CRISPR và iPSC: Công cụ hứa hẹn cho điều trị ung thư

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) là một trong những công nghệ chỉnh sửa gen hiện đại nhất hiện nay. CRISPR đã cải thiện và tăng hiệu quả các mô hình tế bào cũng như động vật mang bệnh lý của người. Sự kết hợp của hai công nghệ iPSC và CRISPR là tạo ra một công cụ đầy hứa hẹn để nghiên cứu tiến trình điều chỉnh đột biến gen trong các rối loạn di truyền phức tạp và các ứng dụng lâm sàng trong ung thư, HIV/AIDS.

Ảnh minh họa: Internet.

Kỹ thuật chỉnh sửa gene CRISPR/CAS9

CRISPR được phát hiện bởi Ishino khi ông nghiên cứu hệ thống miễn dịch thích nghi prokaryotic ở Escherichia coli. Nhóm nghiên cứu thực hiện lặp lại nhiều lần và xen kẽ các cấu trúc đặc trưng trong chuỗi DNA của E. Coli tạo nên nhiều phiên bản bắt cặp DNA và cho chúng kết hợp với một protein có tên Cas9, và cấu trúc này đã đóng một vai trò quan trọng trong việc chống lại nhiễm virus. Cụ thể, trình tự lặp lại này nhận ra các yếu tố di truyền ngoại lai và cắt chúng thành các chuỗi nhỏ với protein Cas9. Do đó, CRISPR/Cas9 giúp cho vi khuẩn có khả năng chống lại sự tấn công của virus. Vào năm 2012, nhiều nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công CRISPR/Cas9 trong các tế bào động vật có vú như một công cụ chỉnh sửa gen theo trình tự có sẵn.

Có nhiều ưu điểm so với các công cụ chỉnh sửa gen khác như ZFN (zinc finger nucleases) và TALEN (transcription activator-like effector nucleases), CRISPR được áp dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu và công nghệ sinh học khác nhau, ví dụ, chọn giống trong nông nghiệp, mô hình hóa bệnh và trị liệu. Vào năm 2014, nhiều nhóm nghiên cứu của Zhen, Kennedy và Hu, … đã áp dụng CRISPR để làm trung gian gây gián đoạn gen E6 và E7 trong các tế bào nhiễm virus SiHa. Tương tự, năm 2014, Hu đã phá vỡ các gen virus bằng cách sử dụng CRISPR trong các tế bào bị nhiễm HIV. Đây là những ví dụ về kỹ thuật chỉnh sửa gen được áp dụng trong các dòng tế bào bệnh để nghiên cứu cơ chế phân tử và tế bào của các rối loạn di truyền và các bệnh do virus gây ra.

Đặc biệt, CRISPR/Cas9 trở thành một công cụ chỉnh sửa gen có ứng dụng mạnh trong nghiên cứu ung thư, mô hình động vật và tái tổ hợp hợp chất sinh học. Một trong những lý do khiến tế bào bình thường trở thành tế bào ung thư là do một số đột biến trong bộ gen dẫn đến biểu hiện các kiểu hình ác tính. Những đột biến này được chia thành bốn loại: gen gây ung thư, yếu tố ức chế khối u, yếu tố biểu sinh và kiểm soát cơ địa và gen kháng hóa trị. Do vậy, sử dụng hệ thống CRISPR/Cas9 có thể sửa chữa các đột biến này và điều trị bệnh ung thư. 

Ngoài ra, CRISPR/Cas9 còn có thể giúp tạo ra các dòng tế bào ung thư để nghiên cứu cơ chế phân tử và tế bào gây bệnh của một số loại ung thư như ung thư phổi, ung thư bạch cầu tủy cấp tính, ung thư gan và ung thư tuyến tụy. Ngoài ra, chúng giúp tạo ra mô hình động vật có vai trò quan trọng trong nghiên cứu ung thư và các bệnh di truyền khác. Các mô hình động vật chuyển gen có thể được tạo ra bằng cách tiêm CRISPR/Cas9, với đích đến là một hoặc nhiều alen (alen là các trạng thái khác nhau của cùng 1 gen, alen được sinh ra do đột biến gen), hoặc trực tiếp vào hợp tử. Ví dụ, rối loạn thoái hóa thần kinh trong các mô hình chuột đã được tạo ra bằng cách sử dụng CRISPR này để nghiên cứu một căn bệnh phức tạp ở người. Cuối cùng, nghiên cứu về sản xuất các hợp chất sinh học không chỉ thúc đẩy nghiên cứu cơ bản mà còn có thể áp dụng trong y học, sản xuất nhiên liệu sinh học và tổng hợp hợp chất gia dụng. Trong lĩnh vực sinh học tổng hợp, các ứng dụng lớn nhất CRISPR/Cas9 là trong sản xuất công nghiệp, như các gen locus kháng nấm mốc (MLO) đã bị CRISPR/Cas9 loại bỏ để ngăn chặn lúa mì lục bội khỏi bệnh phấn trắng.

Tế bào gốc vạn năng iPSC

Năm 2006, nhóm của Shinya Yamanaka (Nhật Bản) đã sử dụng retrovirus, một phương pháp chỉnh sửa gen, để thay đổi biểu hiện gen trong nguyên bào sợi chuột và tạo các tế bào gốc chuột đa năng cảm ứng (miPSCs). Các tế bào này biểu hiện Fbx15, gen đặc hiệu của tế bào gốc phôi (ESC) và chuyển đổi hình dạng đặc trưng của ESC khi tăng sinh phát triển. Vào năm 2006 và 2007, hai nhóm nghiên cứu độc lập của Shinya Yamanaka và James Thomson đã tạo thành công tế bào gốc vạn năng cảm ứng (hiPSCs) từ nguyên bào sợi của người. Cho đến nay, ngày càng có nhiều nghiên cứu cơ bản và ứng dụng lâm sàng sử dụng công nghệ này trong lĩnh vực y tế như ung thư và các vấn đề rối loạn di truyền phức tạp.

iPSC là các tế bào vạn năng có thể biệt hóa thành hầu hết các loại tế bào. Khi áp dụng iPSCs, bệnh nhân có thể được ngăn ngừa khỏi tác dụng phụ của việc đáp ứng miễn dịch, một trong những vấn đề lớn nhất khi cấy ghép có thể dẫn đến tử vong. Bệnh nhân có thể dùng tế bào của chính mình để tạo ra iPSC và sau đó chúng được biệt hóa thành các loại tế bào khác như tế bào thần kinh hoặc tế bào cơ tim mà bệnh nhân cần ghép.

Hiện nay, một số ý kiến phản đối việc sử dụng mô hình động vật trong nghiên cứu các cơ chế gây bệnh hoặc kiểm tra hiệu quả/độc tính của thuốc. Bên cạnh đó, việc sử dụng các dòng iPSC của người với kiểu gen đặc trưng các bệnh cụ thể có thể làm giảm hiệu quả một số mô hình động vật. Vì vậy, chỉnh sửa gen là phương pháp duy nhất để tìm ra những thay đổi cụ thể đối với bệnh mà tình trạng biểu sinh, tuổi tác, giới tính và dân tộc không thể cho các dữ liệu có thể so sánh được. CRISPR/Cas9 có thể loại bỏ nhiều gen cũng như loại bỏ các alen trong iPSC, điều mà các công nghệ chỉnh sửa gen khác như ZFN và TALEN không thể làm được. Vì vậy, việc sử dụng CRISPR kết hợp với công nghệ iPSCs sẽ trở thành một công cụ đầy hứa hẹn của liệu pháp gen và tế bào.

Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất để kết hợp CRISPR/Cas9 và iPSCs là sự an toàn và hiệu quả. Vào cuối năm 2018, một nhóm nghiên cứu của Trung Quốc tuyên bố một em bé đã ra đời và được loại bỏ gen liên quan đến HIV bằng cách sử dụng CRISPR/Cas9. Họ tuyên bố rằng việc sử dụng các công cụ chỉnh sửa gen như CRISPR/Cas9 có thể thay đổi đặc điểm của con người theo các mục đích khác, do đó, nó mâu thuẫn với quyền con người. Bên cạnh những lo ngại về đạo đức, những ứng dụng này đã mở rộng nhiều cơ hội hơn từ nghiên cứu cơ bản đến trị liệu lâm sàng để điều trị các rối loạn di truyền, ung thư và HIV/AIDS.

Huỳnh Thuý Oanh (Viện tế bào gốc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM)