Động kinh là một rối loạn thần kinh phức tạp và mạn tính, ảnh hưởng đến khoảng 50 triệu người trên toàn thế giới(1), và khoảng một phần năm số người mắc động kinh có các cơn co giật kháng trị không đáp ứng với điều trị(2). Theo truyền thống, nghiên cứu về động kinh phụ thuộc nhiều vào các mô hình động vật, với trọng tâm là tìm kiếm các tác nhân có thể ức chế các cơn co giật này. Do cơ chế bệnh sinh cơ bản của cơn co giật ban đầu chưa được hiểu rõ và cơ chế tác động của các thuốc chống động kinh thế hệ đầu còn chưa xác định, yếu tố ngẫu nhiên cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các thuốc chống co giật. Ví dụ, acid valproic (Depakote) ban đầu được sử dụng như một dung môi để hòa tan các tác nhân thử nghiệm khác, cho đến khi nó được chứng minh là một chất chống co giật mạnh.

“Ngày nay, nhờ khả năng tiếp cận các nghiên cứu chi tiết về sinh lý thần kinh và ở mức độ phân tử, chúng ta hiểu rõ hơn nhiều về các thụ thể và kênh ion bị đột biến khiến não dễ xảy ra co giật,” Tiến sĩ Robert Halliwell, Giáo sư Khoa học Thần kinh tại Trường Dược Thomas J. Long, thuộc Khoa Dược & Nha khoa của Đại học Pacific tại Stockton, California, cho biết. “Điều này cũng có nghĩa là việc phát triển thuốc ngày càng nhắm đến nhiều vị trí khác nhau trong não liên quan đến dẫn truyền thần kinh bình thường và bất thường, cũng như quá trình sinh động kinh.”

Não organoid và ứng dụng của nghiên cứu tế bào gốc người

Giáo sư Halliwell và nhóm của ông tập trung nghiên cứu các đặc tính của neuron và tế bào đệm có nguồn gốc từ tế bào gốc người để mô hình hóa bệnh. “Chúng tôi thực hiện phân tích kiểu hình chức năng chi tiết của các neuron có nguồn gốc từ nhiều loại tế bào gốc người khác nhau, được nuôi cấy trong môi trường 2D và gần đây là organoid não người 3D,” Giáo sư Halliwell chia sẻ. “Nếu các neuron này, cùng với các tế bào đệm đi kèm, là các mô hình in vitro chính xác và hợp lệ của neuron não người in vivo, thì đây sẽ là một lĩnh vực nghiên cứu mang tính nền tảng.”

Nhóm của Giáo sư Halliwell đang khai thác tiềm năng của các neuron có nguồn gốc từ iPSC trong khám phá thuốc và đánh giá độ an toàn. “Ví dụ, một số nghiên cứu của chúng tôi đã xác định được một nhóm thuốc chống viêm không steroid fenamate (NSAIDs) có khả năng chống co giật mạnh trong cả mô hình nuôi cấy người 2D và organoid 3D,” ông cho biết(3).

Các organoid não, có thể chứa hàng trăm nghìn đến hàng triệu neuron, cho phép nghiên cứu sâu hơn về sự phát triển, rối loạn chức năng và các bệnh lý của não. Chúng cho phép quan sát cấu trúc và chức năng não người chính xác hơn so với mô hình động vật hoặc lớp tế bào đơn.

“Trong thời gian làm tiến sĩ và sau tiến sĩ, tôi đã thực hiện rất nhiều ghi nhận đơn tế bào từ neuron động vật gặm nhấm bằng kỹ thuật patch-clamp, cũng như kỹ thuật kẹp điện thế hai điện cực trên noãn bào biểu hiện thụ thể người tái tổ hợp. Những phương pháp này cung cấp dữ liệu rất mạnh, nhưng đòi hỏi kỹ thuật cao, tốn thời gian, và cuối cùng bạn chỉ quan sát một tế bào riêng lẻ,” Giáo sư Halliwell chia sẻ. “Do não hoạt động thông qua các mạng lưới thần kinh tích hợp phức tạp và các bệnh thần kinh như động kinh là kết quả của hoạt động bất thường của các mạng này, độ phức tạp của organoid não 3D cho phép mô hình hóa in vitro chính xác hơn các tình trạng như động kinh.”

Khi các hệ thống organoid ngày càng trở nên phức tạp, điện sinh lý chức năng cung cấp một phương pháp quan trọng để xác thực liệu các mô hình này có thực sự tái hiện hành vi thần kinh liên quan đến bệnh hay không.

Công nghệ MEA mạnh mẽ cho nghiên cứu bệnh thần kinh

Do đó, các công nghệ có khả năng đo lường hành vi của mạng lưới neuron trên toàn bộ quần thể nuôi cấy đang trở thành công cụ thiết yếu cho nghiên cứu mô hình hóa bệnh hiện đại. Các mảng đa điện cực (multielectrode arrays; MEA) là các lưới gồm từ hàng chục đến hàng nghìn vi điện cực ghi lại hoạt động điện của các tế bào hoạt động điện được nuôi cấy trên đó in vitro. Nền tảng Maestro MEA của Axion BioSystems có thể theo dõi hoạt động thần kinh theo thời gian thực, không cần đánh dấu, trên toàn bộ đĩa nuôi cấy và theo dõi hoạt động trên cùng một đĩa theo thời gian.

“Trước đây, chúng tôi sử dụng kỹ thuật patch-clamp để lấy mẫu các neuron đơn lẻ khác nhau trong nuôi cấy 2D vài ngày một lần để kiểm tra chức năng. Điều này khó khăn, kém hiệu quả và về cơ bản chỉ trả lời được câu hỏi ‘một tế bào có thể phát điện thế hoạt động hay không’,” Giáo sư Halliwell cho biết. “Nền tảng Maestro MEA đã trở thành một bổ sung quan trọng cho phòng thí nghiệm của chúng tôi nhằm hỗ trợ phân tích thần kinh theo thời gian dài.”

Với hệ thống MEA, nhóm của Giáo sư Halliwell có thể ghi nhận hoạt động của hàng trăm neuron trong mạng lưới theo thời gian. Họ cũng có thể gây ra các cơn co giật giống động kinh trong các mạng thần kinh 2D và 3D(4) và đánh giá tác động của nhiều điều kiện thử nghiệm trong thời gian dài.

“Maestro MEA cho phép chúng tôi ghi nhận tế bào với tần suất tùy ý trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Chúng tôi có thể theo dõi sự phát triển hoạt động điện sinh lý và sự trưởng thành của các mạng thần kinh này. Quan trọng không kém, với MEA chúng tôi có thể theo dõi các kiểu phát xung ngày càng phức tạp của mạng synapse 2D và 3D. Điều này rất mạnh mẽ,” Giáo sư Halliwell giải thích. “Trong in vitro, chúng tôi đã ghi nhận neuron có nguồn gốc từ tế bào gốc 2D gần 2 năm và organoid thần kinh 3D lên đến 8 tháng. Nếu không có sự kết hợp giữa công nghệ MEA và nguồn tế bào gốc người, điều này gần như không thể thực hiện.”

Nghiên cứu thần kinh trong tương lai

Sự sẵn có của các organoid não người 3D có nguồn gốc từ tế bào gốc cho phép các nhà nghiên cứu đặc trưng hóa tổ chức cấu trúc, thành phần tế bào và hoạt động điện sinh lý của chúng. Những mô hình này có tiềm năng làm sáng tỏ các tác động ngắn hạn và dài hạn của nhiều điều kiện thử nghiệm khác nhau lên sự phát triển thần kinh sớm, chẳng hạn như đột biến gen hoặc phơi nhiễm ngắn hạn hay dài hạn với thuốc chống co giật.

“Trong dài hạn, chúng tôi hướng tới việc xây dựng các assembloid đại diện cho nhiều vùng não khác nhau và tích hợp một mức độ mạch máu nhất định để mô hình hóa bộ não người cực kỳ phức tạp ở quy mô ‘mini-brain’,” Giáo sư Halliwell kết luận.

Bằng cách kết hợp các mô hình tế bào gốc tiên tiến với các phép đo điện sinh lý dài hạn trên các hệ thống nuôi cấy mạng lưới, các nhà nghiên cứu đang có được những hiểu biết mới về cách các bệnh thần kinh hình thành và tiến triển theo thời gian. Những hiểu biết này cuối cùng có thể giúp định hướng việc phát hiện và đánh giá các chiến lược điều trị mới.

Tài liệu tham khảo

1. World Health Organisation (WHO): https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/epilepsy
2. US National Institute of Neurological Disorders and Stroke: https://www.ninds.nih.gov/health-information/disorders/epilepsy-and-seizures
3. Salmanzadeh H and Halliwell RF (2024) Antiseizure properties of fenamate NSAIDs determined in mature human stem-cell derived neuroglial circuits. Frontiers in Pharmacology, 15:1385523. https://doi.org/10.3389/fphar.2024.1385523
4. Salmanzadeh, H and Halliwell, RF (2025) Human Stem Cell-Derived Neural Organoids for the Discovery of Antiseizure Agents. Receptors 2025, 4, 12. https://doi.org/10.3390/receptors4030012