Nghiên cứu gần đây cho thấy những mảnh nhỏ ADN lưu chuyển trong máu một người có thể cho phép các nhà khoa học theo dõi tiến triển của ung thư và thậm chí có thể biết được quá trình phát triển gen của bào thai. Tuy nhiên việc tách chiết và giải trình tự các mảnh nhỏ gen này chỉ thu được chút ít thông tin về cách thức ADN được sử dụng để tạo nên những dãy hằng hà sa số những tế bào, mô và các tiến trình sinh học hình thành nên cơ thể và cuộc sống của chúng ta.
Hiện nay các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã có bước tiến vượt bậc, không còn phải chỉ dựa trên các dữ liệu tĩnh có được từ giải trình tự ADN có trong máu. Thay vào đó, họ tạo nên một bức tranh sinh động hơn bằng cách theo dõi sự thay đổi hàm lượng của một loại vật chất di truyền khác – ARN – có trong máu. Đó là sự khác nhau về mặt sinh học giữa một bức ảnh tĩnh và một đoạn phim khi tìm hiểu cơ thể đang làm gì và tại sao như thế.
“Chúng tôi nghĩ rằng kỹ thuật này giống như một loại “ống nghe phân tử,” Tiến sỹ Stephen Quake cho biết, ông hiện đang là giáo sư ngành kỹ thuật sinh học và vật lý ứng dụng, “và nó rất hữu dụng khi bạn muốn phân tích bất kỳ mô nào. Có rất nhiều ứng dụng tiềm năng cho công trình này. Chúng tôi có thể sử dụng nó để tìm những bất thường của quá trình mang thai, như tiền sản giật hay các dấu hiệu của sinh non. Và chúng tôi hy vọng có thể ứng dụng nó để theo dõi các vấn đề sức khỏe khác ở nhiều loại cơ quan.”
Tiến sỹ Quake và cộng sự đã kết hợp sử dụng phương pháp microarray lưu lượng cao và giải trình tự gen thế hệ mới để phân tích trình tự và nồng độ liên quan của ARN có trong máu của những phụ nữ có thai, những người tình nguyện khỏe mạnh và các bệnh nhân Alzheimer. Bằng cách tập trung vào các những thông tin ARN có chức năng tổng hợp protein chỉ ở một số mô nhất định, họ có thể theo dõi quá trình phát triển hoặc tình trạng sức khỏe của một số bộ phận cụ thể trong suốt cơ thể.
Lực lượng lao động cấp tế bào
Ngoại trừ một số ngoại lệ, hệ gen của bạn (được mã hóa bởi các ADN) có mặt ở mọi tế bào trên người bạn. Các mô và tế bào cụ thể được hình thành bằng cách biểu hiện của một số tập hợp con chuyên biệt từ hàng ngàn lựa chọn trong hệ gen của bạn. Biểu hiện gen này được hoàn thành từng phần thông qua các phân tử được gọi là ARN thông tin, có chức năng mang những thông điệp được mã hóa từ trong gen đến các nhà máy sản xuất protein của tế bào. Các protein chuyên biệt và các phân tử điều hành khác trong mỗi tế bào sẽ quyết định gen nào được biểu hiện, khi nào được biểu hiện và số lượng mỗi thông điệp ARN được sản xuất. Kết quả là những trình tự cụ thể mà ARN thông tin sử dụng có thể thay đổi đa dạng giữa các mô và vô vàn các trạng thái sinh học và môi trường khác.
Hàng thập kỷ nay người ta đều biết rằng trong máu có chứa hàm lượng rất nhỏ các ADN và ARN tự do được phóng thích từ các tế bào chết hoặc bị hư hỏng trong khắp cơ thể. Thông thường tế bào chết rồi được thay thế là một quá trình tự nhiên, trong vài trường hợp đó còn là kết quả của bệnh tật. Tuy nhiên, mãi cho đến gần đây, phân tích loại hình vật liệu di truyền này vẫn còn gặp nhiều khó khăn do số lượng quá ít của chúng.
Kỹ thuật giải trình mới với khả năng xử lý một hàm lượng vật chất di truyền vô cùng nhỏ đang mở ra cánh cửa rộng cho các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới. Phần lớn các nỗ lực nghiên cứu đã tập trung vào phân tích ADN có trong máu, gồm xác định trình tự của nó hoặc so sánh số lượng tương quan của một số nhiễm sắc thể cụ riêng biệt. Những kỹ thuật này đã được ứng dụng để tầm soát ung thư bằng cách tìm kiếm các đột biến cụ thể không xuất hiện trong hệ gen của bệnh nhân. Tiến sỹ Quake đã có bước đi tiên phong, cho phép các bác sĩ xác định tình trạng bất thường của thai nhi như hội chứng Down, có nguyên nhân do bản sao phụ của nhiễm sắc thể. Theo ước tính năm 2013, từ kỹ thuật ban đầu của Quake, có hơn 500.000 thai phụ sử dụng phương pháp xét nghiệm thai nhi không xâm lấn để tìm hiểu tình trạng sức khỏe của bào thai.
Theo dõi sự phát triển của thai nhi
Trong nghiên cứu mới đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật từng được phát triển tại phòng lab của Quake để xác định các phân tử ARN trong người thai phụ, bao gồm phân tử nào có nguồn gốc từ thai nhi và phân tử nào là của mẹ. Phương pháp xét nghiệm trước sinh không xâm lấn đơn giản bằng cách phân tích mẫu máu của thai phụ qua từng ngày, họ có thể theo dõi được sự phát triển của các mô cụ thể, bao gồm não và gan của thai nhi cũng như nhau thai, trong suốt 3 giai đoạn của thai kỳ.
Quake và các cộng sự tin rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng rộng rãi như một công cụ chẩn đoán hiệu quả, bằng cách phát hiện các tín hiệu bất thường từ các cơ quan bị bệnh, có lẽ trước cả khi có các dấu hiệu lâm sàng. Cụ thể là họ có thể phát hiện sự tăng cao của hàm lượng ARN thông tin từ tế bào neuron thần kinh ở các bệnh nhân Alzheimer khi so sánh với các người bình thường.
Cuối cùng, bên cạnh việc theo dõi hàm lượng ARN thông tin (có chức năng mã hóa các chỉ dẫn sản xuất protein), nhóm nghiên cứu còn có thể phát hiện các dạng khác ARN khác – ví dụ như ARN dài, không mã hóa và ARN vòng – có thể có vai trò điều khiển chủ chốt trong tế bào. Phân tích sâu hơn các phân tử này có thể mang lại thêm thông tin về sức khỏe và bệnh tật.
“Chúng tôi đã vượt qua giới hạn, từ chỗ chỉ tìm ra trình tự gen, tiến đến thật sự phân tích và hiểu phương thức hoạt động của gen,” Quake cho hay. “Việc tìm ra trình tự ADN của một gen có trong máu đã được cho thấy có nhiều lợi ích trong một số trường hợp, như ung thư, sản phụ và cấy ghép cơ quan. Phân tích được ARN sẽ mở ra một cái nhìn rộng lớn hơn về những gì đang diễn ra trong cơ thể tại bất kỳ thời điểm cụ thể nào.”
<Theo Stanford School of Medicine>