Kỹ thuật nanostraws trong việc nghiên cứu các hoạt động của tế bào  


Mặc dù chúng ta biết đến sự tồn tại của tế bào khá lâu nhưng các hoạt động của tế bào vẫn còn rất nhiều bí ẩn. Đó là các quá trình sử dụng năng lượng trong tế bào, sự phát triển và biệt hóa. Với cách tiếp cận phổ biến hiện nay trong nghiên cứu tế bào là phá hủy tế bào sẽ có rất nhiều sự thay đổi khi sử dụng các chất ly giải tế bào. Khi tế bào đã ly giải thì chúng ta không còn tế bào nguyên vẹn để nghiên cứu lần nữa. Gần đây, các nhà khoa học của Đại học Stanford đã ứng dụng một kĩ thuật mới có tên gọi là nanostraws để nghiên cứu các quá trình phức tạp của tế bào.

Nanostraws là các ống được làm từ oxide của kim loại, có kích thước nhỏ, rỗng bên trong, cho phép tiếp cận trực tiếp vào tế bào nhưng không làm thay đổi chức năng quan trọng của tế bào. Cơ chế của nanostraws giống như “trích máu” của tế bào. Trong kĩ thuật này, các tế bào được nuôi cấy trong một hệ thống rất nhỏ được gọi là Nanostraw Extraction (NEX) được thiết kế sao cho giống với môi trường trong cơ thể. Tế bào sẽ được cấy trên một màng polymer tại một vị trí có các ống nanostraw xuyên qua màng polymer. Tế bào sẽ phát triển bình thường trên màng, do đó trong vùng lấy mẫu sẽ tương tác với các tế bào xung quanh. Các mẫu nội bào được thu bằng cách cho một dòng điện qua nanostraw làm mở các lỗ nhỏ gần đầu  nanostraws. Trong khoảng thời gian từ 2 đến 5 phút khi các lỗ này được mở, có khoảng 5 đến 10 phần trăm protein, mRNA và các phân tử nhỏ khuếch  tán  từ tế bào qua nanostraw vào dịch nuôi cấy bên dưới. Thành phán dịch nuôi cấy không quan trọng miễn là thích hợp với tế bào. Sau 10 phút khuếch tán, dịch nuôi cấy được lấy ra một ít để phân tích các phản ứng cần thiết như phát huỳnh quang, phát hiện mRNA, ELISA. Tiếp tục nuôi cấy tế bào đến khi nào cần lấy mẫu [1].

Thiết kế và hoạt động của hệ thống NEX [1]

Hệ thống này không phá hủy tế bào và cung cấp thông tin về dung lượng mRNA và protein khá chính xác. Đáng chú ý là khi sử dụng phương pháp này hơn 95% tế bào sống và tiếp tục sinh sản. Thời gian lấy mẫu khá dài, tế bào đệm thần kinh (astrocytes) có thể nuôi cấy hơn 20 ngày.

NEX dựa trên màng polycarbonate với các ống nanostraw đường kính 150 nm xuyên qua màng và nhô ra khoảng 1 – 3 µm trên bề mặt. Màng nanostraw này có phần giá đỡ bên dưới là một khối hình trụ đường kính từ 2 đến 5 mm và có khoảng 48 đến 96 giếng cho môi trường nuôi cấy. Chiều dài của nanostraw có thể điều khiển bằng tổng số lớp màng polycarbonate. Chỉ những tế bào sinh trưởng ở vùng có nanostraw mới lấy mẫu, các tế bào khác không bị ảnh hưởng. Kích thước của hệ thống có thể nuôi cấy từ một tế bào đến 105 tế bào [1].

Một nhóm khác đã định lượng số nanostraw xuyên qua màng tế bào và hệ thống khung xương của tế bào. Màng tế bào và hệ thống khung xương tế bào là rào cản cho các vật lạ bên ngoài xâm nhập vào tế bào. Và để nanostraw có thể thu nhận nhiều phân tử hơn trong tế bào thì một trong những yêu cầu quan trọng là chúng phải xuyên qua một hoặc cả 2 lớp bảo vệ này. Họ đã sử dụng phương pháp vận chuyển ion Co2+ trong tế bào CHO (tế bào buồng trứng chuột Hamster Trung Quốc) đang biểu hiện protien Green Fluorescent phát ra ánh sáng huỳnh quang màu xanh lá cây khi đặt dưới đèn cực tím. Theo nguyên tắc khi ion Co2+ khuếch tán vào trong tế bào này thì khi quan sát dưới đèn cực tím sẽ thấy các các đốm chấm tối nhờ vậy khi vận chuyển ion này càng nhiều qua nanostraw thì sự thay đổi sẽ được ghi nhận qua máy đo ánh sáng huỳnh quang và chụp hình lại. Họ cũng đã chứng minh rằng khi bổ sung thêm các chất hóa học như Latrunculin A, dimethyl sulfoxide (DMSO) có thể hỗ trợ nanostraw xuyên qua 2 lớp rào chắn dễ dàng hơn [2].

Trong tương lai, công cụ này có thể ứng dụng nhiều trong y học. Các nhà khoa học có thể sử dụng khi nghiên cứu về tế bào gốc - các tế bào có thể tiếp tục biệt hóa. Điều này có nghĩa những tế bào này có thể tạo nên bất kì loại tế bào nào và có thể thay thế những tế bào bị sai hỏng [3]. Ngoài ra, nanostraw có thể ứng dụng trong điều chế thuốc bằng cách dễ dàng theo dõi tác động của các loại thuốc. Một ứng dụng khác là có thể nghiên cứu tế bào ung thư phản ứng lại các phương pháp chữa trị như thế nào, từ đó tìm ra cách điều trị thích hợp. 

Tác giả: Võ Thị Hạnh Đan (Đại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM)

Tài liệu tham khảo:

1.        Cao, Y., et al., Nondestructive nanostraw intracellular sampling for longitudinal cell monitoring. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017. 114(10): p. E1866-E1874.

2.        Aalipour, A., et al., Plasma membrane and actin cytoskeleton as synergistic barriers to nanowire cell penetration. Langmuir, 2014. 30(41): p. 12362-12367.

3.        Fox, C.B., et al., Fabrication of Sealed Nanostraw Microdevices for Oral Drug Delivery. ACS nano, 2016. 10(6): p. 5873-5881.