Giải quyết bài toán thu thập thông tin cấp phân tử trong y sinh

Việc quan sát cấp phân tử là điều thiết yếu đối với các nhà sinh học, nhưng không phải lúc nào cũng dễ dàng.

Đột phá này có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về các quá trình sinh học như lão hóa và bệnh tật bằng cách tiết lộ cấu trúc phân tử trong mô. Phương pháp này không yêu cầu thiết bị chuyên dụng, giúp việc áp dụng trở nên dễ dàng và mở ra nhiều cơ hội cho các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới.

Thách thức trong việc quan sát phân tử

Một thách thức lớn là làm thế nào để hình dung tất cả các loại phân tử khác nhau trong một mẫu mô nguyên vẹn, cho đến từng tế bào riêng lẻ. Xác định vị trí của hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn phân tử sinh học như lipid, protein và chất chuyển hóa trong môi trường tự nhiên giúp các nhà nghiên cứu hiểu cách các phân tử này hoạt động và tương tác. Tuy nhiên, các công cụ hiện có chưa thể cung cấp cái nhìn toàn diện này.

Các phương pháp hình ảnh tiêu chuẩn, như kính hiển vi, giúp các nhà khoa học quan sát bên trong tế bào. Thế nhưng, chúng bị giới hạn trong việc theo dõi một số ít phân tử cùng lúc. Một số phân tử sinh học, đặc biệt là lipid, khó phát hiện bằng các kỹ thuật này. Ngược lại, khối phổ truyền thống có thể phát hiện nhiều loại phân tử nhưng lại yêu cầu phá vỡ mô, khiến việc quan sát trật tự cấu trúc của chúng trở nên bất khả thi.

Giới thiệu về hình ảnh khối phổ

Hình ảnh khối phổ cung cấp một giải pháp phần nào cho vấn đề này. Nó cho phép các nhà nghiên cứu quan sát nhiều phân tử sinh học khác nhau cùng lúc trong mẫu mô nguyên vẹn. Tuy nhiên, độ phân giải của phương pháp này chưa đủ cao để phân biệt các chi tiết phân tử ở cấp độ tế bào.

Đây chính là vấn đề mà nhóm nghiên cứu của Meng Wang tại Janelia gặp phải. Họ nghiên cứu các cơ chế sinh học liên quan đến lão hóa và tuổi thọ và nhận ra rằng cần một phương pháp giúp quan sát toàn bộ mô để hiểu cách các thành phần thay đổi theo thời gian.

Kính hiển vi mở rộng thay đổi cuộc chơi

Rất may mắn, nhóm của Wang đã hợp tác với Paul Tillberg, người đã đồng phát minh ra kỹ thuật kính hiển vi mở rộng khi còn là nghiên cứu sinh tại MIT (Viện kỹ thuật Massachusetts). Phương pháp này sử dụng vật liệu hydrogel có khả năng giãn nở để mở rộng mẫu một cách đồng đều, giúp phát hiện các chi tiết tinh vi bằng kính hiển vi thông thường.

Giờ đây, quá trình giãn nở này đang được áp dụng vào các phương pháp khác ngoài kính hiển vi. Nhóm nghiên cứu muốn xem liệu họ có thể tận dụng kỹ thuật này để giải quyết vấn đề độ phân giải không gian của hình ảnh khối phổ hay không.

Quan sát phân tử ở độ phân giải đơn tế bào

Kết quả là một phương pháp mới giúp mở rộng mẫu mô mà không cần phá hủy chúng ở cấp độ phân tử. Bằng cách mở rộng mô nguyên vẹn theo mọi hướng, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng hình ảnh khối phổ để phát hiện đồng thời hàng trăm phân tử ở cấp độ tế bào trong trạng thái tự nhiên của chúng.

Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng kỹ thuật này để lập bản đồ các mô hình phân tử nhỏ trong các lớp khác nhau của tiểu não. Họ phát hiện rằng các phân tử như lipid, peptide, protein và chất chuyển hóa không phân bố đồng đều như suy nghĩ trước đây. Mỗi lớp của tiểu não có một dấu hiệu phân tử riêng biệt.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn áp dụng phương pháp này trên mô thận, tuyến tụy và mô khối u, chứng minh rằng nó có thể phù hợp với nhiều loại mô khác nhau. Trong mô khối u, họ phát hiện sự thay đổi lớn về phân tử, có thể hữu ích cho việc hiểu các cơ chế bệnh và hỗ trợ phát triển thuốc.

Tính khả dụng rộng rãi và tiềm năng tương lai

Phương pháp mới không yêu cầu bổ sung phần cứng vào hệ thống hình ảnh khối phổ hiện có và kỹ thuật mở rộng khá dễ học. Nhóm nghiên cứu hy vọng phương pháp này sẽ được áp dụng rộng rãi và giúp hình ảnh khối phổ trở thành công cụ hữu ích hơn cho các nhà sinh học.

Với tính khả dụng cao, đây có thể là bước tiến quan trọng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình phát triển, lão hóa và bệnh tật trên cấp độ phân tử.

Anh Tú