Mô hình hoá bệnh ti thể trên tế bào gốc vạn năng của người

Ti thể là một loại bào quan phức tạp chứa các con đường thiết yếu liên quan đến chuyển hóa năng lượng, cân bằng nội môi ion, truyền tín hiệu và quá trình apoptosis. Với hơn 330 gen bệnh ti thể khác nhau được xác định, việc mô hình hóa tất cả các gen và đột biến riêng biệt liên quan đến bệnh ti thể là vô cùng cần thiết. Cho đến nay, mặc dù có một số lựa chọn điều trị đầy hứa hẹn, nhưng vẫn không có phương pháp điều trị nào được xác nhận về mặt lâm sàng đối với các bệnh về ty thể. Với sự thiếu hụt của các mô hình có thể áp dụng các phương pháp tiếp cận lâm sàng, các mô hình tế bào gốc đa năng ở người (hPSC) về bệnh ti thể cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn như một nền tảng khám phá thuốc.

Không chỉ đơn thuần là “nhà máy năng lượng của tế bào”, ti thể còn xử lý các quá trình sinh hóa cực kỳ quan trọng bao gồm tín hiệu tế bào, quá trình apoptosis, cân bằng nội môi canxi…Các bệnh về ti thể làm gián đoạn quá trình sản xuất năng lượng của tế bào và là một trong những nhóm rối loạn di truyền phức tạp nhất, chúng không đồng nhất về mặt lâm sàng và di truyền, thường ảnh hưởng đến các loại tế bào có nhu cầu năng lượng cao ở não, tim và thận. Các bệnh về ti thể được phân loại là các rối loạn sản sinh năng lượng ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến việc sản xuất ATP thông qua hệ thống phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS). Các bệnh liên quan đến ti thể có thể là kết quả của các đột biến trong DNA ở nhân tế bào (nDNA) hoặc DNA ở ti thể (mtDNA). Ngoài ra, kiểu hình của bệnh không đồng nhất và đặc trưng theo từng mô, gây khó khăn cho việc chẩn đoán và nghiên cứu. Việc mô hình hóa các rối loạn này là một thách thức vì nhiều mô hình bệnh ti thể trên động vật không tương đồng hoàn toàn với kiểu hình ở người cho các gen bệnh đã biết. Ngoài ra, việc tiếp cận với các loại tế bào hoặc mô liên quan đến bệnh từ bệnh nhân thường bị hạn chế. Để khắc phục những khó khăn này, nhiều nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng tế bào gốc vạn năng của người (hPSC) để tạo mô hình bệnh ti thể cho cả nDNA và mtDNA. Tận dụng khả năng của hPSC để biệt hoá thành các loại tế bào có liên quan về mặt lâm sàng, các mô hình này cho phép nghiên cứu chi tiết về các cơ chế gây bệnh và xây dựng phác đồ điều trị đầy hứa hẹn.

Tế bào gốc vạn năng có khả năng tạo ra các tế bào từ cả ba lớp mầm và tự làm mới vô thời hạn (Hình 1). Tế bào gốc vạn năng của người (hPSC) có thể được tạo ra từ khối tế bào bên trong của phôi nang, được gọi là tế bào gốc phôi người (hESC), hoặc bằng cách tái lập trình các tế bào soma, thường là nguyên bào sợi hoặc tế bào đơn nhân máu ngoại vi (PBMC), để tạo ra các tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPSC). Cả hai dạng hPSC đều có khả năng tự đổi mới vô thời hạn và có thể biệt hóa thành ba lớp mầm sơ cấp. Chính khả năng biệt hoá này làm cho hPSC phù hợp để mô hình hóa vô số hệ thống bị ảnh hưởng bởi các bệnh liên quan đến ti thể.

Mô hình hPSC đối với các bệnh ti thể có thể được tạo ra bằng cách tái lập trình các tế bào soma thành iPSC và sử dụng các phương pháp tiếp cận chỉnh sửa gen (ví dụ, CRISPR-Cas9).

Việc tái lập trình các tế bào soma để tạo thành iPSC có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các công nghệ: véc-tơ virus tích hợp như retrovirus và lentivirus, virus không tích hợp như virus Sendai, vectơ từng đoạn và ARN biến đổi (modRNA).

Việc chỉnh sửa gen bằng CRISPR-Cas9 có thể được thực hiện sau khi tái lập trình, thực hiện đồng thời hoặc trước khi tái lập trình hay thực hiện trên hPSC để tạo ra các dòng đột biến. Rất nhiều nghiên cứu đã tiết lộ rằng hệ thống CRISPR-Cas9 có thể được sử dụng để lập trình lại các tế bào soma thành iPSC và sửa đổi các tế bào vạn năng về mặt di truyền. Tế bào soma được phân lập từ một bệnh nhân mang đột biến được lập trình lại thành iPSC bằng cách chuyển gen thông qua vectơ virus hoặc các dạng vectơ khác. Các iPSC sau đó được biến đổi gen để sửa chữa đột biến bằng công nghệ CRISPR-Cas9. Các iPSC đã hiệu chỉnh được tăng sinh và cảm ứng biệt hóa thành các tế bào đích. Cuối cùng, các tế bào được truyền vào lại bệnh nhân để điều chỉnh tình trạng bệnh.

Các mô hình bệnh ti thể trên hPSC cung cấp một hệ thống để nghiên cứu các cơ chế gây bệnh liên quan đến gen hoặc đột biến trên các mô liên quan đến kiểu hình lâm sàng. Một loạt các nghiên cứu đã sử dụng mô hình này để tạo ra các loại tế bào có liên quan bệnh về ti thể nhằm điều tra các khiếm khuyết cụ thể của mô hoặc để sàng lọc các phương pháp điều trị tiềm năng cho các bệnh thuộc nhóm này như hội chứng Barth, bệnh Parkinson, hội chứng PEO và Alpers, hội chứng cạn kiệt mtDNA, hội chứng Leigh.

Nguyễn Thị Hiền Trang – Viện Tế bào gốc, Trường Đại học khoa học tự nhiên, VNU-HCM

Tin lược dịch từ nguồn: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8306397/