Bất kể cuốn sách giáo khoa sinh học nào mà bạn từng học qua đều viết rằng: Phôi của sinh vật sinh sản hữu tính là kết quả từ quá trình thụ tinh giữa trứng của con cái và tinh trùng của con đực. Điều đó có nghĩa là nếu thiếu một trong hai, sẽ không có phôi nào sinh ra cả.

Nhưng bây giờ, mệnh đề đó đã vĩnh viễn bị thay đổi. Trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Cell Stem Cell, các nhà khoa học Trung Quốc đã lần đầu tiên tạo ra được những cấu trúc giống với phôi khỉ mà không cần cả trứng lẫn tinh trùng.

Các phôi này – thay vào đó - được nuôi trực tiếp từ tế bào gốc của những con khỉ ăn cua (Macaca fascicularis).

"Đây là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực mô hình phôi có nguồn gốc từ tế bào gốc", Alejandro De Los Angeles, một nhà sinh vật học đến từ Đại học Oxford cho biết.

Việc tạo được ra các phôi thai khỉ "tổng hợp" này sẽ giúp các nhà khoa học tìm hiểu nhiều bí ẩn liên quan đến chính quá trình tạo phôi và mang thai của con người, mà không vấp phải các quy tắc đạo đức khoa học liên quan đến sử dụng phôi người thật.

Nghiên cứu này được cho là sẽ thúc đẩy nhiều lĩnh vực phát triển, bao gồm điều trị vô sinh, phòng ngừa sảy thai và sàng lọc các bệnh bẩm sinh từ quá trình phát triển của phôi.

Không có trứng và tinh trùng, những phôi khỉ này được tạo ra như thế nào?

Nghiên cứu mới được thực hiện bởi tiến sĩ Zhen Liu, một nhà sinh vật học phát triển tại Viện Khoa học Thần kinh, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Thượng Hải (CAS), và tiến sĩ Qiang Sun, nhà thần kinh học đồng thời là giám đốc Cơ sở Nghiên cứu Linh trưởng không phải con người tại CAS.

Nếu bạn còn nhớ, chính bộ đôi này là những nhà khoa học đã nhân bản vô tính thành công hai con khỉ thuộc giống Macaca fascicularis tên là Zhong Zhong và Hua Hua vào năm 2018. Đây là những con khỉ đầu tiên ra đời bằng kỹ thuật chuyển giao hạt nhân tế bào soma, cùng phương pháp với cừu Dolly, cá thể động vật có vú được nhân bản đầu tiên vào năm 1996.

Trong nghiên cứu mới năm 2023, tiến sĩ Liu và tiến sĩ Sun đã tiếp tục thể hiện sự tò mò của mình với giống khỉ Macaca fascicularis. Đây là loài khỉ có nguồn gốc từ Đông Nam Á, thường được nhìn thấy trên các bãi biển khi chúng đang cố gắng bắt cua, nên còn được gọi là khỉ ăn cua.

Khỉ ăn cua chia sẻ môi trường sống với con người, do cũng có họ hàng gần với chúng ta, chúng thường được dùng trong các thí nghiệm và nghiên cứu y sinh.

Với nghiên cứu lần này, nhóm của tiến sĩ Liu đã thu thập những tế bào gốc phôi của khỉ ăn cua, rồi cho chúng tiếp xúc với một số hỗn hợp được gọi là yếu tố tăng trưởng. Yếu tố tăng trưởng gồm có chất dinh dưỡng và một số phân tử có khả năng kích thích tế bào gốc phát triển thành các dạng tế bào khác nhau.

Về mặt lý thuyết, tế bào gốc có thể phát triển thành bất kỳ tế bào nào trên cơ thể. Và với công thức thích hợp, bộ đôi nhà khoa học Trung Quốc đã có thể "dỗ" các tế bào này biến thành những tế bào phôi thai.

Đó là khoảng một tuần sau khi được nuôi cấy, tiến sĩ Liu quan sát dưới kính hiển vi thì thấy các tế bào gốc của khỉ ăn cua đã biệt hóa thành ba dòng tế bào là nền tảng cho sự hình thành mô và cơ quan.

Đến ngày thứ 8 và thứ 9, các tế bào này bắt sắp xếp theo hình dạng giống như túi noãn hoàng, xuất hiện trong giai đoạn đầu của thai kỳ và nuôi dưỡng phôi thai. "Đây là điều mà các nhà khoa học thậm chí còn chưa đạt được trong các thí nghiệm nuôi cấy phôi nang khỉ tự nhiên trong ống nghiệm", nghiên cứu viết.

Ba con khỉ được chuyển phôi đã có dấu hiệu mang thai trên siêu âm

Để chứng minh rõ ràng hơn nữa, tiến sĩ Liu và tiến sĩ Sun đã giải trình tự RNA từ 6.000 tế bào có trong phôi thai khỉ mà họ đã tạo ra. Kết quả cho thấy chúng sở hữu những đặc điểm di truyền tương tự như phôi nang tự nhiên.

Một số tế bào biểu hiện các gen liên quan đến nội bì - lớp lót trong cùng của đường hô hấp và đường tiêu hóa - trong khi những tế bào khác sở hữu các gen liên quan đến sự phát triển của nhau thai.

Đến ngày thứ 15 sau nuôi cấy, các nhà nghiên cứu còn nhìn thấy những thứ trông giống như đường viền của túi noãn hoàng và màng ối. Trong khi túi noãn hoàng là nơi cung cấp dinh dưỡng trước khi nhau thai hình thành, màng ối là lớp màng ngoài bao quanh phôi đang phát triển.

Báo cáo nghiên cứu cho biết 5 trong số 41 phôi được nuôi cấy có sự xuất hiện của một thứ gì đó giống với vệt nguyên thủy. Đó là cấu trúc đánh dấu sự bắt đầu của quá trình sắp xếp tế bào, phân chia bố cục của thai nhi theo chiều trái -phải và trên -dưới.

"Những cấu trúc này trông rất thuyết phục. Có vẻ như nó đã sở hữu tất cả các loại tế bào thường thấy trong phôi thai", Kotaro Sasaki, một phó giáo sư khoa học y sinh tại Trường Thú y thuộc Đại học Pennsylvania cho biết.

Trong một bước cuối cùng để chứng minh mình đã thực sự tạo ra những phôi khỉ nhân tạo, tiến sĩ Liu và tiến sĩ Sun đã chuyển số phôi này vào tử cung của 8 con khỉ cái. Kết quả sau 7-10 ngày, 3/8 con khỉ này đã phát triển túi thai - là khoang chứa đầy chất lỏng có thể nhìn thấy dưới kỹ thuật siêu âm, đặc điểm đầu tiên báo hiệu quá trình mang thai.

Việc chuyển phôi cũng dẫn đến sự giải phóng các hormone thai kỳ như progesterone và gonadotropin. Nhưng chúng chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Cả phôi bào và các dấu hiệu mang thai biến mất ở ngày thứ 20. Các nhà khoa học Trung Quốc cho biết không có bào thai thực sự nào hình thành.

Nếu phôi không được chuyển vào tử cung khỉ mà tiếp tục được nuôi trong đĩa thí nghiệm, chúng sẽ tiếp tục phát triển. Tuy nhiên, ở giai đoạn sau này, phó giáo sư Sasaki nói các phôi ấy đã trở thành "một thứ vô tổ chức, trông không còn giống những phôi bình thường nữa".

Có lẽ chúng đã thất bại vì những bất thường liên quan đến cấu trúc hoặc di truyền.

Tại sao các nhà khoa học lại muốn tạo ra phôi khỉ theo cách này?

Để biết được nguyên nhân, chúng ta phải nói về những ngày đầu tiên mà một phôi thai phát triển. Trong tự nhiên, sau khi tinh trùng gặp được trứng, nó sẽ bắt đầu quá trình hình thành phôi, biến trứng thành một quả bóng lăn xuống tử cung. Bên trong quả bóng đó bắt đầu hình thành lên những tế bào gốc phôi.

Nhưng một khi phôi đi được đến đích, nó sẽ bám vào thành tử cung và biến mất khỏi tầm nhìn. 

Đạo đức khoa học không cho phép các nhà nghiên cứu quan sát điều gì diễn ra tiếp theo ở đây, do quy định không được nuôi phôi thai người quá 14 ngày trong phòng thí nghiệm. Các phương pháp thăm dò khác như siêu âm thì không đủ nhạy để nhìn xuyên vào bên trong tử cung của con người trong giai đoạn này.

Vì vậy, trong khi tìm cách khắc phục, các nhà khoa học đã cố gắng chuyển sang một hướng đi mới, đó là tạo ra các cấu trúc phôi, giống như những gì mà tiến sĩ Liu và tiến sĩ Sun đã tạo ra. Nó có thể được gọi là phôi nhân tạo được thiết kế, cấu trúc giống phôi hoặc giả phôi – do thực tế là chúng sẽ chỉ phát triển ngắn ngày mà không trưởng thành bào thai.

Trong một bước đột phá vào năm 2018, Nicolas Rivron, nhà phôi học tại Viện Hàn lâm Khoa học Áo đã tạo ra được những giả phôi chuột, phát triển thành các cấu trúc giống phôi nang ở ngày thứ 5 và thứ 6 sau thụ tinh.

Năm 2021, hai nhóm nghiên cứu tại Đại học Texas và Đại học Monash, Australia thậm chí đã tạo ra được những giả phôi của con người, phát triển đến ngày thứ 10 sau thụ tinh. Các giả phôi này được tạo ra từ tế bào gốc phôi, tế bào gốc cảm ứng đa năng và tế bào da.

Giả phôi đã cho phép họ quan sát quá trình ban đầu khi phôi thai hình thành. Tuy nhiên, vấn đề với giả phôi chuột là chúng phát triển tương đối khác với con người, do chuột và người cách nhau rất xa trên nhánh cây tiến hóa.

Trong khi đó, giả phôi người bắt buộc phải bị phá hủy theo luật vào ngày thứ 14, trước khi tế bào thần kinh xuất hiện. Hiệp hội Nghiên cứu tế bào gốc quốc tế (ISSCR) cũng nghiêm cấm việc chuyển các cấu trúc này vào người để bắt đầu quá trình mang thai. Do đó, sự xuất hiện của giả phôi chuột và giả phôi người vẫn chưa tháo gỡ được nút thắt.

Bây giờ, giả phôi khỉ mà các nhà khoa học Trung Quốc vừa tạo ra đã dung hòa được cả hai lựa chọn. Khỉ là một loài động vật có họ hàng gần gũi với con người nhưng là động vật linh trưởng không phải người. Đó là lý do họ có thể cấy những giả phôi của chúng vào khỉ mẹ mà không vấp phải nguyên tắc về mặt đạo đức.

Các nhà khoa học hi vọng những quả bóng tế bào này sẽ tiết lộ những manh mối đầu tiên về quá trình phát triển của phôi thai, bao gồm sự hình thành bệnh tật, các dị tật bẩm sinh và điều gì có thể dẫn tới sảy thai.

"Vì khỉ có quan hệ tiến hóa gần gũi với con người, nên chúng tôi hy vọng nghiên cứu về những mô hình này sẽ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về sự phát triển phôi thai của con người, bao gồm cả việc làm sáng tỏ một số nguyên nhân gây sảy thai sớm", tiến sĩ Liu nói.

Sẽ thế nào nếu giả phôi thực sự phát triển thành thai nhi?

Cần phải nhắc lại rằng báo cáo từ nghiên cứu của tiến sĩ Liu và tiến sĩ Sun cho tháy giả phôi của họ đã chết sau 20 ngày phát triển. Điều đó có nghĩa là những quả bóng tế bào này vẫn chỉ là mô hình chứ chưa phải là phôi thật.

Tuy nhiên, đó vẫn là bằng chứng rõ ràng cho thấy lĩnh vực chế tạo giả phôi từ tế bào gốc đang ngày một phát triển. Các giả phôi đang ngày càng giống với phôi thật hơn, và trong nghiên cứu này, chúng thậm chí còn tạo ra được dấu hiệu mang thai cho khỉ cái.

"Những phôi này có thể khởi động quá trình mang thai, hoặc ít nhất là kích hoạt hệ thống nội tiết tố của khỉ cái để chúng nghĩ rằng mình đang mang thai", Hank Greely, giám đốc Trung tâm Luật và Khoa học Sinh học tại Trường Y Stanford, cho biết. "Đó là những bằng chứng nói lên rằng công nghệ này có tiềm năng tạo ra một con khỉ con thực thụ".

Đối với Rivron, ông nghĩ chẳng sớm thì muộn, công nghệ giả phôi sẽ tiệm cận đến việc tạo ra được những phôi giống hoàn hảo với phôi tự nhiên. Rivron dự báo con chuột đầu tiên sinh ra từ giả phôi sẽ xuất hiện trong vòng 5 năm nữa.

Tất nhiên, điều tương tự không thể được thực hiện với con người. Bất kỳ quá trình nào đẩy giả phôi người qua cột mốc phát triển 14 ngày đều được coi là phi đạo đức. Nếu giả phôi người phát triển thành thai nhi, có có thể tạo ra những đứa trẻ bị dị tật hoặc rối loạn di truyền nặng.

Bởi vậy, hi vọng đang được đặt lên những phôi nhân tạo của khỉ mà các nhà khoa học Trung Quốc đang phát triển.

"Tôi nghĩ điều chúng ta thực sự muốn biết là: Liệu một mô hình phôi thai có thể tạo ra một sinh vật sống không? Nếu có thể, thì nó nên được coi là một phôi thai chứ không phải giả phôi. Nếu nó không thể, thì nó không cần phải được đối xử như một phôi thai", Greely nói.

Để trả lời những câu hỏi, ông ủng hộ các nhà khoa học tiến hành nhiều thí nghiệm hơn nữa. Mặc dù vậy, tốc độ nên là thứ mà họ phải thận trọng. "Tôi nghĩ chúng ta nên làm mọi thứ từ từ để đảm bảo chúng ta sẽ làm đúng", Rivron nói.

Về phần mình, các nhà khoa học Trung Quốc cũng thừa nhận những lo ngại đạo đức xung quanh nghiên cứu mới của mình. Họ kêu gọi cộng đồng khoa học quốc tế nên thảo luận nghiêm túc về điều này, để tìm ra hướng đi đúng đắn cho lĩnh vực phát triển phôi nhân tạo từ tế bào gốc người, cũng như tế bào gốc động vật.

Tham khảo Sciencealert, Wired, Nature, Science, Gizmodo