Trong lĩnh vực y học tái sinh và công nghệ sinh học, tế bào gốc vạn năng (totipotent stem cells) được xem là “hình thức nguyên thủy nhất” của tế bào. Chính nhờ khả năng đặc biệt là phát triển thành bất kỳ loại tế bào nào trong cơ thể, bao gồm cả nhau thai, mà tế bào gốc vạn năng trở thành đối tượng nghiên cứu trung tâm trong khoa học phân tử. Cùng Cell Insight tìm hiểu ngay sau đây.

Tế bào gốc vạn năng là gì?

Theo Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH), tế bào gốc vạn năng là loại tế bào có khả năng phát triển thành một phôi hoàn chỉnh, bao gồm cả các loại tế bào cơ thể lẫn nhau thai. Chúng chỉ tồn tại trong những ngày đầu tiên sau khi thụ tinh, thường là hợp tử (zygote) và các tế bào phân chia trong giai đoạn phôi sớm.

Đặc điểm nổi bật của tế bào gốc vạn năng

Cùng Cell Insight tìm hiểu thông tin chi tiết về đặc điểm của tế bào vạn năng: 

• Tính toàn năng tuyệt đối: có thể biệt hóa thành toàn bộ các mô của phôi và cả mô hỗ trợ ngoài phôi (như nhau thai, màng đệm…). Đây là đặc điểm phân biệt rõ nhất với tế bào gốc đa năng và đa tiềm năng. Theo báo cáo từ Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH), đặc điểm này chỉ tồn tại trong giai đoạn hợp tử và phân bào sớm. 
• Tự tái tạo mạnh mẽ (self-renewal): có khả năng phân chia liên tục mà vẫn giữ nguyên tiềm năng biệt hóa, giữ vai trò trung tâm trong việc hình thành phôi thai hoàn chỉnh. Theo nghiên cứu tại NCBI, đặc tính này giúp duy trì lượng tế bào vạn năng ổn định trong các mô hình nghiên cứu phát triển phôi.
• Biểu hiện gene đặc trưng: bao gồm các gene như Oct4, Nanog, Sox2 – là các yếu tố phiên mã quan trọng duy trì trạng thái chưa biệt hóa của tế bào. Những gene này cũng chính là chỉ điểm sinh học giúp phân biệt tế bào vạn năng với các dòng khác. Theo báo cáo từ Viện Công nghệ Sinh học EMBL, đây là bộ gene nền tảng để nhận diện trạng thái vạn năng của tế bào.
• Độ nhạy cao với tín hiệu ngoại bào: tế bào vạn năng phản ứng mạnh mẽ với các tín hiệu từ môi trường vi mô (niche), từ đó chuyển đổi linh hoạt thành các dòng tế bào theo nhu cầu sinh lý. Theo hiệp hội Sinh học Phát triển Quốc tế (ISDB), sự tương tác giữa tế bào và tín hiệu từ môi trường xung quanh đóng vai trò điều phối quá trình biệt hóa ban đầu.
• Chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn: theo ISDB và NIH, tế bào vạn năng chỉ tồn tại ở hợp tử và giai đoạn phân bào đầu (2–8 tế bào), sau đó chuyển hóa dần sang dạng đa năng. Điều này giải thích vì sao khó có thể thu nhận tế bào vạn năng trực tiếp từ người mà phải tái tạo trong phòng thí nghiệm.

✨ Nguồn tham khảo: NIH Stem Cell Basics, NCBI – Totipotent Stem Cells, ISDB – Totipotency in Embryonic Development, EMBL

Xem thêm: Serum tế bào gốc là gì? Serum tế bào gốc có tác dụng như thế nào với da hư tổn

Nguồn gốc của tế bào vạn năng

Theo Hiệp hội Sinh học Phát triển Quốc tế (ISDB), tế bào vạn năng chỉ hiện diện trong khoảng 4 ngày đầu tiên sau thụ tinh. Từ giai đoạn phôi nang trở đi, các tế bào này dần mất đi tính toàn năng và chuyển sang trạng thái tế bào gốc đa năng (pluripotent stem cells). Theo báo cáo từ ISDB năm 2022, điều này diễn ra trong giai đoạn phát triển phôi sớm, nơi các gene như Cdx2 và Gata3 bắt đầu hoạt hóa biệt hóa lớp ngoài phôi (trophoblast).

Do giới hạn đạo đức trong việc thu thập tế bào gốc vạn năng tự nhiên từ phôi người, các nhà khoa học hiện nay đã phát triển mô hình tế bào gốc vạn năng cảm ứng (induced totipotent-like stem cells – iTSCs). Theo nghiên cứu của Francis Crick Institute và Đại học Cambridge (Nature, 2022), việc tái lập trình gene từ tế bào trưởng thành giúp tạo ra các cấu trúc giống phôi nhân tạo (synthetic embryo-like structures), có đầy đủ các lớp mầm, túi ối, màng đệm và tế bào tiền nhau thai. Điều này mở ra cơ hội mới để nghiên cứu sự phát triển ban đầu của con người mà không cần sử dụng phôi thật.

Phát triển nghiên cứu tế bào gốc vạn năng

Sự hiểu biết về tế bào gốc vạn năng không ngừng được mở rộng trong suốt hơn một thế kỷ qua. Những cột mốc khoa học dưới đây cho thấy hành trình khám phá đầy tiềm năng nhưng cũng không ít tranh cãi của lĩnh vực này.

• 1909: Nhà sinh học Hans Driesch lần đầu đề xuất khái niệm “tế bào toàn năng” khi quan sát phôi cầu gai biển có khả năng phát triển thành sinh vật hoàn chỉnh từ một tế bào đơn lẻ.
• 1981: Tế bào gốc phôi chuột (ESCs) được phân lập thành công – tiền đề để hiểu rõ hơn về cơ chế biệt hóa.
• 2006: Shinya Yamanaka công bố 4 yếu tố tái lập trình (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc) – nền móng phát triển tế bào gốc đa năng cảm ứng (iPSCs).
• 2022: Tế bào vạn năng cảm ứng (iTSCs) được sử dụng để tạo ra phôi nhân tạo tại Anh, đánh dấu bước ngoặt lớn trong sinh học phát triển.

Ứng dụng của tế bào gốc vạn năng

Mặc dù vẫn còn giới hạn trong nghiên cứu tiền lâm sàng, tế bào gốc vạn năng và iTSCs đang được nghiên cứu để:

Xem ngay: Tế bào gốc toàn năng là gì? Nguồn gốc, ứng dụng của tế bào gốc toàn năng

• Mô phỏng phát triển phôi sớm: Hỗ trợ hiểu cơ chế biệt hóa và sàng lọc bất thường di truyền sớm. Theo EuroStemCell, mô hình phôi nhân tạo có thể thay thế phôi thật trong việc nghiên cứu giai đoạn đầu phát triển phôi, giảm bớt áp lực đạo đức và pháp lý. 
• Nghiên cứu các rối loạn di truyền và bất thường phát triển: Nhờ khả năng tạo mô hình phôi giả, các nhà khoa học có thể phân tích sự phát triển bất thường trong bệnh lý di truyền hiếm hoặc nguyên nhân vô sinh chưa rõ cơ chế. Theo Nature Reviews Genetics (2021), mô hình iTSC hỗ trợ hiểu rõ quá trình biệt hóa bất thường ở bệnh nhân. 
• Thử nghiệm dược lý học trong giai đoạn phôi thai: Việc kiểm tra độc tính thuốc trên cấu trúc phôi mô phỏng (synthetic embryo-like structures) mở rộng khả năng thử thuốc an toàn mà không cần dùng mô sống người thật. Theo Stem Cell Reports (2023), đây là một bước tiến giúp tối ưu hóa thuốc điều trị dành cho thai kỳ và trẻ sơ sinh. Nguồn
• Giải pháp thay thế trong sinh sản nhân tạo: Tiềm năng dài hạn trong việc phát triển phôi chức năng hỗ trợ điều trị vô sinh hoặc thay thế trứng và tinh trùng trong tương lai. Theo báo cáo của EMBO Reports (2022), đây là hướng đi được xem xét kỹ về mặt đạo đức nhưng có tiềm năng đột phá. Nguồn

Theo WHO và các tổ chức quốc tế, các ứng dụng này sẽ góp phần:

• Nâng cao năng lực chẩn đoán sớm các bệnh lý di truyền.
• Cải thiện phương pháp phòng ngừa rối loạn di truyền nhờ theo dõi phát triển phôi sớm.
• Tạo tiền đề cho liệu pháp tái tạo dựa trên cá thể hóa gen (personalized regenerative medicine), hướng đến điều trị chính xác và an toàn hơn.

Lưu ý: Dù tiềm năng lớn, các ứng dụng trên vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chưa được triển khai rộng rãi trên người do các rào cản pháp lý, đạo đức và kỹ thuật sinh học phức tạp.

Tế bào gốc vạn năng là nền tảng của sự sống – là tế bào duy nhất trong cơ thể người có khả năng tạo ra cả phôi và nhau thai. Mặc dù hiện nay chệ được khai thác trong môi trường nghiên cứu, nhưng tiềm năng ứng dụng của tế bào vạn năng trong sinh sản học, y học tái sinh và liệu pháp gen vẫn là đề tài được quan tâm sâu rộng trong khoa học đối mới thế kỷ 21.

📅 Nguồn tham khảo bổ sung:

• https://www.eurostemcell.org
• https://www.nature.com/articles/s41586-022-05146-6
• https://stemcells.nih.gov/info/basics/stc-basics
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK223690/