Khám phá bí ẩn phân tử của tế bào gan người

Với các công nghệ tiên tiến nhất và kỹ thuật phần mềm, nhóm nghiên cứu đứng đầu bởi Tiến sĩ Sonya MacParland và Ian McGilvray, các nhà khoa học thuộc Chương trình Cấy ghép của Mạng lưới Y tế Đại học (UHN), Viện Nghiên cứu Bệnh viện Đa khoa Toronto và Tiến sĩ Gary Bader, Giáo sư tại Trung tâm Nghiên cứu Tế bào và Sinh học phân tử Donnelly tại Đại học Toronto, đã lập bản đồ quang cảnh tế bào của 8,444 tế bào riêng lẻ lấy từ các mô gan của những người hiến tặng.

"Trong 20 năm qua, chúng tôi đã nghiên cứu gan như một món súp tế bào trái ngược với thành phần riêng biệt của nó. Điều này khiến việc tập trung vào các tế bào nhất định thúc đẩy bệnh gan trở nên khó khăn", tiến sĩ MacParland, tác giả dẫn đầu của nghiên cứu cho biết và Trợ lý Giáo sư tại Khoa Miễn dịch Học và Khoa Y học Thí nghiệm và Sinh bệnh học, Đại học Toronto.

Bằng cách kiểm tra cấu trúc biểu hiện gen của các tế bào này - khoảng 1.500 gen hoạt động mỗi tế bào - nhóm nghiên cứu tìm thấy 20 quần thể tế bào riêng biệt được tạo thành từ tế bào gan, tế bào nội mô, tế bào ống mật và một số tế bào miễn dịch như tế bào B, tế bào T và tế bào tiêu diệt tự nhiên (NK).

 

(Trái sang phải) Tiến sĩ Sonya MacParland và Ian McGilvray, các nhà khoa học thuộc Chương trình Cấy ghép của Mạng lưới Y tế Đại học, dẫn đầu nghiên cứu lập bản đồ đầu tiên về tế bào gan ở cấp độ phân tử cùng với Tiến sĩ Gary Bader, Giáo sư, Trung tâm Nghiên cứu Tế bào và Sinh học phân tử Donnelly, Đại học Toronto. Nguồn ảnh: UHN

"Những lượng này cho thấy các khía cạnh mới về miễn dịch học của gan, như sự hiện diện của hai quần thể khác biệt đáng ngạc nhiên các đại thực bào của gan ("kẻ ăn” các mảnh vỡ tế bào) với các chức năng viêm và không viêm," các tác giả viết rằng, "Giải trình tự RNA đơn bào của gan người cho thấy những quần thể riêng biệt đại thực bào thường trú tại gan", được công bố ngày hôm nay trên tạp chí Nature Communications.

"Chúng tôi đưa ra một cách nhìn toàn diện về gan ở góc độ đơn bào để phác thảo các đặc tính mới của tế bào thường trú tại gan, và cung cấp một bản đồ mới về môi trường vi mô miễn dịch ở người," các tác giả lưu ý.

Các tác giả cũng sẽ cung cấp nghiên cứu của hộ cho Dự án Atlas Tế bào người, một hợp tác quốc tế, truy cập tự do để lập bản đồ tất cả các tế bào cơ thể người nhằm giúp các nhà khoa học hiểu rõ các biến thể di truyền tác động đến nguy cơ mắc bệnh và ảnh hưởng đến sức khỏe. Bởi vì nó là một nguồn mở, miễn phí cho mọi nhà nghiên cứu trên thế giới, nó sẽ thúc đẩy các phát hiện mới giúp đưa ra các phương pháp điều trị phát triển thuốc mới.

Tiến sĩ Ian McGilvray, Giám đốc nghiên cứu, Chương trình cấy ghép UHN và Phó Giáo sư Khoa Phẫu thuật tại Đại học Toronto, đã thực hiện hàng trăm ca ghép gan và phẫu thuật ung thư. Ông muốn thay đổi cách chúng ta điều trị bệnh gan. Nhưng để làm được điều đó, ông nói rằng trước hết chúng ta cần phải hiểu được cách gan hoạt động ở mức cơ bản nhất của mỗi tế bào.

Sự khác biệt giữa các tế bào là rất lớn, ông giải thích, nhưng cho tới năm 2018, điều đáng ngạc nhiên là chúng ta vẫn biết rất ít về quang cảnh tế bào của gan.

Tác động của điều này là trong nhiều trường hợp suy gan, lựa chọn duy nhất của chúng ta là ghép, ông nói, lưu ý rằng phương pháp điều trị thay thế, giảm tỷ lệ thải ghép và giải pháp y học tái tạo, chỉ có thể được tìm thấy nếu chúng ta hiểu cách tế bào gan phát triển và hoạt động cùng nhau trong các mô và hệ thống sinh học.

Tính cấp bách của việc tìm kiếm các phương pháp thay thế được thúc đẩy sự gia tăng gánh nặng bệnh gan, ông nói. Có tới 23% những người béo phì có nguy cơ bị gan nhiễm mỡ kèm theo viêm, ví dụ, và hơn 70 triệu người bị nhiễm viêm gan siêu vi C mạn tính.

Trong việc tạo ra bản đồ gan, nhóm nghiên cứu phải vượt qua một số thách thức.

Trước hết, dự án chỉ có thể thực hiện được bởi một nhóm chuyên gia đa ngành gồm các bác sĩ phẫu thuật cấy ghép, các nhà miễn dịch học, các chuyên gia về gan, các nhà khoa học máy tính và các nhà nghiên cứu bộ gen từ các viện khác nhau để phát triển bản đồ đầu tiên của tạng đặc.

Một vấn đề quan trọng khác trong nghiên cứu gan người là sự hạn chế trong việc tiếp cận với mô tươi. Các mẫu trong nghiên cứu được lấy từ những người hiến tặng đã chết có thể coi là chấp nhận được cho cấy ghép gan, với sự đồng thuận và phê chuẩn đạo đức. Điều này khiến nó độc đáo trên thế giới, trái ngược với phương pháp nghiên cứu gan tiêu chuẩn từ các mẫu sinh thiết.

Thách thức thứ ba là việc cô lập các tế bào đơn lẻ từ mô gan. Các tế bào của gan như tế bào gan và những tế bào khác thì rất mỏng manh và thường không sống sót qua quá trình chiết tách mô tiêu chuẩn, có thể bao gồm việc cắt, tách và lọc mô thành những phần nhỏ hơn. Trong quá trình này, các tế bào thường chết.

Nhưng với những kinh nghiệm đã đạt được trong cấy ghép và thử nghiệm thận trọng, các nhà nghiên cứu đã có thể phát triển các giao thức tốt nhất bằng cách sử dụng hỗn hợp enzyme để nhẹ nhàng tháo dỡ các tế bào được bọc trong mô liên kết giống mạng nhện của gan, mà không thực sự làm tổn thương chính các tế bào mỏng manh đó.

Chỉ khi đó nhóm mới có thể bắt đầu nghiên cứu kết cấu phân tử của mỗi tế bào độc lập. Bước này là vô cùng thiết yếu trong việc hiểu rõ hơn bằng cách nào mà sự thay đổi tuy nhỏ nhưng quan trọng của một tế bào có thể đẩy nhanh giai đoạn của bệnh trong phức hợp nhiều tế bào khác.

Những tiến bộ công nghệ mới nhất đã giúp nhóm vượt qua những hạn chế của các kỹ thuật trước đây như hệ gen học. Mặc dù nó có thể phân tích đồng thời nhiều loại tế bào "với số lượng lớn", nó không thể phân định những khác biệt quan trọng giữa các tế bào hoặc khi kết hợp nhiều dữ liệu khác.

Trao đổi với các đồng nghiệp của họ tại Trung tâm Hệ gen học Princess Margaret với hệ thống 10X Genomics Chromium vượt trội trong việc phân tích các mô phức tạp và các tập hợp tế bào không đồng nhất, và với Tiến sĩ Gary Bader tại Trung tâm Donnelly của Đại học Toront, người phát triển hệ thống phân tích dữ liệu tân tiến và phần mềm phân tích đường dẫn tùy chỉnh cho các nhà nghiên cứu, nhóm nghiên cứu sau đó đã có thể vạch ra chức năng di truyền và phân tử của từng tế bào và cách mỗi tế bào đóng góp vào chức năng gan tổng thể.

“Chúng tôi đã tìm thấy một số điều rất thú vị về gan người mà chúng tôi không ngờ tới được” Tiến sĩ McGilvray nói rằng. "Trước nghiên cứu này, chúng tôi không biết đại thực bào gan như 'cỗ xe tăng' của hệ miễn dịch tiêu diệt các chất lạ và điều phối phản ứng miễn dịch thực ra là gì. Chúng tôi đã tìm thấy hai quần thể đại thực bào riêng biệt trong gan người, một gây viêm và một kháng viêm."

Hiểu biết mới này có thể giúp các nhà khoa học khai thác hai loại đại thực bào đối nghịch này để, ví dụ, đạt được "sự chấp nhận" của một tạng hiến mới, theo Tiến sĩ McGilvray. Đối với những người nhận cấy ghép, ông giải thích, trong tương lai, các bác sĩ có thể muốn điều chỉnh suy giảm số tế bào gây viêm và điều chỉnh gia tăng các tế bào kháng viêm để người nhận không loại bỏ cơ quan mới, và thậm chí có thể không cần dùng nhiều như trước hay bất kỳ thuốc ức chế miễn dịch nào.