Tế bào mầm phôi

Tế bào mầm phôi là tế bào sinh học chưa chuyên hoá, có khả năng phát triển thành bất kì loại tế bào nào khác trong cơ thể sinh vật đa bào. Trong phôi học (Embryology), khái niệm này bắt nguồn từ thuật ngữ tiếng Anh gọi là "Embryonic Germ Cell" (viết tắt: EGC) dùng để chỉ bất kì tế bào nào trong phôi có thể phát sinh giao tử, hoặc tế bào gốc đa năng bắt nguồn từ tế bào mầm sơ khai (PGC) hay tế bào sinh dục sơ khai.
Hình đầu trang là sơ đồ mô tả các giai đoạn phát triển đầu tiên của phôi từ một hợp tử đến giai đoạn blastula, thì các tế bào mầm phôi (EGC) thường xuất hiện từ giai đoạn tiền phôi và giai đoạn morula.

Trong quá trình phát sinh, hình thành 1 cơ thể, ngay từ giai đoạn sớm của phôi đã xuất hiện một dòng tế bào gốc đặc biệt, chúng làm nhiệm vụ hình thành giao tử (tinh trùng hay trứng), người ta gọi đó là tế bào gốc sinh dục hay tế bào mầm germinal stem cell_GSC.
Đặc điểm của tế bào gốc nói chung là khả năng tự làm mới và biệt hóa thành các tế bào có chức năng chuyên biệt. Tế bào mầm cũng vậy, chúng là những tế bào gốc đa năng có thể phân chia liên tục, vừa tự làm mới, vừa biệt hóa để tạo thành giao tử (tinh trùng, trứng), từ đó tạo ra cơ thể mới.
Trứng thụ tinh (tế bào toàn năng)->Tế bào gốc vạn năng (pluripotent)-> Biệt hoá thành các tế bào khác của cơ thể.
Theo cách hiểu cũ, những tế bào mầm sinh dục được xem là có vai trò trong sự tạo thành giao tử.
Trong vòng 10 năm trở lại đây, vai trò trung tâm của GSC trong sự tạo giao tử ngày càng được coi trọng hơn, ảnh hưởng của quá trình này như là một mô hình nghiên cứu về tế bào mầm. Với cách nhìn nhận này, đã có nhiều hoạt động nghiên cứu kết hợp giữa di truyền, sinh học tế bào, sinh học phân tử để tìm hiểu GSC. Kết quả là cho đến nay đã có những cái nhìn thấu đáo hơn về cơ chế của sự phân chia, và tự đổi mới của GSC.

Nguồn gốc

Đây là 1 vấn đề vẫn còn nhiều tranh cãi. Giả thiết Weisman cho rằng, mầm phôi phát triển ở giai đoạn sớm là nguồn gốc của tất cả các tế bào sinh dục, sau đó chúng di cư đến các tuyến sinh dục đang phát triển. Có giả thiết khác lại cho rằng, các tế bào sinh dục nguyên thủy được tạo ra trong mối liên hệ mật thiết với tuyến sinh dục, thậm chí chúng phát sinh ngay trong tuyến sinh dục.
Ngày nay, người ta đã chỉ ra một cách chắc chắn rằng, các tế bào sinh dục nguyên thủy được tạo nên từ ngoài tuyến sinh dục, sau đó chúng mới di cư vào trong cấu trúc của tuyến. Điều đó không có nghĩa là trong mỗi cơ thể, tất cả các giao tử đều được tạo nên từ những tế bào sinh dục nguyên thủy này. Thực tế cho thấy, trong mỗi mùa sinh sản, ở các tuyến mô sinh dục lại xuất hiện các tế bào sinh dục mới. Do vậy, cũng có quan điểm cho là các tế bào sinh dục nguyên thủy sau một thời gian sẽ mất đi, mà sau này buồng trứng (hay tinh hoàn) sẽ sản sinh những tế bào sinh dục mới.

Sự hình thành và phát triển.

Hợp tử sau khi được tạo thành, qua những lần phân chia đầu tiên, các tế bào con được sinh ra. Những tế bào này sẽ phát triển theo các hướng khác nhau, với cấu trúc và chức năng riêng biệt. Một trong những hướng biệt hóa là hướng hình thành nên các tế bào mầm sơ khai (tế bào mầm sinh dục nguyên thủy). Nguyên nhân tạo ra hướng biệt hóa là trong tế bào chất của hợp tử luôn chứa nhiều nhân tố "quyết định" (determint factor), các nhân tố này lại phân bố không đồng đều. Do đó, khi hợp tử phân cắt thì mỗi tế bào con sẽ nhận được một phần tế bào chất có chứa nhân tố "quyết định" có thành phần và hàm lượng không giống nhau. Những tế bào con nào nhận được nhân tố này sẽ biệt hóa theo hướng mà nhân tố "quyết định" đó quy định.
Trong quá trình phát triển phôi, các tế bào mầm nảy sinh tại vị trí chuyên biệt, tách biệt hẳn với sự phát triển của tế bào sinh dưỡng (ở cả động vật có xương sống và không xương sống).
Ở động vật có vú, sự phát triển của tế bào mầm được triển khai nghiên cứu khá hiệu quả ở đối tượng chuột. Các tế bào mầm đầu tiên được nhận diện là ở niệu nang (allantois) trong trung bì ngoài phôi, vào khoảng ngày thứ 7 sau khi giao phối (7dpc), chúng xuất hiện ở dạng theo nhóm (chừng 50 tế bào) và biểu hiện tốt hoạt tính alkaline phosphatase.
Những tế bào mầm giai đoạn thai nói trên được gọi là tế bào mầm sinh dục (primordial germ cells_PGC). PGC sau đó vừa tăng sinh, vừa chuyển từ mô ngoài phôi đến phôi đang hình thành vào ngày 8,5 pdc, và tiếp tục di cư xuyên qua đoạn cuối ruột phôi (hingut) trong khi vẫn tăng sinh nhanh. Những tế bào này sẽ di cư xa hơn, xuyên qua mạc treo tiểu tràng chung (dorsal mesentery) để đi vào rãnh sinh dục (genital ridge-cơ quan sinh dục thai) vào ngày 10,5 dpc. PGC tiếp tục tăng sinh trong rãnh sinh dục, ước chừng cho đến ngày 12,5 pdc. Lúc này, sự phân biệt giới tính trở nên rõ ràng hơn về hình thái.
Vào ngày 13,5 dpc, có khoảng 25.000 tế bào PGC có thể được tìm thấy trong rãnh sinh dục, nghĩa là PGC đã gia tăng số lượng gấp 500 lần so với khi chúng sinh ra. Vào lúc bắt đầu biệt hóa giới tính, tế bào mầm sinh dục đực và cái có con đường phát triển khác nhau. Ở con cái, PGC đi vào giảm phân và trở nên nghỉ vào giai đoạn prophase của giảm phân II. Ớ con đực, PGC được bảo vệ trong các lõi tinh (testicular cord) (các ống sinh tinh thai), chúng ở vào trạng thái nghỉ, ngừng nguyên phân. Trạng thái nghỉ ngơi này sẽ tiếp tục cho đến khi chúng sinh ra trong cả hai giới tính.
Sau khi sinh, các tế bào mầm cái sẽ định kì lựa chọn cho sự trưởng thành giảm phân, trong khi các tế bào mầm sinh dục đực bắt đầu nguyên phân. Trong cá thể đực, những tế bào mầm lưỡng bội sau khi sinh này gọi là các tinh nguyên bào (spermatogonia). Tinh nguyên bào sẽ bắt đầu nguyên phân và biệt hóa tuần tự trước khi tiến hành giảm phân.
Ở chuột, tế bào mầm đực giảm phân đầu tiên xuất hiện (tinh bào) khi chúng đạt chừng 10 ngày tuổi (sau khi sinh), và tinh trùng đầu tiên xuất hiện khi đạt chừng 35 ngày tuổi. Quá trình sinh tinh này tiếp tục trong suốt cuộc đời con đực.
Cơ chế chuyên hóa, di cư, tăng sinh và sống còn, cũng như sự biệt hóa phụ thuộc giới tính trong suốt quá trình phát triển của phôi vẫn chưa được biết rõ ràng. Tuy nhiên, quá trình phát triển của tế bào mầm luôn thể hiện đặc điểm độc nhất của tế bào gốc dòng mầm. Bởi vì tất cả các tế bào mầm cái khi đi vào quá trình giảm phân, biệt hóa giới tính, chúng mất đi tiềm năng tự làm mới trước khi sinh, kết quả là mất đi các tế bào gốc trong dòng mầm sau khi sinh. Ngược lại, một quần thể tế bào gốc (có khả năng tự làm mới) vẫn còn trong dòng mầm của con đực trong suốt quá trình sống. Đây là nền tảng của quá trình sinh tinh liên tục và tái tạo quá trình sinh tinh sau khi tổn thương tinh hoàn, kể cả sự tổn thương do các liệu pháp trị ung thư gây vô sinh. Do đó, số lượng giao tử trong suốt thời kì hoạt động sinh sản của con đực hơn hẳn con cái. Những khác biệt phụ thuộc vào giới tính trong quá trình tồn tại của tế bào gốc không thể thấy trong các kiểu khác của tế bào gốc.

Tế bào mầm phôi Embryonic Germ Cell (EG)

Việc cấy các tế bào thu nhận từ các rãnh sinh dục có thể tạo ra các tế bào EC, đã được gợi ý việc thu nhận các tế bào gốc trực tiếp từ các tế bào mầm sinh dục (PGC) trước khi nó biệt hóa thành các giao tử. Nhân tố Stell (Stell Fator_SF), c-kit ligand cần thiết cho sự sống và sự khuếch đại của các tế bào PGC di cư trong phôi và cung cấp dấu hiệu cần thiết cho các điều kiện nuôi cấy in vitro,để có thể thu nhận các tế bào gốc từ các tế bào rãnh sinh dục.
Khác với việc nuôi cấy ES, nhân tố LIF là thành phần quan trọng để duy trì tính vạn năng thì trong nuôi cấy EG, ngoài LIF, người ta cần phải bổ sung thêm nhân tố tăng trưởng nguyên bào sợi (FGF) và SF. Các dòng tế bào EG đực và cái đều có thể được thu nhận trực tiếp từ PGC trước khi chúng di cư vào phôi ở giai đoạn thoát nang, hay sau khi chúng đã đến rãnh sinh dục. Các tế bào này có đặc tính của tế bào gốc với khả năng biệt hóa in vitro, cũng như sự tham gia của chúng trong thể khảm, cụ thể là khả năng đóng góp vào dòng tế bào mầm trong chuột khảm.
Trạng thái các gen được in dấu là khía cạnh khác biệt quan trọng của tế bào EG với tế bào ES. Sự biểu hiện các gen được in dấu phụ thuộc vào cha mẹ, nghĩa là sự methyl hóa khác nhau mang tính di truyền của các allele có nguồn gốc từ mẹ hay từ cha. Tuy nhiên, dấu in sẽ bị xóa và thiết lập lại trong các tế bào mầm ở mỗi thế hệ. Một số cá thể khảm phát triển bằng tế bào EG cho thấy sự đóng góp của tế bào EG là bình thường, và có sự chuyển kiểu gen sang thế hệ tiếp theo.
Trong một số trường hợp, thể khảm có biểu hiện bất thường về bộ xương cũng như sự phát triển vượt mức. Những dòng EG được thu nhận từ các tế bào PGC giai đoạn sớm so với chính những tế bào EG đó được thu nhận vào giai đoạn muộn hơn từ rãnh sinh dục đã cho thấy có các khác biệt trong trạng thái methyl hóa, ít nhất tại một gen Igf2r. Qua đó, cho phép kết luận rằng, sự in dấu bị xóa giữa 2 thời kì phát triển ở các dòng tế bào thu nhận từ giai đoạn sớm, còn những dòng tế bào thu nhận muộn có sự in dấu (có nguồn từ ba hoặc mẹ). Khi tìm hiểu các gen được đánh dấu cho thấy, kiểu in dấu có nguồn gốc từ cha mẹ giống nhau ở các dòng tế bào EG cái hay đực, thu nhận từ các PGC, mặc dù ở vài trường hợp, các gen biểu hiện kiểu tương tự như một mô sinh dưỡng bình thường.

Đặc điểm hình dạng tế bào mầm.

Các tế bào GC sau khi tách rời ra từ các mảnh mô, thì có thể phân biệt được chúng với các tế bào sinh dưỡng khác, khi quan sát dưới kính hiển vi soi nổi hay cắt lớp. Các tế bào mầm sinh dục vừa mới thu nhận sẽ có hình tròn, bề mặt láng và phản chiếu ánh sáng. Chúng thường có đường kính từ 18-20 micromet, lớn hơn hầu hết các tế bào sinh dưỡng. Chúng lăn tròn đều trên mặt đáy của giếng nuôi. Mặc dù các tế bào GC thường gắn với nhau tạo thành 1 lùm tế bào lỏng lẻo, nhưng ở trạng thái này chúng thường gắn chặt vào tế bào sinh dưỡng. Sau một thời gian nuôi cấy ngắn, các tế bào sinh dưỡng sẽ bám vào đáy bình, trong khi đó các tế bào mầm sinh dục vẫn không bám vào đáy bình. Ở trạng thái này, người ta có thể dễ dàng thu nhận những tế bào mầm sinh dục bằng cách hút nhẹ lớp tế bào nổi trong môi trường nuôi.
Sau một vài giờ nuôi cấy trên lớp tế bào đơn, các tế bào GC sẽ dính vào lớp tế bào bên dưới và thay đổi hình dạng – giống như của fibroblast. Khi đó người ta không thể xác định được chúng qua hình dạng mà phải thông qua kháng thể hay alkaline phosphatase. Tế bào GC khi nuôi cấy trên bề mặt không bám được (nhựa, thủy tinh, agar) chúng luôn có hình tròn và chết sau vài ngày nuôi.

Xác định dựa vào kháng thể.

Các tế bào mầm sinh dục thể hiện một số kháng nguyên trên bề mặt chuyên biệt. Các kháng nguyên này sẽ kết hợp tốt với kháng thể TG-1 và SSEA-1. Sự hiện diện của các kháng nguyên này là 1 phương tiện đáng tin cậy cho việc xác định tế bào GC sống trong nuôi cấy. Tuy nhiên, cần thận trọng bởi các phản ứng kháng thể lại không hoàn toàn đặc hiệu cho tế bào GC. Một số kháng thể đa dòng được biết phản ứng chuyên biệt với tế bào GC, nhưng cũng đồng thời, chúng cũng có thể phản ứng với các kiểu tế bào khác.

Xác định dựa vào Alkaline phosphatase.

Các nghiên cứu cho thấy tế bào GC thể hiện sự hoạt động mạnh của Alkaline phosphatase. Hoạt tính của Alkaline phosphatase đầu tiên được xác định vào ngày thứ 7 dpc, và hoạt tính này tiếp tục biểu hiện cho đến cuối đời sống của phôi. Mặc dù trong phôi cũng có những tế bào khác dương tính với alkaline phosphatase, nhưng sự hiện diện của tế bào dương tính với alkaline phosphatase thu nhận từ mẫu mô sinh dục là không thể nhầm lẫn được, bởi không có kiểu tế bào nào biểu hiện đặc tính này.

Ứng dụng tế bào mầm.

Tế bào mầm có bản chất của tế bào gốc đa năng. Tuy nhiên, tế bào mầm là nguồn gốc cho các tế bào sinh dục. Do đó, bên cạnh những ứng dụng của tế bào gốc, tế bào mầm được sử dụng vào những mục đích chuyên biệt dưới đây:

Nuôi cấy, biệt hóa tế bào mầm - ứng dụng trong điều trị vô sinh.

Trong trường hợp không có tinh trùng và nói chung là tế bào đơn bội n, người ta phải tiến hành nuôi cấy tế bào mầm sinh dục thu nhận từ tinh hoàn, hay buồng trứng. Ngoài ra, nếu không có tinh trùng hay trứng có thể tiến hành xin tinh trùng (hay trứng) của người khác.
Nhiều trường hợp khác cũng cần sự can thiệp của nuôi cấy tế bào mầm là: những người còn nhỏ tuổi mắc bệnh, cần điều trị bằng xạ trị hay những liệu pháp gây độc tế bào, nếu những người này muốn có con bình thường thì họ có thể trữ lạnh một mẩu mô buồng trứng hay tinh hoàn. Sau khi lớn lên, những mẩu mô này sẽ được đem đi nuôi cấy và biệt hóa thành giao tử, giao tử được thụ tinh tạo thành phôi.
Nuôi cấy biệt hóa tế bào mầm còn có ý nghĩa trong bảo tồn giống, loài.

Mô hình kiểm nghiệm các chất gây vô sinh.

Tế bào mầm là một mô hình thích hợp cho việc kiểm nghiệm các chất, hợp chất. Riêng với tế bào gốc sinh dục, vì bản chất của nó là biệt hóa thành giao tử, do đó là mấu chốt cho hiện tượng vô sinh. Những nghiên cứu gần đây công bố cho thấy việc sử dụng tế bào gốc sinh dục làm mô hình cho việc kiểm nghiệm các chất gây vô sinh là thích hợp và hiệu quả.
Ngày nay, sự ô nhiễm môi trường, sự ra đời của nhiều hóa chất tổng hợp mới làm gia tăng nguy cơ gây vô sinh. Do vậy, bên cạnh việc kiểm nghiệm độc tố gây ung thư thì việc kiểm nghiệm khả năng gây vô sinh là cần thiết đối với các chất mới trước khi đưa ra sử dụng.

Nguồn gốc tế bào gốc đa năng.

Các tế bào mầm là những tế bào gốc đa năng. Vì các tế bào này có cùng đặc tính với tế bào gốc đa năng thu từ phôi, hay các tế bào khối u phôi. Vì vậy, thu nhận các tế bào mầm phục vụ cho các mục đích y học cũng được tập trung nghiên cứu và ứng dụng. Tế bào mầm đa năng có thể biệt hóa thành nhiều dòng tế bào khác nhau. Tế bào mầm (trứng, tinh trùng)->Tế bào gốc toàn năng (totipotent) và tế bào gốc vạn năng (pluripotent).
Trước năm 2006 thế giới chỉ biết tới 3 loại tế bào gốc: tế bào gốc phôi, tế bào gốc thai và tế bào gốc trưởng thành. Nhưng trong năm 2006 Giáo sư Shinya Yamanaka từ Đại học Kyoto, Nhật Bản đã tạo ra một loại tế bào gốc đa năng mới bằng cách biến đổi từ những tế bào trưởng thành bình thường (ở trường hợp này là các nguyên bào sợi – có thể lấy từ da người). Bằng việc bổ sung những yếu tố để thay đổi cách thức hoạt động của các nguyên bào sợi này, ông đã tạo ra các tế bào gốc có tính đa năng giống như tế bào mầm từ trong phòng thí nghiệm, chính vì thế ông đặt tên cho loại tế bào gốc mới này là Tế bào gốc đa năng cảm ứng iPS (hay Tế bào gốc đa tiềm năng cảm ứng iPS).