Nếu bạn có theo dõi trang facebook của Mark Zuckerberg thì có thể sẽ thấy ảnh hay nói về Quỹ Chan Zuckerberg và gần đây quỹ này đã tài trợ cho một dự án rất lớn có tên là Human Cell Atlas (hoặc Cell Atlas Initiative), với tham vọng “lập bản đồ” cho toàn bộ tế bào trong cơ thể con người (bao gồm cả tế bào bình/bất thường).
Tại sao Quỹ Chan Zuckerberg lại đầu tư một số tiền lớn như vậy cho dự án này? Vì sao phải tìm hiểu về tất cả các tế bào trong cơ thể con người? Điều đó có thực tế không? Dự án này dựa vào những công nghệ chủ chốt nào? Xây dựng bản đồ tế bào của con người thực sự là tìm hiểu cái gì? Có giống như một cuốn Atlas về địa lý mà bạn coi được ở đâu đó không?
Việc lập bản đồ cho tế bào trong cơ thể sinh vật đã bắt đầu từ lâu, mà nổi tiếng nhất là bản đồ tế bào của loại giun Caenorhbditis elegans từ đầu những năm 1980. Có lẽ tên của loại giun này khá quen thuộc vì đó là một mô hình nghiên cứu di truyền tuyệt vời, đóng góp rất nhiều cho khoa học, đặc biệt đem lại cho các nhà nghiên cứu đến 3 giải Nobel. Năm 2002, cho công trình nghiên cứu “hiện tượng tế bào chết theo chương trình” (programmed cell death). Năm 2006, cho phát hiện về RNA interference. Và năm 2008, cho một phần công trình liên quan tới protein phát huỳnh quang GFP. Những nghiên cứu này và rất nhiều nghiên cứu có giá trị khác đã dựa vào nền tảng di truyền và bản đồ các tế bào đã được thiết lập. Tuy nhiên loài giun này rất nhỏ bé, chỉ dài 1 mm, “trong suốt”, cơ thể chỉ có khoảng 1000 tế bào, nên việc lập bản đồ và mô tả các dòng tế bào đơn giản hơn rất nhiều.
Cơ thể con người vô cùng phức tạp. Theo một số đánh giá, chúng ta có khoảng 35-37 nghìn tỉ tế bào, bao gồm tất cả mọi loại tế bào từ 79 cơ quan gộp lại. Từ các nghiên cứu từ giải phẫu học và sinh học tế bào trong 200-300 năm qua, chúng ta đã lần lượt xác định đặc tính, định danh, phân loại rất nhiều loại tế bào trong mỗi cơ quan trong cơ thể. Tuy nhiên, điều chúng ta biết được vẫn còn chưa đủ.
Chẳng hạn như, chúng ta biết về hệ thần kinh, tế bào thần kinh, nhưng chúng ta không biết được rằng giữa các tế bào thần kinh cùng loại, chúng giống nhau ở mức nào và khác nhau ra sao? Để có thể tạo được những kết nối và đáp ứng quá sức đa dạng trong hoạt động sống của chúng ta.
Hơn nữa, trong quá trình trưởng thành, lão hoá và bệnh lý (như ung thư chẳng hạn), tế bào thay đổi như thế nào? Những mầm mống tế bào ung thư đầu tiên khác với những tế bào anh em, hàng xóm của nó không?
Hoặc là hiện nay chúng ta có thể định danh và hiểu về chức năng của từng loại tế bào trong hệ miễn dịch, nhưng chúng ta chưa biết được rằng trong mỗi loại đó, các tế bào lại hoạt động như thế nào để đáp ứng với từng tác nhân gây bệnh (cả trong và ngoài).
Nói rộng ra, mỗi loại tế bào giống nhau và khác nhau như thế nào, tạo ra một quần thể đa dạng như thế nào, hoạt động phối hợp, tương tác với nhau như thế nào, v.v… và xa hơn nữa là chúng liên quan, góp phần như thế nào trong các loại bệnh, là những câu hỏi đang thu hút được sự quan tâm của cộng đồng khoa học.
Cụ thể, dự án bản đồ tế bào người sẽ hướng đến:
- Lập danh sách tất cả các loại tế bào và tế bào trong cơ thể con người.
- Xác định vị trí của tế bào ở mỗi mô, tại từng cơ quan tương ứng.
- Phân biệt tế bào ở mỗi giai đoạn khác nhau (chẳng hạn tế bào miễn dịch trước và sau khi tiếp xúc kháng nguyên gây bệnh).
- Ghi nhận và mô tả đặc tính của tế bào trong mỗi giai đoạn/hoàn cảnh khác nhau (chẳng hạn như tế bào gốc khi được biệt hoá thì khác với loại chưa biệt hoá như thế nào).
- Theo dõi “lịch sử” và “dòng” của mỗi tế bào trong quá trình phát triển, tế bào cũng có cây phả hệ giống như chúng ta thường hay thấy ở nhà thờ tộc. Ví dụ bản đồ phả hệ của họ Nguyễn Như có nhiều dòng/nhánh nhỏ. Tế bào cũng vậy.
Kết quả của dự án sẽ mang lại lợi ích vô cùng to lớn không chỉ cho nghiên cứu, mà còn cho chẩn đoán và điều trị bệnh trong tương lai, vì:
- Tạo ra một nguồn thông tin khổng lồ về tế bào để tra cứu và đối chiếu. Từ đó người ta có thể dễ dàng tìm ra và xác định loại tế bào mới.
- Phân biệt được tình trạng của tế bào (bệnh, lão hoá, bình thường).
- Tìm ra những protein dấu hiệu mới để phân lập tế bào (cho nghiên cứu) và phát hiện tế bào bệnh (chẩn đoán).
- Phát hiện ra những đối tượng mới cho điều trị.
- Làm nền tảng cho sự phát triển những công nghệ và kỹ thuật phân tích mới trong tương lai.
Dự án tập trung vào 5 mảng lớn: hệ miễn dịch, hệ thần kinh, hệ biểu mô, ung thư và sinh học phát triển.
Hệ miễn dịch là hàng rào bảo vệ giúp cơ thể chống lại các thay đổi bên trong lẫn bên ngoài, từ tác nhân gây bệnh, dinh dưỡng hay thậm chí tình trạng tâm lý. Vì vậy hệ miễn dịch liên quan đến rất nhiều loại bệnh rất phổ biến hiện nay như ung thư, bệnh tự miễn, bệnh tiểu đường, bệnh nhiễm. Hệ miễn dịch bao gồm rất nhiều loại tế bào, thực hiện chức năng ở hai “chiến tuyến”: miễn dịch tự nhiên và miễn dịch đáp ứng. Các tế bào miễn dịch sống ở nhiều cơ quan khác nhau từ lúc sinh ra (tuỷ xương, tuyến ức), được huấn luyện và trưởng thành (lá lách, hạch bạch huyết) và thực hiện chức năng (đặc biệt ở các cơ quan tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài như phổi, ruột, da,…). Vì vậy, dự án này sẽ cho phép các nhà khoa học tìm hiểu sâu hơn về mức độ phân tử, về bộ gene, bộ di truyền ngoại mã và đặc biệt là bộ “phiên mã” (transcriptome) của các dòng/nhánh của tế bào miễn dịch ở từng thời gian và địa điểm khác nhau.
Não và hệ thần kinh là cơ quan phức tạp nhất của con người với ước tính hơn 86 tỷ tế bào. Trong số các loại bệnh, thì nguyên nhân của các bệnh liên quan đến thần kinh như Alzheimer, Parkinson, tự kỉ, trầm cảm, mất trí nhớ,… vẫn còn rất bí ẩn. Ngoài ra ước vọng hiểu về cách thức hoạt động của hệ thần kinh cũng giúp ta hiểu thêm về quá trình phát triển tư duy, tâm lý, nhận thức, cảm xúc của con người. Những năm gần đây đã có nhiều dự án xây dựng bản đồ tế bào riêng cho bộ não.
Hệ biểu mô là hệ mô cơ bản, thực hiện nhiều chức năng cơ bản nhất trong cơ thể con người như da, phổi, ruột, tuyến vú, tuyến mồ hôi, thận, gan v.v… Tế bào biểu mô có hình dáng, đặc điểm vô cùng đa dạng và phong phú, thực hiện nhiều chức năng đa dạng như tiết dịch (tuyến vú, tuyến mồ hôi), hấp thụ (ruột), bảo vệ (da), vận chuyển, cảm nhận, v.v… Đó cũng là hệ mô dễ bị tổn thương nhất. Phần lớn những loại ung thư dạng cứng xuất phát từ biểu mô.
Ung thư xuất hiện gần như ở mọi cơ quan trong cơ thể. Mỗi khối u không phải là một đơn vị độc lập, riêng rẻ, mà chúng cũng có thể được coi là một dạng mô, nhưng là mô bất thường. Tế bào ung thư nằm trong sự liên kết chặt chẽ với nhiều thành phần quanh chúng như tế bào lành, tế bào mạch máu, tế bào thuộc mô liên kết, chất nền ngoại bào, v.v… Mỗi khối u đều khác biệt. Khối u của mỗi bệnh nhân lại cũng khác nhau. Khi nghiên cứu khối u như một khối hỗn hợp, rất khó có thể tìm ra được những khác biệt này và vai trò của những tế bào thành phần khác trong một mô khối u. Dự án này cho phép các nhà khoa học có cái nhìn sâu hơn, chi tiết hơn đến từng tế bào trong khối u, để từ đó hiểu rõ vai trò, vị trí của chúng. Những hiểu biết này sẽ dẫn đường cho việc tìm ra các phương thức chẩn đoán và điều trị mới trong ung thư.
Cuối cùng, sinh học phát triển là một ngành nghiên cứu nền tảng, đặc biệt cung cấp kiến thức và công cụ cho các nghiên cứu về tế bào gốc và ung thư. Mỗi cơ thể đều phát triển từ một tế bào duy nhất – hợp tử. Từ một tế bào đó, cơ thể đã hình thành như thế nào? Từng cơ quan, bộ phận cơ thể được tạo ra, trưởng thành ra sao? Cơ chế sinh học nào điều khiển? Tế bào đi qua những giai đoạn nào, thay đổi ra sao? Các dòng/nhánh tế bào chuyển biến như thế nào? Với tham vọng giống như bản đồ tế bào của loại giun Caenorhbditis elegans, các nhà khoa học muốn xây dựng một bản đồ phả hệ tương tự cho sự phát triển của con người. Tất cả đều xuất phát từ hợp tử.
Đây là thời điểm phù hợp nhất cho dự án này vì hiện nay có các công nghệ tiên tiến cho phép thực hiện các phân tích theo cả chiều sâu lẫn chiều rộng. Theo chiều rộng, trong khoảng 15-20 năm trở lại đây, các thuật ngữ “ome” trở nên phổ biến hơn trong nghiên cứu về tế bào, chẳng hạn genome (bộ gene), epigenome (bộ di truyền ngoại mã), transcriptome (bộ phiên mã), proteome (bộ protein). Và “omics” nghĩa là lĩnh vực nghiên cứu đối tượng tương ứng genomics là nghiên cứu về bộ gene, proteomics là nghiên cứu về bộ protein. Những nghiên cứu “omics” này thường cho chúng ta một bức tranh toàn cảnh một đối tượng của tế bào. Thay vì chỉ tập trung vào thay đổi một vài gene như trước đây, các nghiên cứu trong lĩnh vực genomics quan sát các thay đổi này trên toàn bộ gene. Tương tự như vậy với các đối tượng khác như bộ di truyền ngoại mã, bộ protein và bộ phiên mã. Cho đến gần đây, những nghiên cứu “toàn bộ” như vậy thường được thực hiện trên một quần thể tế bào lớn (cỡ 1000 – 1 triệu). Tuy nhiên, khi nghiên cứu trên cả quần thể tế bào thì những khác biệt giữa từng tế bào đơn gần như bị loại bỏ. Trong 5 năm trở lại đây, các công nghệ mới cho phép phân lập, tách chiết và cố định từng tế bào đơn và vì vậy mở đường cho các nghiên cứu “toàn bộ” được thực hiện ở cả chiều sâu nữa.
Công nghệ chủ chốt nhất của dự án này chính là giải trình tự RNA ở từng tế bào đơn (single cell RNA-seq) sẽ được viết sâu hơn trong những bài tiếp theo.
Hi vọng nguồn dữ liệu vô cùng to lớn từ dự án này và nhiều dự án khác về Bản đồ tế bào người sẽ giúp chúng ta, bao gồm các nhà khoa học và cộng đồng, có được hiểu biết sâu rộng hơn, giải mã được nhiều bí ẩn về bản chất của tế bào và sự sống, tìm được nhiều phương pháp trị liệu mới và nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
