Sinh học không gian (Spatial Biology) - Xu hướng mới trong nghiên cứu y sinh

Khi ngành công nghệ sinh học (biotech) và dược sinh học (biopharma) nỗ lực phát triển các liệu pháp chính xác hơn, cá thể hóa hơn và hiệu quả hơn cho các bệnh lý phức tạp, các nhà nghiên cứu cần tiếp cận những hiểu biết sâu hơn từ tế bào, mô và protein.

Sinh học không gian (Spatial biology) là lĩnh vực nghiên cứu các phân tử sinh học và tế bào trong vi môi trường mô tự nhiên của chúng, cùng với các kỹ thuật chụp ảnh tiên tiến khác, đang giúp các nhà khoa học trực quan hóa, sơ đồ hóa và hiểu rõ hơn sự tương tác của tế bào ngay tại vị trí tự nhiên của chúng một cách hiệu quả hơn.

Bằng việc sử dụng kỹ thuật này, các nhà khoa học sẽ có cái nhìn toàn diện hơn về các quá trình sinh học, ví dụ như sự tương tác giữa tế bào miễn dịch, tế bào trong mô cụ thể, mạch máu cũng như tế bào ung thư (nếu có mặt).

Ví dụ, các nhà nghiên cứu có thể quan sát rõ ràng tế bào miễn dịch và lysosome khi chúng xâm nhập và tiêu diệt tế bào ung thư (hình 1, 2 và 3).

Điều này cho phép họ quan sát các quá trình sinh học nằm phía sau một số liệu pháp miễn dịch để điều trị ung thư, và cuối cùng góp phần định hướng cho việc khám phá cũng như phát triển các liệu pháp điều trị mới.

Hình 1. Các tế bào ung thư vú của người được xử lý bằng kháng thể điều trị trastuzumab được gắn với thuốc nhuộm pHrodo™ đỏ (màu đỏ), sau đó di chuyển đến lysosome (màu xanh lá). Màng tế bào được nhuộm bằng CellMask Plasma Membrane Deep Red (màu tím) và nhân tế bào được nhuộm bằng Hoechst 33342 (màu xanh dương).

Hình 2. Các tế bào NK của người (màu đỏ), được nhuộm bằng CellTracker™ Deep Red, được quan sát khi chúng nhận diện và chuẩn bị tấn công một khối u ung thư vú của người dạng 3D (tumoroid) (vùng tối).

Hình 3. Các tế bào T gây độc của người, được nhuộm bằng CellTracker™ Deep Red (màu tím), đang xâm nhập và tiêu diệt các tế bào trong khối u ung thư vú dạng 3D (tumoroid). Các sự kiện tiêu diệt được biểu hiện thông qua tín hiệu huỳnh quang của cảm biến CellEvent™ Caspase 3/7 Green.

Chụp ảnh tế bào, kết hợp với các lĩnh vực như proteomics (nghiên cứu hệ protein) và genomics (nghiên cứu hệ gen), cũng có thể giúp các nhà cung cấp dịch vụ y tế có thêm thông tin để dự đoán và đánh giá phản ứng của bệnh nhân đối với một phương pháp điều trị cụ thể trong bối cảnh lâm sàng.

Các kỹ thuật chụp ảnh tế bào trước đây chủ yếu phân tích các tế bào riêng lẻ, cung cấp thông tin về chức năng tế bào nhưng thiếu góc nhìn tổng thể về tổ chức và tương tác giữa các tế bào. Ngoài ra, các phương pháp phân tích mô cũ chỉ cho phép xác định 2 - 4 loại tế bào trong một mẫu cùng lúc, điều này cũng không đem lại bức tranh toàn diện. Những đổi mới công nghệ gần đây đã giúp thay đổi hoàn toàn điều này. Các cải tiến như độ phân giải hình ảnh cao hơn, phương pháp phân tích dữ liệu phức tạp hơn và độ chính xác cao hơn đã cách mạng hóa sự hiểu biết về tương tác tế bào trong cơ thể người, từ đó mở đường cho việc phát triển các liệu pháp nhắm đích chính xác hơn.

Các đổi mới khác trong lĩnh vực chụp ảnh tế bào, như hệ thống Invitrogen EVOS S1000 Spatial Imaging System mới của hãng Thermo Fisher, giúp tinh giản quy trình chụp ảnh và phân tích. Các nhà nghiên cứu có thể thu nhận hình ảnh chất lượng cao của nhiều mục tiêu cùng lúc, giảm nhu cầu thực hiện nhiều vòng chụp hình và bảo toàn tính toàn vẹn của mẫu. Hình ảnh số 4 là một ảnh tổng hợp từ hơn 400 bức ảnh riêng lẻ được chụp bằng hệ thống EVOS S1000, cung cấp cái nhìn rõ nét về các loại tế bào cụ thể và sự sắp xếp cấu trúc của chúng trong mô thận chuột. Hệ thống EVOS S1000 cũng cho phép các nhà nghiên cứu thu được hình ảnh từ nhiều mẫu chỉ trong vài giờ, tiết kiệm thời gian đáng kể.

Hình 4. Một lát cắt theo mặt phẳng đứng ngang của thận chuột được nhuộm với hỗn hợp 8 kháng thể để nhận diện các loại tế bào riêng biệt và sự sắp xếp cấu trúc của chúng trong mô. Hình ảnh này là sự tổng hợp từ hơn 400 bức ảnh riêng lẻ được chụp bằng hệ thống chụp ảnh EVOS™ S1000.

Hệ thống EVOS S1000, cũng giúp giảm rào cản tiếp cận cho các phòng thí nghiệm muốn cải thiện khả năng chụp ảnh và phân tích tế bào, nhờ việc đơn giản hóa quá trình diễn giải dữ liệu và cung cấp khả năng tương thích với nhiều loại thuốc thử và kháng thể. Nhờ vậy, phòng thí nghiệm không nhất thiết phải mua sắm toàn bộ bộ dụng cụ mới chỉ để vận hành một thiết bị duy nhất.

Các kỹ thuật chụp ảnh tế bào tiên tiến và sinh học không gian đang định hình tương lai của nghiên cứu và phát triển các liệu pháp nhắm đích mới, nhờ mang đến cho các nhà khoa học cái nhìn chính xác hơn và chuyên sâu hơn về cách tế bào, mô hoạt động cũng như cách chúng có thể đáp ứng với điều trị.