Hồi phục cơ tim bằng tấm tế bào tạo từ tế bào gốc trung mô mô cuống rốn và Lunagel

Tấm tế bào cho phép “vá” tạm thời thành tim bị mỏng, tế bào được đưa vào đúng vị trí cần thiết, ít bị trôi đi và nhờ đó có thể phát huy khả năng sửa chữa, tái tạo của chúng trong cơ thể bệnh nhân tốt hơn, hướng đến ứng dụng điều trị bệnh tim mạch.

Hằng năm, thế giới có khoảng 18 triệu người tử vong vì bệnh tim mạch. Trong số này, 85% là do nhồi máu cơ tim (MI) và đột quỵ. Sự tiến triển của nhồi máu cơ tim bao gồm các quá trình viêm và sửa chữa để đáp ứng với tổn thương cơ tim và thiếu máu cục bộ. Trong đó, thiếu máu cục bộ kéo dài dẫn đến cái chết của các tế bào cơ tim và giải phóng nội bào vào chất nền ngoại bào (ECM).

Việc giải phóng các thành phần tế bào vào ECM làm kích hoạt phản ứng viêm do bạch cầu trung tính chi phối. Cuối cùng, các mảnh vụn tế bào hoại tử được loại bỏ. Đồng thời diễn ra sự lắng đọng collagen và hình thành sẹo. Quá trình lành thương đòi hỏi sự cân bằng giữa quá trình viêm và sửa chữa mô. Khi các quá trình này mất cân bằng, quá trình tái cấu trúc bất lợi có thể dẫn đến suy tim, rối loạn nhịp tim và các biến chứng khác. Với sự phát triển y học, bác sĩ có thể giúp bệnh nhân giảm các cơn đau và làm chậm tiến trình của bệnh nhưng vẫn chưa thể giúp bệnh nhân phục hồi các phần mô bị tổn thương do thiếu máu hay nhồi máu cơ tim.

Sự ra đời của công nghệ tế bào gốc đã mang đến những hy vọng lớn trong làm lành vết thương, giúp phục hồi các mô hay cơ quan bị tổn thương, qua đó hỗ trợ điều trị nhiều bệnh, trong đó đặc biệt là bệnh tim mạch. Trong đó, tế bào gốc trung mô MSCs (Mesenchymal Stem Cells) là dòng tế bào đa năng trưởng thành được tìm thấy trong các mô khác nhau như tủy xương, mô cuống rốn, mô mỡ. Là tế bào gốc đa năng, MSCs có khả năng tăng sinh trong môi trường nuôi cấy, khả năng tự làm mới và biệt hóa thành nhiều tế bào có chức năng khác.

Trong những năm gần đây, MSCs được xem là nguồn tế bào tiềm năng trong liệu pháp điều trị bệnh tim mạch, cải thiện chức năng tim và làm giảm tái tạo thất bất lợi của cơ tim do thiếu máu cục bộ thông qua các hiệu ứng nội tiết và điều hòa miễn dịch. Nhờ vào công nghệ tấm tế bào mà phương pháp ghép tế bào vào vùng thiếu máu cục bộ trở nên dễ dàng hơn, trong một số bài báo nghiên cứu đã chứng minh khả năng duy trì của của MSCs trong vùng tổn thương và đạt hiệu quả cao trong điều trị.

Nhóm chuyên gia Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM đã triển khai thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu tạo và ghép tấm tế bào từ tế bào gốc trung mô mô cuống rốn người và giá thể LunaGel trên mô hình chuột sau nhồi máu cơ tim”. Mục tiêu chính là nghiên cứu tạo tấm tế bào từ tế bào gốc trung mô mô dây rốn và giá thể LunaGel. Tấm tế bào cho phép “vá” tạm thời thành tim bị mỏng, tế bào được đưa vào đúng vị trí cần thiết, ít bị trôi đi và nhờ đó có thể phát huy khả năng sửa chữa, tái tạo của chúng trong cơ thể bệnh nhân tốt hơn, hướng đến ứng dụng điều trị bệnh tim mạch.

Nhiệm vụ do TS. Phạm Lê Bửu Trúc làm chủ nhiệm nhiệm vụ.

TS. Phạm Lê Bửu Trúc trình bày kết quả triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ

Báo cáo trước hội đồng tư vấn nghiệm thu nhiệm vụ khoa học - công nghệ vừa được Sở KH&CN TP.HCM tổ chức hồi quý II/2023, TS. Phạm Lê Bửu Trúc cho biết Lunagel là một ma trận ngoại bào liên kết ngang (ECM) trên nền gelatin đã được biến đổi hóa học. Các thành phần chính của Lunagel bao gồm các protein ECM như collagen loại I, III, IV và V, cũng như glycoprotein mô liên kết và proteoglycan. Lunagel duy trì hoạt động sinh học, tạo điều kiện cho sự gắn kết tế bào, tăng sinh, biệt hóa, và di cư của tế bào.

Công nghệ liên kết quang độc đáo của Lunagel cho phép kiểm soát độ xốp và độ cứng của ma trận, cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo các đặc tính hóa lý của nhiều loại mô khỏe mạnh và mô bệnh trong các ứng dụng nuôi cấy tế bào 3D.

Nhóm thực hiện đã tạo được các tấm giá thể Lunagel bằng phương pháp trộn Lunagel vô trùng trong PBS (dung dịch muối đệm Phosphate Buffer Saline), đổ vào khuôn, tạo hydrogel 3D bằng cách chiếu ánh sáng xanh từ thiết bị Luna Crosslinker.

Các tấm giá thể Lunagel

Sau đó, nhóm thực hiện sử dụng các tấm giá thể Lunagel này cùng tế bào gốc trung mô mô cuống rốn (hUC-MSCs) để tạo tấm tế bào SCgel. Các tấm tế bào có thể được tạo hình theo dạng đĩa dẹt hay dạng tấm tròn tuỳ theo khuôn. Các mẫu tấm tế bào tạo thành ở các nhóm không có sự khác biệt rõ khi quan sát bằng mắt thường.

Các tấm tế bào SCgel

Hình chụp bề mặt của tấm tế bào bằng hệ thống SEM cho thấy các tế bào hUC-MSC đã được bao bọc trong lớp Lunagel (B), khác với bề mặt gel không chứa tế bào (A).

Bề mặt tấm giá thể (A) và bề mặt tấm tế bào (B) ở độ phóng đại 600X được ghi nhận bằng hệ thống SEM

Về đặc tính cơ học của tấm tế bào, TS. Phạm Lê Bửu Trúc nhận xét lực liên kết giữa giá thể Lunagel và mô tim được đánh giá bằng kính hiển vi lực nguyên tử. Lực liên kết giữa giá thể với mô tim là 25,9 nN, nhỏ hơn lực liên kết giữa tấm tế bào và mô tim là 46,4 nN. Điều này có thể do tấm tế bào có thêm thành phần ECM do các tế bào tiết ra làm tăng thêm tính bám dính cho vật liệu. Theo đó, quá trình kết mạch không gây hại đến sự sống và tăng sinh của tế bào dù có sự khác nhau giữa các tấm tế bào với các mức nồng độ Lunagel khác nhau. Việc này có thể là do có sự thay đổi về độ xốp và các lỗ liên kết của giá thể (giá thể phải có các lỗ liên kết với nhau để tạo điều kiện cho tế bào phát triển, di chuyển và trao đổi chất dinh dưỡng).

Mặt khác, do tim có bề mặt ẩm ướt trơn trượt cùng với chuyển động đập của tim khiến cho việc dán “tấm vá” tim trở thành một trong những công việc khó khăn nhất, đòi hỏi độ bám dính chắc chắn. Kết quả thử nghiệm cho thấy cả tấm giá thể Lunagel lẫn tấm tế bào SCgel đều có khả năng bám lên mô cơ tim, tấm tế bào SCgel không gây độc tế bào và đạt tiêu chuẩn của Bộ Y tế về độ vô khuẩn, tấm tế bào SCgel không gây độc và an toàn khi ghép in vivo. Tất cả khẳng định tấm tế bào SCgel phù hợp để ứng dụng hỗ trợ điều trị phục hồi cơ tim.

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc cấy ghép giá thể Lunagel và tấm tế bào SCgel (dưới da) ở chuột nhân hóa hệ miễn dịch (Humanized immune mice)và chuột BALB/c không ảnh hưởng đến sức khỏe của chuột. Cụ thể, ở chuột nhân hoá hệ miễn dịch, tất cả chuột đều sống sót sau khi cấy ghép giá thể Lunagel và tấm tế bào SCgel (dưới da), khỏe mạnh và hoạt động bình thường. Các vết thương bắt đầu khô dần từ ngày 3 sau khi cấy ghép, có thể quan sát thấy rõ vào ngày thứ 7. Ngoài ra, vùng da tại vị trí ghép không đỏ/sưng, vết thương lành hoàn toàn và bắt đầu mọc lông sau 14 ngày. Tại ngày thứ 21 vùng da chuột tại vị trí ghép lành hoàn toàn và lông mọc dày tương tự như nhóm đối chứng. Cân nặng không có sự khác biệt đáng kể so với nhóm đối chứng. Tương tự, ở chuột BALB/c, tất cả chuột đều sống sót sau quá trình phẫu thuật ghép giá thể Lunagel và tấm tế bào Scgel, khỏe mạnh và hoạt động bình thường. Các vết thương được ghi nhận là khô hoàn toàn và bắt đầu mọc lông từ ngày 9. Vết thương tại vùng da ghép vật liệu lành hoàn toàn và lông mọc bình thường sau 14 ngày. So với nhóm đối chứng, chuột BALB/c sau phẫu thuật có sự thay đổi cân nặng không đáng kể.

Nhìn chung, giá thể Lunagel và tấm tế bào SCgel không bị thải loại trong suốt quá trình cấy ghép cho đến khi thu mẫu, không xuất hiện phản ứng viêm nghiêm trọng. Ngoài ra, các tế bào gốc trung mô mô cuống rốn tiếp tục tồn tại trong giá thể sau khi cấy ghép và có xu hướng di chuyển ra các mô xung quanh vị trí ghép, cho thấy tiềm năng to lớn trong ứng dụng y học tái tạo.

Sơ đồ tổng thể thí nghiệm đánh giá tính tương thích của tấm tế bào khi được ghép dưới da chuột

Nhóm thử nghiệm tiến hành tạo mô hình chuột nhồi máu cơ tim (thiếu máu tim cục bộ) để nghiên cứu cấy ghép điều trị để đánh giá hiệu quả điều trị của giá thể Lunagel và tấm tế bào SCgel trong cấy ghép điều trị bệnh tim sau nhồi máu trên mô hình chuột. Kết quả, các lô thí nghiệm cấy ghép có sự thay đổi về mặt tích cực, trong đó lô ghép giá thể Lunagel có khả năng hình thành cơ tim chậm hơn so với lô ghép tế bào SCgel. Kết quả sau 14 ngày điều trị cho thấy được khả năng phục hồi chức năng cơ tim của các tấm tế bào SCgel và giá thể Lunagel thông qua việc cải thiện được nhịp tim đạt đến ngưỡng ổn định. Sau 14 ngày điều trị cấy ghép giá thể và tấm tế bào quan sát thấy, chuột đối chứng biểu hiện ăn uống bình thường, lông mượt bình thường, vận động bình thường. So với mẫu đối chứng, chuột được thắt mạch vành và không được cấy ghép có biểu hiện kén ăn, lông xù nhiều không được cải thiện, mẩn đỏ quanh vùng mắt và tai, vận động chậm.

TS. Phạm Lê Bửu Trúc cho biết thêm, các cá thể được ghép tấm tế bào cho thấy sự cải thiện trong khả năng tống máu tâm thất trái, nhịp tim, khả năng vận động và sức bền. Có thể thấy, việc ghép tấm tế bào thúc đẩy quá trình làm lành cơ tim.

Nhóm thực hiện cũngđã ghi nhận tình trạng xơ hóa nhẹ cũng như tình trạng mất cấu trúc cơ tim ở cả hai mẫu tại vùng nhồi máu không được ghép tấm tế bào, còn tại vùng được che phủ tấm tế bào của cả hai mẫu chỉ ghi nhận tình trạng xơ hóa tại khu vực bị thắt mạch. Điều này cho thấy việc cấy ghép tấm tế bào có thể hỗ trợ việc ngăn chặn sự xơ hóa và mất cấu trúc cơ tim do nhồi máu.

Hơn thế, có thể nhìn thấy sự liên kết giữa tấm tế bào với phần mô tim, và hoàn toàn có thể quan sát thấy sự hiện diện của các tế bào gốc ở vị trí liên kết. Tuy nhiên vì tác động cơ học trong quá trình thao tác nên phần liên kết giữa tấm tế bào và mô bị kéo giãn ra.

Biểu hiện mức độ phiên mã các gen liên quan đến tạo mạch của mô tim chuột

Sau 14 ngày gây tổn thương, mô tim đã hình thành xơ hóa và mô sẹo (quan sát qua mẫu thắt và mẫu giá thể). Tuy nhiên sau khi ghép tấm tế bào thêm 14 ngày thì không ghi nhận tình trạng xơ hóa hay mô sẹo, đồng thời thành tim vẫn giữ cấu trúc cơ tim, không bị mỏng tại vị trí tổn thương đã được cấy ghép. Vì thế, nhóm thực hiện phỏng đoán rằng ngoài bảo vệ các tế bào khỏi quá trình apoptosis do thiếu máu cục bộ, tế bào gốc có thể kích thích hình thành các tế bào cơ tim mới; và con đường thực hiện có thể thông qua kích thích quá trình nhân đôi và tái biệt hóa.

Từ kết quả của nhiệm vụ, nhóm thực hiện kiến nghị Sở KH&CN TP.HCM tiếp tục hỗ trợ thực hiện nghiên cứu các cơ chế sâu hơn trong việc tế bào gốc giúp phục hồi cơ tim sau nhồi máu. Đây là hướng nghiên cứu mới, sáng tạo trong y sinh học tái tạo và đầy tiềm năng để triển khai ứng dụng phục vụ chăm sóc sức khỏe cho người dân.