Nuôi cấy tế bào là gì? Phương pháp và điều kiện nuôi cấy

Để đảm bảo số lượng phục vụ nghiên cứu, sản xuất và điều trị, tế bào cần được tăng sinh qua quá trình nuôi cấy. Từ những thí nghiệm đầu tiên của nhà khoa học người Mỹ Ross Harrison vào năm 1907 cho đến nay, nuôi cấy tế bào đã trở thành nền tảng của toàn bộ sinh học phân tử, y học tái tạo, sản xuất vaccine, phát triển thuốc sinh học và liệu pháp tế bào thế hệ mới. Ở bài viết này, Mescells sẽ tổng hợp các kiến thức cốt lõi về nuôi cấy tế bào cùng các ứng dụng của chúng.

1. Nuôi cấy tế bào là gì?

Nuôi cấy tế bào (cell culture) là quá trình phát triển và duy trì tế bào sống trong môi trường nhân tạo vô trùng, có kiểm soát bên ngoài cơ thể sinh vật (in vitro). Tế bào được nuôi cấy trong các bình, đĩa hoặc bình phản ứng chuyên dụng, trong môi trường dinh dưỡng cung cấp đầy đủ các thành phần cần thiết cho sự tăng trưởng và tồn tại của chúng.

Tế bào nuôi cấy có thể là tế bào nguyên phát (primary cells - lấy trực tiếp từ mô sống, có thời gian sống giới hạn), dòng tế bào liên tục (continuous cell lines - đã được bất tử hóa như HeLa, CHO, Vero) hoặc tế bào gốc (stem cells - có khả năng biệt hóa thành nhiều loại tế bào chức năng). Mỗi loại phù hợp với những mục đích nghiên cứu và sản xuất khác nhau.

Tế bào được nuôi cấy trong các bình, đĩa hoặc bình phản ứng chuyên dụng

2. Các loại hình và phương pháp nuôi cấy tế bào

2.1. Phân loại dựa trên nguồn gốc và tuổi thọ

Nuôi cấy sơ cấp: Các tế bào được phân lập trực tiếp từ mô (thông qua phương pháp phá vỡ bằng enzyme hoặc cơ học) và được nuôi cấy lần đầu tiên. Chúng có tuổi thọ giới hạn và duy trì các đặc điểm của mô gốc.

Nuôi cấy thứ cấp: Khi các tế bào sơ cấp được nuôi cấy lại (cấy chuyển) lần đầu tiên, chúng trở thành nuôi cấy thứ cấp, cho phép tiếp tục phát triển.

2.2. Nuôi cấy 2D

Nuôi cấy tế bào 2D - hay nuôi cấy đơn lớp (monolayer culture) - là phương pháp truyền thống, trong đó tế bào phát triển thành một lớp phẳng bám vào bề mặt bình nuôi cấy bằng thủy tinh hoặc nhựa. Đây là phương pháp được sử dụng từ đầu thế kỷ XX và hiện vẫn là phương pháp nuôi cấy phổ biến nhất trong phòng thí nghiệm.

• Ưu điểm: Dễ thiết lập, chi phí thấp, cho phép quan sát tế bào trực tiếp dưới kính hiển vi, phù hợp cho hầu hết các thử nghiệm sàng lọc ban đầu.
• Nhược điểm: Tế bào nuôi 2D không phản ánh chính xác cấu trúc mô trong cơ thể sống do tế bào bị làm phẳng, mất đi các tương tác ba chiều giữa tế bào - tế bào và tế bào - ma trận ngoại bào (ECM), dẫn đến khác biệt về hình thái, phân chia tế bào, biểu hiện gen và đáp ứng với thuốc so với in vivo (1).

2.3. Nuôi cấy 3D

Nuôi cấy tế bào 3D đã cho thấy những cải tiến trong các nghiên cứu hướng đến hình thái học, theo dõi số lượng tế bào, sự tăng sinh, phản ứng với các kích thích, sự biệt hóa, chuyển hóa thuốc và tổng hợp protein. Chúng được chia thành 2 loại:

• Nuôi cấy 3D có giàn giáo (Scaffold-based): Bao gồm các kỹ thuật sử dụng khung đỡ như hydrogel, vật liệu cứng polymer, sợi thủy tinh ưa nước hoặc các cấu trúc organoid.
• Nuôi cấy 3D không giàn giáo (Scaffold-free): Các kỹ thuật không cần khung đỡ, bao gồm đĩa vi giọt treo, từ trường nâng đỡ và đĩa vi hình cầu với lớp phủ siêu bám dính cho phép tế bào tự tổ chức thành các cấu trúc 3D mà không cần nâng đỡ (2).

2.4. Nuôi cấy huyền phù (Suspension Culture)

Với phương pháp này, tế bào phát triển tự do trong môi trường lỏng mà không cần bám dính vào bề mặt. Loại hình nuôi cấy này đặc biệt phù hợp với các tế bào không bám dính tự nhiên như tế bào lymphocyte, tế bào gốc tạo máu và một số dòng tế bào ung thư.

Mô hình nuôi cấy 2D và 3D có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với mục tiêu khác nhau

3. Điều kiện và môi trường nuôi cấy tế bào

3.1. Các thông số vật lý thiết yếu

• Nhiệt độ: Đối với tế bào người và động vật có vú, nhiệt độ nuôi cấy tiêu chuẩn là 36,5 ± 0,5°C. Tủ ấm CO₂ (CO₂ incubator) là thiết bị cốt lõi duy trì nhiệt độ này ổn định liên tục.
• pH và CO₂: Hầu hết tế bào người phát triển tốt nhất ở độ pH 7,2-7,4. Các quy trình nuôi cấy sử dụng 5-7% CO₂ (tùy mục đích, môi trường sử dụng và loại tế bào nuôi cấy), thông qua hệ thống đệm bicarbonate (NaHCO₃) trong môi trường. CO₂ không chỉ là sản phẩm chuyển hóa tế bào mà còn là thành phần điều chỉnh pH thiết yếu.
• Độ ẩm: Tế bào được nuôi trong môi trường ẩm 95% để ngăn bay hơi môi trường. Tủ ấm CO₂ hiện đại duy trì đồng thời cả ba thông số nhiệt độ, CO₂ và độ ẩm trong giới hạn chặt chẽ.
• Nồng độ oxy: Mặc dù 21% (không khí) là mức tiêu chuẩn, nhưng nhiều mô tồn tại ở mức thấp hơn (1-9%), khiến việc kiểm soát oxy chuyên biệt trở nên cần thiết cho một số thí nghiệm
• Điều kiện vô trùng (aseptic technique): Toàn bộ thao tác nuôi cấy phải được thực hiện trong tủ an toàn sinh học (biosafety cabinet - BSC) cấp II, đảm bảo không có vi khuẩn, nấm, virus hay mycoplasma xâm nhiễm. Kỹ thuật vô trùng là yêu cầu không thể thiếu và là kỹ năng nền tảng của mọi nhà khoa học nuôi cấy tế bào.

3.2. Môi trường nuôi cấy

Môi trường nuôi cấy là “thức ăn” của tế bào, cung cấp tất cả dinh dưỡng, yếu tố tăng trưởng và điều kiện hóa học cần thiết. Môi trường nuôi cấy điển hình gồm: amino acid, vitamin, muối vô cơ, glucose, huyết thanh, hormone…

Các loại môi trường nuôi cấy phổ biến nhất là:

• DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium): Chứa gần gấp đôi nồng độ amino acid và gấp 4 lần vitamin so với MEM. Phổ biến nhất cho nuôi cấy tế bào động vật có vú đa dụng, thường được bổ sung 5-10% FBS (fetal bovine serum).
• RPMI-1640: Được phát triển ban đầu cho tế bào lympho ở người, đặc biệt phù hợp với các dòng tế bào bạch cầu và tế bào miễn dịch.
• MEM (Minimum Essential Medium): Dạng tối giản, phù hợp với nhiều loại tế bào bám dính.
• Ham’s F-12: Được phát triển cho nuôi cấy tế bào CHO (Chinese Hamster Ovary) không cần huyết thanh và sản xuất protein tái tổ hợp.

Xu hướng quan trọng nhất trong nuôi cấy tế bào hiện đại là chuyển sang môi trường không huyết thanh (serum-free) và môi trường không có thành phần động vật (xeno-free). Sự chuyển đổi này nhằm tăng độ an toàn sinh học và tuân thủ tiêu chuẩn GMP cho sản xuất tế bào để ứng dụng trong lâm sàng.

3.3. Tiêu chuẩn phòng thí nghiệm nuôi cấy tế bào

Một phòng thí nghiệm nuôi cấy tế bào chuẩn cần đáp ứng các điều kiện:

• Phòng sạch: Cấp độ 10.000 (ISO Class 7) trở lên cho khu vực thao tác vô trùng.
• Trang thiết bị thiết yếu: Tủ an toàn sinh học cấp II, tủ ấm CO₂, kính hiển vi đảo ngược, máy ly tâm, bồn rửa siêu âm, buồng đếm tế bào.
• Kiểm soát nhiễm khuẩn: Kiểm tra mycoplasma định kỳ, kiểm soát nguồn CO₂.
• Tuân thủ GMP: Bắt buộc với các đơn vị sản xuất liệu pháp tế bào cho lâm sàng theo quy định FDA và Bộ Y tế.

Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, pH, nồng độ O₂ và CO₂ cần được theo dõi và kiểm soát chặt chẽ trong quá trình nuôi cấy tế bào

4. Ứng dụng của nuôi cấy tế bào

4.1. Sản xuất Vaccine và dược phẩm sinh học

Nuôi cấy tế bào là nền tảng của toàn bộ ngành sản xuất vaccine hiện đại như vaccine cúm mùa, vaccine COVID-19 hay vaccine bại liệt (dòng Vero cells). Ngoài vaccine, tế bào CHO (Chinese Hamster Ovary) là nền tảng sản xuất hơn 70% kháng thể đơn dòng trị ung thư và bệnh tự miễn trên thế giới, bao gồm trastuzumab (Herceptin), rituximab và bevacizumab.

4.2. Phát triển và sàng lọc thuốc hoặc phân tích độc tính

Nuôi cấy tế bào là bước thử nghiệm tiền lâm sàng không thể thiếu trong phát triển thuốc, giúp sàng lọc hàng nghìn hợp chất tiềm năng trước khi tiến vào thử nghiệm trên động vật và người. Đặc biệt, mô hình nuôi cấy 3D đang thay thế dần nuôi cấy 2D trong sàng lọc thuốc ung thư. Các mô hình 3D này, bằng cách mô phỏng sát sao môi trường vi mô khối u (TME), đã cung cấp những hiểu biết quan trọng về sinh học khối u và cải thiện khả năng dự đoán phản ứng thuốc, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các liệu pháp điều trị ung thư đáng tin cậy hơn (3).

Bên cạnh đó, nuôi cấy tế bào còn giúp đánh giá độc tính tiềm tàng của hóa chất và tác nhân môi trường bằng cách cho tế bào tiếp xúc với các chất này để nghiên cứu phản ứng của chúng, chẳng hạn như khả năng sống sót của tế bào, biểu hiện gen và những thay đổi về hình thái.

4.3. Liệu pháp tế bào và y học tái tạo

Đây là ứng dụng tăng trưởng nhanh nhất và có giá trị lâm sàng cao nhất của nuôi cấy tế bào. Trong lĩnh vực y học tái tạo, nuôi cấy tế bào gốc trung mô (MSC) từ nhiều nguồn khác nhau như mô mỡ và mô dây rốn đang được mở rộng để phục vụ nghiên cứu và điều trị thoái hóa khớp, thoái hóa thần kinh, đái tháo đường…

4.4. Nghiên cứu sinh học cơ bản và mô hình bệnh tật

Nuôi cấy tế bào được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản để phân tích hành vi, sinh lý và các quá trình phân tử của tế bào, nhằm nghiên cứu các con đường truyền tín hiệu tế bào, biểu hiện gen, điều hòa chu kỳ tế bào và phản ứng của tế bào đối với các tác nhân kích thích khác nhau. Đây cũng là công cụ thiết yếu để nghiên cứu cơ chế bệnh sinh, đặc biệt với các bệnh lý hiếm gặp và di truyền.

4.5. Sản xuất sinh học quy mô công nghiệp

Ngoài y học, nuôi cấy tế bào được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất enzyme công nghiệp, protein tái tổ hợp, hormone (insulin, EPO, GH) và thịt nuôi cấy (cultured meat) - một lĩnh vực mới nổi với tiềm năng cách mạng hóa ngành thực phẩm và giảm thiểu tác động môi trường. Công ty UPSIDE Foods và Good Meat đã nhận được phê duyệt tiêu thụ thịt gà nuôi cấy tại Hoa Kỳ vào năm 2023, đánh dấu cột mốc lịch sử trong ứng dụng thương mại của nuôi cấy tế bào

Nuôi cấy tế bào nhằm tăng sinh số lượng phục vụ nghiên cứu và điều trị nhiều bệnh lý

Nuôi cấy tế bào đang phát triển nhanh chóng và được đánh giá là công nghệ nền tảng của y sinh học thế kỷ XXI. Sự chuyển dịch từ nuôi cấy 2D sang 3D, từ môi trường có huyết thanh sang serum-free, từ quy mô phòng thí nghiệm sang sản xuất GMP quy mô công nghiệp phản ánh sự trưởng thành và độ phức tạp ngày càng cao của lĩnh vực này.

Với thị trường rộng mở và rất nhiều thử nghiệm lâm sàng đang được tiến hành, nuôi cấy tế bào không chỉ là kỹ thuật được thực hiện trong phòng thí nghiệm mà còn là cầu nối giữa khoa học cơ bản và y học lâm sàng, giữa nghiên cứu và điều trị bệnh. Nắm vững kiến thức về nuôi cấy tế bào là nền tảng quan trọng đối với các cá nhân làm việc trong lĩnh vực sinh học phân tử, dược sinh học và y học tái tạo.

NGUỒN THAM KHẢO

• (1): Kolenda, Tomasz. n.d. “2D and 3D cell cultures - a comparison of different types of cancer cell cultures.” PMC. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6040128/#sec2.
• (2): “Is It Time to Start Transitioning From 2D to 3D Cell Culture?” n.d. Frontiers. https://www.frontiersin.org/journals/molecular-biosciences/articles/10.3389/fmolb.2020.00033/full.
• (3): “Breaking the mold: 3D cell cultures reshaping the future of cancer research.” 2024. Frontiers. https://www.frontiersin.org/journals/cell-and-developmental-biology/articles/10.3389/fcell.2024.1507388/full#s5.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells