Lysosome là gì? Cấu trúc, chức năng và ứng dụng trong y học

Trong thế giới vi mô của tế bào, lysosome từng bị coi là “thùng rác” – nơi tiêu hủy các phế thải phân tử. Nhưng quan niệm đó đã hoàn toàn thay đổi. Lysosome hiện được xác định là một trung tâm điều phối tầm cỡ chiến lược của tế bào, tham gia vào các hoạt động như cảm biến dinh dưỡng, điều hòa biểu hiện gen, sửa chữa màng tế bào, cân bằng ion và đáp ứng stress. Vậy lysosome là gì? Chúng gồm những loại nào? Cấu trúc, chức năng và ứng dụng của chúng ra sao? Hãy cùng Mescells tìm hiểu qua bài viết sau đây.

1. Lysosome là gì?

Lysosome là các bào quan có màng đơn bao bọc, được tìm thấy chủ yếu trong tế bào động vật và người, chứa hơn 50 loại enzyme thủy phân axit khác nhau. Các bào quan năng động này hoạt động ở cuối các con đường nội bào, tự thực và thực bào, với các enzyme thủy phân axit lysosome được sử dụng để phân giải nhiều loại đại phân tử được vận chuyển qua các con đường này. Lysosome có thể chiếm tới 5% thể tích nội bào và có kích thước và hình thái không đồng nhất, thường chứa các chất lắng đọng đậm đặc điện tử và các vòng xoắn màng (1).

Lysosome là một bào quan của các tế bào nhân thực

Chúng được chia thành bốn loại như sau:

• Lysosome sơ cấp: Là những túi nhỏ tách ra từ bộ máy Golgi, chứa các enzyme thủy phân không hoạt động. Về cơ bản, chúng là các hạt dự trữ đang chờ chất nền.
• Lysosome thứ cấp: Được hình thành khi lysosome sơ cấp hợp nhất với các không bào chứa vật chất lạ hoặc thức ăn, khởi đầu quá trình tiêu hóa. Chúng còn được gọi là không bào tiêu hóa hoặc phagolysosome.
• Thể tự thực (thể tự tiêu): Chúng được hình thành khi một lysosome sơ cấp hợp nhất với một túi chứa vật chất được tiêu hóa. Túi được hợp nhất có thể là endosome (chứa chất dinh dưỡng) hoặc phagosome (chứa các tác nhân gây bệnh ngoại lai như vi khuẩn). Bên trong, các enzyme trở nên hoạt động và bắt đầu phân giải các vật chất được nuốt vào
• Thể cặn (Lysosome bậc ba): Đây là những túi chứa các chất không tiêu hóa được, được hình thành sau khi quá trình tiêu hóa hoàn tất. Chúng có kích thước lớn, hình dạng bất thường và có thể được loại bỏ khỏi tế bào hoặc tích tụ theo thời gian.

2. Cấu trúc của lysosome

2.1. Hình thái và kích thước

Lysosome là các bào quan màng đơn có hình dáng đa dạng hình cầu, hình ống hoặc dạng không quy tắc, với đường kính thay đổi từ 0,1-1,2 micromet tùy theo loại tế bào, trạng thái dinh dưỡng và thành phần phân giải bên trong. Chúng là các bào quan không đồng nhất và đa dạng do thay đổi liên tục về phân bố trong tế bào, thành phần protein màng, lipidome và các loại enzyme để đáp ứng linh hoạt với các tín hiệu dinh dưỡng, quá trình nội bào và tự thực bào.

2.2. Màng lysosome

Màng lysosome có cấu tạo điển hình là một lớp phospholipid kép, kiểm soát sự vận chuyển vật chất vào và ra khỏi lysosome nhờ tính thấm và khả năng hợp nhất với các không bào tiêu hóa hoặc nuốt chửng vật chất trong tế bào chất. Ước tính có khoảng 20 hệ thống vận chuyển khác nhau trên màng lysosome, nhưng cho đến nay chỉ một số ít đã được xác định đầy đủ ở cấp độ phân tử. Hai protein được nghiên cứu kỹ nhất là cystinosin và sialin, tham gia vào quá trình vận chuyển cystine và axit sialic tương ứng.

Một trong những thành phần quan trọng nhất trên màng lysosome là bơm proton V-ATPase (vacuolar H⁺-ATPase loại V). Bơm này sử dụng năng lượng ATP để bơm liên tục ion H⁺ (proton) từ tế bào chất vào lòng lysosome, duy trì môi trường axit ở pH 4,5-5,0 là điều kiện bắt buộc để toàn bộ enzyme thủy phân hoạt động đúng chức năng.

Nhóm protein chiếm ưu thế nhất trên màng lysosome – khoảng 50% tổng lượng protein màng – là các protein màng tích hợp được glycosyl hóa cao, gọi chung là LAMP (Lysosome-Associated Membrane Protein) và LIMP (Lysosomal Integral Membrane Protein). Chúng có một miền bào tương ngắn gồm 10-20 axit amin chứa các tín hiệu định vị đặc hiệu tương tác với các phức hợp adaptor (APS) để phân loại tại mạng lưới trans-Golgi và hướng đến lysosome. Các protein khác liên kết với màng một cách tạm thời hoặc đặc hiệu theo tế bào (2).

Lysosome có cấu trúc màng đơn bao bọc

2.3. Lòng lysosome

Lòng lysosome là môi trường axit đặc trưng với độ pH 4,5-5,5, chứa một bộ enzyme thủy phân phong phú:

• Cathepsin (protease): Là nhóm enzyme được nghiên cứu nhiều nhất trong lysosome. Phân loại theo cơ chế xúc tác: serine cathepsin (A, G), aspartic cathepsin (D, E) và cysteine cathepsin (11 loại: B, C, F, H, L, K, O, S, V, W, X). Cathepsin B và D đặc biệt quan trọng trong cơ chế chết tế bào phụ thuộc vào lysosome. Lưu ý: Trong bối cảnh lysosome tế bào nói chung, Cathepsin G là thành phần đặc thù của tế bào miễn dịch (trong hạt azurophil của bạch cầu trung tính) hơn là một enzyme lysosome điển hình.
• Glycosidase: Phân giải các phức hợp đường phức tạp (glycoconjugate). Ví dụ, glucocerebrosidase (GBA1) phân giải glucocerebroside – đột biến gen GBA1 gây bệnh Gaucher và là yếu tố nguy cơ chính của bệnh Parkinson.
• Lipase, nuclease, phosphatase, sulfatase: Đảm nhiệm phân giải lipid, DNA/RNA, phosphoester và các hợp chất sulfate tương ứng.

Tất cả enzyme thủy phân được tổng hợp dưới dạng tiền enzyme tại lưới nội chất, được gắn nhãn mannose-6-phosphate (M6P) tại Golgi, sau đó được vận chuyển qua thụ thể M6P (MPR) vào endosome và cuối cùng đến lysosome.

3. Chức năng của lysosome

Lysosome tham gia vào vô số chức năng tế bào, vượt xa vai trò là bào quan phân giải. Các chức năng quan trọng nhất của lysosome, cụ thể là xuất bào protein và túi, sửa chữa màng tế bào, tái cấu trúc và phát triển màng tế bào, truyền tín hiệu giữa các bào quan và giữa các tế bào, cảm nhận chuyển hóa, chuyển hóa lipid và tổn thương tế bào (3). Cụ thể như sau:

Phân giải và tái chế đại phân tử: Đây là chức năng cốt lõi của lysosome. Chúng tiếp nhận các đại phân tử từ hai con đường chính là nhập bào và tự thực bào. Sau khi phân giải, các sản phẩm đơn giản, bao gồm amino acid, monosaccharide, nucleotide, acid béo, sẽ được tái sử dụng như nguyên liệu tổng hợp hoặc nguồn năng lượng.

Cảm biến dinh dưỡng: Một chức năng đột phá được xác định trong thập kỷ gần đây, cho thấy lysosome là nơi diễn ra quá trình cảm biến nồng độ amino acid trong tế bào. Chúng điều phối các chức năng trọng yếu này thông qua sự tương tác đồng bộ giữa enzyme thủy phân, chất vận chuyển dinh dưỡng và các yếu tố tín hiệu.

Tự thực bào: Cơ chế này giúp tế bào loại bỏ các bào quan hỏng, protein kết tụ và mầm bệnh nội bào, tái chế thành các phân tử tiền chất có thể tái sử dụng.

Cân bằng ion và tín hiệu calcium: Lysosome là một trong những kho dự trữ Ca²⁺ quan trọng của tế bào bên cạnh lưới nội chất. Ca²⁺ được giải phóng từ lysosome qua kênh TRPML1 điều phối nhiều quá trình thiết yếu, bao gồm sinh tổng hợp lysosome, di chuyển, xuất bào, dung hợp màng và sửa chữa màng khi bị tổn thương. Mất cân bằng Fe²⁺ trong lysosome dẫn đến tích lũy ROS (gốc tự do) và peroxy hóa lipid màng, gây tổn thương lysosome.

Sửa chữa màng sinh chất: Khi màng tế bào bị tổn thương, lysosome có thể dung hợp với màng sinh chất và xuất các chất ra ngoài tế bào theo cơ chế xuất bào (lysosomal exocytosis), giúp “vá” lại vùng màng hỏng. Đây là một chức năng phòng vệ quan trọng mới được làm sáng tỏ.

Chết tế bào phụ thuộc lysosome (LDCD): Là một dạng chết tế bào được lập trình. Quá trình này kích hoạt khi màng lysosome bị tổn thương (bị tấn công bởi các tác nhân như stress oxy hóa (ROS), sự tích tụ sắt hoặc các loại thuốc đặc trị), từ đó giải phóng các enzyme thủy phân (như cathepsin) vào tế bào chất. Việc rò rỉ các enzyme này trực tiếp phá hủy cấu trúc tế bào và dẫn đến hoại tử hoặc tự hủy.

Chức năng cốt lõi của Lysosome là tiếp nhận và phân giải các đại phân tử

4. Ứng dụng của lysosome trong y học và nghiên cứu

4.1. Điều trị bệnh tích trữ lysosome (Lysosomal Storage Diseases – LSDs)

Bệnh tích trữ lysosome (LSDs) là nhóm hơn 50 bệnh chuyển hóa di truyền hiếm gặp, xảy ra do đột biến gây thiếu hụt enzyme lysosome hoặc protein màng, dẫn đến tích lũy đại phân tử chưa phân giải trong các mô. Liệu pháp thay thế enzyme (Enzyme Replacement Therapy – ERT) hiện là nền tảng điều trị bệnh lý này.

Ngoài ERT, các hướng tiếp cận mới đang được nghiên cứu tích cực bao gồm liệu pháp gen, cấy ghép tế bào gốc tạo máu và các phân tử nhỏ (substrate reduction therapy).

4.2. Điều trị ung thư

Lysosome đang được công nhận như một mục tiêu điều trị chiến lược trong ung thư. Các hướng ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Tăng tính thấm màng lysosome (LMP): Gây ra hiện tượng LMP trong tế bào ung thư dẫn đến sự rò rỉ cathepsin vào bào tương, gây chết tế bào không phụ thuộc caspase, giúp khắc phục tình trạng kháng thuốc hóa trị.
• Nghiên cứu và thử nghiệm thuốc tác động lên lysosome: Chloroquine (CQ) và hydroxychloroquine (HCQ) đã và đang được thử nghiệm lâm sàng rộng rãi nhằm mục đích ức chế quá trình tự thực (autophagy). Đây là cơ chế mà tế bào ung thư thường dùng để tự bảo vệ khỏi hóa chất. Siramesine và các dẫn xuất thế hệ mới được chứng minh là có khả năng gây độc trực tiếp lên tế bào ung thư vú, ung thư máu, hoặc các tế bào gốc ung thư kháng thuốc mà không phụ thuộc vào cơ chế tự thực. Tuy nhiên, đến nay siramesine vẫn chưa có thử nghiệm lâm sàng thành công trên người và toàn bộ bằng chứng hiện tại là tiền lâm sàng (4).
• Các thuốc liên hợp kháng thể (ADC): Chúng được thiết kế để giải phóng hoạt chất gây độc tế bào bên trong lysosome sau khi được đưa vào bên trong tế bào.

4.3. Điều trị thoái hóa thần kinh

Nhắm mục tiêu vào rối loạn chức năng lysosome để cải thiện quá trình loại bỏ các protein bị gấp sai cấu trúc (ví dụ: α-synuclein, amyloid-β). Kích hoạt yếu tố phiên mã TFEB (Transcription Factor EB) là một chiến lược đầy hứa hẹn để thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp lysosome và tăng cường sự phân hủy các khối protein độc hại trong bệnh Parkinson và Alzheimer.

4.4. Điều trị xơ vữa động mạch

Lysosome trong đại thực bào tham gia vào quá trình phân giải lipid. Lysosome bị lỗi trong các tế bào này có thể dẫn đến hình thành tế bào bọt và vỡ mảng xơ vữa. Các chiến lược điều trị bao gồm kích hoạt TFEB để thúc đẩy quá trình loại bỏ cholesterol qua trung gian lysosome.

4.5. Mô hình và công cụ nghiên cứu

Lysosome được sử dụng rộng rãi như một mô hình nghiên cứu và công cụ trong nghiên cứu hiện đại.

• Hệ thống vận chuyển thuốc: Các nhà nghiên cứu chế tạo các chất mang nano được thiết kế để nhắm mục tiêu vào lysosome nhằm giải phóng thuốc một cách có kiểm soát dựa trên môi trường pH axit của lysosome.
• Các chất dò huỳnh quang dùng trong hình ảnh: Các chất dò huỳnh quang nhạy cảm với độ nhớt và phụ thuộc vào pH được thiết kế để nhắm mục tiêu vào lysosome, cho phép quan sát hoạt động của lysosome và sự thay đổi pH trong tế bào ung thư theo thời gian thực (5).
• Nghiên cứu cơ chế chết tế bào: Nghiên cứu về kiểm soát chất lượng lysosome (LQC) – bao gồm sửa chữa lysosome, lysophagy (tự thực bào chọn lọc các lysosome bị hư hỏng) và tái tạo lysosome – giúp hiểu rõ hơn cách tế bào tồn tại, hoặc không tồn tại dưới tác động của stress.
• Nghiên cứu về điều hòa miễn dịch: Nghiên cứu về cách lysosome xử lý quá trình phân hủy vi khuẩn, các phân tử điểm kiểm soát miễn dịch (ví dụ: PD-L1) và quá trình xử lý kháng nguyên giúp phát triển các liệu pháp miễn dịch tốt hơn.

Hiểu rõ cơ chế bệnh lý tích trữ lysosome giúp đội ngũ y học nghiên cứu liệu pháp điều trị phù hợp

Từ một “thùng rác” đơn giản trong mô hình sinh học cổ điển, Lysosome đã vươn lên trở thành một trong những bào quan được nghiên cứu nhiều nhất và hứa hẹn nhiều tiềm năng nhất trong y sinh học hiện đại. Sự hiểu biết sâu sắc về lysosome không chỉ làm phong phú kiến thức sinh học tế bào, mà còn trực tiếp tạo ra những bước đột phá trong điều trị ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh, bệnh tích trữ lysosome và xơ vữa động mạch. Có thể khẳng định, lysosome thực sự là một “trung tâm chỉ huy” cần được y học thế kỷ XXI tiếp tục khám phá.

NGUỒN THAM KHẢO

• (1): “Exploring lysosomal biology: current approaches and methods.” n.d. Biophysics Reports. https://www.biophysics-reports.org/article/doi/10.52601/bpr.2023.230028.
• (2): B G Winchester. 2001. “Lysosomal membrane proteins.” PubMed. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11588980/.
• (3): Catherine Meyer-Schwesinger. 2021. “Lysosome function in glomerular health and disease.” Springer Nature Link. https://link.springer.com/article/10.1007/s00441-020-03375-7#Sec3.
• (4): S Ma. 2016. “Ferroptosis is induced following siramesine and lapatinib treatment of breast cancer cells.” PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4973350/.
• (5): Jianlei Bi. 2025. “Lysosomes: guardians and healers within cells- multifaceted perspective and outlook from injury repair to disease treatment.” Springer Nature Link. https://link.springer.com/article/10.1186/s12935-025-03771-5.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells