BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ
-


Hồ
Nguyễn
Quỳnh
Chi

ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI
TĂNG SINH VÀ CẤU TRÚC
KHUNG XƯƠNG TẾ BÀO
GỐC TRUNG MÔ CUỐNG
RỐN NGƯỜI TRONG ĐIỀU
KIỆN VI TRỌNG LỰC MƠ
PHỎNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CƠNG NGHỆ SINH
HỌC

Tp. Hồ Chí
Minh – Năm
2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ
-

H
ồ
N
g
u


yễn
Quỳnh
Chi

GS.
TS.
Hoàng
Nghĩa
Sơn

ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI
TĂNG SINH VÀ CẤU TRÚC
KHUNG XƯƠNG TẾ BÀO

GỐC TRUNG MÔ CUỐNG
RỐN NGƯỜI TRONG ĐIỀU
KIỆN VI TRỌNG LỰC MƠ
PHỎNG

Chun ngành: Cơng
nghệ sinh học
Mã số: 9 42 02 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CƠNG NGHỆ SINH
HỌC

NGƯỜ
I
HƯỚN
G
DẪN
KHOA
HỌC:

Tp.
Hồ
Chí
Min
h–
Nă
m
202
1



i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc
thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã
đƣợc chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và đƣợc phép cơng bố.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 04 năm
2021
Học viên thực hiện

Hồ Nguyễn Quỳnh Chi


ii
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận án này, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Hồng Nghĩa Sơn, ngƣời đã ln tận tâm chỉ dẫn, tạo mọi điều kiện cho
tôi học tập, nghiên cứu và hoàn chỉnh đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn Học Viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện
thuận lợi để tôi thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện Sinh học Nhiệt đới đã tạo điều
kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn đề tài: “Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi trong cấu
trúc bộ khung tế bào cơ thể sống trong điều kiện mô phỏng trạng thái vi trọng lực
(simulated microgravity)”, thuộc Chƣơng trình Khoa học công nghệ vũ trụ, mã số:
CNVT/16-20 đã hỗ trợ cho nghiên cứu.
Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Thành Long, ngƣời đã hƣớng dẫn
tận tình và giúp tơi có cơ hội đƣợc thực hiện đề tài.
Tơi xin cảm ơn Thầy, Cô, các anh chị đồng nghiệp, các bạn sinh viên đã và

đang nghiên cứu tại Viện Sinh học Nhiệt đới đã luôn động viên giúp đỡ tơi trong
q trình cơng tác và nghiên cứu.
Con xin cảm ơn ba, mẹ, em đã luôn ở bên con, động viên con trong mọi lúc
khó khăn.
Tp. HCM, ngày 19 tháng 04 năm 2021
Hồ Nguyễn Quỳnh Chi


iii
MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................................ ii
MỤC LỤC............................................................................................................................................. iii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG....................................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................................ ix
TĨM TẮT............................................................................................................................................. xii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................................................ 5
1.1. Vai trị của các nghiên cứu sinh học trong khơng gian.................................................. 5
1.2. Giới thiệu về vi trọng lực và vi trọng lực mô phỏng...................................................... 6
1.2.1. Vi trọng lực............................................................................................................................... 6
1.2.2. Vi trọng lực mô phỏng.......................................................................................................... 8
1.3. Các hệ thống mô phỏng vi trọng lực..................................................................................... 9
1.3.1. Clinostat.................................................................................................................................. 10
1.3.2. Buồng quay............................................................................................................................ 13
1.3.3. Máy định vị ngẫu nhiên..................................................................................................... 14
1.4. Tế bào gốc trung mô cuống rốn............................................................................................ 15

1.4.1. Khái niệm............................................................................................................................... 15
1.4.2. Lợi ích của tế bào gốc trung mô cuống rốn.............................................................. 16
1.5. Sự tăng sinh tế bào.................................................................................................................... 17
1.5.1. Định nghĩa.............................................................................................................................. 17
1.5.2. Các yếu tố điều hòa chu kỳ tế bào................................................................................ 18
1.5.3. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của vi trọng lực lên sự tăng sinh tế bào........19
1.6. Quá trình apoptosis................................................................................................................... 20
1.6.1. Khái niệm............................................................................................................................... 20
1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến apoptosis........................................................................... 22
1.6.3. Phương pháp đánh giá apoptosis.................................................................................. 23
1.7. Nhân và tế bào chất................................................................................................................... 26


iv
1.7.1. Định nghĩa và vai trò của nhân và tế bào chất........................................................ 26
1.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái nhân và tế bào chất.................................... 26
1.8. Bộ khung xƣơng tế bào........................................................................................................... 27
1.8.1. Khái niệm............................................................................................................................... 27
1.8.2. Cấu trúc khung xương tế bào.......................................................................................... 27
1.8.3. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của vi trọng lực lên khung xương tế bào.......29
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................. 31
2.1. Vật liệu........................................................................................................................................... 31
2.1.1. Thiết bị và dụng cụ cần thiết........................................................................................... 31
2.1.2. Môi trường và hóa chất sử dụng................................................................................... 32
2.1.3. Tế bào gốc trung mô.......................................................................................................... 33
2.1.4. Hệ thống vi trọng lực mô phỏng (clinostat 3D)....................................................... 33
2.2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.............................................................................. 35
2.2.1. Nuôi cấy tế bào..................................................................................................................... 36
2.2.1.1. Phương pháp giải đông.............................................................................................. 36
2.2.1.2. Phương pháp cấy chuyền........................................................................................... 36

2.2.1.3. Phương pháp đông lạnh............................................................................................. 36
2.2.2. Đánh giá các chỉ thị marker của tế bào gốc trung mô.......................................... 37
2.2.3. Thử nghiệm vi trọng lực.................................................................................................... 38
2.2.4. Đánh giá sự tăng sinh tế bào.......................................................................................... 39
2.2.4.1. Đánh giá mật độ tế bào.............................................................................................. 39
2.2.4.2. Đánh giá chu kỳ tế bào............................................................................................... 39
2.2.5. Đánh giá quá trình apoptosis......................................................................................... 44
2.2.5.1. Thu hoạch tế bào........................................................................................................... 44
2.2.5.2. Đánh giá tỉ lệ apoptosis.............................................................................................. 44
2.2.5.3. Đánh giá biểu hiện mức phiên mã các gene liên quan đến apoptosis......45
2.2.6. Đánh giá sự thay đổi hình thái nhân và tế bào chất.............................................. 46
2.2.6.1. Thu hoạch và cố định tế bào..................................................................................... 46
2.2.6.2. Đánh giá sự thay đổi hình thái nhân..................................................................... 46
2.2.6.3. Đánh giá sự thay đổi hình thái tế bào chất......................................................... 46
2.2.7. Đánh giá sự thay đổi cấu trúc khung xương tế bào............................................... 47
2.2.7.1. Thu hoạch tế bào........................................................................................................... 47


v
2.2.7.2. Đánh giá biểu hiện mức phiên mã các gene mã hóa vi ống, vi sợi............47
2.2.7.3. Đánh giá biểu hiện mức dịch mã các gene mã hóa vi ống, vi sợi..............48
2.2.7.4. Đánh giá sự tái cấu trúc bộ khung vi ống, vi sợi trong tế bào.....................49
2.2.8. Phương pháp thống kê....................................................................................................... 50
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................................... 51
3.1. Đánh giá các chỉ thị marker của tế bào gốc trung mô.................................................. 51
3.2. Đánh giá sự tăng sinh tế bào.................................................................................................. 52
3.2.1. Sự thay đổi mật độ tế bào................................................................................................. 52
3.2.2. Sự thay đổi chu kỳ tế bào.................................................................................................. 53
3.2.2.1. Tỉ lệ các pha trong chu kỳ tế bào............................................................................ 53
3.2.2.2. Biểu hiện mức độ phiên mã các gene điều hịa chu kì tế bào.......................54

3.2.2.3. Biểu hiện mức độ dịch mã các gene điều hòa chu kì tế bào.........................55
3.3. Đánh giá quá trình apoptosis................................................................................................. 58
3.3.1. Tỉ apoptosis............................................................................................................................ 58
3.3.2. Biểu hiện mức phiên mã các gene liên quan đến apoptosis................................ 58
3.4. Đánh giá sự thay đổi hình thái tế bào................................................................................. 59
3.4.1. Sự thay đổi hình thái nhân............................................................................................... 59
3.4.2. Sự thay đổi hình thái tế bào chất................................................................................... 63
3.5. Đánh giá cấu trúc khung xƣơng tế bào............................................................................. 66
3.5.1. Biểu hiện mức phiên mã các gene mã hóa vi ống, vi sợi...................................... 66
3.5.2. Biểu hiện mức dịch mã các gene mã hóa vi ống, vi sợi........................................ 67
3.5.3. Đánh giá sự tái cấu trúc bộ khung vi ống, vi sợi trong tế bào........................... 67
3.6. Tóm tắt ảnh hƣởng của vi trọng lực mô phỏng lên tế bào hucMSC và phƣơng
thức ức chế tăng sinh tế bào trong môi trƣờng vi trọng lực mơ phỏng.........................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................................... 77
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ........................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................... 79
PHỤ LỤC


vi
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
7-AAD
ATP
Bax
Bcl-2
bmMSC
CDKs
DMEM
DNA

FBS
GVHD
hucMSC
ISCT
LSCM
mRNA
MSC
NASA
OD
PBS
Pen/Strep
PI
PS
PVDF


vii
qRT-PCR

RNA
RPM
RWV
SDS-PAGE

SMG
TEM
TUNEL
ucMSC



viii
DANH MỤC BẢNG
Trang

Bảng 2.1. Một số thiết bị chính sử dụng trong đề tài............................................................ 31
Bảng 2.2. Một số dụng cụ chính sử dụng trong đề tài.......................................................... 31
Bảng 2.3. Mơi trƣờng, hóa chất sử dụng trong đề tài........................................................... 32
Bảng 2.4. Chu trình nhiệt của phản ứng Realtime qRT-PCR cho các gene điều hịa
chu kì tế bào.......................................................................................................................................... 42
Bảng 2.5. Trình tự mồi các gene điều hịa chu kì tế bào...................................................... 42
Bảng 2.6. Chu trình nhiệt của phản ứng Realtime qRT-PCR cho các gene liên quan
đến apoptosis........................................................................................................................................ 45
Bảng 2.7. Trình tự mồi các gene liên quan đến apoptosis................................................... 45
Bảng 2.8. Chu trình nhiệt của phản ứng Realtime qRT-PCR cho các gene mã hóa
khung xƣơng tế bào........................................................................................................................... 47
Bảng 2.9. Trình tự mồi các gene mã hóa khung xƣơng tế bào......................................... 47


ix
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Ngun lý cơ bản của hệ thống clinostat 2D....................................................... 11
Hình 1.2. Mơ hình clinostat 2D..................................................................................................... 12
Hình 1.3. Mơ hình clinostat 3D..................................................................................................... 12
Hình 1.4. Mơ hình buồng quay (rotating wall vessel-RWV)............................................. 13
Hình 1.5. Mơ hình máy định vị ngẫu nhiên (RPM)............................................................... 14
Hình 1.6. Cấu trúc cuống rốn ở ngƣời....................................................................................... 16
Hình 1.7. Chu kỳ tế bào................................................................................................................... 18
Hình 1.8. Hình ảnh tế bào chuột biểu hiện apoptosis dƣới kính hiển vi quang học . 21
Hình 1.9. Hình ảnh tế bào tuyến ức dƣới kính hiển vi điện tử......................................... 22

Hình 1.10. Thành phần cấu trúc khung xƣơng tế bào.......................................................... 28
Hình 2.1. Cấu trúc hệ thống máy clinostat 3D tạo môi trƣờng vi trọng lực mơ phỏng33

Hình 2.2. Sơ đồ tóm tắt nội dung nghiên cứu.......................................................................... 35
Hình 2.3. Bình ni tế bào hucMSC trong thử nghiệm vi trọng lực............................... 38
Hình 2.4. Đĩa 96 giếng chứa tế bào hucMSC trong thử nghiệm vi trọng lực..............38
Hình 2.5. Đĩa ni hucMSC đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp WST-1...................... 39
Hình 2.6. Phƣơng pháp chuyển màng PVDF.......................................................................... 43
Hình 3.1. Đánh giá biểu hiện marker ở hucMSC................................................................... 51
Hình 3.2. Mật độ quang của hucMSC qua đánh giá bằng phƣơng pháp WST-1.......52
Hình 3.3. Chu kì tế bào hucMSC qua phân tích flow cytometry..................................... 54
Hình 3.4. Biểu hiện mức phiên mã các gene điều hòa chu kỳ tế bào bằng phƣơng
pháp Realtime qRT-PCR.................................................................................................................. 54


x
Hình 3.5. Biểu hiện mức dịch mã các gene điều hịa chu kỳ tế bào bằng phƣơng
pháp Western Blot.............................................................................................................................. 55
Hình 3.6. Tỉ lệ tế bào sống và apoptosis ở hucMSC qua phân tích flow cytometry sử
dụng phƣơng pháp nhuộm FITC Annexin V........................................................................... 58
Hình 3.7. Biểu hiện mức phiên mã các gene liên quan đến apoptosis ở hucMSC
bằng phƣơng pháp Realtime qRT-PCR...................................................................................... 59
Hình 3.8. Cƣờng độ nhân của hucMSC qua phân tích bằng ứng dụng Cell Cycle
App........................................................................................................................................................... 60
Hình 3.9. Diện tích nhân của hucMSC qua phân tích bằng ứng dụng Cell Cycle App60
Hình 3.10. Hình dạng nhân của hucMSC qua phân tích bằng ứng dụng Cell Cycle
App........................................................................................................................................................... 61
Hình 3.11. Sự phân bố nhân trong mối tƣơng quan giữa hình dạng nhân và cƣờng
độ nhân ở hucMSC qua phân tích bằng ứng dụng Cell Cycle App................................. 62
Hình 3.12. Sự phân bố nhân trong mối tƣơng quan giữa diện tích nhân và cƣờng độ

nhân ở hucMSC qua phân tích bằng ứng dụng Cell Cycle App....................................... 63
Hình 3.13. Hình thái tế bào chất của hucMSC........................................................................ 64
Hình 3.14. Giá trị FSC biểu thị kích thƣớc tế bào ở hucMSC.......................................... 65
Hình 3.15. Biểu hiện mức phiên mã các gene mã hóa vi ống, vi sợi bằng phƣơng
pháp Realtime qRT-PCR.................................................................................................................. 66
Hình 3.16. Biểu hiện mức dịch mã các protein cấu trúc vi sợi, vi ống bằng phƣơng
pháp Western Blot.............................................................................................................................. 67
Hình 3.17. Ảnh nhuộm huỳnh quang vi ống của hucMSC trong điều kiện bình
thƣờng và điều kiện vi trọng lực mơ phỏng (SMG)............................................................. 69
Hình 3.18. Ảnh nhuộm huỳnh quang vi sợi của hucMSC trong điều kiện bình
thƣờng và điều kiện vi trọng lực mơ phỏng (SMG)............................................................. 70
Hình 3.19. Kết quả đánh giá mật độ vi ống của hucMSC................................................... 71


xi
Hình 3.20. Kết quả đánh giá mật độ vi sợi actin của hucMSC......................................... 72
Hình 3.21. Sơ đồ tóm tắt ảnh hƣởng của vi trọng lực mô phỏng lên sự tăng sinh tế
bào hucMSC......................................................................................................................................... 76


xii
TÓM TẮT
Sinh học trọng lực là ngành khoa học mới và thu hút đƣợc nhiều quan tâm.
Các nghiên cứu ứng dụng hệ thống vi trọng lực mô phỏng tại mặt đất có ƣu điểm
giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu rủi ro về con ngƣời. Trong nghiên cứu này,
chúng tôi sử dụng hệ thống clinostat 3D tạo môi trƣờng vi trọng lực mơ phỏng
-3

(SMG) với gia tốc 1,3 × 10 G cảm ứng lên dòng tế bào gốc trung mô cuống rốn
ngƣời (hucMSC). Tế bào hucMSC sau khi nuôi cấy tăng sinh và phân tích các

marker đặc trƣng cho tính gốc đƣợc chia làm hai nhóm thí nghiệm: nhóm cảm ứng
vi trọng lực mô phỏng (SMG) đƣợc nuôi ở điều kiện 1,3 × 10

-3

G và nhóm đối

chứng đƣợc ni ở điều kiện trọng lực bình thƣờng (1G). Các chỉ tiêu về tăng sinh,
apoptosis, hình thái tế bào và cấu trúc khung xƣơng ở hucMSC đƣợc đánh giá. Kết
quả đánh giá mật độ tế bào bằng phƣơng pháp WST-1 cho thấy hucMSC giảm tăng
sinh trong điều kiện SMG (p ≤ 0,001). Hơn nữa, phân tích flow cytometry cho thấy
các tế bào hucMSC ở nhóm SMG có xu hƣớng đi vào pha nghỉ G0/G1 nhiều hơn và
giảm tỉ lệ đi vào pha phân chia G2/M (p ≤ 0,01). Thêm vào đó, biểu hiện của các
protein liên quan đến chu kỳ tế bào nhƣ Cyclin A, CDK2, CDK4 và CDK6 đều
giảm trong môi trƣờng SMG qua đánh giá bằng phƣơng pháp Realtime qRT-PCR
và Western Blot. Trong nghiên cứu này, apoptosis đƣợc chứng minh là khơng làm
ảnh hƣởng đến q trình tăng sinh của hucMSC khi khơng tìm thấy sự khác biệt
mang ý nghĩa thống kê ở tỉ lệ apoptosis giữa hai nhóm thí nghiệm. Thay vào đó, sự
giảm biểu hiện cả ở mức phiên mã và dịch mã của các protein cấu trúc khung
xƣơng tế bào nhƣ β-actin và α-tubulin và các protein liên quan đến chu kỳ tế bào ở
trên là nguyên nhân của sự giảm tăng sinh ở hucMSC trong môi trƣờng SMG. Bên
cạnh làm thay đổi các protein điều hòa chu kỳ tế bào, điều kiện SMG đã làm giảm
biểu hiện β-actin cấu trúc vi sợi và α-tubulin cấu trúc vi ống, từ đó ngăn chặn sự
hình thành rãnh phân tách và thoi vô sắc cần thiết cho quá trình phân bào.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trọng lực là một hằng số ảnh hưởng đến cả hiện tượng vật lý và sinh học

trong quá trình phát triển sự sống trên Trái Đất. Trọng lực đóng vai trị quan trọng
trong sự tiến hóa hình thái của sinh vật. Để chống lại trọng lực, cơ thể sống cần phát
triển các hệ thống hỗ trợ như xây dựng cấu trúc phù hợp, củng cố màng tế bào và
điều chỉnh dòng chảy của chất lỏng trong cơ thể. Trong không gian, các phi hành
gia đã trải qua những thay đổi sinh lý sâu sắc khi cơ thể họ phải điều chỉnh theo môi
trường vi trọng lực. Tất cả các quá trình sinh lý trong cơ thể bị chi phối bởi hoạt
động của nhiều loại tế bào chuyên biệt trong các mô khác nhau. Do đó, mơi trường
vi trọng lực được coi là phát huy tác dụng bất lợi đối với các phi hành gia thông qua

những thay đổi trong cấu trúc và chức năng của tế bào. Chính vì những lý do trên,
nghiên cứu về những ảnh hưởng của môi trường không gian đến cơ thể sinh vật là
rất quan trọng, giúp giảm thiểu những rủi ro cho con người trong quá trình khám
phá vũ trụ.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loại tế bào ở những sinh vật khác nhau
hoạt động khác nhau trong không gian so với trên Trái Đất. Do có sự đa dạng lớn về
các loại tế bào trong tự nhiên, ảnh hưởng của vi trọng lực (microgravity) lên các tế
bào đó vơ cùng đa dạng và thường phức tạp. Một số nghiên cứu về vai trò của vi
trọng lực đối với sự tăng sinh và biệt hóa tế bào đã chứng minh rằng các tế bào phát
triển trong môi trường vi trọng lực phát triển khác với trong điều kiện bình thường
dẫn đến những thay đổi trong quá trình phân chia tế bào. Khung xương tế bào
(cytoskeleton) cũng là một trong những đối tượng chịu ảnh hưởng lớn dưới tác động
của vi trọng lực. Bộ khung xương tế bào hình thành cấu trúc chính của tế bào và bao
gồm các tương tác giữa các vi ống (microtubule), vi sợi (microfilament), vi sợi
trung gian (intermediate filament) và các protein liên quan. Do đó, khung xương tế
bào có liên quan rất lớn đến hình dạng tế bào. Sự bất thường trong hoạt động của
các vi ống và vi sợi trong khung xương tế bào có thể có ảnh hưởng bất lợi lên bản
thân mỗi tế bào, thậm chí gây những hậu quả rất lớn khi tế bào ở giai đoạn phôi.
Các cơ chế của những thay đổi về tăng sinh và cấu trúc khung xương tế bào dưới tác
động của vi trọng lực vẫn chưa được chứng minh rõ ràng.



2
Tác động của trọng lực lên nghiên cứu sinh học hiện có thể được thực hiện
thơng qua các chuyến bay vũ trụ hoặc mô phỏng trên mặt đất. Một số mơ hình hệ
thống vi trọng lực mơ phỏng đã được thiết lập trên mặt đất như các hệ thống
clinostat 2D, 3D, RPM (random position machine - máy định vị ngẫu nhiên), buồng
quay và tháp rơi để nghiên cứu tác động của vi trọng lực trên mặt đất. Một trong
những đối tượng nghiên cứu thường được sử dụng để đánh giá tác động của vi trọng
lực mô phỏng là tế bào gốc trung mô, thường thấy là tế bào gốc trung mô từ tủy
xương. Những thay đổi của tế bào gốc trung mô tủy xương trong môi trường vi
trọng lực mô phỏng tạo ra bởi hệ thống clinostat 2D đã được báo cáo. Hệ thống
quay 2D này đã được đưa vào ứng dụng từ lần giới thiệu đầu tiên năm 1879. Mặc
dù mơ hình này tạo ra vi trọng lực mơ phỏng, nó cũng đi kèm với các hiệu ứng
ngồi ý muốn. Vì lý do này, hệ thống clinostat 3D đã được phát triển để tạo ra môi
trường vi trọng lực mơ phỏng chính xác hơn.
Tế bào gốc trung mơ cuống rốn người (human mesenchymal stem cell hucMSC) là dòng tế bào tiềm năng và việc thu nhận chúng không vấp phải nhiều
vấn đề đạo đức như các dòng tế bào gốc trung mô từ nguồn khác. Tế bào gốc trung
mô cuống rốn có khả năng tự làm mới trong khi vẫn duy trì tính đa tiềm năng.
Ngồi ra, chúng cịn thể hiện nhiều đặc tính miễn dịch lý thú, do đó được coi là một
trong những đối tượng nghiên cứu hấp dẫn cho các ứng dụng điều trị khác nhau.
Hiện nay, vẫn chưa có nhiều báo cáo về tác động của vi trọng lực lên tế bào gốc
trung mô cuống rốn ở người, do đó nghiên cứu sử dụng dịng tế bào này làm đối
tượng để đánh giá các ảnh hưởng của vi trọng lực.
2. Mục tiêu của đề tài
Từ những lý do trên, nghiên cứu sử dụng hệ thống clinostat 3D để tạo ra môi
trường vi trọng lực mô phỏng nhằm đánh giá tác động của điều kiện vi trọng lực lên
sự tăng sinh và cấu trúc khung xương của tế bào gốc trung mô cuống rốn người
(human mesenchymal stem cells - hucMSC). Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra
phương thức tác động của điều kiện vi trọng lực mô phỏng lên sự phát triển của
hucMSC, thông qua việc xác định các thay đổi về hình thái tế bào, sự tăng sinh và

cấu trúc khung xương tế bào của hucMSC trong điều kiện in vitro.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


3
Dịng tế bào gốc trung mơ cuống rốn người (hucMSC) được sử dụng làm đối
tượng nghiên cứu của đề tài. Dòng tế bào này được cung cấp bởi Viện Sinh học
nhiệt đới và được đánh giá các thay đổi về tăng sinh, hình thái tế bào, apoptosis và
cấu trúc khung xương tế bào trong môi trường vi trọng lực mô phỏng tạo ra từ máy
clinostat 3D.
4. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung chính của nghiên cứu bao gồm:
‒

Đánh giá ảnh hưởng của vi trọng lực mô phỏng lên sự tăng sinh tế bào
hucMSC.

‒

Đánh giá ảnh hưởng của vi trọng lực mơ phỏng lên q trình apoptosis ở tế
bào hucMSC.

‒

Đánh giá ảnh hưởng của vi trọng lực mô phỏng lên sự thay đổi hình thái
nhân và tế bào chất ở tế bào hucMSC.

‒

Đánh giá ảnh hưởng của vi trọng lực mô phỏng lên bộ khung xương tế bào ở

tế bào hucMSC.

5. Những đóng góp mới của luận án

Đề tài được thực hiện theo hướng nghiên cứu mới về khoa học vũ trụ, ứng
dụng hệ thống clinostat 3D để tạo ra môi trường vi trọng lực mô phỏng nhằm đánh
giá tác động của vi trọng lực lên dòng tế bào hucMSC. Những đóng góp mới của
luận án bao gồm:
‒

Nghiên cứu cho thấy điều kiện vi trọng lực mô phỏng làm giảm tăng sinh và
làm thay đổi hình thái nhân, tế bào chất đồng thời tái cấu trúc bộ khung
xương tế bào ở hucMSC. Sự chết theo chương trình của hucMSC khơng bị
ảnh hưởng trong điều kiện vi trọng lực mô phỏng.

‒

Nghiên cứu cũng đã mô tả hai phương thức ức chế tăng sinh của điều kiện vi
trọng lực mô phỏng lên tế bào hucMSC: phương thức thứ nhất thông qua sự
giảm biểu hiện các protein điều hòa chu kỳ tế bào Cyclin A, CDK2, CDK4,
CDK6, từ đó cảm ứng tế bào đi vào pha G0/G1 và ngăn chặn tế bào đi vào
pha phân chia G2/M; phương thức thứ hai thông qua sự giảm biểu hiện các


4
protein cấu trúc vi sợi và vi ống, làm ức chế sự hình thành thoi vơ sắc và
rãnh phân tách từ đó làm giảm sự phân chia tế bào.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Vai trò của các nghiên cứu sinh học trong không gian
Nghiên cứu Sinh học không gian là một phần quan trọng các chương trình vũ
trụ của các trung tâm vũ trụ trên thế giới như NASA (Cục Hàng không và không
gian quốc gia Mỹ), ESA (Cơ quan hàng không châu Âu), JAXA (Cơ quan thám
hiểm không gian Nhật Bản). Sinh học không gian đã là một phần của chương trình
Khoa học sự sống của NASA từ những năm 1960. NASA ngày càng tập trung vào
việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến hiện đại của công nghệ sinh học, sinh học phân
tử, sinh học tế bào để nghiên cứu, khám phá và đánh giá tác động của các chuyến
bay trong khơng gian lên q trình sinh học. Với các hệ thống công cụ nghiên cứu
mạnh của thế kỉ 21, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu sâu hơn các cơ chế thích nghi
của vi khuẩn, thực vật và động vật đối với môi trường không trọng lực. Điều này sẽ
giúp chúng ta hiểu được những cách cơ bản mà các hệ thống sinh vật sử dụng trọng
lực để điều hịa q trình tăng trưởng, q trình biến dưỡng, sinh sản và phát triển,
cũng như hiểu được cách mà chúng sửa chữa các sai hỏng, bảo vệ chúng khỏi bệnh
tật, truyền nhiễm.
Trong các ngành khoa học được lựa chọn để nghiên cứu, Hội đồng nghiên
cứu quốc gia của Mỹ đã đưa ra khuyến nghị nghiên cứu khoa học trong ấn phẩm
“Chiến lược Y-Sinh học không gian trong thế kỉ mới” (năm 1998). Ở đây, Hội đồng
kêu gọi NASA tập trung nghiên cứu sinh học không gian ở tất cả các cấp độ tổ chức
sinh học, từ sinh học phân tử tế bào đến các mô, cơ quan cho đến toàn bộ hệ thống
cơ thể dựa trên tất cả các phương pháp nghiên cứu hiện đại. Mục tiêu chính của
chương trình nghiên cứu sinh học khơng gian của NASA bao gồm:
- Sử dụng có hiệu quả các đặc tính mơi trường vi trọng lực và khơng gian để

nâng cao hiểu biết của chúng ta về sự thích ứng và chức năng của các quá trình sinh
học cơ bản trong chuyến bay
- Phát triển một nền tảng tri thức khoa học và cơng nghệ, sẽ góp phần đảm

bảo sự an tồn của con người trong q trình thăm dị không gian

- Áp dụng kiến thức và công nghệ không gian để nâng cao khả năng cạnh

tranh, giáo dục và chất lượng cuộc sống trên trái đất của người dân.
- Các thí nghiệm Sinh học khơng gian của NASA giúp khám phá cách thức

các chuyến bay tác động lên các vi sinh vật, thực vật và động vật trong suốt chu


6
trình sống của chúng. Các yếu tố trên khơng gian đã cho thấy chúng có ảnh hưởng
đến các hệ thống sinh học bao gồm các trường trọng lượng cực tiểu, phóng xạ và từ
trường, cũng như các tương tác và stress giữa các lồi trong mơi trường khơng gian.
Chương trình Sinh học không gian đã được tập trung triển khai ở nhiều nước
phát triển mạnh lĩnh vực hàng không không gian. Chương trình này tập trung vào
các hướng chính như sau:
- Vi sinh vật: nghiên cứu tác động của các chuyến bay khơng gian lên sự
sống, tiến trình sinh học cũng như động lực phát triên của quần thể vi sinh vật
- Sinh học phân tử tế bào: nghiên cứu tác động của các chuyến bay không

gian lên sự sống mức phân tử và tế bào
- Sinh học thực vật: Hiểu được cơ chế đáp ứng và tăng trưởng của thực vật

trong các chuyến bay
- Sinh học động vật: Xác định các cơ chế cơ bản mà động vật sử dụng để

thích ứng với các chuyến bay, đặc biệt là khi trọng lực thay đổi
- Sinh học phát triển, sinh sản và tiến hóa: Xác định các tác động của khơng

gian lên sự phát triển, sinh sản và tiến hóa.
Từ những ý nghĩa và mục tiêu trên, việc nghiên sinh học khơng gian đóng

vai trị rất quan trọng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Ở Việt Nam, các nghiên cứu
về tác động của điều kiện không gian (môi trường không trọng lực và vi trọng lực)
lên các hệ thống sinh vật sống còn hạn chế bởi nhiều nguyên nhân, trong đó kinh
phí thực hiện các thí nghiệm vẫn là ngun nhân lớn nhất. Đây khơng chỉ là khó
khăn mà chúng ta găp phải, đây cũng là vấn đề khó khăn ở cả các nước có ngành
hàng khơng khơng gian phát triển như Mỹ, Nhật, châu Âu…Do đó, việc xây dựng,
thiết kế các mơ hình mơ phỏng trạng thái vi trọng lực trong không gian sẽ không chỉ
giải quyết vấn đề kinh phí thực hiện thí nghiệm, mà cịn tiết kiệm, rút ngắn thời gian
nghiên cứu, đánh giá tác động của môi trường vi trọng lực trong không gian lên các
hệ thống sinh học.
1.2. Giới thiệu về vi trọng lực và vi trọng lực mô phỏng
1.2.1. Vi trọng lực
Trong vũ trụ, các phi hành gia khơng thể đi lại bình thường như ở Trái Đất
mà di chuyển lơ lửng trong không gian. Điều này là do vi trọng lực (microgravity).


7
Theo định nghĩa của Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ NASA, vi trọng lực là
điều kiện mà trong đó vật thể trở nên gần như mất trọng lực [1]. Từ “vi” trong vi
trọng lực có nghĩa là rất nhỏ. Vi trọng lực xảy ra khi lực kéo của trọng lực trở nên
yếu đi. Trong môi trường vi trọng lực, rất dễ dàng để di chuyển các vật nặng. Phi
hành gia có thể dịch chuyển vật có khối lượng đến hàng chục kilogram với chỉ bằng
một ngón tay.
Lực hấp dẫn làm cho mọi vật thể kéo mọi vật thể khác về phía nó. Một số ý
kiến cho rằng khơng có trọng lực trong khơng gian. Trên thực tế, một lượng nhỏ
trọng lực có thể được tìm thấy ở mọi nơi trong không gian. Lực hấp dẫn là thứ giữ
mặt trăng trên quỹ đạo quanh Trái Đất. Lực hấp dẫn khiến Trái Đất quay quanh mặt
trời. Nó giữ cho mặt trời ở đúng vị trí trong thiên hà Milky Way. Tuy nhiên, lực hấp
dẫn trở nên yếu hơn theo khoảng cách. Một tàu vũ trụ có thể đi đủ xa so với Trái
Đất để người bên trong chịu tác động bởi rất ít trọng lực. Nhưng đây khơng phải là

lý do tại sao mọi thứ lơ lửng trên tàu vũ trụ trong không gian. Trạm vũ trụ quốc tế
quay quanh Trái Đất ở độ cao từ 300 đến 400 km. Ở độ cao đó, lực hấp dẫn của Trái
Đất bằng khoảng 90% lực hấp dẫn của nó trên bề mặt hành tinh. Nói cách khác, nếu
một người nặng 50 kg trên bề mặt Trái Đất đi đến trạm vũ trụ, thì người đó sẽ nặng
45 kg khi đến trạm [1, 2].
Tuy 90% trọng lực Trái Đất tác động đến trạm vũ trụ, trên thực tế các phi
hành gia và vật thể đều lơ lửng trong không gian ở đây, nguyên nhân là bởi sự rơi tự
do. Trong chân không, trọng lực làm cho tất cả các vật thể rơi với tốc độ như nhau.
Khối lượng của vật không quan trọng. Nếu một người đánh rơi một chiếc búa và
một chiếc lơng vũ, khơng khí sẽ làm chiếc lơng vũ rơi chậm hơn. Nhưng nếu khơng
có khơng khí, chúng sẽ rơi với cùng một gia tốc. Một số công viên giải trí có trị
chơi rơi tự do, trong đó một cabin được thả dọc theo một tháp cao. Nếu lúc đầu
người ta bng một vật thì người và vật sẽ rơi với gia tốc như nhau. Do đó, vật thể
sẽ lơ lửng trước mặt người đó. Đó là những gì xảy ra trong trạm không gian vũ trụ.
Trạm vũ trụ, phi hành đồn của nó và bất kỳ vật thể nào trên trạm đều đang rơi về
phía xung quanh Trái Đất. Vì tất cả chúng đều rơi cùng nhau, phi hành đoàn và các
vật thể dường như lơ lửng khi so sánh với trạm vũ trụ. Và môi trường vi trọng lực
trên trạm vũ trụ cũng được tạo ra từ đó.


8
Lực hấp dẫn của Trái Đất kéo các vật thể hướng xuống mặt đất và trạm
không gian vũ trụ cũng khơng phải là ngoại lệ. Thực tế, nó vẫn liên tục rơi xuống bề
mặt Trái Đất. Tuy nhiên, trạm vũ trụ di chuyển với tốc độ rất nhanh (khoảng 28000
km/giờ), phù hợp với đường cong của bề mặt Trái Đất [1]. Nếu một người ném quả
bóng theo phương ngang so với mặt đất, trọng lực sẽ làm quỹ đạo của quả bóng
cong xuống và chạm đất khá nhanh. Trạm vũ trụ quay quanh Trái Đất có quỹ đạo di
chuyển với tốc độ thích hợp nên đường cong rơi của nó khớp với đường cong của
Trái Đất. Do đó, tàu vũ trụ tiếp tục rơi về phía mặt đất nhưng khơng bao giờ va vào
nó. Kết quả là chúng rơi xung quanh Trái Đất. Mặt trăng vẫn quay quanh quỹ đạo

Trái Đất cũng vì lý do này. Do đó, điều kiện vi trọng lực vẫn ln duy trì trên trạm
vũ trụ do cả trạm và các vật thể, cũng như phi hành gia ở đây đều đang rơi về hướng
Trái Đất.
Vi trọng lực ảnh hưởng đến cơ thể con người theo nhiều cách [3]. Cơ và
xương có thể trở nên yếu hơn nếu khơng có trọng lực [4]. Các phi hành gia sống
trên trạm vũ trụ trải qua hàng tháng trời trong môi trường vi trọng lực. Các phi hành
gia du hành đến sao Hỏa cũng sẽ dành nhiều tháng trong môi trường vi trọng lực.
Các nghiên cứu về tác động của vi trọng lực là cần thiết để giữ cho các phi hành gia
an toàn và khỏe mạnh. Ngoài ra, nhiều hiện tượng sẽ diễn ra khác đi trong môi
trường vi trọng lực. Khơng có lực hấp dẫn, ngọn lửa sẽ trở nên tròn hơn, tinh thể
phát triển tốt hơn [5]. Khơng có trọng lực, hình dạng của chúng hồn hảo hơn. Điều
kiện vi trọng lực sẽ giúp thực hiện các nghiên cứu khó có thể làm được ở Trái Đất.
1.2.2. Vi trọng lực mô phỏng
Trong lĩnh vực sinh học trọng lực, các nghiên cứu về vi trọng lực trong
không gian đã tìm ra nhiều tác động của điều kiện trọng lực lên các quá trình sinh
học, các cơ chế nhạy cảm với trọng lực, hay sự định hướng dựa vào trọng lực của
các sinh vật. Tuy nhiên, việc nghiên cứu trong không gian đã và đang gặp phải một
số khó khăn nhất định, bao gồm chi phí đắt đỏ cho các phương tiện nghiên cứu và
những ảnh hưởng tiêu cực từ môi trường vi trọng lực lên cơ thể phi hành gia. Để
khắc phục những khó khăn trên, các nhà khoa học đã cố gắng tạo ra các mô hình hệ
thống sinh học mơ phỏng điều kiện tương tự trạng thái vi trọng lực trên mặt đất


9
nhằm nghiên cứu sâu hơn các tác động của điều kiện vi trọng lực hay siêu trọng lực
trên các sinh vật sống hay đối tượng sống trên Trái Đất.
Hiện nay có nhiều thiết bị được sử dụng có thể mơ phỏng các trạng thái trọng
lực khác nhau. Đầu tiên là clinostat cổ điển (là một thiết bị sử dụng quá trình xoay
vịng để chống lại tác động của trọng lực), thiết bị này được phát triển đầu tiên vào
cuối thế kỉ 19 bởi nhà khoa học Julius von Sachs [6]. Từ đó tới nay, nhiều thiết bị

khác đã được tạo ra nhằm mô phỏng trạng thái không trọng lực, chúng có thể phân
ngẫu nhiên sự định hướng của trọng lực Trái Đất của đối tượng nghiên cứu, mà đối
tượng này không cảm nhận được sự gia tăng trọng lực (trong các hệ thống clinostat)
hay sự bù đắp trọng lực (trong hệ thống nâng từ) [7]. Ngoài ra, một hệ thống khác
mô phỏng trạng thái không trọng lực là “tháp rơi” (drop-tower), hệ thống này cung
cấp các điều kiện rơi tự do thật trên mặt đất, nhưng quá trình này chỉ diễn ra trong
vài giây, nó phụ thuộc vào khối lượng và kích cỡ của đối tượng nghiên cứu [8]. Tuy
nhiên các hệ thống mô phỏng trên không thể cung cấp điều kiện không trọng lực
thật bởi chúng luôn bị tác động bởi yếu tố khác liên quan đến kĩ thuật như sự tăng
gia tốc ly tâm, sự rung lắc, hay sự phân tán các lực.
Một hệ thống mô phỏng không thể làm giảm vector trọng lực Trái Đất,
nhưng nó có thể thay đổi ảnh hưởng của vector trọng lực lên một hệ thống sinh học
[9]. Do đó, một máy mơ phỏng không thể tạo ra vi trọng lực thật sự, thay vào đó nó
có khả năng cung cấp “điều kiện không trọng lực chức năng” (functional
weightlessness). Để tránh sự nhầm lẫm và cung cấp một nền tảng cơ bản về vi trọng
lực, thuật ngữ “vi trọng lực mô phỏng” (simulated microgravity - SMG) được áp
dụng đối với các thí nghiệm sử dụng hệ thống mô phỏng, bao gồm các thông số tạo
ra sự mơ phỏng (kích thước và hình dạng buồng chứa mẫu, chế độ hoạt động, tốc độ
quay hay đường kính ống) [10]. Ngồi ra, thuật ngữ “vi trọng lực” còn được sử
dụng trong các điều kiện vi trọng lực thực sự trên trạm ISS (International Space
Station) hay các chuyến bay parabol. Hơn nữa, thuật ngữ “vi trọng lực” còn được sử
-2

-6

dụng để chỉ các mức độ G khác nhau, từ khoảng 10 G cho tới 10 G [11].
1.3. Các hệ thống mô phỏng vi trọng lực
Tiếp xúc với môi trường vi trọng lực đã được chứng minh là ảnh hưởng xấu
đến sinh vật. Tác dụng phụ đáng kể của việc không trọng lượng trong thời gian dài