Atlas tế bào cơ thể người: Kỷ nguyên mới trong y học
Các nỗ lực mới nhất nhằm thiết lập bản đồ chi tiết từng tế bào trong cơ thể người, trước tiên là xây dựng bản đồ não người, đã cho thấy sự đa dạng đến kinh ngạc trong các tế bào cơ thể người. Chỉ riêng bộ não đã chứa hàng nghìn loại tế bào với sự khác biệt tinh tế.
Vào thế kỷ 16, nhà họa đồ xứ Brabant (nay thuộc Bỉ) là Abraham Ortelius đã tạo ra tập atlas đầu tiên của nhân loại: Theatrum Orbis Terrarum (Trình bày về các vùng đất trên thế giới). Các bản đồ của Ortelius và cộng sự đã mô tả chi tiết các kiến thức tốt nhất thời bấy giờ về các lục địa, thành phố, núi non, sông hồ và đại dương, đã mở ra hiểu biết mới cho đại chúng về địa lý Trái đất.
Tương tự, atlas tế bào cơ thể người đang báo trước một kỷ nguyên mới về hiểu biết của nhân loại về y sinh học. Các công nghệ hình ảnh và giải trình tự gene mạnh mẽ được phát minh trong thập kỷ vừa qua đã giúp chúng ta hiểu về các mô và cơ quan trong cơ thể người một cách chi tiết chưa từng có, từ tuyến tụy, gan đến nhau thai, cũng như các cơ quan của động vật thí nghiệm như chuột và ruồi giấm. Các nhà nghiên cứu sử dụng các công cụ mới để đánh dấu từng tế bào dựa vào gene đang biểu hiện, nhờ đó phát hiện những khác biệt tinh tế giữa các các tế bào và làm phát lộ sự đa dạng đáng kinh ngạc của các loại tế bào trong cơ thể cũng như tầm quan trọng của sự đa dạng này với chức năng khỏe mạnh của các cơ quan.
“Chúng ta đang ở thời điểm bước ngoặc thay đổi hiểu biết về cơ chế hoạt động sinh học của con người”, nhà vật lý y sinh và kỹ nghệ sinh học Steve Quake từ Đại học Stanford đã góp phần phát triển các công nghệ để xây dựng atlas tế bào, đánh giá.
Hai dự án đầu tiên góp phần hiện thực hóa atlas tế bào cơ thể người nằm trong kế hoạch nghiên cứu tế bào não người của Viện Sức khỏe Quốc gia Hoa Kỳ, vừa công bố kết quả. Tạp chí Nature số 624 xuất bản 13/12/2023 đã xuất bản cụm chín nghiên cứu tạo thành bộ atlas não chuột chi tiết, tổng hợp toàn diện nhất về não bộ của động vật có vú từ trước đến nay, nhờ sự hợp tác của nhiều phòng thí nghiệm. Atlas này mô tả 5.300 loại tế bào được tìm thấy trong não bộ, cách chúng phân bố và liên kết với nhau gợi ra nhiều ý tưởng hấp dẫn về sự tiến hóa của não động vật có vú.
Trước đó một tháng, một mạng lưới nghiên cứu toàn cầu cũng đã đóng góp quan trọng cho atlas tế bào người với bài báo trên tạp chí Science ghi nhận sự đa dạng và phức tạp đáng kinh ngạc của các tế bào não người. Tuy đây chưa phải là một atlas hoàn chỉnh, nhưng vẫn là một bước tiến lớn vì đây là sự mô tả chi tiết nhất từng được thực hiện.
Công trình đã khẳng định não người có ít nhất 3.300 loại tế bào neuron biểu hiện các gene khác nhau, đảm nhiệm một loạt các chức năng riêng. Hóa ra sự khác biệt chủ yếu nằm ở vùng não cổ xưa về mặt tiến hóa, vốn còn ít được nghiên cứu.
Atlas não người chỉ đang ở phiên bản đầu tiên. Quá trình thống kê và phân loại đang tiếp diễn có thể sẽ xác định thêm hang nghìn loại tế bào mới khác.
Định vị và mô tả chúng chỉ là bước khởi đầu. Các nhà khoa học cần tìm hiểu chức năng và cách thức liên kết giữa chúng.
Quake cùng các đồng nghiệp đang nỗ lực ghép nối các atlas tế bào khắp cơ thể người thành một bản đồ tham chiếu hoàn chỉnh để xác định tế bào cụ thể nào nằm ở vị trí mô bất thường và gây bệnh. Dự kiến phiên bản đầu tiên của atlas tế bào người sẽ được xuất bản sau hai năm nữa.
Các nhà khoa học kỳ vọng atlas mới sẽ mô tả cách thức tế bào hoạt động và biến đổi trong suốt vòng đời sinh vật. Phó giáo sư ngành bệnh học Michael Angelo tại Đại học Stanford cho rằng đây là bước nhảy vọt giống như Dự án Bộ gene Người (Human Geneome Project).
Biểu hiện độc đáo của mỗi tế bào
Chỉ mới vài năm trước đây, dựa vào quan sát hiển vi, hầu hết các nhà nghiên cứu đều tin rằng khoảng 36 nghìn tỷ tế bào trong cơ thể người trưởng thành chỉ được phân loại thành vài trăm loại riêng biệt: ba loại tế bào cơ, biểu mô và nguyên bào sợi ở da, các loại neuron trong hệ thần kinh, các tế bào nội mô mạch máu, v.v. Nhưng những thành công của Dự án Bộ gene Người đã mở khóa ở cấp độ di truyền cho các nhà nghiên cứu.
Tất cả tế bào đều có cùng một bộ gene là một bản sao DNA gồm 20,000 gene. Sự khác biệt nằm ở cách biểu hiện của bộ gene ở từng tế bào.
Chẳng hạn, để phân biệt tế bào bạch cầu và tế bào cơ, chúng ta dựa vào RNA, là bản phiên mã được sao chép từ một phần trình tự DNA. Nó là tờ hướng dẫn để ribosome – ‘thợ lắp ráp’ nên protein. RNA cho biết gene nào đang hoạt động và biểu hiện trong một tế bào cụ thể. Bằng các công cụ quyền lực mới được hoàn thiện vài năm gần đây, một phòng thí nghiệm có thể đọc cách biểu hiện của hàng chục nghìn, thậm chí hàng triệu tế bào để đánh dấu từng loại riêng biệt, một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Các nhà khoa học bắt đầu kiểm tra biểu hiện gene trong từng tế bào của các mẫu vật thí nghiệm là ruồi giấm và chuột. Năm 2022, bản đồ mạch máu, khối u, nhau thai, thận, ruột và các mô khác đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín, không chỉ nhận dạng, phân loại, mà còn chỉ ra vị trí chính xác của tế bào trong các mô. Đây là thông tin hữu ích để tìm hiểu sự liên quan giữa từng loại tế bào với các bệnh lý.
Phó giáo sư nghiên cứu Elizabeth Rhea tại Đại học Washington đánh giá khối lượng dữ liệu thu được thật đáng kinh ngạc, nó phản ánh bước tiến thần tốc của công nghệ. Khi còn là sinh viên sau đại học tại Đại học Vanderbilt vào 12 năm trước, bà chỉ có thể kiểm tra biểu hiện của một gene duy nhất trong não và gan đang phát triển của chuột. “Bây giờ, chúng ta có thể kiểm tra biểu hiện gene của mọi tế bào trong một mẫu mô”.
Sự đa dạng đáng kinh ngạc
Tuy nhiên, không dễ để hiểu về cơ thể người. Riêng bộ não, mức độ phức tạp về cấu trúc và chức năng của bộ não đã ngăn cản chúng ta tìm hiểu về nó. Luồng suy nghĩ, nhận thức, cảm xúc cũng như các chức năng quan trọng của cơ thể xuất phát từ 86 tỷ tế bào neuron.
Claudia Doege, phó giáo sư ngành sinh học tế bào và bệnh học tại Đại học Columbia nói rằng phải cần rất nhiều nhân lực để giải quyết mớ hỗn độn này. Bản thân bà nghiên cứu vùng hạ đồi, một vùng cổ xưa và quan trọng của bộ não, tiến hóa thành trung tâm kiểm soát các chức năng sống cơ bản như nhiệt độ cơ thể, nhịp tim và cảm giác đói. Năm 2020, bà được mời đánh giá dữ liệu thu thập từ các mô vùng hạ đồi – một cơ hội nghiên cứu hiếm có.
Nghiên cứu viên hậu tiến sĩ Hannah Glover tại phòng thí nghiệm của Doege nói rằng đây là nhiệm vụ to lớn. Glover dành hàng tháng để nghiên cứu tài liệu và tham khảo atlas để xác định các gene biểu hiện ở các vùng não khác nhau và so sánh với các gene biểu hiện ở vùng hạ đồi. Phân tích đã cho thấy mức độ đa dạng cực cao, xác định 350 quần thể tế bào neuron riêng biệt và 19 quần thể tế bào không phải thần kinh tại 10 phân khu khác nhau của vùng hạ đồi.
Rebecca Hodge, trợ lý nghiên cứu tại Viện khoa học Não Allen tại Seattle cũng phát hiện rằng sự đa dạng của các tế bào chủ yếu nằm ở những phần não cổ xưa về mặt tiến hóa.
Trước đây, người ta chú trọng nghiên cứu vùng vỏ não, nơi thực hiện các chức năng cao cấp như tư duy phản biện. Nhưng có lẽ sự đa dạng của các tế bào lại nằm bên ngoài vỏ não.
Theo thống kê chưa đầy đủ, bộ não người có ít nhất 3.300 loại tế bào neuron khác nhau. Phiên bản atlas não chuột toàn diện nhất đã xác định được 5.300 loại tế bào neuron và tế bào thần kinh đệm. Một số vùng quan trọng như tủy sống vẫn còn thiếu dữ liệu. Các nhà khoa học dự đoán các tế bào của não người cũng có mức độ đa dạng tương đương.
Hongkui Zeng, Giám đốc Viện khoa học Não Allen, lãnh đạo dự án lập bản đồ tế bào não chuột, cho biết: “Chúng tôi nghĩ có lẽ số lượng các loại tế bào não người sẽ không quá nhiều so với não chuột.” Bà ước tính não người có thể có từ 5.000 đến 10.000 loại tế bào.
Công trình não chuột không chỉ thống kê các loại tế bào mà đặt chúng trong bối cảnh tương quan giữa các vùng của não.
Họ phát hiện ra rằng, giống như trong não người, những vùng cổ xưa hơn của não chuột, như vùng hạ đồi và hạch hạnh nhân, chứa hầu hết sự đa dạng tế bào của não. Tuy nhiên, các loại tế bào liên quan chặt chẽ với nhau và có tương đối ít điểm khác biệt. Ngược lại, các vùng não mới tiến hóa hơn, như tiểu não và đồi thị, chứa ít loại tế bào hơn với sự khác biệt rõ ràng, và mỗi vùng não chứa các loại tế bào đặc trưng riêng.
Các tác giả đưa ra giả thuyết rằng do vùng hạ đồi từ thời cổ đại đã phụ trách chức năng sống cơ bản như trao đổi chất, hô hấp và sinh sản, nên cần có sự ổn định và bị hạn chế về mặt tiến hóa. So với các vùng não mới, vùng hạ đồi trải qua quá trình tiến hóa lâu dài hơn nên có nhiều loại tế bào hơn, nhưng các tế bào không thể biệt hóa quá nhiều để vẫn đảm bảo duy trì sự sống. “Các mạch điện được thiết lập tốt thì không nên sửa đổi vì có thể gây hỏng toàn hệ thống”, Zeng ví von.
Các vùng não mới hơn như vỏ não thực hiện các chức năng nhận thức và cảm xúc, giúp động vật thích nghi với môi trường. Chúng tiến hóa nhanh hơn, xa hơn, với các tế bào biệt hóa cao độ đặc trưng cho từng vùng não.
Các nhà nghiên cứu muốn áp dụng atlas mới trong việc cải thiện điều trị các bệnh lý thần kinh. Mục đích quan trọng từ đầu của dự án là “cung cấp khoa học cơ bản và tài liệu tham khảo để hiểu sự thay đổi trong bối cảnh bệnh lý”, theo Hodge.
Trong suốt nhiều thập kỷ qua, cac nhà nghiên cứu vẫn không thực sự biết được nguyên nhân của nhiều loại bệnh, ví dụ như Alzheimer, có lẽ các lý thuyết bệnh học trước đây còn quá đơn giản, do chưa hiểu biết sâu rộng về não bộ. Atlas tế bào não có thể mở ra giải pháp mới để phát triển các thuốc điều trị trúng đích và hiệu quả hơn.
Hướng tới bộ atlas hoàn chỉnh
Bộ atlas tế bào não đã làm chấn động giới nghiên cứu y sinh học, và tạo nên xu hướng xây dựng atlas tế bào cho các cơ quan khác. Các atlas mới cho thấy hoạt động khỏe mạnh của mô phụ thuộc vào sự phối hợp hiệu quả của các tế bào có chức năng hơi khác nhau. Chúng cung cấp những hiểu biết quan trọng đối với tình trạng khỏe mạnh và bệnh lý của từng vùng cơ thể.
Từ đó, giới khoa học hướng đến mục tiêu lớn hơn: kết hợp tất cả các atlas tế bào từng cơ quan với nhau thành một bộ “Google Map” của cơ thể con người, như cách so sánh của nhà di truyền tế bào Roser Vento-Tormo tại Viện Wellcome Sanger.
Dự án Human Cell Atlas muốn tổng hợp, phân loại 36 nghìn tỷ tế bào của cơ thể bằng cách liên kết các dự án atlas từ khắp thế giới. Được thành lập từ năm 2016, dự án hiện quy tụ 2.300 cộng tác viên, nhận tài trợ từ Viện Sức khỏe Quốc gia Hoa Kỳ và Liên minh châu Âu, cùng nhiều nhóm tư nhân và khoa học khác.
Kết quả của dự án được kỳ vọng hiện thực hóa trong hai năm nữa. Cũng như tập atlas của Ortelius hay Human Geneome Project, phiên bản đầu tiên của Human Cell Atlas sẽ chưa hoàn chỉnh, cần phải trải qua nhiều lần cải tiến. Nhưng chắc chắn đây là một bước ngoặt trong lịch sử khoa học.
Các phiên bản tương lai có thể sẽ thăm dò đặc tính tế bào sâu sắc hơn. Hầu hết các atlas hiện tại chỉ dựa vào mRNA, trong khi tế bào có nhiều loại RNA khác nữa, và biểu hiện của một gene không nhất thiết đồng nghĩa với sự tổng hợp của một protein cụ thể. Mục tiêu tương lai là thu thập cả dữ liệu về các loại protein và các phân tử khác trong từng tế bào đơn lẻ, Rhea cho biết.
Mục đích trọng tâm của dự án Human Cell Atlas là phải mang tính phổ quát cho toàn nhân loại, nghĩa là cần khảo sát các quần thể trên khắp thế giới để lập bản đồ đầy đủ về sự đa dạng tế bào với nhiều khía cạnh đa dạng: giới tính, tuổi tác, tổ tiên, tình trạng bệnh tật, v.v.
Angelo háo hức mong chờ sự ra đời của atlas tế bào cơ thể người đầu tiên. Nó sẽ cho biết chúng ta cần phải tìm hiểu gì thêm về sinh học cơ bản, đông thời đặt ra những câu hỏi mới cần phải giải đáp, là sự khởi đầu có một cuộc cách mạng khoa học tiếp theo.
“Chúng ta đang mất phương hướng trong nghiên cứu vì thiếu những thông tin cơ bản cần thiết để hình thành hầu hết các câu hỏi quan trọng.” Giống như những tập atlas địa lý đầu tiên còn để sót ngọn núi, dòng sông, hay thậm chí cả một đất nước, bộ atlas tế bào người là những bản phác thảo ban đầu làm nền tảng để bổ sung những tri thức mới.□
Cao Hồng Chiến lược thuật
Nguồn bài và ảnh: https://www.quantamagazine.org/new-cell-atlases-reveal-untold-variety-in-the-brain-and-beyond-20231213/
Bài đăng Tia Sáng số 1/2024
