Bài giảng Công nghệ nuôi cấy tế bào và ứng dụng trong ngành y tế

ael Butler ) Mục tiêu nuôi cấy tế bào - Sử dụng tế bào để sản xuất các protein ứng dụng trong trị liệu, các vaccin tiểu đơn vị và các kháng thể. - Dùng làm tế bào vật chủ để nuôi cấy virus dùng trong liệu pháp gen và vaccin virus Mục tiêu nuôi cấy tế bào - Các tế bào bình thường, tế bào ung thư hay tế bào gốc được nuôi cấy cho mục đích nghiên cứu khoa học, nghiên cứu dược phẩm: • Nghiên cứu tế bào trong các điều kiện nuôi cấy xác định  xác định sự ảnh hưởng của các điều kiện đến chức năng tế bào • Nghiên cứu chức năng sinh lý và các quá trình sinh hóa của tế bào  hiểu được chuyển hóa tế bào và chu kỳ tế bào Mục tiêu nuôi cấy tế bào • Sàng lọc hoạt tính sinh học các hợp chất • Thử nghiệm độc tính thuốc  Xây dựng mô hình phát triển và thử nghiệm thuốc không dùng động vật - Sản xuất tế bào sử dụng trong liệu pháp tế bào hay y học tái tạo Một số khó khăn trong nuôi cấy tế bào - Môi trường nuôi cấy thường bị nhiễm vi khuẩn hay nấm - Tế bào phải được cấy chuyển thường xuyên để kiểm soát mật độ tế bào - Môi trường luôn cần được thay đổi để tránh nhiễm, tích tụ chất độc và cung cấp chất dinh dưỡng Các dòng tế bào - Tế bào sơ cấp - Tế bào bất tử Tế bào sơ cấp • Được phân lập trực tiếp từ cơ quan hay mô • Phân chia giới hạn trong môi trường nuôi cấy • Trong môi trường nuôi cấy phù hợp, có thể tồn tại một thời gian nhưng không thể tăng trưởng  già và chết • Chỉ có thể được cấy chuyển một số lần hạn chế Tế bào sơ cấp - Mục đích nuôi cấy tế bào sơ cấp: • Có đặc điểm sinh lý giống tế bào in vivo, không quan sát được ở các dòng tế bào nuôi cấy • Các dòng tế bào sau thời gian nuôi cấy có thể thay đổi kiểu hình và kiểu gen  kết quả thí nghiệm thay đổi Tế bào bất tử (tế bào liên tục) - Có thể tăng trưởng và phân chia không ngừng khi được cung cấp môi trường phù hợp - Có thể có / hoặc không có nguồn gốc từ mô ung thư - Có thể có do ngẫu nhiên hay do quá trình bất tử hóa nhờ: • Các chất gây ung thư • Nhiễm virus • Đưa gen của virus hay gen ung thư vào bộ gen tế bào Ưu thế của dòng tế bào bất tử - Phát triển nhanh hơn  đạt được mật độ tế bào cao hơn - Có thể nuôi cấy trong môi trường nhân tạo, không chứa huyết thanh hay protein - Cho kết quả thí nghiệm ổn định hơn so với tế bào thứ cấp - Có thể nuôi cấy trong nồi lên men qui mô lớn Nhược điểm của dòng tế bào bất tử - Bộ gen thay đổi - Có nhiều biến dị kiểu hình so với tế bào ban đầu - Một số đặc điểm đặc trưng có thể bị biến mất Tạo dòng tế bào bất tử Một số phương pháp bất tử hóa để thu dòng tế bào liên tục: - Nhiễm các gen virus • Gen kháng nguyên T của virus Simian 40 (SV40) • Gen E6 và E7 của virus human papilloma (HPV) - Nhiễm virus: virus Epstein-Barr (EBV), retrovirus  dễ thực hiện, có độ tin cậy cao  nhiễm sắc thể không ổn định một số kiểu hình của tế bào ban đầu bị mất Tạo dòng tế bào bất tử - Nhiễm gen telomerase reverse transcriptase (TERT)  nhiễm sắc thể ổn định các kiểu hình quan trọng của tế bào ban đầu không bị mất Tạo dòng tế bào bất tử Tế bào bình thường TERT không biểu hiện Thu ngắn chiều dài telomere Tế bào thoái hóa ỨC CHẾ Tế bào nhiễm TERT biểu hiện Ổn định chiều dài telomere Tế bào bất tử KHÔNG ỨC CHẾ Môi trường nuôi cấy tế bào Môi trường nuôi cấy tế bào Môi trường nuôi cấy tế bào đảm bảo các điều kiện giống cơ thể • Nhiệt độ • Nồng độ O2, CO2 • pH • Áp suất thẩm thấu • Chất dinh dưỡng Môi trường nuôi cấy tế bào Môi trường nuôi cấy gồm hai phần chính: - Phần cơ bản: • Chất dinh dưỡng • Muối • Hệ đệm • Chỉ thị pH - Phần bổ sung: • Chứa yếu tố khác cần cho sự tăng trưởng tế bào - Kháng sinh và kháng nấm để ngăn ngoại nhiễm Lựa chọn môi trường nuôi cấy Môi trường nuôi cấy được chọn dựa trên: - Loại tế bào - Mục đích nuôi cấy: • Tăng trưởng tế bào • Biệt hóa tế bào • Thu hoạch sản phẩm: protein, enzym Phân loại môi trường nuôi cấy theo mục đích - Môi trường duy trì: • Đảm bảo tế bào còn nguyên vẹn về cấu trúc và chuyển hóa • Không kích thích tế bào phân chia - Môi trường phát triển: • Chứa các yếu tố cần thiết để tế bào phân chia và gia tăng số lượng Phân loại môi trường nuôi cấy theo thành phần Môi trường nuôi cấy gồm 2 loại cơ bản: - Môi trường tự nhiên • Dịch sinh học: huyết tương, huyết thanh, bạch huyết hoặc nước ối • Mô chiết tách: mô gan, lách, tủy xương nhưng phổ biến nhất là mô chiết tách từ phôi gà • Huyết tương đông vón • Mô bò chiết tách từ phôi bò 10 ngày tuổi  Có thành phần không xác định  khó đảm bảo sự đồng nhất giữa các lô Các loại môi trường nuôi cấy - Môi trường nhân tạo bổ sung một số chất tự nhiên • Chứa một phần hay toàn bộ các thành phần xác định • Đảm bảo cung cấp đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho tế bào • Đẳng trương, duy trì pH sinh lý ~ 7 bằng các hệ đệm • Để thúc đẩy quá trình tặng trưởng và nhân đôi, môi trường được bổ sung một số thành phần khác nhau VD: môi trường không có huyết thanh Ưu nhược điểm của các loại môi trường nuôi cấy - Ưu nhược điểm của môi trường có huyết thanh Ưu điểm: • Phù hợp và tiện lợi đối với nhiều loại tế bào • Chứa nhiều hormon, yếu tố tăng trưởng  thúc đẩy tế bào tăng trưởng và có chức năng • Có khả năng vận chuyển hormon, vitamin, chất khoáng, chất béo và các chất sinh học khác • Giảm thiểu sự hư hại cơ học cho tế bào • Có vai trò là hệ đệm tự nhiên giúp duy trì pH ~ 7 Ưu nhược điểm của môi trường có huyết thanh Nhược điểm: • Chứa các yếu tố tăng trưởng không cân đối • Có độc tố • Dễ bị nhiễm khuẩn, nhiễm nấm • Không có thành phần đồng nhất và xác định • Cần được kiểm tra chất lượng từng lô huyết thanh trước khi sử dụng làm môi trường • Có thể chứa các yếu tố ức chế tăng trưởng  kìm hãm tế bào tăng trưởng Ưu nhược điểm của môi trường có huyết thanh Nhược điểm: • Phạm vi sử dụng huyết thanh động vật bị hạn chế • Có thể ảnh hưởng đến quá trình chiết tách và tinh chế các sản phẩm Ưu nhược điểm của môi trường không có huyết thanh Ưu điểm: • Có thể thay đổi thành phần môi trường  kiểm soát tốc độ tăng trưởng tế bào • Bổ sung yếu tố đặc biệt để biệt hóa chức năng tế bào Ưu nhược điểm của môi trường không có huyết thanh Nhược điểm: • Tế bào tăng trưởng chậm • Tế bào cần hơn một loại môi trường để thu được sản phẩm • Các yếu tố môi trường sử dụng phải tinh khiết • Không có sẵn Các thành phần chính của môi trường nuôi cấy - Nước • Cần đạt tiêu chuẩn nước pha tiêm • Không chứa các yếu tố ức chế sự phát triển của tế bào như kim loại nặng, calci, chloro, sắt, độc tố, chất gây sốt, các phần tử rắn không tan - Carbon • Glucose là nguồn cung cấp carbon và năng lượng (5-25 mM) • Có thể dùng mannose, fructose, galactose, maltose • Glucose chuyển hóa không hoàn toàn  sinh lactate  ức chế sự tăng trưởng tế bào  dùng nguồn carbon khác: mannose, fructose, galactose, maltose  giảm lượng lactate - Acid amin • Các acid amin phải được cung cấp đầy đủ (0,1- 1 mM):  Hỗn hợp dạng tinh khiết  Dịch thủy phân protein  Cao chiết nấm men • Các acid amin quan trọng: glutamine (1-5 mM), methionine, serine - Vitamin • Nhiều tế bào cần bổ sung các vitamin nhóm B, biotin, acid folic, niacin, acid panthotenic, thiamine, acid ascorbic, vitamin A, D, E, K • Nguồn cung cấp: huyết thanh, cao nấm men - Các ion • Đóng vai trò:  Tạo áp suất thẩm thấu  Cân bằng ion  Co-factor của enzym • Một số ion thường dùng: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, SO4 2-, PO4 3-, HCO3 - • Đối với kiểu nuôi cấy dịch treo, nồng độ Mg2+, Ca2+ cần thấp để ngăn tế bào kết tập hay dính lại - Huyết thanh • Nguồn cung cấp: bê hay phôi bò • Thành phần: acid amin, yếu tố tăng trưởng, vitamin, protein, hormon, chất béo, chất khoáng • Nồng độ sử dụng: 2 - 20% - Các thành phần quan trọng khác • Yếu tố tăng trưởng - FGF (Fibroblast Growth Factor) - EGF (Epidermal Growth Factor) - NGF (Nerve Growth Factor) - Các đồng đẳng của isulin IGF-1, IGF-2 • Các yếu tố kích thích sự dính bề mặt: fibronectin, laminin - Kháng sinh • Mục đích: ngăn chặn nhiễm vi sinh vật • Các kháng sinh thường dùng: penicillin, streptomycin, amphotericin B • Nồng độ sử dụng giới hạn để tránh gây độc tính tế bào Thiết bị nuôi cấy tế bào Yêu cầu chung của nồi lên men tế bào: - Kiểm soát được pH môi trường nuôi cấy - Kiểm soát được nhiệt độ - Đảm bảo cung cấp oxy và loại bỏ carbon dioxid - Cung cấp chất dinh dưỡng trong suốt quá trình nuôi cấy - Cung cấp đủ bề mặt cần thiết để tế bào bám trong trường hợp nuôi cấy dòng tế bào phụ thuộc bề mặt - Đảm bảo vô trùng, tránh nhiễm vi sinh vật, virus và tế bào khác Thiết bị nuôi cấy tế bào Buồng cấy vô trùng Thiết bị nuôi cấy tế bào Bình nuôi cấy tế bào qui mô nhỏ Chai tĩnh 20-250 cm2 Nuôi cấy bề mặt 105 tế bào/cm2 Bình lắc 0,05-0,5 l Nuôi cấy chìm 2x106 tế bào/ml Túi nuôi cấy 50 ml 108 tế bào/ml Thiết bị nuôi cấy tế bào Bình nuôi cấy tế bào qui mô nhỏ Bình nuôi cấy kiểu sóng Bình quay Thiết bị nuôi cấy tế bào Kiểu nồi sợi rỗng Thiết bị nuôi cấy tế bào Thiết bị nuôi cấy tế bào Nhược điểm của kiểu nồi sợi rỗng: - Do bản chất của thành sợi  có khả năng bám dính tốt đối với tế bào dạng treo, nhưng không tốt đối với tế bào bám dính - Do khả năng bắt giữ tế bào  trong quá trình nuôi cấy không thể kiểm tra các chỉ số như mật độ tế bào sống  dựa vào thông số thay thế (VD: chỉ số lactate)  bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: dòng tế bào, nhiệt độ, pH, pha tăng trưởng, - Thích hợp với sản xuất các sản phẩm chuyển hóa, không phù hợp với sản xuất sinh khối do khó tách tế bào Một số khó khăn trong nuôi cấy tế bào qui mô lớn 1.Nhu cầu oxy 2. Cung cấp chất dinh dưỡng 3. Xử lý sản phẩm phụ 4. Một số khó khăn khác liên quan: quá trình làm nóng- lạnh, tiệt trùng, cung cấp môi trường Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào Nguyên tắc lựa chọn:  Qui mô • Nhỏ • Lớn  Kiểu khuấy trộn • Nuôi cấy tĩnh • Nuôi cấy có khuấy trộn  Kiểu nuôi cấy • Đồng nhất • Không đồng nhất Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Qui mô nhỏ: • Có thể tích < 20 l  Chai nuôi cấy tĩnh bằng nhựa dùng 1 lần  Chai lăn  Bình lắc  Bình quay • Dùng để nhân giống cho bình nuôi cấy lớn • Không được trang bị đầu dò, thiết bị thông khí  chỉ có thể nuôi cấy gián đoạn Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Bình quay qui mô nhỏ: • Thể tích ~ 2,5 l • Có thể bằng thủy tinh sử dụng nhiều lần hoặc nhựa dùng 1 lần • Cách vận hành:  Cho tế bào vào 1 lượng giới hạn môi trường  Đặt bình vào trục quay và điều chỉnh tốc độ quay (0,2-0,4 rpm)  tế bào bám vào bề mặt trong của bình  Bổ sung môi trường 8-15% thể tích bình, vận tốc quay 0,08- 0,16 rpm  Độ thông khí của hệ thống hiệu quả, khuyến cáo tỉ lệ thể tích khí / môi trường  1/5 Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Qui mô lớn: • Dùng để sản xuất lượng lớn tế bào hoặc sản phẩm từ tế bào • Được trang bị thiết bị kiểm soát thông khí, pH, nhiệt độ • Có thể vận hành gián đoạn hay liên tục • Cấu tạo bằng thủy tinh, nhựa hoặc thép không rỉ Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Nuôi cấy tĩnh: • Không khuấy trộn  thông khí nhờ khuếch tán oxi qua bề mặt thoáng  qui mô nuôi cấy giới hạn - Kiểu thùng khuấy: • Khuấy nhờ chân vịt hoặc cánh khuấy • Thông khí nhờ đầu phun khí đặt ở đáy nồi • Qui mô có thể đạt 20.000 l Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào- Kiểu thùng khuấy - Kiểu trộn bằng dòng khí: • Nồi được thiết kế thành 2 vùng • Khí phun từ dưới lên ở vùng giữa  khuấy trộn môi trường giữa 2 vùng • Qui mô có thể đạt 5.000 l • Dùng để nuôi cấy tế bào dễ bị phá vỡ Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Kiểu sóng: • Bình nuôi cấy là túi bằng chất dẻo mềm, đặt trên giá lắc  trộn môi trường • Dùng 1 lần • Qui mô có thể đạt 500 l Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào- Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Nuôi cấy đồng nhất: • Tế bào tự do trong môi trường  các điều kiện lý hóa được kiểm soát dễ dàng và giống nhau tại các vị trí khác nhau trong nồi • Áp dụng nuôi cấy tế bào không phụ thuộc bề mặt Một số kiểu bình và nồi nuôi cấy tế bào - Nuôi cấy không đồng nhất: • Gia tăng diện tích bề mặt  áp dụng nuôi cấy tế bào phụ thuộc bề mặt VD: 1 g chất mang đường kính 0.2 mm có tổng diện tích bề mặt > 6.000 cm2 • Giá mang vi thể có thể bằng dextran, polyacrylide, polystyren Tế bào phụ thuộc bề mặt Tế bào bám vào polymer Tế bào phụ thuộc bề mặt Một số phương pháp cố định tế bào - Hấp thụ: • Hệ thống gồm 1 ống hình trụ bằng sứ  Bề mặt trơn: dùng nuôi cấy tế bào phụ thuộc bề mặt  Bề mặt gồ ghề: dùng nuôi cấy tế bào dạng treo • Tế bào được bơm vào ống sứ trước khi cung cấp môi trường  tế bào bám dính bề mặt • Thường áp dụng để sản xuất protein trong 1 quá trình dài Một số phương pháp cố định tế bào - Lưu giữ tế bào: • Tế bào được lưu giữ trong các polymer  bảo vệ tế bào khỏi các tác nhân cơ học • Tế bào được trộn với natri alginat  dung dịch CaCl2  hình thành hạt canxi alginat  bắt giữ tế bào • Có thể sử dụng agarose, alginat nuôi cấy tế bào dạng treo Một số phương pháp cố định tế bào - Lưu giữ tế bào Bắt giữ tế bào bằng alginate Một số phương pháp cố định tế bào - Lưu giữ tế bào: • Có thể sử dụng hạt collagen: tế bào xuyên qua các lỗ và cư trú tại các hạt  Collagen gia tăng tính bám dính của tế bào không cần giá mang • Có thể sử dụng hạt fibrin: Fibrinogen + thrombin  hạt fribin  Áp dụng nuôi cấy tế bào không cần giá mang và tế bào dạng treo Một số phương pháp cố định tế bào - Lưu giữ tế bào Hạt collagen Một số phương pháp cố định tế bào - Bao tế bào: • Tế bào bao bởi màng được tạo bởi phức hợp polyacrylate có bề mặt điện tích âm và polyacrylate có bề mặt điện tích dương • Tế bào bao bởi màng sulfat cellulose Một số phương pháp nuôi cấy tế bào Ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào Ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào - Sản xuất protein: • Protein tự nhiên • Protein tái tổ hợp: Protein phức tạp, không biểu hiện được ở hệ thống vi sinh vật. VD: protein cần được glycosylate hóa, chỉ có thể được biểu hiện ở tế bào động vật Ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào - Sản xuất protein: • Vaccin virus: Ra đời từ những năm 1960 Sản xuất thành công vaccin bại liệt, sởi, ho gà, rubella, viêm gan B, quai bị, dại, Phát triển qui trình sản xuất vaccin HIV, HSV, RSV, CMV, cúm, Ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào - Sản xuất protein: • Các cytokine (interferon, interleukine) • Các yếu tố tạo máu: VD erythropoietin (EPO) • Hormon tăng trưởng • Kháng thể đơn dòng • Các yếu tố đông máu và phá hủy cục máu đông: yếu tố VII, VIII, IX, tPA, • Một số sản phẩm khác: protein C hoạt hóa (yếu tố đông máu XIV), FSH (hormon trước tuyến yên),.. Ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào - Liệu pháp tế bào • Dùng để sửa chữa hay thay thế mô hư hỏng • Tế bào gốc được quan tâm:  Khả năng biệt hóa thành các tế bào khác nhau  được nuôi cấy và biệt hóa thành tế bào đích  dùng để cấy ghép hoặc thay thế mà không bị đ