Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 KNTT bài 3: Công nghệ tế bào động vật và thành tựu

Câu hỏi khởi động

Việc thay thế các bộ phận bị bệnh, bị tổn thương trên cơ thể người đang gặp phải những khó khăn là thiếu nguồn tạng hiến và xảy ra hiện tượng đào thải sau ghép. Đó là những vấn đề lớn cần các nhà khoa học nghiên cứu giải quyết. Một trong các hướng nghiên cứu là sử dụng các tạng ở động vật biến đổi gene để chống lại hiện tượng đào thải ở người bệnh hoặc nuôi cấy mô tế bào tạo ra các tạng để ghép cho người bệnh. Công nghệ nuôi cây tế bào động vật còn đem lại những triển vọng nào khác trong tương lai?

Trong tương lai, công nghệ tế bào động vật không chỉ nuôi cấy tạo các mô, cơ quan thay thế cho các mô, cơ quan bị bệnh mà còn giúp tăng sinh khối, cung cấp nguồn tế bào cho công nghệ chuyển gene, nhân bản vô tính, sản xuất thịt nhân tạo, cũng như cung cấp tế bào, mô cho nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu nhân bản virus,...

I. Các giai đoạn chung của công nghệ tế bào động vật

II. Một số thành tựu và triển vọng của công nghệ tế bào động vật

Câu hỏi 1. Trình bày quy trình của nhân bản vô tính động vật.

Câu hỏi 2. Nêu nguyên nhân khiến việc nhân bản vô tính động vật vẫn chưa thực sự thành công.

Hiện nay, tỉ lệ nhân bản thành công các con vật còn khá thấp. Con vật nhân bản như cừu Dolly có tuổi thọ thấp hơn bình thường, chứng tỏ quy trình nhân bản cần phải hoàn thiện nhiều hơn nữa.

Một trong các lí do mà các nhà khoa học nghĩ đến là việc tái lập trình hệ gene của tế bào cho nhân còn chưa được hoàn thiện. Trong quá trình biệt hoá tế bào, nhiều gene được đóng/mở bằng cách methyl hoá (gắn thêm nhóm -CH3) một số vị trí nucleotide (cytosine). Trong quá trình giải biệt hoá tế bào cho nhân, có thể một số gene trong tế bào cho nhân chưa được khử nhóm methyl nên còn nhiều gene chưa được giải biệt hoá, dẫn đến quá trình phát triển của con vật nhân bản chưa bình thường.

Câu hỏi 1. Người ta có thể tạo ra các tế bào gốc để chữa bệnh bằng cách nào?

Câu hỏi 2. Một số thành tựu sử dụng tế bào gốc để chữa bệnh ở người.

Liệu pháp tế bào gốc cũng đang được ứng dụng trong việc hỗ trợ chữa trị một số bệnh ung thư ở người. Trong điều trị ung thư, người ta hay sử dụng tia phóng xạ hoặc hoá chất để tiêu diệt các tế bào ung thư. Tuy nhiên, tia phóng xạ và hoá chất không chỉ tiêu diệt các tế bào ung thư mà còn tiêu diệt các tế bào bình thường vốn phân chia mạnh (ví dụ: tế bào máu). Do đó, cách điều trị này gây nhiều tác dụng phụ không mong muốn. Để giúp người bệnh có thể phục hồi các tế bào lành bị tổn thương như các loại tế bào máu, trong đó có các loại tế bào của hệ miễn dịch, người ta thường tách chiết các tế bào gốc trưởng thành từ người bệnh, đem nhân nuôi trong điều kiện nhân tạo rồi tiêm trở lại cho bệnh nhân.

Liệu pháp tế bào gốc cũng đã được thử nghiệm để chữa bệnh tiểu đường type1. Tế bào tuyến tụy của người bệnh không còn khả năng tổng hợp hormone insulin, vì vậy việc dùng tế bào gốc khoẻ mạnh đưa vào tuyến tuy để thay thế tế bào bệnh là một hướng đi đầy hứa hẹn.

Một hướng nghiên cứu khác là nuôi cấy các tế bào chuyên hoá khoẻ mạnh lấy từ người bệnh, sau đó giải biệt hoá cho chúng trở lại thành các tế bào gốc đa tiềm năng. Các tế bào gốc đa tiềm năng này sẽ được biệt hoá thành tế bào chuyên hoá khác nhau, thay thế cho các tế bào bị bệnh. Bằng công nghệ này, các nhà khoa học Nhật Bản đã tiến hành thử nghiệm lâm sàng dùng tế bào gốc để chữa bệnh mù do thoái hoá điểm vàng ở người cao tuổi. Kết quả cho thấy tình trạng bệnh đã được cải thiện.

Bằng liệu pháp tế bào gốc, các nhà khoa học kì vọng sẽ chữa được bệnh Parkinson, người có cơ tim bị tổn thương do đột quy hay bị tổn thương các tế bào thần kinh.

Liệu pháp tế bào gốc giúp chữa được nhiều bệnh nhưng việc dùng tế bào gốc phôi người để chữa bệnh vẫn còn một số quan ngại về vấn đề đạo đức. Một số nước cho rằng phá các phôi dù là ở giai đoạn phôi sớm là vi phạm đạo đức. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã nuôi cấy các tế bào gốc trưởng thành để sử dụng trong việc chữa bệnh bằng liệu pháp tế bào gốc.

Câu hỏi 1. Liệu pháp gene là gì? Trình bày các bước tiến hành trong liệu pháp gene.

Câu hỏi 2. Trình bày sự khác biệt giữa liệu pháp tế bào mầm sinh dục và liệu pháp tế bào cơ thể.

Khác biệt cơ bản giữa liệu pháp tế bào mầm sinh dục với liệu pháp tế bào cơ thể (soma) là thay thế gene trong tế bào mầm sinh dục thì gene được thay thế có thể truyền lại cho thế hệ sau, trong khi liệu pháp tế bào soma thì gene thay thế không được truyền lại cho thế hệ sau.

Câu hỏi 3. Nêu một số thử nghiệm về liệu pháp gene ở người.

Luyện tập và vận dụng

Bài 1. Nêu các triển vọng của việc nhân bản vô tính động vật.

Ngày nay, với quy trình công nghệ nhân bản được cải tiến không ngừng, các nhà khoa học đã nhân bản thành công nhiều loài động vật như bò, lợn, cừu, ngựa, lừa, mèo, chó, khỉ và nhiều loại động vật có vú khác. Năm 2021, các nhà khoa học ở viện chăn nuôi của Việt Nam lần đầu tiên nhân bản thành công được các con lợn ỉ, một giống lợn quý của nước ta.

Nhân bản vật nuôi không chỉ nhằm mục đích sản sinh ra nhiều cá thể có cùng kiểu gene ưu việt mà chúng còn được dùng như những “nhà máy” sản xuất thuốc chữa bệnh cho người. Ví dụ: Động vật nhân bản có thêm gene của người sản sinh ra các protein dùng để chữa một số bệnh di truyền ở người như dê chuyển gene sản sinh ra protein của người và tiết vào sữa, protein này dễ dàng được tách chiết và tinh chế từ sữa dê dùng làm thuốc chữa bệnh di truyền rối loạn đông máu.

Năm 2003, các nhà khoa học đã nhân bản thành công một con bò bằng cách lấy nhân từ tế bào da của một con bò đông lạnh đã chết từ năm 1980 cấy vào tế bào trứng đã bị loại bỏ nhân. Thành công này mở ra một hướng ứng dụng mới của nhân bản vô tính ở động vật, giúp gia tăng số lượng cá thể động vật có nguy cơ tuyệt chủng cao.

Mặc dù nhân bản vô tính đã thành công ở nhiều loài động vật, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục. Tỉ lệ nhân bản thành công ở nhiều loài động vật là rất thấp, các con vật nhân bản không sống được lâu (cừu Dolly chỉ sống được 6 năm), nhiều con mắc bệnh. Điều này chứng tỏ việc tái lập trình hệ gene từ tế bào cho nhân vẫn không được diễn ra một cách hoàn hảo trong tế bào trứng. Một số gene có thể đã không được đóng/mở đúng thời điểm trong quá trình phát triển cá thể.

Bài 2. Liệu pháp gene cần phải khắc phục những trở ngại gì để có thể đưa vào sử dụng trong thực tế?

Sử dụng các vector để đưa gene vào tế bào không đảm bảo gene thay thế được gắn vào đúng vị trí của gene gây bệnh. Việc gắn gene sai vị trí có thể làm bất hoạt các gene khác hoặc làm cho gene thay thế biểu hiện không đúng liều lượng, không đúng vị trí. Việc cần khắc phục hiện nay là tìm được công cụ đưa gene bình thường vào đúng vị trí của gene gây bệnh. Một trong các công cụ có triển vọng là hệ thống enzyme CRISPR/Cas9.

Bài 3. Sử dụng tế bào gốc có thể hỗ trợ điều trị một số bệnh ung thư như thế nào?

Liệu pháp tế bào gốc có thể hỗ trợ điểu trị một số bệnh ung thư khác bằng cách giúp phục hồi các tế bào gốc tuỷ xương để chúng sản sinh ra các tế bào thay thế những tế bào máu, tế bào hệ miễn dịch bị hoá chất và tia phóng xa tiêu diệt trong quá trình điều trị ung thư.

Ngoài ra, tế bào gốc đang được nghiên cứu thử nghiệm để chữa một số bệnh như ung thư bạch cầu, ung thư hạch, u nguyên bào thần kinh và đa u tuỷ. Các tế bào gốc tuỷ xương được tiêm vào tuỷ xương của bệnh nhân, tại đây chúng phân chia và biệt hoá thành các loại tế bào khác nhau, thay thế các tế bào bị bệnh.

Sử dụng tế bào gốc cũng có thể trực tiếp chống lại tế bào ung thư. Đây là hiện tượng được gọi là “tế bào ghép chống lại khối u”. Tế bào ghép từ người hiến tặng có khả năng tấn công các tế bào ung thư còn sót lại trong cơ thể người bệnh sau những đợt điều trị ung thư với các hoá chất liều cao.

Các loại tế bào gốc được sử dụng có thể là tế bào gốc tự thân (tế bào gốc trưởng thành phân lập từ cơ thể người bệnh, từ tế bào gốc lấy từ máu cuống rốn được bảo quản từ khi mới sinh) hoặc tế bào gốc đồng loại (từ người hiến tặng). Sử dụng các loại tế bào gốc tự thân thì cơ thể sẽ không có phản ứng đào thải tế bào ghép. Nếu truyền tế bào gốc đồng loại, cho dù người hiến tặng và người nhận có kiểu gene tương đồng vẫn có nguy cơ đào thải nên bệnh nhân phải sử dụng thuốc hạn chế đáp ứng miễn dịch loại thải tế bào ghép.

Bài 4. Sử dụng tế bào gốc gây nên những quan ngại gì về vấn đề đạo đức?