Ứng dụng công nghệ sinh học vào điều trị tổn thương sụn khớp gối

Nhóm các nhà khoa học TP.HCM vừa thành công trong việc tạo ra màng sinh học có cấu trúc tương tự mô sụn tự nhiên với khả năng hỗ trợ tái tạo mô sụn tổn thương, hướng đến việc sử dụng tế bào gốc từ sụn heo một ngày tuổi để chế tạo màng sinh học thay thế màng xương, giúp tối ưu hóa quy trình điều trị và nâng cao hiệu quả phục hồi sụn khớp. 

Thực tế cho thấy, thoái hóa khớp gối (THKG) là căn bệnh phổ biến hiện nay trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. THKG là nguyên nhân gây đau và ảnh hưởng tới hoạt động của khớp gối, và là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây tàn tật ở nhóm bệnh nhân lớn tuổi.

Ngày nay, do chế độ dinh dưỡng (béo phì, dư thừa trọng lượng) và ảnh hưởng của nguyên nhân ngoại cảnh (tai nạn, thể thao), tuổi của người bị THKG có xu hướng trẻ hóa. Vì vậy, việc tối ưu phương pháp điều trị bệnh THKG là nhu cầu thiết yếu và cấp bách.

Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng để cải tạo chức năng và phục hồi hoạt động cho bệnh nhân THKG, bao gồm điều trị không dùng thuốc, điều trị nội khoa và điều trị ngoại khoa. Mỗi phương pháp được áp dụng tùy thuộc vào mức độ tổn thương. Phương pháp ghép tế bào tự thân là phương pháp mới ở Việt Nam và thành công phụ thuộc vào tế bào tự thân và miếng dán màng xương. Các yếu tố tế bào đã được chứng minh hiệu quả trong điều trị, nhưng nghiên cứu về cải tiến miếng dán màng xương vẫn còn hạn chế.

(Ảnh minh họa)

Mặt khác, tế bào gốc phân lập từ cơ thể chưa trưởng thành (immature tissue - derived cell) được biết đến như nguồn tế bào an toàn tương tự như tế bào tự thân trong cấy ghép. Tế bào này có khả năng tăng sinh, biệt hóa tốt so với tế bào gốc phân lập từ cơ thể trưởng thành (adult stem cells). Chức năng, đặc điểm của tế bào gốc từ cơ thể trưởng thành không ổn định do chúng được phân lập từ nhiều cơ thể khác nhau. Tuy nhiên, tế bào gốc phân lập từ cơ thể chưa trưởng thành có khả năng tăng sinh thành số lượng lớn tế bào cùng chức năng, đặc điểm do phân lập từ một cơ thể. Ngoài ra, tế bào gốc phân lập từ cơ thể chưa trưởng thành giống tế bào gốc phôi về chức năng, giống tính an toàn so với tế bào gốc từ cơ thể trưởng thành. Với những đặc trưng trên, tế bào gốc từ cơ thể chưa trưởng thành có tiềm năng ứng dụng cao trong các ứng dụng liệu pháp tế bào.

Trên tinh thần đó, Trung tâm Công nghệ sinh học TP.HCM đã triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu chế tạo màng sinh học từ tế bào gốc cơ thể heo chưa trưởng thành sử dụng trong điều trị tổn thương sụn khớp gối".

Trương Minh Dũng - chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết, mục tiêu chính được đề ra là nghiên cứu, phát triển và sản xuất màng sinh học từ tế bào gốc cơ thể chưa trưởng thành thay thế miếng dán màng xương sử dụng trong điều trị THKG.

"Bên cạnh đó, việc ứng dụng tiền lâm sàng màng sinh học trong điều trị tổn thương khớp gối cũng là mục tiêu của nghiên cứu. Từ đó, tạo tiền đề cho các ứng dụng lâm sàng trong việc tái tạo và phục hồi chức năng khớp gối của bệnh nhân", TS. Trương Minh Dũng thông tin tại buổi báo cáo trước Hội đồng tư vấn nghiệm thu nhiệm vụ vừa được Sở KH&CN TP.HCM tổ chức.

Cụ thể, TS. Trương Minh Dũng và các cộng sự đã hiện thực hóa mục tiêu tổng quá "nghiên cứu đánh giá các đặc tính sinh - lý - hóa, định hướng khả năng ứng dụng và chế tạo của màng sinh học từ tế bào gốc phân lập từ heo một ngày tuổi nhằm cải tiến phương pháp ghép tế bào tự thân trong phục hồi cấu trúc và chức năng của mô sụn đối với điều trị tổn thương sụn khớp gối" bằng cách giải quyết 4 vấn đề cụ thể, đó là: (1) Thu thập, phân lập và nuôi tăng sinh tế bào gốc từ mô sụn heo một ngày tuổi; (2) Nghiên cứu phương pháp tạo màng sinh học từ các tế bào này; (3) Xây dựng quy trình sản xuất màng sinh học (PCM) ở quy mô phòng thí nghiệm; (4) Đánh giá tiền lâm sàng khả năng tái tạo mô sụn trên mô hình động vật.

Quang cảnh buổi nghiệm thu nhiệm vụ

Theo đó, là một phần của nhiệm vụ, nhóm các nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM đã hoàn thiện Quy trình phân lập tế bào gốc tự sụn mô heo 1 ngày tuổi với ghi nhận năng suất ghi nhận tế bào cao, không tạp nhiễm các loại tế bào khác; và quy trình chế tạo màng PCW với chất lượng màng ổn định về độ dày, sinh hóa, hóa sinh và an toàn sinh học.

Các sản phẩm đã được tập thể Hội đồng tư vấn nghiệm thu nhiệm vụ xem xét, đánh giá và nghiệm thu thông qua.

Từ tiềm năng lớn…

Đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ cho biết, một số nghiên cứu lâm sàng tại Việt Nam trước đây đã xác nhận tiềm năng của ghép tế bào tự thân trong điều trị THKG. Trong đó, các loại tế bào tiềm năng cho liệu trình điều trị đã được nghiên cứu rộng rãi, như tế bào trung mô từ tủy xương, tế bào gốc có nguồn gốc từ mô mỡ, và tế bào gốc trung mô có nguồn gốc từ dây rốn. Cho đến nay, một số thử nghiệm lâm sàng đã chứng minh tính an toàn và hiệu quả của các loại tế bào này trong điều trị THKG. Trong khi đó, những nghiên cứu về màng sinh học cải tiến cho miếng dán màng xương dùng trong ghép tế bào tự thân vẫn chưa được phát triển đúng tiềm năng.

Do đó, trong quá trình triển khai nhiệm vụ này, TS. Trương Minh Dũng và cộng sự đã tiếp cận theo hướng sử dụng tế bào gốc chưa trưởng thành thu thập từ cơ thể heo để chế tạo màng sinh học cải tiến, ứng dụng cho miếng dán màng xương trong ghép tế bào tự thân.

Quy trình chế tạo màng sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm

Các tế bào gốc này, có nguồn gốc từ giai đoạn phát triển sơ khai của heo, thể hiện khả năng tự tái tạo và phân chia vượt trội cùng đặc tính “stemness” cao, cho phép chúng liên phân hóa thành nhiều dòng tế bào chuyên hóa như tế bào xương, tế bào sụn, tế bào cơ, tế bào mỡ và thậm chí là tế bào thần kinh. Những đặc điểm này chủ yếu đến từ môi trường nội sinh trong giai đoạn phôi thai, nơi các tín hiệu sinh học thiết yếu thúc đẩy sự hình thành và phát triển của các mô phức tạp.

"Khả năng đa dạng hóa và tăng sinh mạnh mẽ của tế bào gốc heo chưa trưởng thành đã mở ra nhiều triển vọng ứng dụng trong y học tái tạo, không chỉ trong việc phục hồi các mô và cơ quan bị tổn thương do chấn thương hoặc bệnh tật, mà còn hỗ trợ nghiên cứu chuyển thể xenograft giữa heo và con người, cũng như cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu căn bản nhằm hiểu rõ hơn cơ chế phân hóa và các tương tác giữa tế bào với môi trường vi mô, góp phần phát triển các liệu pháp điều trị bệnh mạn tính và thoái hóa", đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ thông tin thêm.

… cho đến hiệu quả điều trị cao

Trong nghiên cứu, các mẫu mô sụn được thu thập từ heo một ngày tuổi tại Công ty Cổ phần GreenFeed Việt Nam. Trước khi sử dụng, các mẫu này trải qua quy trình kiểm định nghiêm ngặt để đảm bảo không mang mầm bệnh truyền nhiễm như PRRS (cả hai dòng châu Âu và Bắc Mỹ), dịch tả heo, virus PRRS chủng độc lực cao, dịch tả heo châu Phi. Điều này giúp đảm bảo tính an toàn và khả năng ứng dụng thực tế của nghiên cứu.

Từ mô sụn thu thập, nhóm nghiên cứu tiến hành phân lập tế bào gốc, sau đó nuôi cấy và thu thập các đơn bào tại giai đoạn P2 theo phương pháp cấy truyền tế bào; và tiếp đến là đánh giá đặc tính sinh học của tế bào gốc từ mô sụn của heo 1 ngày tuổi. Phương pháp dòng chảy được áp dụng để định danh tế bào, cụ thể là với marker bề mặt CD34, CD45 (âm tính) và CD90, CD105 (dương tính), nhằm cho thấy đặc điểm tương tự tế bào gốc trung mô.

Sản phẩm màng sinh học là kết quả của nhiệm vụ

Một trong những tiêu chí quan trọng của nghiên cứu là đánh giá khả năng tăng sinh và biệt hóa của tế bào gốc từ sụn heo. Kết quả cho thấy, các tế bào này có tốc độ nhân đôi cao, ổn định qua nhiều lần cấy chuyền (đến thế hệ P20). Đặc biệt, chúng có khả năng biệt hóa thành ba dòng tế bào quan trọng trong y học tái tạo: tế bào mỡ, tế bào xương và tế bào sụn.

Từ các tế bào gốc đã phân lập, nhóm nghiên cứu tiến hành nuôi cấy để tạo màng sinh học. Quá trình này bao gồm việc nuôi cấy tế bào với mật độ cao, xử lý loại bỏ tế bào (decellularization) bằng dung dịch SDS 1% kết hợp DNAse. Quá trình tạo màng sinh học được thực hiện bằng cách kết hợp tế bào gốc với giá thể phù hợp, đảm bảo độ bền cơ học và khả năng thích ứng sinh học cao. Màng sinh học sau khi tạo thành được làm khô bằng phương pháp đông khô (freeze-drying) để bảo quản và dễ dàng ứng dụng.

Báo cáo kết quả triển khai nhiệm vụ, TS. Trương Minh Dũng khẳng định, các thành phần trong màng sinh học PCM được sản xuất thử nghiệm thành công (ở quy mô phòng thí nghiệm) về cơ bản có chức năng liên kết với các phân tử khác, là xúc tác cho các quá trình sinh tổng hợp. Màng sinh học PCM gồm các hợp chất protein, cấu trúc ngoại bào, các cấu trúc nội bào, và các yếu tố kích thích tế bào tăng sinh và biệt hóa, do đó màng PCM không những không gây độc cho tế bào sụn mà nó còn có khả năng giúp tăng sinh tế bào sụn trong quá trình nuôi cấy. Đặc biệt, kết quả khảo sát làm lành tổn thương mô sụn trên mô hình thỏ cho thấy màng sinh học PCM có khả năng làm tăng sự hình thành mô mới tại vị trí tổn thương.

"Mô mới được hình thành tương tự như mô sụn tự nhiên", đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ báo cáo.

Tựu trung, nhiệm vụ do Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM triển khai đã thành công trong việc tạo ra màng sinh học có cấu trúc tương tự mô sụn tự nhiên, có khả năng hỗ trợ tái tạo mô sụn tổn thương. Thử nghiệm trên mô hình động vật (thỏ thực nghiệm) cho thấy màng sinh học này giúp giảm viêm, kích thích tái tạo tế bào sụn, cải thiện chức năng khớp. Đặc biệt, quy trình sản xuất đã được chuẩn hóa ở quy mô phòng thí nghiệm, sẵn sàng để tiến tới các nghiên cứu lâm sàng trên người.

So với các phương pháp truyền thống, màng sinh học từ tế bào gốc heo một ngày tuổi có nhiều ưu thế như: độ tương thích sinh học cao, khả năng hỗ trợ tái tạo mô tốt, nguồn tế bào dồi dào và ổn định, từ đó giúp đơn giản hóa quy trình điều trị, rút ngắn thời gian phẫu thuật, giảm nguy cơ biến chứng.

Bằng cách kết hợp các công nghệ tiên tiến trong phân lập tế bào, nuôi cấy mô và chế tạo vật liệu sinh học, nghiên cứu không chỉ tạo ra hướng đi mới trong điều trị tổn thương sụn khớp gối mà còn mở ra tiềm năng lớn cho lĩnh vực y học tái tạo. Việc tiếp tục nghiên cứu sâu hơn, thử nghiệm lâm sàng, cũng như mở rộng hợp tác nghiên cứu sẽ là những bước tiếp theo để đưa công nghệ này vào thực tế, mang lại lợi ích thiết thực cho bệnh nhân và ngành y học hiện đại.

Đánh giá về hiệu quả khoa học và công nghệ, TS. Trương Minh Dũng khẳng định đội ngũ các nhà khoa học Việt Nam hiện đã tự tin nắm vững, làm chủ công nghệ phân lập tế bào gốc từ mô sụn ở mức tương đương với các nghiên cứu trong khu vực và thế giới.

Về hiệu quả về kinh tế xã hội, có thể nói rằng, sự thành công của công trình nghiên cứu  đánh dấu tiềm năng phát triển thế hệ thứ hai, thứ ba của phương pháp ghép tế bào tự thân trong điều trị bệnh THKG tại Việt Nam và ghi danh một loại màng sinh học mới trong danh sách các cải tiến của phương pháp này trên thế giới.