Lần đầu tiên nuôi cấy thành công não người thu nhỏ từ tế bào gốc
Các nhà nghiên cứu tại Viện sinh học phân tử (IMB) tại Vienna, Áo đã lần đầu tiên nuôi cấy thành công một bộ não người thu nhỏ chứa các thành phần vỏ não, hồi hải mã và thậm chí là võng mạc từ các tế bào gốc. Các cấu trúc mô 3D sẽ cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu về các giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát triển não người với độ chi tiết cực cao.
Não người khác biệt rất lớn so với não của hầu hết các loài động vật. Vì vậy, việc quan sát quá trình phát triển của não động vật chỉ mang lại một sự hiểu biết cơ bản về quá trình tương tự xảy ra trong não người. Để nuôi cấy một bộ não người thu nhỏ, giáo sư Juergen Knoblich và các công sự đã lấy các tế bào gốc đa năng cảm sinh (iPS). Đây là các tế bào trưởng thành được tái lập trình để hoạt động giống các tế bào gốc phôi. Các tế bào iPS được bổ sung các dưỡng chất cần thiết cho quá trình phát triển ban đầu của não. Tế bào gốc sẽ phân hóa lần đầu tiên thành mô ngoại bì thần kinh (neuroectoderm) gồm các lớp tế bào mà sau đó trở thành hệ thần kinh của thai nhi. Mô nằm huyền phù trong một khung gel để giúp nó phát triển thành một cấu trúc 3D.
Trong vòng chưa đến 1 tháng, các tế bào gốc đã sinh trưởng thành các hạt cơ quan giống não với đường kính từ 3 đến 4 mm và chứa các cấu trúc tương ứng với hầu hết các vùng của não. Ví dụ, tất cả các hạt cơ quan đều chứa thành phần vỏ não, khoảng 70% các hạt chứa đám rối màng trạch (nơi sản xuất dịch não tủy) và khoảng 10% các hạt chứa mô võng mạc.
Madeline Lancaster, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: "Nếu bạn cung cấp những dưỡng chất phù hợp, các hạt cơ quan sẽ có khả năng tự tổ chức đáng kinh ngạc." Tuy nhiên, một vùng não không được thể hiện trên các hạt cơ quan là tiểu não. Đây là một phần của não đảm trách các kỹ năng vận động và ngôn ngữ. Theo Lancaster thì điều này không có gì ngạc nhiên bởi tiểu não được hình thành chậm hơn so với các vùng khác.
Bằng kỹ thuật ảnh hóa, các nhà nghiên cứu đã có thể phát hiện các hoạt động thần kinh (xem video dưới):
Mô hình não thu nhỏ đã mang lại những cái nhìn cặn kẽ hơn về một loạt những thứ có thể phát triển sai lệch trong quá trình hình thành não. Một ví dụ, để tìm hiểu tại sao não của một thai nhi đôi khi không thể đạt được kích thước đầy đủ hay còn gọi là hội chứng đầu nhỏ (microephaly) thì các nhà nghiên cứu đã nuôi cấy các hạt cơ quan bằng tế bào iPS được lấy từ một bệnh nhân mắc hội chứng này.
Trong những giai đoạn đầu tiên của quá trình phát triển não bộ thông thường, các tế bào gốc sẽ trải qua một thời kỳ phân chia để tăng số lượng. Sau một thời kỳ nhất định, một số tế bào này sẽ chuyển sang sản xuất các nơ-ron thần kinh - được gọi là giai đoạn phân chia không đối xứng.
Bằng việc nghiên cứu mô hình não của người mắc chứng đầu nhỏ, nhóm nghiên cứu đã nhận ra rằng thời kỳ phân chia gia tăng số lượng của tế bào gốc trong não của họ ngắn hơn bình thường. Điều này có nghĩa số lượng tế bào gốc quá ít để được chuyển đổi thành nơ-ron, dẫn đến tình trạng não không thể đạt kích thước lớn nhất.
Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy sự giảm sút về số lượng các nơ-ron trong mô hình não đầu nhỏ có liên quan đến việc thiếu hụt một loại protein có tên CDK5RAP2. Khi họ bổ sung loại protein nào vào các hạt cơ quan, số lượng nơ-ron lập tức gia tăng.
Hiện tại, mô hình não thu nhỏ của viện IMB rất tương quan về kích thước so với não người trong giai đoạn phát triển ban đầu của thai nhi. Để nuôi những bộ não lớn hơn, các tế bào gốc sẽ cần phải phân hóa thành các mạch máu để cung cấp dưỡng chất cho sự phát triển của hạt cơ quan. Điều này khó thực hiện hơn so với việc nuôi cấy các mô não.
Tuy nhiên, nếu nhóm nghiên cứu có thể cải thiện kỹ thuật của họ để hợp nhất các quá trình trên, nó sẽ cho phép họ mô hình hóa các giai đoạn sau của quá trình phát triển não. Qua đó, chúng ta sẽ có lời giải đáp về các hội chứng khác như tự kỷ và tâm thần phân liệt.
Một điều mà những bộ não nuôi cấy trong phòng thí nghiệm không thể thực hiện đó là khả năng sở hữu ý thức. Knoblich cho biết mặc dù nhóm của ông có thể tạo ra một mô hình với cấu trúc khá hoàn chỉnh nhưng những hành vi phức tạp cần có cho các chức năng não cao hơn không thể được tái hiện.
Nhà nghiên cứu Martin Coath đến từ Viện tri thức thuộc đại học Plymouth, Anh quốc cũng đồng ý với ý kiến của Knoblich, ông nói: "Một bộ não thực sự sẽ phải trải qua nhiều bài kiểm tra hơn là chỉ đơn giản được tạo ra từ các tế bào não. Kỹ thuật tiên tiến đã mang lại cho chúng ta 'một thứ gì đó giống như một bộ não' để chúng ta có thể điều chỉnh, nghiên cứu và theo dõi quá trình phát triển của nó. Điều này thật thú vị nhưng thú vị đến mức nào thì sẽ phụ thuộc vào các kết quả mà bộ não tạo ra."
