Thành công trong việc chỉnh sửa gene trong giai đoạn sớm mang lại hứa hẹn ngăn ngừa bệnh di truyền

Trứng thụ tinh trước khi chỉnh sửa gene (trái); Phôi sau khi chỉnh sửa gene và các tế bào sau một vài lần phân chia (phải).
Nguồn: OHSU/phòng thí nghiệm Mitalipov.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tiến hành sửa chữa một đột biến gây bệnh bằng kỹ thuật chỉnh sửa gene trong giai đoạn đầu của phôi người. Kỹ thuật này sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 để điều chỉnh một đột biến gây bệnh liên quan đến tim, được thực hiện trong giai đoạn sớm của phôi thai, vì vậy khiếm khuyết này không được truyền cho các thế hệ sau.

Được đăng trên tạp chí Nature vào ngày 2 tháng 8 năm 2017, công trình là kết quả hợp tác giữa Viện Salk, Đại học Khoa học và Y khoa Oregon (Salk Institute, Oregon Health and Science University - OHSU) và Viện Khoa học cơ bản của Hàn Quốc (Korea’s Institute for Basic Science) có thể tạo điều kiện cải thiện các kết quả thụ tinh trong ống nghiệm (IVF), cũng như là liệu pháp chữa trị sau cùng cho hàng ngàn bệnh liên quan đến đột biến đơn gene.

Juan Carlos Izpisua Belmonte, Giáo sư Phòng thí nghiệm Biểu hiện gene của Salk (Salk’s Gene Expression Laboratory) đồng thời là tác giả chính của bài báo, cho biết: "Nhờ những tiến bộ trong công nghệ tế bào gốc và chỉnh sửa gene, cuối cùng chúng ta đã bắt đầu sửa chữa được các đột biến gây bệnh ảnh hưởng đến hàng triệu người. Việc chỉnh sửa gene vẫn còn rất mới mẻ, mặc dù kết quả nghiên cứu sơ bộ này là an toàn và hiệu quả, nhưng điều quan trọng là chúng tôi sẽ tiếp tục tiến hành nhiên cứu một cách thận trọng theo những chuẩn mực đạo đức y học."

Mặc dù các công cụ chỉnh sửa gene có tiềm năng to lớn trong việc chữa trị nhiều loại bệnh, nhưng các nhà khoa học vẫn thận trọng khi thực hiện kỹ thuật này, một phần để tránh đưa các đột biến không chủ ý vào dòng tế bào mầm – germ line (tế bào trở thành trứng hoặc tinh trùng). Izpisua Belmonte đặc biệt có đủ tư cách để đề cập đến vấn đề đạo đức trong chỉnh sửa bộ gene, một phần bởi vì ông là thành viên hội đồng soạn thảo lộ trình "Chỉnh sửa bộ gene người: Khoa học, Đạo đức và Quản trị" năm 2016 của Viện Hàn lâm khoa học, Kỹ thuật và Y khoa Quốc gia (National Academic of Sciences, Engineering and Medicine). Kết quả trong nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với các khuyến nghị trong tài liệu trên và tuân thủ chặt chẽ các hướng dẫn được ban hành bởi Ủy ban Duyệt xét Định chế (Institutional Review Board) của OHSU và các Ủy ban đặc biệt khác (ad-hoc committees).

Bệnh lý cơ tim phì đại (HCM) là nguyên nhân gây đột tử thường gặp nhất ở các vận động viên trẻ còn khỏe mạnh, và nhìn chung ảnh hưởng khoảng 1 trên 500 người. Bệnh gây ra do một đột biến trội trên gene MYBPC3 nhưng thường không được phát hiện cho đến khi quá muộn. Do bởi những người mang đột biến gene MYBPC3 có 50% khả năng di truyền cho con mình, nên việc có thể sửa chữa đột biến này trong phôi sẽ ngăn ngừa bệnh di truyền không chỉ ở thế hệ con, mà còn ở thế hệ cháu.

Các nhà nghiên cứu đã tạo thành công các tế bào gốc vạn năng (pluripotent stem cells) từ sinh thiết da của một người đàn ông mắc HCM và xây dựng quy trình chỉnh sửa gene dựa trên kỹ thuật CRISPR-Cas9 chuyên biệt nhắm tới sửa chữa đột biến của gene MYBPC3. Gene MYBPC3 đột biến được cắt bởi enzyme Cas9, từ đó cho phép các cơ chế sửa chữa DNA của tế bào sửa chữa đột biến này trong lần phân bào tiếp theo bằng cách sử dụng một trình tự DNA tổng hợp hoặc bản sao gene MYBPC3 không bị đột biến dùng làm khuôn cho quá trình sao chép DNA.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật IVF để tiêm các thành phần trong hệ thống CRISPR-Cas9 vào trứng của người hiến tặng khỏe mạnh vừa được thụ tinh với tinh trùng của người bệnh. Sau đó, phân tích tất cả các tế bào trong phôi ở giai đoạn sớm ở mức độ đơn tế bào (single-cell resolution) để quan sát hiệu quả sửa chữa đột biến này.

Các nhà khoa học đã thực sự bất ngờ với độ an toàn và hiệu quả mà phương pháp này mang lại. Không chỉ một tỷ lệ lớn các tế bào phôi được sửa chữa mà sự điều chỉnh gene này không gây ra bất kỳ đột biến sai mục tiêu nào trong ngưỡng phát hiện, cũng như gây bất ổn định trong bộ gene, hiện là mối quan tâm lớn đối với việc chỉnh sửa gene. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng phát triển một quy trình để đảm bảo việc sửa chữa gene xảy ra liên tục trong tất cả các tế bào của phôi. (Sửa chữa điểm - Spotty repairs - có thể dẫn đến một số tế bào tiếp tục mang đột biến)

"Mặc dù tỷ lệ chỉnh sửa thành công trong các tế bào bệnh nhân khi nuôi cấy trên đĩa rất thấp, nhưng chúng tôi thấy rằng sự hiệu chỉnh gene dường như xảy ra mạnh mẽ trong phôi có chứa một bản sao gene MYBPC3 bị đột biến", Jun Wu, một nhà khoa học của Salk, đồng thời là một trong những tác giả đứng tên đầu của bài báo cho biết. Điều này một phần là do, sau quá trình cắt bản sao gene bị đột biến bằng enzyme CRISPR-Cas9, phôi đã bắt đầu thực hiện việc sửa chữa của chính nó. Nhóm nghiên cứu cũng bất ngờ nhận thấy rằng, thay vì sử dụng DNA tổng hợp được đưa vào làm khuôn sao chép, phôi thai ưu tiên sử dụng bản sao gene lành có sẵn để sửa chữa đoạn gene bị đột biến. Wu cho biết: "Công nghệ của chúng tôi đã thành công trong việc sửa chữa đột biến gene gây bệnh bằng cách sử dụng một cơ chế sửa chữa DNA chuyên biệt cho phôi ở giai đoạn sớm.”

Izpisua Belmonte và Wu nhấn mạnh: “mặc dù đầy hứa hẹn, nhưng đây là những kết quả rất sơ bộ và cần nghiên cứu thêm để đảm bảo không có những tác động không mong muốn xảy ra.”

Izpisua Belmonte nói thêm: "kết quả của chúng tôi cho thấy tiềm năng to lớn của việc chỉnh sửa gene phôi, nhưng chúng ta cần tiếp tục đánh giá thực tế những rủi ro cũng như những lợi ích mà kỹ thuật trên đem lại.”

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tiếp tục đánh giá tính an toàn và hiệu quả của quy trình cũng như hiệu quả của kỹ thuật đối với các đột biến khác.