1. Thiết kế chế tạo hệ thống mô phỏng trạng thái vi trọng lực 3D clinostat
Hệ thống 3D clinostat có các khung được làm bằng hợp kim nhôm và được anode hóa. Cấu trúc máy bao gồm khung bên ngoài và khung bên trong có thể xoay độc lập. Hai động cơ được sử dụng để điều khiển hai khung. Tốc độ của hai động cơ được điều khiển bởi bộ điều khiển tốc độ. Vòng tiếp điện được sử dụng để cho phép kết nối tín hiệu giữa bộ điều khiển tốc độ 2 và động cơ 2 bên trong (Hình 1). Hệ thống 3D clinostat ngoài việc tạo điều kiện vi trọng lực mô phỏng (simulated microgravity), còn có thể cảm ứng điều kiện cao trọng lực (hyper gravity) cho các nghiên cứu về sinh học tế bào, phôi động vật, thực vật và vi sinh vật

 
Hình 1. Cấu trúc máy 3D clinostat. A, B, C: chuẩn bị mẫu tế bào và lắp đặt trên hệ thống 3D clinostat. D: lắp đặt và vận hành hệ thống 3D clinostat trong tủ nuôi tế bào động vật.

2. Ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực mô phỏng trên tế bào gốc trung mô người
Khung xương tế bào đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tăng sinh tế bào, giúp duy trì hình dạng tế bào và tổ chức bên trong tế bào. Tế bào rất nhạy cảm với những thay đổi trong điều kiện vi trọng lực (SMG). SMG có thể gây ra những thay đổi trong sự phân bố khung xương tế bào và tăng sinh tế bào. Nghiên cứu này nhằm đánh giá tác động của vi trọng lực mô phỏng (SMG) lên sự tăng sinh, biểu hiện của các chất điều hòa chính liên quan đến chu kỳ tế bào và các protein cấu trúc khung xương tế bào trong tế bào gốc trung mô cuống rốn người (hucMSCs). Kết quả thử nghiệm WST-1 cho thấy mức độ tăng sinh của các tế bào hucMSC ở nhóm SMG thấp hơn so với nhóm đối chứng. Hơn nữa, phân tích flow cytometry đã chứng minh rằng tỷ lệ hucMSC ở nhóm SMG trong giai đoạn G0/G1 cao hơn so với nhóm đối chứng. Phân tích Western blot cho thấy có sự giảm biểu hiện của cyclin A1 và A2 trong nhóm hucMSC ở điều kiện SMG. Sự biểu hiện của các protein kinase phụ thuộc cyclin 4 (cdk4) và 6 (cdk6) cũng được quan sát thấy là giảm trong hucMSC ở nhóm SMG (Hình 2). Tổng cường độ nhân của hucMSC trong nhóm SMG thấp hơn so với nhóm đối chứng. Tuy nhiên, không có sự khác biệt về diện tích nhân hoặc giá trị hình dạng nhân của hucMSC trong hai nhóm thí nghiệm. Kết quả phân tích Realtime qRT-PCR và Western blot đều cho thấy các tế bào hucMSC trong nhóm SMG giảm biểu hiện beta-actin và alpha-tubulin so với nhóm đối chứng. Điều kiện SMG gây ra sự tái tổ chức các vi ống và vi sợi trong hucMSC. Nghiên cứu của chúng tôi ủng hộ ý tưởng rằng sự giảm biểu hiện của các protein chính liên quan đến chu kỳ tế bào và protein cấu trúc khung xương tế bào đã dẫn đến việc tái cấu trúc khung xương tế bào và làm giảm sự tăng sinh ở hucMSC.

Hình 2. Những thay đổi của hucMSCs trong điều kiện SMG. A: phân tích WST-1. B: phân tích chu kì tế bào (flow cytometry). C, D: sự biểu hiện protein liên quan đến chu kì tế bào và cấu trúc vi ống, vi sợi. E: phân tích biểu hiện mRNA của gene actin và tubulin. F, G: cấu trúc vi ống và vi sợi trong tế bào hucMSCs.

3. Ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực mô phỏng trên tế bào gan người
Sự ức chế chu kì tế bào được đánh giá là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến  việc ức chế quá trình tăng sinh trong tế bào dưới điều kiện vi trọng lực mô phỏng. Tuy nhiên, cho đến nay cơ chế của sự ức chế này vẫn chưa được đánh giá và hiểu một cách đầy đủ. Do đó mục đích của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực mô phỏng lên khả năng tăng sinh cũng như những thay đổi trong cấu trúc của tế bào gan Chang liver cells (CCL-13). Các tế bào CCL-13 được cảm ứng vi trọng lực mô phỏng bằng máy 3D clinostat trong 72 giờ, trong khi đó nhóm đối chứng được xử lý với điều kiên bình thường 1 G. Kết quả cho thấy vi trọng lực mô phỏng làm giảm khả năng tăng sinh của tế bào CCL-13 bằng việc gia tăng số lượng tế bào CCL-13 đi vào pha G0/G1. Sự đi vào pha  nghỉ của tế bào CCL-13 là do việc giảm biểu hiện các protein liên quan đến chu kì tế bào như cyclin A1 và A2, cyclin D1, và cdk6 (Hình 3). Ngoài ra tế bào CCL-13 còn giảm biểu hiện các protein liên quan đến cấu trúc khung xương tế bào như α-tubulin 3 và β-actin. Các kết quả trên cho thấy sự ức chế tăng sinh của các tế bào gan trong điều kiện vi trong lực mô phỏng có liên quan đến quá trình giảm biểu hiện của các nhân tố điều hòa chu kì tế bào chính và các protein cấu trúc khung xương tế bào.

Hình 3. Những thay đổi của CCL-13 trong điều kiện SMG. A: phân tích mật độ tế bào (Cytell). B: phân tích WST-1. C: phân tích chu kì tế bào (flow cytometry). D: sự biểu hiện protein liên quan đến chu kì tế bào và cấu trúc vi ống, vi sợi. E, F: cấu trúc vi ống và vi sợi trong tế bào CCL-13.  

4. Ảnh hưởng của điều kiện vi trọng lực mô phỏng trên nguyên bào sợi da
Kết quả phân tích ảnh hưởng của vi trọng lực mô phỏng lên nguyên bào sợi 3T3 cho thấy tế bào 3T3 giảm sự tăng sinh trong phân tích WST-1. Kết quả này được củng cố bởi phân tích mật độ tế bào bằng hệ thống kính hiển vi Cytell. Sự giảm tăng sinh của nguyên bào sợi là do sự gia tăng quần thể tế bào đi vào pha G0/G1. Vi trọng lực mô phỏng còn làm giảm sự biểu hiện của các protein liên quan đến điều hòa chu kì tế bào như Cyclin A1 và A2, Cyclin-dependent kinase 4 (Cdk4) và Cyclin-dependent kinase 6 (Cdk6), đây chính là ngyên nhân dẫn đến việc cảm ứng tế bào đi vào pha nghỉ trong chu hỳ tế bào. Sự giảm tăng sinh tế bào 3T3 còn liên quan đến quá trình giảm biểu hiện của protein β-Actin và α-Tubulin 3, đây là các protein tham gia vào cấu trúc hệ thống vi ống và vi sợi tế bào (Hình 4). Điều kiện vi trọng lực mô phỏng còn cảm ứng sự thay đổi hình dạng của tế bào sang dạng phẳng, xuất hiện ít vi lông nhung hơn. Các kết quả trên cho thấy sự giảm tăng sinh nguyên bào sợi trong điều kiện vi trọng lực mô phỏng có liên quan chặt chẽ tới quá trình giảm biểu hiện các yếu tố điều hòa chu kì tế bào và protein cấu trúc khung xương.

Hình 4. Những thay đổi của nguyên vào sợi trong điều kiện SMG. A: phân tích mật độ tế bào (Cytell). B: phân tích WST-1. C: phân tích chu kì tế bào (flow cytometry). D: sự biểu hiện protein liên quan đến chu kì tế bào và cấu trúc vi ống, vi sợi. E, F: cấu trúc vi ống và vi sợi trong nguyên bào sợi.  

5. Kết luận
Nghiên cứu hiện tại cho thấy vi trọng lực mô phỏng làm giảm các protein điều hòa chu kỳ  tế bào như cyclin A1 và A2, CDK4, CDK6. Sự giảm biểu hiện các protein điều hòa chu kì tế bào này thúc đẩy tế bào đi vào pha nghỉ. Ngoài ra, vi trọng lực mô phỏng cũng làm giảm sự biểu hiện của các protein cấu trúc chính như β-actin và α-tubulin 3. Việc giảm biểu hiện các protein cấu trúc dẫn đến thay đổi quá trình tổng hợp hệ thống vi sợi và vi ống, từ đó cảm ứng sự tái tổ chức bộ khung xương tế bào của các tế bào (Hình 5). Những kết quả này cho thấy sự tăng sinh bị ức chế của các tế bào tiếp xúc với vi trọng lực mô phỏng liên quan đến sự suy giảm của các chất điều hòa liên quan đến chu kỳ tế bào và các protein cấu trúc khung xương tế bào.

Hình 5. Sơ đồ tóm tắt ảnh hưởng của vi trọng lực mô phỏng lên sự tăng sinh tế bào.

6. Bài báo và sách chuyên khảo đã công bố
6.1. Bài báo trên các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI:
[1]    Ho Nguyen Quynh Chi, Hoang Nghia Son, Doan Chinh Chung, Le Dinh Huan, Tran Hong Diem, Le Thanh Long (2020)     Simulated Microgravity Reduces Proliferation and Reorganizes the Cytoskeleton of Human Umbilical Cord Mesenchymal Stem Cells, Physiological Research, 69: 897-906. (SCI, Q2, IF 1.82).
[2]    Hoang Nghia Son, Ho Nguyen Quynh Chi, Le Ngoc Phuong Thanh, Truong Thi Han, Nguyen Thai Minh Han, Doan Chinh Chung, Le Thanh Long (2020) Effects of simulated microgravity on the morphology of mouse embryonic fibroblasts (MEFs), Rom Biotechnol Lett. 2020; 25(6): 2156-2160. (SCIE, Q3, IF 0.823).
[3]    Ho CNQ, Tran MT, Doan CC, Hoang SN, Tran DH, Le LT. Simulated Microgravity Inhibits the Proliferation of Chang Liver Cells by Attenuation of the Major Cell Cycle Regulators and Cytoskeletal Proteins. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(9):4550. https://doi.org/10.3390/ijms22094550 (SCIE, Q1, IF 4.653).
6.2. Bài báo trên các tạp chí quốc tế khác
[1]    Ho Nguyen Quynh Chi and Hoang Nghia Son (2020) Morphological changes of human mesenchymal stem cells under 3d clinostat culture, Asian Jr. of Microbiol. Biotech. Env. Sc.,  22(3): 63-67. (Q4)
6.3. Các báo cáo trên tạp chí trong nước
[1]    Ho Nguyen Quynh Chi, Hoang Nghia Quang Huy, Doan Chinh Chung, Hoang Nghia Son, Le Thanh Long (2020) Inhibited growth of mesenchymal stem cells under simulated microgravity, Journal of Biotechnology 18(2): 257-264.
[2]    Hoang Nghia Son, Hoang Nguyen Quang Huy, Tran Thi Bich Tram, Ly Ngoc Cang, Ho Nguyen Quynh Chi, Truong Xuan Dai, Le Ngoc Phuong Thanh, Truong Thi Han, Nguyen Thai Minh Han, Le Thanh Long (2020) Evaluating the effects of simulated microgravity on mouse fibroblast, Academia Journal of Biology 2020, 42(3): 129–134.    
7. Kết quả tham gia đào tạo
7.1. Tiến sĩ
[1]    Hồ Nguyễn Quỳnh Chi (Học Viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), tên luận án “Đánh giá sự thay đổi tăng sinh và cấu trúc khung xương tế bào gốc trung mô người trong điều kiện vi trọng lực mô phỏng”, ngành Công nghệ sinh học (Chuẩn bị bảo vệ cấp Học viện)
[2]    Trần Thị Minh (Học Viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), đề tài luận án “Nghiên cứu sự tăng sinh và cấu trúc khung xương tế bào gan Chang trong điều kiện vi trọng lực mô phỏng”, ngành Công nghệ sinh học. (chuẩn bị bảo vệ chuyên đề)
7.2. Thạc sĩ
[1]    Lư Thanh Vọng (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh), tên đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy quay 3d đến sự tăng sinh của nguyên bào sợi thai chuột”, đã hoàn thành chương trình thạc sĩ.
8. Tình hình chuyển giao công nghệ
    Đã chuyển giao máy 3D clinostat cho Phòng Công nghệ sinh học động vật, Viện Sinh học nhiệt đới, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
9. Kết quả của đề tài được lưu trữ tại
-    Văn phòng Chương trình KHCN Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam
-    Cục thông tin khoa học và công nghệ Quốc gia.