Tế bào gốc thần kinh: Đặc tính, vai trò và ứng dụng trong y học

Từ những năm 1990 đến nay, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng não người vẫn chứa đựng những tế bào đặc biệt có khả năng tạo ra tế bào thần kinh mới suốt cả cuộc đời – đó là tế bào gốc thần kinh. Phát hiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới cho y học tái tạo, đặc biệt là trong lĩnh vực y học cá nhân hóa.

Ở bài viết này, Mescells sẽ đưa ra những thông tin hữu ích về tế bào gốc thần kinh: khái niệm, đặc tính sinh học, đóng vai trò gì trong não bộ và đang được ứng dụng như thế nào trong y học tái tạo.

1. Tế bào gốc thần kinh là gì?

Tế bào gốc thần kinh (NSCs) là các tế bào nguyên thủy, chưa biệt hóa, có khả năng tự tái tạo trong hệ thần kinh trung ương, tạo ra các loại tế bào chính của não như tế bào nơron, tế bào hình sao và tế bào ít nhánh. Chúng rất quan trọng cho sự phát triển của hệ thần kinh và tồn tại đến tuổi trưởng thành để hỗ trợ tính dẻo dai và khả năng tái tạo.

Tế bào gốc thần kinh góp phần sản sinh ra các nguyên bào thần kinh, giúp duy trì chức năng học tập và trí nhớ ở người trưởng thành cũng như quá trình sửa chữa và bổ sung tế bào sau các bệnh lý về não. Với tư cách là tiền thân tự nhiên của các loại tế bào thần kinh khác nhau, tế bào gốc thần kinh được coi là những ứng cử viên rất hấp dẫn để sử dụng làm tác nhân điều trị trong các rối loạn của hệ thần kinh, chẳng hạn như đột quỵ thiếu máu cục bộ.

Tế bào gốc thần kinh là những tế bào nguyên thủy và đóng vai trò quan trọng trong hình thành hệ thần kinh

Trong thời kỳ phát triển phôi thai, tế bào gốc thần kinh là nguồn gốc tạo ra toàn bộ hệ thần kinh trung ương. Nhưng điều đáng kinh ngạc là NSCs không biến mất sau khi não hình thành, mà chúng tiếp tục tồn tại ở người trưởng thành trong những vùng đặc biệt gọi là ổ sinh thần kinh (neurogenic niches) như: vùng dưới não thất, vùng dưới hạt, vùng dưới đồi (hypothalamus) và một số vùng khác.

NSCs có thể được phân loại theo tiềm năng phân hóa như tế bào biểu mô ống thần kinh, nguyên bào thần kinh và tế bào tiền thân thần kinh. Chúng cũng có thể được phân loại theo vị trí như tế bào gốc mào thần kinh và tế bào gốc thần kinh trung ương.

2. Đặc tính sinh học của tế bào gốc thần kinh

2.1. Tự tái tạo

Tế bào gốc thần kinh có thể phân chia theo hai kiểu:

• Phân chia đối xứng: Tạo ra hai tế bào gốc giống nhau, giúp duy trì và mở rộng quần thể.
• Phân chia bất đối xứng: Tạo ra một tế bào gốc và một tế bào tiền thân bắt đầu biệt hóa.

Sự cân bằng tinh tế giữa hai kiểu phân chia này quyết định cả số lượng tế bào gốc thần kinh được duy trì lẫn tốc độ tạo ra tế bào mới.

Điều đặc biệt là NSCs có thể tồn tại ở trạng thái nghỉ ngơi (quiescence) trong thời gian dài và chỉ được “đánh thức” khi cơ thể có nhu cầu, ví dụ như sau chấn thương não hoặc khi nhận được các tín hiệu kích thích từ môi trường như tập thể dục hay học tập. Cơ chế điều hòa trạng thái nghỉ và hoạt hóa này đang là chủ đề nghiên cứu sôi nổi nhất trong lĩnh vực tế bào gốc thần kinh hiện nay.

2.2. Tiềm năng biệt hóa

Từ một tế bào gốc thần kinh duy nhất, khoa học đã chứng minh có thể tạo ra toàn bộ ba dòng tế bào chính của não bộ:

• Neurons: Tế bào thần kinh – đơn vị xử lý thông tin. NSCs có thể tạo ra nhiều phân nhóm neuron khác nhau tùy thuộc vào vị trí trong não và tín hiệu vi môi trường.
• Astrocytes (tế bào hình sao): Đóng vai trò hỗ trợ thần kinh, bảo vệ hàng rào máu não, điều tiết synapse và trao đổi chất.
• Oligodendrocytes (tế bào ít nhánh): Tạo ra myelin bọc bên ngoài các sợi thần kinh, đóng vai trò thiết yếu trong dẫn truyền thần kinh nhanh. Mất oligodendrocytes là cơ chế trung tâm hình thành bệnh đa xơ cứng (multiple sclerosis).

Hai đặc tính nổi bật của tế bào gốc thần kinh là tự tái tạo và biệt hóa thành các dòng tế bào chính của não bộ

2.3. Hoạt động trong ổ vi mô đặc biệt

Tế bào gốc thần kinh không tồn tại độc lập, mà chúng sống trong một hệ sinh thái vi mô đặc biệt, đó là ổ sinh thần kinh (neurogenic niche) – bao gồm mạch máu, tế bào thần kinh đệm, các phân tử tín hiệu hòa tan, chất nền ngoại bào và tế bào miễn dịch. Tất cả cùng phối hợp để điều chỉnh trạng thái của NSCs gồm nghỉ, tự tái tạo hay bắt đầu biệt hóa.

Nhiều yếu tố đã được xác định có ảnh hưởng đến hoạt động của NSCs trong ổ thần kinh, bao gồm: yếu tố tăng trưởng EGF và FGF-2, con đường tín hiệu Wnt/β-catenin, Notch và BMP. Ngoài ra, các yếu tố hành vi như tập thể dục, căng thẳng, chế độ dinh dưỡng, nhịp sinh học ngủ – thức và môi trường nhận thức đều tác động trực tiếp đến tế bào gốc thần kinh.

2.4. Dấu ấn phân tử

Một số dấu ấn kiểu hình được sử dụng để xác định tế bào gốc thần kinh bao gồm nestin (một sợi trung gian), Sox2, CD133 và thụ thể tín hiệu như Notch (1).

Tế bào gốc thần kinh hoạt động trong một ổ vi mô đặc biệt bao gồm các mạch máu, yếu tố tăng trưởng và các con đường tín hiệu 

3. Vai trò của tế bào gốc thần kinh trong hệ thần kinh

Tế bào gốc thần kinh đóng nhiều vai trò chức năng trong việc sửa chữa và tái tạo tổn thương thần kinh, bao gồm điều hòa miễn dịch, tiết ra các yếu tố dinh dưỡng thần kinh (như GDNF và BDNF), điều hòa chống viêm, tạo mạch máu, tái tạo sợi trục, hình thành myelin và ức chế sự hình thành sẹo thần kinh đệm.

Hơn nữa, trong các bệnh thần kinh ngoại biên, NSCs được cấy ghép có thể biệt hóa thành tế bào Schwann (SC) và duy trì môi trường vi mô giàu các yếu tố tăng trưởng, do đó thúc đẩy quá trình tái tạo thần kinh (2). Một số vai trò cụ thể như sau:

Phát triển phôi thai: Tế bào gốc thần kinh chịu trách nhiệm tạo ra toàn bộ hệ thần kinh, đóng vai trò là tế bào tiền thân sinh sôi nảy nở và biệt hóa thành các tế bào thần kinh thiết yếu.

Hình thành tế bào thần kinh ở người trưởng thành: Ngay cả ở các loài động vật có vú trưởng thành, bao gồm cả con người, các tế bào gốc thần kinh vẫn tồn tại ở các khu vực cụ thể như vùng dưới não thất (SVZ) và vùng dưới hạt (SGZ) của hồi hải mã, liên tục tạo ra các tế bào thần kinh mới trong suốt cuộc đời.

Tế bào gốc thần kinh tăng sinh, biệt hóa và liên tục tạo ra các tế bào thần kinh mới 

Sửa chữa và tái tạo mô: Sau chấn thương, chẳng hạn như tổn thương tủy sống hoặc đột quỵ, tế bào gốc thần kinh có thể di chuyển đến vị trí bị tổn thương, biệt hóa thành các tế bào thần kinh và tế bào thần kinh đệm bị mất hoặc bị hư hại và giúp khôi phục chức năng. Ngoài ra, một số nghiên cứu cho thấy các tế bào gốc thần kinh tiết ra VEGF và biệt hóa thành các tế bào biểu mô mạch máu để thúc đẩy quá trình tạo mạch máu ở các dây thần kinh ngoại biên bị tổn thương.

Tiết ra các yếu tố dinh dưỡng thần kinh: Trong cả mô hình in vitro và in vivo, NSCs tiết ra nhiều yếu tố tăng trưởng và hỗ trợ protein quan trọng, gồm:

• Yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ não.
• Yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi cơ bản.
• Yếu tố tăng trưởng thần kinh.
• Yếu tố tăng trưởng tế bào gan.
• Yếu tố dinh dưỡng thần kinh thể mi.
• Yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ dòng tế bào thần kinh đệm.
• Yếu tố tăng trưởng giống insulin, neurotrophin 3 và neurotrophin 4, cũng như một loạt các protein yếu tố dinh dưỡng thần kinh.

Các protein này đóng vai trò độc đáo trong hệ thần kinh ngoại biên vì sự biểu hiện của các yếu tố dinh dưỡng thần kinh thúc đẩy quá trình tái tạo, cải thiện mức độ myelin hóa sợi trục, tăng cường khả năng phục hồi chức năng cảm giác và vận động (3).

Bảo vệ và điều hòa thần kinh: Yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ tế bào thần kinh đệm bảo vệ hiệu quả các tế bào thần kinh sừng bụng và thúc đẩy sự phát triển thần kinh; NSCs bảo vệ các tế bào thần kinh vận động tủy sống chống lại độc tính thần kinh do glutamate gây ra, làm giảm hiện tượng chết rụng tế bào thần kinh vận động mặt cả trong cơ thể sống và trong ống nghiệm sau khi dây thần kinh mặt bị tổn thương (4).

Các chất dinh dưỡng do tế bào gốc thần kinh tiết ra đóng vai trò quan trọng trong tái tạo hệ thần kinh 

4. Ứng dụng tế bào gốc thần kinh trong y học tái tạo

4.1. Tạo mô hình nghiên cứu thử nghiệm

NSCs nuôi cấy trong ống nghiệm có thể tạo ra các mô hình bệnh lý đặc hiệu, được sử dụng để làm sáng tỏ hơn cơ chế gây nên các bệnh thần kinh cụ thể, chẳng hạn như bệnh Alzheimer và bệnh Parkinson, hoặc ứng dụng cho các phương pháp điều trị thuốc mới.

Ngoài ra, các nguyên bào sợi lấy từ bệnh nhân mắc bệnh thoái hóa thần kinh có thể được lập trình lại để đạt trạng thái đa năng, sau đó có thể được biệt hóa thành dòng tế bào thần kinh để tạo ra các tế bào có kiểu hình bệnh cụ thể. Những tế bào này được sử dụng trong việc sàng lọc các hợp chất có khả năng thúc đẩy tái tạo thần kinh và phục hồi kiểu hình bệnh, từ đó phát triển y học cá nhân hóa (5).

4.2. Ứng dụng điều trị nhiều bệnh lý thần kinh

Điều trị bệnh teo cơ xơ cứng một bên (Amyotrophic lateral sclerosis – ALS)

Bệnh teo cơ xơ cứng một bên (ALS) là bệnh thoái hóa tiến triển của tế bào thần kinh vận động, dẫn đến liệt và tử vong sau vài năm. Nghiên cứu tiền lâm sàng cho thấy cấy ghép tế bào gốc thần kinh có thể làm chậm khởi phát và tiến triển của các triệu chứng ALS, giúp kéo dài thời gian sống. Cơ chế hoạt động của NSCs là sản sinh các yếu tố dinh dưỡng, bảo vệ chức năng thần kinh cơ, giảm sự tăng sinh tế bào thần kinh đệm, cải thiện tình trạng viêm và tăng cường tính dẻo dai của khớp thần kinh.

Điều trị bệnh Parkinson (PD)

Bệnh Parkinson (PD) là một bệnh thoái hóa và rối loạn vận động, các triệu chứng lâm sàng có thể bao gồm chậm vận động, cứng cơ, run khi nghỉ ngơi và mất ổn định tư thế, cùng với các rối loạn nhận thức và tâm thần. Các triệu chứng là do sự mất chọn lọc các tế bào thần kinh dopaminergic trong chất đen của não.

Khả năng tế bào gốc thần kinh biệt hóa thành tế bào tiền thân dopamine đang được nghiên cứu như nguồn tế bào thay thế. Tuy nhiên, mặc dù các tế bào thần kinh dopaminergic A9 được biết là loại tế bào bị suy giảm trong bệnh PD, nhưng loại tế bào chính xác để cấy ghép vẫn đang được xem xét vì các bệnh nhân được cấy ghép mô não thai nhi sau đó đã phát triển chứng rối loạn vận động.

Khả năng tế bào gốc thần kinh biệt hóa thành tế bào tiền thân dopamine đang được nghiên cứu trong điều trị Parkinson 

Điều trị bệnh Alzheimer (AD)

Trong Alzheimer, teo não và mất synapse diễn ra từ từ trong nhiều năm. NSCs được kỳ vọng có thể:

• Thay thế các neuron bị mất ở hồi hải mã và vỏ não.
• Tiết yếu tố dinh dưỡng thần kinh (như BDNF, NGF) để bảo vệ neuron còn lại khỏi protein tau và amyloid độc hại.
• Phục hồi chức năng sinh thần kinh nội sinh đã bị suy giảm do bệnh.

Điều trị đột quỵ

NSCs được nghiên cứu như liệu pháp phục hồi chức năng não sau giai đoạn cấp tính:

• NSCs có thể được cấy trực tiếp vào vùng tổn thương hoặc tiêm qua đường mạch máu.
• Ngoài thay thế tế bào, NSCs tiết ra VEGF, BDNF và các yếu tố tăng trưởng thần kinh giúp phục hồi mạch máu và bảo vệ neuron sống sót.

Trong các mô hình đột quỵ tiền lâm sàng, NSC đã được chứng minh là có khả năng điều hòa viêm, thúc đẩy tính dẻo dai thần kinh và tái tổ chức thần kinh, thúc đẩy hình thành mạch máu và hoạt động như một chất thay thế tế bào bằng cách biệt hóa thành các loại tế bào thần kinh trưởng thành (6).

Điều trị tổn thương tủy sống

Trong tổn thương tủy sống, liệu pháp NSCs nhắm đến ba mục tiêu:

• Thay thế trực tiếp các tế bào thần kinh và oligodendrocyte bị mất.
• Tái tạo myelin cho các sợi thần kinh sống sót nhưng bị mất bao myelin.
• Tiết các yếu tố dinh dưỡng thần kinh để bảo vệ tế bào còn lại và kích thích tái sinh các tế bào bị tổn thương.

Liệu pháp tế bào gốc thần kinh trong điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh 

Hiện tại, tế bào gốc thần kinh chưa được sử dụng rộng rãi trong các thử nghiệm lâm sàng. Dù có tiềm năng lớn, liệu pháp NSCs vẫn đối mặt với những thách thức cần giải quyết như vấn đề thải loại miễn dịch, khả năng sống sót của tế bào ghép trong môi trường viêm sau tổn thương, kiểm soát sự biệt hóa, thời gian theo dõi sau thử nghiệm cũng như các quy định và vấn đề đạo đức trong quá trình thực hiện.

Sự tồn tại của tế bào gốc thần kinh trong não người trưởng thành – với khả năng tự tái tạo và tiềm năng biệt hóa đa dạng – đang tạo nền tảng vững chắc cho y học tái tạo thần kinh hiện đại. Những rào cản kỹ thuật hiện tại chỉ là bước đệm tạm thời, không phải điểm dừng của khoa học. Khi liệu pháp tế bào gốc thần kinh chính thức bước vào lâm sàng, hàng triệu bệnh nhân mắc Alzheimer, Parkinson hay đột quỵ trên toàn thế giới sẽ có thêm cơ hội điều trị và khôi phục chất lượng sống.

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

NGUỒN THAM KHẢO:

• (1): Erzsebet Kokovay. 2008. “The Incredible Elastic Brain: How Neural Stem Cells Expand Our Minds.” Cell. https://www.cell.com/fulltext/S0896-6273(08)00901-X.
• (2): Ling Yang. 2024. “Therapeutic role of neural stem cells in neurological diseases.” PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10955145/#s2.
• (3): Chong Wang. 2017. “Roles of neural stem cells in the repair of peripheral nerve injury.” PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5784362/#sec1-8.
• (4): Jerònia Lladó. 2004. “Neural stem cells protect against glutamate-induced excitotoxicity and promote survival of injured motor neurons through the secretion of neurotrophic factors.” https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044743104001733?via%3Dihub.
• (5): “The utility of stem cells for neural regeneration.” n.d. PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7058206/.
• (6): Emily W Baker. 2019. “Neural stem cell therapy for stroke: A multimechanistic approach to restoring neurological function.” PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6422715/#brb31214-sec-0020.