Bảo quản sinh học: Hướng dẫn Toàn diện về Lưu trữ Vật liệu Sinh học

Bảo quản sinh học, việc bảo tồn các vật liệu sinh học để sử dụng trong tương lai, là nền tảng của nghiên cứu y sinh học hiện đại, chẩn đoán và trị liệu. Hướng dẫn toàn diện này đi sâu vào các nguyên tắc, kỹ thuật, ứng dụng và những cân nhắc đạo đức xung quanh việc bảo quản sinh học, cung cấp một góc nhìn toàn cầu về lĩnh vực quan trọng này.

Bảo quản sinh học là gì?

Bảo quản sinh học bao gồm một loạt các kỹ thuật nhằm duy trì sự sống và tính toàn vẹn của các vật liệu sinh học, chẳng hạn như tế bào, mô, cơ quan, DNA và các bệnh phẩm sinh học khác. Mục tiêu là giảm thiểu sự suy thoái và duy trì các đặc tính chức năng của những vật liệu này trong thời gian dài. Những vật liệu này rất cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Nghiên cứu: Nghiên cứu bệnh tật, phát triển các phương pháp điều trị mới và tìm hiểu các quá trình sinh học cơ bản.
• Chẩn đoán: Xác định bệnh, theo dõi sức khỏe bệnh nhân và cá nhân hóa các chiến lược điều trị.
• Trị liệu: Liệu pháp tế bào, y học tái tạo và cấy ghép.
• Phát hiện thuốc: Sàng lọc các ứng cử viên thuốc tiềm năng và tìm hiểu cơ chế tác động của thuốc.
• Bảo tồn: Bảo tồn các loài có nguy cơ tuyệt chủng và duy trì đa dạng sinh học.

Các Kỹ thuật Bảo quản sinh học Phổ biến

Nhiều phương pháp bảo quản sinh học được sử dụng, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào loại vật liệu sinh học, ứng dụng dự kiến và thời gian lưu trữ.

Bảo quản lạnh (Cryopreservation)

Bảo quản lạnh bao gồm việc làm lạnh các vật liệu sinh học xuống nhiệt độ cực thấp, thường sử dụng nitơ lỏng (-196°C hoặc -320°F). Ở những nhiệt độ này, hoạt động sinh học gần như bị ngưng lại hoàn toàn, ngăn chặn sự suy thoái và cho phép lưu trữ dài hạn. Các khía cạnh chính của bảo quản lạnh bao gồm:

• Chất bảo vệ lạnh (CPA): Những chất này, chẳng hạn như dimethyl sulfoxide (DMSO) và glycerol, được thêm vào vật liệu để giảm thiểu sự hình thành tinh thể băng trong quá trình đông lạnh và rã đông, vốn có thể làm hỏng tế bào. Nồng độ và loại CPA phải được tối ưu hóa cẩn thận cho từng loại tế bào và mô.
• Đông lạnh có kiểm soát tốc độ: Giảm nhiệt độ từ từ ở tốc độ được kiểm soát (ví dụ: 1°C mỗi phút) giúp giảm thiểu sự hình thành tinh thể băng bên trong tế bào. Thiết bị chuyên dụng được sử dụng để đạt được quá trình làm lạnh có kiểm soát này.
• Thủy tinh hóa (Vitrification): Là một phương pháp thay thế cho đông lạnh chậm, thủy tinh hóa bao gồm việc làm lạnh nhanh vật liệu đến trạng thái giống như thủy tinh mà không hình thành tinh thể băng. Điều này đòi hỏi nồng độ CPA cao và tốc độ làm lạnh cực nhanh.
• Lưu trữ: Các mẫu thường được lưu trữ trong các tủ đông nitơ lỏng hoặc trong pha hơi phía trên nitơ lỏng. Việc theo dõi nhiệt độ và mức nitơ lỏng đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của mẫu.

Ví dụ: Bảo quản lạnh được sử dụng rộng rãi để lưu trữ tế bào gốc cho các ứng dụng cấy ghép tủy xương và y học tái tạo. Chẳng hạn, tế bào gốc tạo máu thường được bảo quản lạnh để cấy ghép tự thân (tế bào của chính bệnh nhân) hoặc dị thân (tế bào của người hiến tặng) để điều trị bệnh bạch cầu, ung thư hạch và các rối loạn máu khác. Tại Nhật Bản, các nhà nghiên cứu đang khám phá các kỹ thuật bảo quản lạnh để bảo tồn mầm của các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

Bảo quản mát (Refrigeration)

Bảo quản mát bao gồm việc lưu trữ các vật liệu sinh học ở nhiệt độ trên mức đóng băng, thường từ 2°C đến 8°C (35°F và 46°F). Phương pháp này phù hợp để lưu trữ ngắn hạn các mẫu không yêu cầu bảo quản lâu dài. Các cân nhắc khi bảo quản mát bao gồm:

• Kiểm soát nhiệt độ: Duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi quy định là điều cần thiết để ngăn ngừa sự suy thoái.
• Vô trùng: Ngăn ngừa nhiễm vi sinh vật là rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của mẫu.
• Dụng cụ chứa phù hợp: Sử dụng các dụng cụ chứa phù hợp để giảm thiểu sự bay hơi và duy trì độ ẩm cho mẫu là rất quan trọng.

Ví dụ: Các mẫu máu để phân tích lâm sàng thông thường thường được lưu trữ ở 4°C trong thời gian ngắn trước khi xử lý. Tương tự, một số loại vắc-xin yêu cầu bảo quản mát để duy trì hiệu lực.

Đông khô (Lyophilization)

Đông khô bao gồm việc loại bỏ nước khỏi một mẫu đông lạnh bằng cách thăng hoa trong môi trường chân không. Quá trình này tạo ra một sản phẩm khô, ổn định có thể được lưu trữ ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài. Các bước chính trong quá trình đông khô bao gồm:

• Đông lạnh: Mẫu được đông lạnh trước để hóa rắn nước.
• Làm khô sơ cấp: Nước đã đông lạnh sau đó được loại bỏ bằng cách thăng hoa trong môi trường chân không.
• Làm khô thứ cấp: Độ ẩm còn lại được loại bỏ bằng cách tăng nhiệt độ trong môi trường chân không.

Ví dụ: Đông khô thường được sử dụng để bảo quản vi khuẩn, vi-rút và protein cho mục đích nghiên cứu và chẩn đoán. Ví dụ, các chủng cấy vi khuẩn được sử dụng để kiểm soát chất lượng trong sản xuất dược phẩm thường được đông khô để lưu trữ và ổn định lâu dài.

Bảo quản bằng Hóa chất

Bảo quản bằng hóa chất bao gồm việc sử dụng các chất cố định hóa học, chẳng hạn như formaldehyde hoặc glutaraldehyde, để bảo quản các mẫu mô. Các chất cố định này tạo liên kết chéo giữa các protein và ổn định cấu trúc tế bào, ngăn chặn sự suy thoái. Các cân nhắc chính khi bảo quản bằng hóa chất bao gồm:

• Lựa chọn chất cố định: Việc lựa chọn chất cố định phụ thuộc vào ứng dụng dự kiến. Formaldehyde thường được sử dụng cho mô học thông thường, trong khi glutaraldehyde thường được sử dụng cho kính hiển vi điện tử.
• Thời gian cố định: Thời gian cố định là rất quan trọng để đảm bảo bảo quản đầy đủ mà không gây ra tổn thương quá mức.
• Điều kiện lưu trữ: Các mô đã được cố định thường được lưu trữ trong formalin hoặc cồn.

Ví dụ: Các mẫu sinh thiết mô để chẩn đoán ung thư thường được cố định trong formalin để bảo tồn hình thái tế bào và cho phép kiểm tra dưới kính hiển vi.

Ứng dụng của Bảo quản sinh học

Bảo quản sinh học đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm:

Ngân hàng sinh học (Biobanking)

Ngân hàng sinh học là các kho lưu trữ thu thập, xử lý, bảo quản và phân phối các mẫu sinh học cùng dữ liệu liên quan cho mục đích nghiên cứu. Chúng là nguồn tài nguyên thiết yếu để nghiên cứu bệnh tật, phát triển các phương pháp chẩn đoán và trị liệu mới, và thúc đẩy y học cá nhân hóa.

• Ngân hàng sinh học quần thể: Thu thập mẫu và dữ liệu từ các quần thể lớn để nghiên cứu các yếu tố di truyền và môi trường góp phần gây ra bệnh. Ví dụ bao gồm Ngân hàng sinh học Vương quốc Anh và Ngân hàng sinh học Estonia.
• Ngân hàng sinh học theo bệnh cụ thể: Tập trung vào việc thu thập mẫu và dữ liệu từ bệnh nhân mắc các bệnh cụ thể, chẳng hạn như ung thư hoặc tiểu đường.
• Ngân hàng sinh học lâm sàng: Được tích hợp trong các hệ thống chăm sóc sức khỏe, các ngân hàng sinh học này thu thập mẫu và dữ liệu từ những bệnh nhân đang được chăm sóc lâm sàng định kỳ.

Y học tái tạo

Y học tái tạo nhằm mục đích sửa chữa hoặc thay thế các mô và cơ quan bị tổn thương bằng cách sử dụng tế bào, vật liệu sinh học và các yếu tố tăng trưởng. Bảo quản sinh học là rất quan trọng để lưu trữ tế bào và mô cho các liệu pháp này.

• Liệu pháp tế bào: Bao gồm việc cấy ghép tế bào vào bệnh nhân để điều trị bệnh. Ví dụ, cấy ghép tế bào gốc cho bệnh bạch cầu và liệu pháp tế bào CAR-T cho bệnh ung thư.
• Kỹ thuật mô: Bao gồm việc tạo ra các mô và cơ quan chức năng trong phòng thí nghiệm để cấy ghép.

Phát hiện thuốc

Tế bào và mô được bảo quản sinh học được sử dụng trong việc phát hiện thuốc để sàng lọc các ứng cử viên thuốc tiềm năng, hiểu cơ chế tác dụng của thuốc và đánh giá độc tính của thuốc.

• Sàng lọc hiệu suất cao: Sử dụng các hệ thống tự động để sàng lọc các thư viện hợp chất lớn dựa trên các mục tiêu tế bào.
• Nghiên cứu Chuyển hóa và Dược động học của thuốc (DMPK): Điều tra cách thuốc được chuyển hóa và thải trừ khỏi cơ thể.

Sinh học bảo tồn

Bảo quản sinh học được sử dụng để bảo tồn vật liệu di truyền của các loài có nguy cơ tuyệt chủng và duy trì đa dạng sinh học.

• Bảo quản lạnh tinh trùng và trứng: Bảo quản các tế bào sinh sản để thụ tinh nhân tạo và thụ tinh trong ống nghiệm.
• Bảo quản lạnh phôi: Bảo quản phôi cho các chương trình nhân giống trong tương lai.
• Ngân hàng DNA: Lưu trữ các mẫu DNA để phân tích di truyền và các nỗ lực bảo tồn.

Kiểm soát Chất lượng trong Bảo quản sinh học

Duy trì chất lượng và tính toàn vẹn của các vật liệu được bảo quản sinh học là điều cần thiết để đảm bảo kết quả nghiên cứu và lâm sàng đáng tin cậy. Các biện pháp kiểm soát chất lượng chính bao gồm:

• Quy trình chuẩn hóa: Sử dụng các quy trình chuẩn hóa để thu thập, xử lý, lưu trữ và lấy mẫu.
• Theo dõi nhiệt độ: Liên tục theo dõi nhiệt độ lưu trữ để đảm bảo các mẫu được duy trì trong phạm vi yêu cầu.
• Xét nghiệm khả năng sống: Đánh giá khả năng sống và hoạt động chức năng của tế bào sau khi rã đông.
• Kiểm tra nhiễm bẩn: Thường xuyên kiểm tra các mẫu để phát hiện nhiễm vi sinh vật.
• Quản lý dữ liệu: Duy trì hồ sơ chính xác và đầy đủ của tất cả các mẫu và dữ liệu liên quan.

Ví dụ: Các ngân hàng sinh học thường sử dụng các quy trình vận hành chuẩn (SOP) dựa trên các thực hành tốt nhất từ các tổ chức như Hiệp hội Quốc tế về Kho lưu trữ Sinh học và Môi trường (ISBER) để đảm bảo chất lượng mẫu nhất quán. Các SOP này bao gồm tất cả các khía cạnh của ngân hàng sinh học, từ thu thập và xử lý mẫu đến lưu trữ và phân phối.

Những cân nhắc về Đạo đức trong Bảo quản sinh học

Bảo quản sinh học đặt ra một số cân nhắc về đạo đức, bao gồm:

• Chấp thuận có hiểu biết: Có được sự chấp thuận có hiểu biết từ người hiến tặng trước khi thu thập và lưu trữ các mẫu sinh học của họ. Sự chấp thuận phải giải thích rõ ràng mục đích nghiên cứu, các rủi ro và lợi ích tiềm tàng, và quyền của người hiến tặng được rút lại mẫu của họ.
• Quyền riêng tư và Bảo mật: Bảo vệ quyền riêng tư và bảo mật thông tin cá nhân của người hiến tặng.
• Bảo mật dữ liệu: Đảm bảo an toàn cho dữ liệu liên quan đến các mẫu sinh học.
• Quyền sở hữu và Tiếp cận: Thiết lập các hướng dẫn rõ ràng về quyền sở hữu và tiếp cận các mẫu và dữ liệu sinh học.
• Thương mại hóa: Giải quyết các vấn đề đạo đức của việc thương mại hóa các mẫu và dữ liệu sinh học.

Ví dụ: Nhiều quốc gia đã thực hiện các quy định để bảo vệ quyền của những người tham gia ngân hàng sinh học và đảm bảo việc tiến hành nghiên cứu ngân hàng sinh học một cách có đạo đức. Các quy định này giải quyết các vấn đề như chấp thuận có hiểu biết, quyền riêng tư dữ liệu, và quyền tiếp cận mẫu và dữ liệu.

Xu hướng Tương lai trong Bảo quản sinh học

Lĩnh vực bảo quản sinh học không ngừng phát triển, với các nghiên cứu đang diễn ra tập trung vào việc cải thiện các kỹ thuật hiện có và phát triển các phương pháp mới. Một số xu hướng chính bao gồm:

• Tự động hóa: Tự động hóa các quy trình bảo quản sinh học để cải thiện hiệu quả và giảm sự thay đổi.
• Vi lỏng (Microfluidics): Sử dụng các thiết bị vi lỏng để kiểm soát chính xác tốc độ đông lạnh và rã đông.
• Công nghệ nano: Phát triển các hạt nano để cung cấp các chất bảo vệ lạnh và cải thiện sự sống của tế bào.
• In sinh học (Bioprinting): Kết hợp bảo quản sinh học với in sinh học để tạo ra các mô và cơ quan chức năng.
• AI và Học máy: Sử dụng AI và học máy để tối ưu hóa các quy trình bảo quản sinh học và dự đoán chất lượng mẫu.

Các Tiêu chuẩn và Hướng dẫn Quốc tế

Một số tổ chức quốc tế cung cấp các tiêu chuẩn và hướng dẫn cho việc bảo quản sinh học để đảm bảo tính nhất quán và chất lượng trên các ngân hàng sinh học và các viện nghiên cứu khác nhau. Chúng bao gồm:

• Hiệp hội Quốc tế về Kho lưu trữ Sinh học và Môi trường (ISBER): Công bố các thực hành tốt nhất cho ngân hàng sinh học và bảo quản sinh học.
• Mạng lưới Ngân hàng Sinh học Thế giới (WBAN): Một mạng lưới toàn cầu của các ngân hàng sinh học nhằm thúc đẩy hợp tác và tiêu chuẩn hóa.
• Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST): Phát triển các tiêu chuẩn và vật liệu tham chiếu cho việc bảo quản sinh học.
• Tiêu chuẩn ISO: Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) đã phát triển các tiêu chuẩn liên quan đến ngân hàng sinh học và bảo quản sinh học, chẳng hạn như ISO 20387:2018 Công nghệ sinh học — Ngân hàng sinh học — Yêu cầu chung đối với ngân hàng sinh học.

Thách thức trong Bảo quản sinh học

Mặc dù có những tiến bộ đáng kể, bảo quản sinh học vẫn phải đối mặt với một số thách thức:

• Hình thành tinh thể băng: Sự hình thành tinh thể băng trong quá trình đông lạnh và rã đông có thể làm hỏng tế bào và mô.
• Độc tính của chất bảo vệ lạnh: Các chất bảo vệ lạnh có thể gây độc cho tế bào ở nồng độ cao.
• Thời hạn sử dụng hạn chế: Một số vật liệu được bảo quản sinh học có thời hạn sử dụng hạn chế, ngay cả trong điều kiện lưu trữ tối ưu.
• Chi phí: Bảo quản sinh học có thể tốn kém, đặc biệt là đối với việc lưu trữ dài hạn một số lượng lớn mẫu.
• Tiêu chuẩn hóa: Thiếu sự tiêu chuẩn hóa giữa các ngân hàng sinh học và các viện nghiên cứu khác nhau có thể gây khó khăn cho việc so sánh kết quả.

Kết luận

Bảo quản sinh học là một lĩnh vực quan trọng có ý nghĩa sâu rộng đối với nghiên cứu y sinh, chẩn đoán và trị liệu. Bằng cách hiểu các nguyên tắc, kỹ thuật, ứng dụng và các cân nhắc về đạo đức xung quanh việc bảo quản sinh học, các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng có thể sử dụng hiệu quả các vật liệu sinh học để thúc đẩy kiến thức khoa học và cải thiện sức khỏe con người. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, các kỹ thuật bảo quản sinh học sẽ trở nên tinh vi hơn, cho phép bảo quản vật liệu sinh học trong thời gian dài hơn và với độ trung thực cao hơn. Điều này sẽ mở đường cho những khám phá và đổi mới mới trong y học và hơn thế nữa.

Hướng dẫn này cung cấp một sự hiểu biết cơ bản về bảo quản sinh học. Đối với các ứng dụng cụ thể và các quy trình chi tiết, việc tham khảo ý kiến chuyên gia và tài liệu khoa học liên quan là rất được khuyến khích. Nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực bảo quản sinh học là điều cần thiết để vượt qua những thách thức hiện có và khai thác toàn bộ tiềm năng của lĩnh vực mang tính chuyển đổi này.