến kết thúc thử nghiệm.
NCT03163511 (2018)	Thúc đẩy mạch máu hóa và tăng hiệu quả miễn dịch.	63% bệnh nhân cấy ghép thành công và giải phóng insulin, 35.3% có mức C-peptide dương tính sau 6 tháng. Một số sự cố do phẫu thuật hoặc tác dụng phụ của liệu pháp ức chế miễn dịch.
Đang chờ mã thử nghiệm	Tăng cường khả năng sống sót của tế bào gốc khi cấy ghép vào cơ thể.	Chưa công bố kết quả chi tiết, nhưng sản phẩm này được kỳ vọng sẽ giải quyết vấn đề thải ghép trong điều trị T1DM.
NCT04786262 (2023)	Sử dụng tế bào đảo tụy phân hóa hoàn toàn từ hESC.	Phân tích dữ liệu sơ bộ cho thấy hai bệnh nhân đầu tiên đã phục hồi sản xuất insulin thành công.

Bệnh về mắt

Nghiên cứu sử dụng tế bào gốc phôi người trong điều trị các bệnh lý mắt, đặc biệt là thoái hóa hoàng điểm do tuổi tác (AMD) khô và bệnh thoái hóa điểm vàng Stargardt (SMD), đã chứng minh tính an toàn và tiềm năng ứng dụng. Tuy nhiên, việc cải thiện thị lực và duy trì hiệu quả lâu dài vẫn còn là một thách thức, đòi hỏi các chiến lược cải tiến trong chọn lọc bệnh nhân, công nghệ cấy ghép, và kiểm soát miễn dịch.

Mã số thử nghiệm (NCT)	Bệnh lý	Sản phẩm/Phương pháp	Kết quả/Nhận xét
NCT01344993, NCT01674829, NCT02122159	AMD khô, SMD	MA09-hRPE ( Biểu mô sắc tố võng mạc (RPE) từ hESC dòng MA09)	Không ghi nhận sự cố tăng sinh hoặc thải ghép. Cải thiện thị lực tốt nhất có thể (BCVA) ở 10 mắt; chất lượng sống liên quan đến thị lực được nâng cao.
NCT02590692 (2021)	AMD khô	CPCB-RPE1 (một lớp đơn phân cực RPE trên màng parylene tổng hợp)	An toàn và dung nạp tốt trên bệnh nhân bị mù hợp pháp. Tuy nhiên, các yếu tố như lão hóa màng Bruch và sẹo dưới võng mạc vẫn là thách thức lớn.
NCT02749734 (2021)	SMD	Q-CTS-hESC-2 (RPE từ hESC)	Theo dõi 5 năm trên 7 bệnh nhân: không có phản ứng phụ nghiêm trọng, cải thiện thị lực tạm thời ở một số bệnh nhân, nhưng hai người vẫn bị giảm thị lực dài hạn.
NCT01625559 (2021)	SMD	RPE từ hESC (nghiên cứu tại Hàn Quốc)	Nghiên cứu 3 năm trên bệnh nhân châu Á: không có biến cố nghiêm trọng, BCVA ổn định hoặc cải thiện ở một số bệnh nhân.
NCT03963154 (2023)	Viêm võng mạc sắc tố (RP)	RPE từ hESC	Phân tích sơ bộ trên 7 bệnh nhân: không ghi nhận biến cố bất lợi. Cần thêm nghiên cứu để cải thiện hiệu quả và phương pháp điều trị.

Nhìn chung, những tiến bộ gần đây trong sinh học hESCs người đã thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực kỹ thuật dựa trên tế bào gốc. Tuy nhiên, cần giải quyết các vấn đề về an toàn trước khi ứng dụng rộng rãi. Một trong những thách thức lớn nhất khi sử dụng ESCs là mỗi dòng tế bào gốc phôi được phân lập từ phôi nang tiền làm tổ. Do đó, quy trình này là thách thức về mặt đạo đức và thậm chí bị cấm ở một số quốc gia.

Nguồn tham khảo

Boheler, K.R., et al., Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes. Circ Res, 2002. 91(3): p. 189-201.
Wobus, A.M. and K.R. Boheler, Embryonic stem cells: prospects for developmental biology and cell therapy. Physiological reviews, 2005. 85(2): p. 635-678.
Evans, M.J. and M.H. Kaufman, Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature, 1981. 292(5819): p. 154-6.
Thomson, J.A., et al., Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science, 1998. 282(5391): p. 1145-7.
Xu, R.H., et al., BMP4 initiates human embryonic stem cell differentiation to trophoblast. Nat Biotechnol, 2002. 20(12): p. 1261-4.
Ying, Q.L., et al., The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature, 2008. 453(7194): p. 519-23.
Rajala, K., et al., Testing of nine different xeno-free culture media for human embryonic stem cell cultures. Hum Reprod, 2007. 22(5): p. 1231-8.
Gotkine, M., et al., Safety and efficacy of first-in-man intrathecal injection of human astrocytes (AstroRx®) in ALS patients: phase I/IIa clinical trial results. Journal of translational medicine, 2023. 21(1): p. 122.
Steinberg, G.K., et al., First-in-human phase 1/2a study of intracerebral transplantation using embryonic-derived neural stem cells (NR1) for chronic ischemic stroke. Stroke, 2023. 54(Suppl_1): p. A147-A147.
Monville, C., et al., Phase I/II open-label study of implantation into one eye of hESC-derived RPE in patients with retinitis pigmentosa due to monogenic mutation: first safety results. Investigative Ophthalmology & Visual Science, 2023. 64(8): p. 3829-3829.
Park, S.J., et al., Advancements in Human Embryonic Stem Cell Research: Clinical Applications and Ethical Issues. Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2024. 21(3): p. 379-394.