“Mã vạch” Raman nhận diện tế bào lão hóa mà không phá hủy mẫu

Một tế bào có thể ngừng phân chia nhưng vẫn sống và tiếp tục hoạt động trong mô. Trạng thái này được gọi là lão hóa tế bào. Nó tham gia những quá trình bình thường như phát triển phôi và tái tạo mô, nhưng sự tích tụ tế bào lão hóa cũng có thể liên quan đến viêm cùng nhiều rối loạn do tuổi tác. Khó khăn nằm ở chỗ một số cách nhận diện quen thuộc sẽ phá hủy chính tế bào cần nghiên cứu. [1]

Nhóm nghiên cứu tại MIT và các cơ sở cộng tác đã thử một hướng khác: chiếu ánh sáng vào mẫu, đọc thành phần hóa học bằng kính hiển vi Raman, rồi đối chiếu với hoạt động gen trong mô. Từ nhiều tín hiệu kết hợp, họ xây dựng một dạng “mã vạch” giúp phân biệt tế bào lão hóa mà không làm hỏng chúng. Phương pháp mới được nghiên cứu trên mô da và phổi của chuột, chưa phải công cụ chẩn đoán dành cho người. [1]

Vì sao không thể dựa vào một dấu hiệu duy nhất?

Lão hóa tế bào thường được kích hoạt bởi tổn thương DNA, khiến chu kỳ tế bào dừng lại gần như không thể đảo ngược. Tuy nhiên, tế bào không chết ngay. Nó có thể thay đổi hình dạng, cách chuyển hóa và mô hình biểu hiện gen. Bởi vậy, lão hóa tế bào là một trạng thái gồm nhiều biến đổi đồng thời, không phải một đặc điểm đơn lẻ có thể nhìn thấy rõ trong mọi loại mô. [1]

Hai protein p16 và p21 thường được dùng làm dấu ấn vì chúng liên quan đến việc dừng chu kỳ tế bào. Điểm bất tiện là các quy trình phát hiện chúng có thể làm mất hoặc phá hủy tế bào. Khi đó, nhà nghiên cứu biết mẫu chứa dấu ấn gì nhưng không thể giữ nguyên tế bào để tiếp tục quan sát. Đây là lý do một phương pháp không phá hủy mẫu có giá trị: việc nhận diện không nhất thiết phải là bước cuối cùng của quá trình nghiên cứu. [1]

Kính hiển vi Raman đọc tế bào như thế nào?

Kính hiển vi Raman chiếu ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần lên tế bào và phân tích ánh sáng tán xạ trở lại. Khi ánh sáng tương tác với các phân tử, một phần rất nhỏ thay đổi năng lượng. Những thay đổi này xuất hiện thành các đỉnh trong phổ Raman, tương ứng với các liên kết hóa học nhất định. Nhờ đó, thiết bị có thể thu thập thông tin về lipid, protein và những phân tử khác mà không cần phá hủy tế bào. [1]

Một đỉnh riêng lẻ chưa phải nhãn xác nhận tế bào đang lão hóa. Điều quan trọng là tổ hợp nhiều đỉnh có liên hệ với trạng thái ấy. Có thể hình dung mỗi đỉnh như một vạch trong một mẫu nhận diện: từng vạch cung cấp ít thông tin, nhưng cách chúng xuất hiện cùng nhau trở nên đặc trưng hơn. “Mã vạch” ở đây là cách gọi tổ hợp các dải Raman giàu thông tin, không phải những sọc thật nằm trên tế bào. [1]

Dữ liệu gen giải nghĩa các tín hiệu ánh sáng ra sao?

Phổ Raman cho biết bức tranh hóa học, nhưng tự nó không giải thích đầy đủ tế bào đang thực hiện chương trình sinh học nào. Nhóm nghiên cứu vì thế kết hợp phép đo này với dữ liệu biểu hiện gen ở độ phân giải đơn bào và giải trình tự RNA không gian, kỹ thuật cho biết gen nào đang hoạt động tại những vị trí khác nhau trong mô. Hai lớp dữ liệu bổ sung cho nhau: một bên mô tả phân tử, bên kia phản ánh hoạt động của tế bào. [1]

Nhóm đã phân tích mô da và phổi của chuột hai tháng tuổi và 26 tháng tuổi. Ở cả hai loại mô, những tế bào lớn tuổi biểu hiện sự gia tăng tổng hợp lipid và tích tụ lipid. Các đặc điểm Raman quan trọng sau đó được kết hợp với những dấu hiệu biểu hiện gen để tạo thành mẫu nhận diện tế bào lão hóa. Tuy vậy, vai trò sinh lý của lượng lipid tích tụ này vẫn chưa được xác định. [1]

Da và phổi có cùng một “mã vạch” không?

Kết quả cho thấy trạng thái lão hóa mang cả đặc điểm chung lẫn thay đổi riêng theo mô. Trong tế bào da lão hóa, các con đường liên quan đến co cơ, collagen và quá trình tái cấu trúc chất nền ngoại bào bị ảnh hưởng đáng kể. Ở mô phổi già, hoạt động của các gen liên quan đến kích hoạt miễn dịch và viêm lại tăng lên. Sự khác biệt này phản ánh bối cảnh sinh học của từng loại mô. [1]

Vì vậy, “mã vạch” Raman không nên được hiểu là một nhãn bất biến có thể áp dụng ngay cho mọi cơ quan. Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu dựa trên nhiều đặc điểm đồng thời, nhờ đó tránh phụ thuộc hoàn toàn vào một dấu ấn như p16 hoặc p21. Tuy nhiên, tổ hợp dải Raman nào hữu ích và mức độ ổn định của nó vẫn cần được đánh giá trong từng mô, đặc biệt khi chuyển từ tế bào chuột sang mô người. [1]

Còn bao xa mới đến ứng dụng trên người?

Rào cản trước mắt là tốc độ. Hệ thống hiện mất khoảng 30 giờ để phân tích một mẫu mô rộng chừng một milimét vuông. Nhóm nghiên cứu đang phát triển phiên bản nhanh hơn, tập trung trực tiếp vào những dải Raman quan trọng thay vì thu thập lượng thông tin rộng như trong giai đoạn khám phá. Nếu xử lý được mẫu lớn hơn trong thời gian ngắn hơn, phương pháp mới có thể trở nên phù hợp hơn với các nhu cầu chẩn đoán trong tương lai. [1]

Rào cản quan trọng hơn là phạm vi thử nghiệm. “Mã vạch” hiện được xây dựng từ tế bào chuột, còn việc thích nghi phương pháp cho mô người vẫn đang được tiến hành. Nhóm nghiên cứu nêu khả năng một ngày nào đó có thể dùng thiết bị nội soi để phát hiện tế bào lão hóa trong cơ thể, nhưng đó là viễn cảnh phát triển chứ chưa phải ứng dụng đã đạt được. Hiện tại, đóng góp chính là chứng minh ánh sáng Raman và dữ liệu gen có thể phối hợp để nhận diện trạng thái tế bào trong khi vẫn giữ mẫu nguyên vẹn. [1]

Khả năng giữ lại tế bào làm thay đổi câu hỏi mà nhà nghiên cứu có thể đặt ra. Thay vì chỉ xác định một dấu ấn có xuất hiện hay không, họ có thể liên hệ vị trí, thành phần hóa học và hoạt động gen của tế bào trong cùng bối cảnh mô. Điều đó đặc biệt quan trọng vì tế bào lão hóa không hoàn toàn có hại: chúng vừa đảm nhiệm vai trò sinh lý cần thiết, vừa có thể góp phần gây tổn thương khi tích tụ. Nhận diện chính xác vì thế phải đi trước mọi ý tưởng nhắm mục tiêu vào chúng. [1]