Nuôi cấy cơ quan nội tạng siêu nhỏ

Ước tính, quá trình phát triển một loại thuốc tiêu tốn trung bình từ 868 triệu đến 1.24 tỉ USD. Nhưng chi phí để đưa chúng lên kệ bày bán sẽ còn tốn kém hơn nữa, khi mà rất nhiều loại thuốc trải qua nghiên cứu vẫn chưa được cấp phép bởi các phương pháp thử nghiệm trên cơ thể sống và ống nghiệm vẫn chưa đủ chính xác để khẳng định xem chúng có chứa chất độc hại với con người hay không.

 

Được cho là mô hình thí nghiệm phức tạp nhất từng được thực hiện trên cơ thể người và có tiềm năng thay thế các phương pháp thử nghiệm trên động vật, công trình nghiên cứu của chuyên gia Anthony Atala, giám đốc điều hành Viện Wake Forest có thể giải quyết vấn đề trên một cách dễ dàng.

 

 

Organoid là các mô 3D cực nhỏ được nuôi cấy từ tế bào gốc. Chúng thường có kích thước nhỏ hơn tiết diện sợi tóc người và lớn nhất là năm milimet. Mặc dù đây không phải là lần đầu các nhà khoa học phát triển thành công các organoid trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu lần này đánh dấu lần đầu tiên organoid có khả năng kiểm chứng chính một số loại thuốc có chứa độc tính với con người.

 

Tiền thân của những cải tiến liên quan tới organoid bắt đầu xuất hiện từ năm 1906, khi Granville Harrison lần đầu tiên giới thiệu phương pháp nuôi cấy tế bào ba chiều được gọi là “phương pháp giọt treo" (hanging drop). Bằng cách này, các nhà nghiên cứu có thể quan sát được các vi sinh vật theo ba chiều thay vì chỉ một mặt phẳng của đĩa thí nghiệm. Phương pháp này đã dẫn đến những phát hiện về yếu tố tăng trưởng của thần kinh vào những năm 1950 và được nhiều nhà khoa học ngày nay sử dụng trong nghiên cứu tế bào gốc.

 

Đến năm 1999, nhóm nghiên cứu của Atala đã cấy ghép các mô nuôi cấy trong phòng thí nghiệm đầu tiên vào cơ thể bệnh nhân và mô tả cách nuôi cấy các cơ quan nhân tạo vào năm 2002.

 

Trong thập niên vừa qua, phương thức phát triển organoid đã tiến bộ nhanh chóng. Trong năm 2013, tạp chí The Scientist đã vinh danh công nghệ này là một trong những tiến bộ khoa học hàng đầu của năm. Tháng 8/2013, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo đã phát triển thành công các mô hình 3D siêu nhỏ mô phỏng não bộ trong thời kỳ phát triển ban đầu có thể dùng để tạo thành một số cấu trúc trong não.

 

 

Tuy nhiên, các organoid mô phỏng cơ quan người chỉ có thể phản ánh một cách tương đối các đặc điểm sinh học của con người. Không có các đặc tính quan trọng như hệ thần kinh, hệ miễn dịch hoặc cấu trúc mạch máu, các organoid chỉ được coi như biện pháp bổ trợ cho các hình thức xét nghiệm khác, chẳng hạn như thử nghiệm trên động vật.

 

Để tạo ra các organoid với kích thước chỉ bằng một phần triệu cơ quan gốc, các nhà nghiên cứu đã tách biệt và sử dụng các mô từ các mẫu cơ quan con người nhằm đảm bảo các bản sao có đặc điểm giống hệt bản mẫu. Nhằm dựng một hệ thống có chức năng gần giống với hệ cơ quan nội tạng người, nhóm nghiên cứu đã tạo ra bản mô phỏng siêu nhỏ tất cả các tế bào tìm thấy trong cơ quan được cung cấp. Ví dụ, để mô phỏng gan, các nhà khoa học đã tạo ra đủ 5 loại tế bào chính trong gan bao gồm tế bào miễn dịch, tế bào mạch máu và các nguyên bào sợi. Nhờ vậy, các tế bào gan nuôi cấy sẽ có phản ứng với thuốc giống hệt như quá trình chữa lành trong cơ thể người. Đây là điều các phương pháp xét nghiệm hiện tại, bao gồm thử nghiệm trên động vật, vẫn chưa thể làm được.

 

Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể thử nghiệm thuốc trên một cơ quan nhất định hoặc kết hợp tất cả các organoid vào một con chip để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh mô phỏng cơ thể người trong thử nghiệm lâm sàng.

 

Để bổ sung thêm một số tính chất của các cơ quan sống, các nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ kênh dẫn vi lưu (microfluidics) để điều khiển các dung dịch có dung tích micro-lit (1 phần tỉ lít) đến pico-lit (1 phần nghìn tỉ lít) để vận chuyển oxy và các chất dinh dưỡng giữa các organoid.

 

Trong thử nghiệm y học, cái giá phải trả cho thiệt hại về người là rất lớn, do đó, thử nghiệm trên động vật đã và đang đóng vai trò khó có thể thay thế. Để chứng minh tiềm năng thay thế thử nghiệm trên động vật của organoid, các nhà nghiên cứu đã đưa hệ thống của mình vào thử nghiệm trên 7 loại thuốc bị Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ yêu cầu thu hồi do có nguy cơ gây suy tim hoặc suy gan. Kết quả, con chip chứa hệ thống organoid đã thành công chỉ ra cả 7 loại đều có nguy cơ gây độc cho người.

 

 

Trong ngắn hạn, Atala và các đồng nghiệp đang nỗ lực tăng số cơ quan được mô phỏng bằng organoid lên cao hơn con số 12. Dù chưa thể khẳng định organoid có thể thay thế hoàn toàn các thử nghiệm tàn bạo trên động vật hay không, các nhà khoa học vẫn nuôi hi vọng và nỗ lực phát triển phương pháp này trong tương lai.