Lần đầu tiên, một nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Tufts ở Massachusetts Hoa Kỳ đã phát triển được một mô hình não 3D nhân tạo, làm từ các tế bào thần kinh có nguồn gốc từ người sống.
Bộ não này thể hiện các kết nối phức tạp, mô phỏng được "các đặc điểm cấu trúc và chức năng của não" và đặc biệt chúng có "hoạt động thần kinh", các nhà nghiên cứu nhấn mạnh.
Từ trước đến nay, các tế bào mô não vẫn được cách nhà khoa học nuôi cấy và phát triển theo mô hình 2 chiều. Mặc dù vậy, độ phức tạp của chúng khá thấp và không có dấu hiệu của mạng lưới thần kinh tự nhiên, nghĩa là các tế bào này chưa thế hoạt động như cách chúng hoạt động bên trong đầu bạn.
Các tế bào iPSCs trong quá trình phát triển của chúng có thể biến thành bất kỳ tế bào nào.
Phải tới gần đây, các mô hình tế bào não 3 chiều mới được phát triển thành công, nhưng chúng vẫn thiếu một yếu tố quan trọng – đó là tế bào thần kinh có nguồn gốc từ người sống.
Bạn biết đấy, thật khó để thuyết phục một ai đó đang sống cho các nhà khoa học chọc một kim tiêm to xuyên qua hộp sọ (hoặc xuyên vào trong mũi lên tận óc) để trích một mẩu não của họ ra ngoài.
Nhưng nếu các nhà khoa học tại Đại học Tufts chỉ xin họ một chút da thì sao? Cũng có nhiều người sẽ sẵn sàng.
Đó chính là điều mà họ đã làm. Với những tiến bộ trong công nghệ tế bào gốc, chúng ta đã bước một bước xuống con đường hướng tới việc xây dựng một bộ não mới từ các tế bào gốc cảm hóa đa năng do con người tạo ra (iPSCs). Các tế bào gốc này có thể được trích xuất và tạo thành từ nhiều nguồn, bao gồm cả tế bào da của con người.
Chúng ta biết các tế bào iPSCs trong quá trình phát triển của chúng có thể biến thành bất kỳ tế bào nào. Vì vậy, ý tưởng là chúng ta có thể biến bất kỳ tế bào nào trở thành iPSCs, nếu chúng ta có thể quay ngược chiếc đồng hồ phát triển của chúng. Sau đó, iPSCs lại có thể biến hình một lần nữa, lúc này biến thành một tế bào khác với tế bào ban đầu.
Ví dụ đơn giản, bạn có một tế bào iPSCs đã biến thành tế bào da, bạn thu thập tế bào da đó, biến chúng trở lại thành iPSCs và rồi từ iPSCs này, bạn hướng dẫn chúng biến thành tế bào thần kinh. Vậy là bạn chỉ cần một chút da của người đang sống để có được tế bào não của họ mà vẫn giữ cho hộp sọ của họ nguyên vẹn.
Bạn có thể biến tế bào da trở lại thành tế bào gốc, sau đó từ tế bào gốc này biến thành các tế bào khác, bao gồm cả tế bào thần kinh.
Đó chính xác là những gì mà các kỹ sư và các nhà nghiên cứu y khoa từ Trường Kỹ thuật Đại học Tufts, Trường Y khoa Đại học Tufts, Trường Khoa học Y sinh Sackler tại Tufts và Phòng thí nghiệm Jackson đã hợp tác thực hiện.
Đây là nỗ lực đầu tiên trên thế giới, biến tế bào da người sống thành tế bào thần kinh, sau đó phát triển các tế bào thần kinh này trong các giàn giáo xây dựng từ protein tơ tằm và collagen. Kết quả, các nhà khoa học lần đầu tạo ra được một cấu trúc mô não 3D làm từ tế bào thần kinh của người còn sống.
Mặc dù họ thích gọi nó là "mô hình môi trường não". Đây là ảnh chụp về những tế bào giúp bạn hình dung về chúng:
Trước đây, đã từng có các nhà khoa học khác sử dụng iPSCs để tạo được tiểu não bộ giống não người (brain-like organoids), nhưng mô hình não mới của Đại học Tufts có những điểm ưu việc hơn hẳn mô hình các nhà khoa học trước đó tạo ra được. Nó có cấu trúc xốp, giúp việc cung cấp oxy và chất dinh dưỡng cho các tế bào thần kinh trở nên thuận tiện, giúp chúng có thể "hoạt động ở trạng thái tự nhiên".
Mô hình não bộ 3D này cũng có một "cửa sổ" ở trung tâm cho phép các nhà nghiên cứu quan sát sự phát triển, tổ chức và hành vi của từng tế bào trong đó.
Đến đây, bạn có thể sẽ tưởng tượng ra viễn cảnh những bộ não này có thể được sử dụng để tạo ra một đội quân zombie, nhưng các nhà khoa học có những ý tưởng cao quý và nhân văn hơn trong đầu.
"Sự phát triển của mạng lưới thần kinh được duy trì và rất nhất quán trong các mô 3D, cho dù chúng tôi sử dụng tế bào từ những người khỏe mạnh hay tế bào từ bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer hay Parkinson", tác giả đứng đầu nghiên cứu William Cantley đến từ Khoa Khoa học Y sinh cho biết.
Bởi vì họ có thể sử dụng cả các tế bào từ bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson và các tình trạng khác, mô hình não 3D đột phá này có thể được dùng để nghiên cứu cách các căn bệnh thần kinh bắt đầu, tiến triển và đáp ứng ra sao với các biện pháp điều trị.
Bước tiếp theo trong nghiên cứu, các nhà khoa học sẽ cố gắng làm tăng độ phức tạp trong cấu trúc não 3D khiến chúng giống thật và tự nhiên hơn. Điều này sẽ cho phép chúng ta nghiên cứu các loại tương tác có liên quan đến việc truyền tín hiệu trong não, tính dẻo dai của não, khả năng học tập và quá trình thoái hóa của chúng.
Nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí ACS Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu sinh học.