Tế bào phối hợp để tạo mô sinh học như thế nào?

Vì vậy, điểm cốt lõi của mô sinh học nằm ở tổ chức và phối hợp chức năng, chứ không chỉ ở số lượng tế bào. Một mô có thể gồm các tế bào khá giống nhau, như biểu mô, hoặc gồm nhiều loại tế bào phân bố trong lượng lớn chất nền ngoại bào, như nhiều mô liên kết. Trong cả hai trường hợp, cách các thành phần được bố trí và tương tác quyết định chức năng ở cấp mô.

Mô sinh học hình thành khi tế bào trở thành một đơn vị tổ chức chung

Trong mô học, mô là tập hợp tế bào được sắp xếp theo một kiểu có tổ chức để thực hiện các chức năng liên quan. Ở động vật, nhiều mô còn chứa chất nền ngoại bào — mạng lưới protein và polysaccharide do tế bào tạo ra bên ngoài tế bào. Chất nền có thể lấp khoảng gian bào, tạo điểm bám và góp phần quyết định tính chất của mô.

Điều đó giải thích vì sao định nghĩa “mô là một nhóm tế bào giống nhau” chỉ là cách mô tả đơn giản hóa. Các tế bào trong cùng một mô có thể khác nhau về hình dạng, mức độ chuyên hóa và nhiệm vụ. Điều liên kết chúng thành một đơn vị mô là mối quan hệ có tổ chức giữa thành phần tế bào, chất nền, vị trí không gian và chức năng chung.

Ở biểu mô, tế bào thường nằm sát nhau thành lớp nên liên kết tế bào–tế bào đặc biệt quan trọng. Ngược lại, trong nhiều mô liên kết, tế bào phân bố thưa hơn còn chất nền ngoại bào phong phú; chính nền này có thể gánh phần lớn tải cơ học của mô. Vì vậy, không tồn tại một kiểu sắp xếp duy nhất gọi là “cấu trúc mô”: tỷ lệ giữa tế bào và chất nền thay đổi theo chức năng cần thực hiện.

Chuyên hóa tạo ra sự phân công lao động giữa các tế bào

Trong quá trình phát triển, tế bào biệt hóa thành những trạng thái chuyên biệt chủ yếu nhờ sử dụng các nhóm gene khác nhau. Các tế bào của một cơ thể nhìn chung mang cùng nền tảng thông tin di truyền, nhưng không biểu hiện toàn bộ gene theo cùng một cách. Những chương trình biểu hiện gene khác nhau làm tế bào tạo ra các bộ protein khác nhau, từ đó hình thành đặc điểm cấu trúc và chức năng riêng.

Nhờ chuyên hóa, mỗi nhóm tế bào có thể đảm nhiệm một phần công việc. Tế bào cơ phát triển bộ máy co rút giàu actin và myosin; neuron có những phần kéo dài chuyên cho tiếp nhận và truyền tín hiệu; tế bào biểu mô có thể hình thành cực tính để hai phía của tế bào đảm nhiệm những nhiệm vụ khác nhau; nguyên bào sợi sản xuất nhiều thành phần của chất nền ngoại bào.

Tuy nhiên, chuyên hóa chưa đủ để tạo thành mô. Nhiều loại tế bào chỉ thực sự tạo nên một đơn vị chức năng khi nhiệm vụ của chúng bổ sung và được điều phối với nhau. Trong quá trình phát triển cơ thể đa bào, sự chuyên hóa tế bào diễn ra cùng với tương tác giữa các tế bào và sự sắp xếp chúng thành những cấu trúc có trật tự.

Mô thần kinh là một ví dụ rõ. Neuron đảm nhiệm phần lớn việc tiếp nhận và truyền tín hiệu, nhưng chức năng của mô không chỉ phụ thuộc vào neuron. Các loại tế bào đệm hỗ trợ môi trường hóa học, chuyển hóa, cách điện hoặc bảo vệ tùy vị trí và loại tế bào. Vì thế, chức năng của mô là kết quả của sự phân công lao động có tổ chức, không phải phép cộng đơn giản của nhiều tế bào giống hệt nhau.

Tế bào bám vào nhau và vào chất nền ngoại bào để giữ cấu trúc mô

Muốn hoạt động cùng nhau trong thời gian dài, tế bào phải được giữ ở vị trí thích hợp và mô phải chịu được những lực tác động lên nó. Cơ thể thực hiện điều này bằng các phân tử bám dính và những liên kết tế bào chuyên biệt.

Xét theo chức năng, liên kết tế bào có ba nhóm lớn: liên kết bịt kín giúp tạo hàng rào; liên kết neo giữ tạo kết nối cơ học giữa tế bào với tế bào hoặc với chất nền; liên kết giao tiếp cho phép truyền tín hiệu trực tiếp giữa những tế bào kề nhau.

Liên kết tế bào–tế bào tạo tính liên tục cơ học

Các liên kết neo giữ như adherens junction và desmosome kết nối bộ xương tế bào với tế bào lân cận. Cadherin là một nhóm protein bám dính quan trọng trong các cấu trúc này. Nhờ đó, lực tác động không chỉ dồn lên một màng tế bào riêng lẻ mà có thể được phân phối qua một lớp hoặc một cụm tế bào.

Cơ chế này đặc biệt có giá trị ở những mô thường xuyên chịu kéo, ép hoặc biến dạng. Nếu tế bào chỉ nằm cạnh nhau nhưng không có hệ bám dính phù hợp, sự sắp xếp của chúng khó duy trì khi mô chịu lực.

Liên kết chặt, hay tight junction, đảm nhiệm một vai trò khác. Ở nhiều biểu mô, chúng bịt khoảng giữa các tế bào và giúp kiểm soát sự đi qua của chất từ phía này sang phía kia của lớp biểu mô. Như vậy, việc “gắn các tế bào lại với nhau” không chỉ tạo độ bền mà còn có thể tạo nên hàng rào sinh học có tính chọn lọc.

Liên kết tế bào–chất nền định vị tế bào trong khung mô

Tế bào còn gắn với chất nền ngoại bào thông qua các protein màng như integrin. Integrin có thể nối thành phần ở bên ngoài tế bào với bộ xương tế bào ở bên trong, tạo nên cầu nối cơ học giữa tế bào và môi trường xung quanh.

Ở biểu mô, màng đáy tạo bề mặt nâng đỡ lớp tế bào. Trong gân, sụn hay xương, chất nền ngoại bào còn đóng vai trò nổi bật hơn: thành phần và cách tổ chức của nền góp phần tạo độ bền kéo, khả năng chịu nén hoặc độ cứng đặc trưng cho từng mô.

Chất nền vì thế không phải vật liệu thụ động dùng để “lấp khoảng trống”. Tế bào vừa tạo và tổ chức chất nền, vừa bám vào nó. Mô được duy trì bởi một mạng tương tác hai chiều: tế bào định hình môi trường ngoại bào, còn môi trường ngoại bào tác động ngược trở lại vị trí và hành vi của tế bào.

Tín hiệu giữa các tế bào giúp mô hoạt động như một hệ thống

Giữ đúng cấu trúc chưa đủ để tạo ra chức năng phối hợp. Tế bào trong mô còn phải nhận biết khi nào cần hoạt động, giảm hoạt động, phân chia, di chuyển, biệt hóa hoặc thay đổi trạng thái. Những quyết định này phụ thuộc vào truyền tín hiệu tế bào.

Tín hiệu có thể được truyền theo nhiều cách. Một tế bào có thể tiết phân tử tác động lên tế bào ở gần; tế bào có thể nhận tín hiệu qua tiếp xúc trực tiếp; hoặc các tế bào kề nhau có thể trao đổi một số ion và phân tử nhỏ thông qua liên kết khe, hay gap junction. Ở cấp cơ thể còn có tín hiệu nội tiết truyền xa hơn, nhưng trong việc phối hợp các tế bào nằm cùng mô, tín hiệu cục bộ và tiếp xúc trực tiếp đặc biệt quan trọng.

Liên kết khe tạo những kênh nối trực tiếp tế bào lân cận, nhờ đó chúng có thể được ghép nối về hóa học và điện. Cơ chế này có ý nghĩa rõ ở các nhóm tế bào cần đồng bộ hoạt động, chẳng hạn tế bào cơ tim.

Tín hiệu cũng giúp mô điều chỉnh theo tình trạng thực tế. Khi một lớp biểu mô bị tổn thương, các tế bào không đơn giản tiếp tục hoạt động như trước; tín hiệu từ môi trường và các tế bào xung quanh có thể thay đổi tăng sinh, di chuyển và biệt hóa để góp phần khôi phục cấu trúc.

Ngay cả chất nền ngoại bào cũng tham gia vào hệ thống thông tin này. Các thụ thể bám dính như integrin không chỉ giữ tế bào tại chỗ mà còn liên hệ với bộ xương tế bào và bộ máy truyền tín hiệu bên trong. Do đó, tế bào có thể phản ứng không chỉ với phân tử tín hiệu mà còn với việc nó đang bám vào đâu và môi trường vật lý xung quanh có đặc điểm gì.

Cùng nguyên tắc phối hợp nhưng mỗi loại mô tổ chức tế bào theo một cách khác

Ở cơ thể người, mô thường được chia thành bốn nhóm cơ bản: mô biểu mô, mô liên kết, mô cơ và mô thần kinh. Mỗi nhóm nhấn mạnh một kiểu tổ chức khác nhau, nhưng đều dựa trên sự kết hợp giữa chuyên hóa tế bào, tương tác tế bào, chất nền và tín hiệu.

·         Mô biểu mô có các tế bào xếp sát thành lớp, phù hợp với che phủ, lót bề mặt, hấp thu, bài tiết hoặc tạo hàng rào

·         Mô liên kết thường có chất nền ngoại bào nổi bật hơn, thích hợp với nâng đỡ, liên kết, bảo vệ hoặc truyền lực

·         Mô cơ tổ chức các tế bào chuyên hóa cho co rút để tạo lực và chuyển động

·         Mô thần kinh tổ chức neuron cùng các tế bào hỗ trợ để tiếp nhận, xử lý và truyền thông tin

Sự phân loại này không có nghĩa mỗi mô chỉ chứa một loại tế bào hoặc sử dụng một cơ chế phối hợp. Mô thực tế có thể cần nhiều loại tế bào, nhiều dạng liên kết và nhiều tín hiệu cùng lúc. Điểm khác nhau nằm ở cách những thành phần đó được tổ chức để ưu tiên một nhóm chức năng nhất định.

Khi nhiều loại mô tiếp tục được sắp xếp với nhau, chúng tạo thành cơ quan. Thành ruột, chẳng hạn, không phải một mô duy nhất mà có biểu mô, mô liên kết, mô cơ và mô thần kinh cùng tham gia. Mô vì thế là cấp tổ chức của các tế bào và chất nền có chức năng liên quan, còn cơ quan là đơn vị lớn hơn được cấu tạo từ nhiều loại mô phối hợp.

Mô không phải là một đám tế bào đứng cạnh nhau

Một nhóm tế bào chỉ tạo thành mô theo nghĩa sinh học khi giữa các thành phần tồn tại sự tổ chức, quan hệ cấu trúc và phối hợp chức năng. Tế bào cần được định vị và tương tác theo cách để hoạt động của từng thành phần đóng góp vào hành vi của toàn hệ.

Vì vậy, có ba cách hiểu đơn giản cần được điều chỉnh. Thứ nhất, tế bào trong một mô không nhất thiết phải giống hệt nhau. Thứ hai, tế bào không phải yếu tố duy nhất quyết định đặc tính của mô, bởi chất nền ngoại bào có thể đảm nhiệm vai trò cơ học và tín hiệu rất lớn. Thứ ba, chức năng của mô không đơn thuần là tổng chức năng của từng tế bào: cách các tế bào được bố trí, liên kết và điều hòa tạo ra những tính chất ở cấp tổ chức cao hơn.

Điều này cũng lý giải mối liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc và chức năng mô. Khi các kết nối giữa tế bào bị phá vỡ, chất nền thay đổi hoặc hệ thống tín hiệu mất điều hòa, từng tế bào có thể vẫn tồn tại nhưng tổ chức mô và chức năng phối hợp có thể không còn được duy trì bình thường.

Mô sinh học hình thành khi các tế bào chuyên hóa không hoạt động độc lập mà trở thành những thành phần của một hệ thống có tổ chức. Chuyên hóa tạo ra sự phân công lao động; liên kết giữa tế bào và với chất nền ngoại bào giữ các thành phần đúng vị trí và truyền lực; tín hiệu giúp từng tế bào điều chỉnh hoạt động theo trạng thái của những tế bào xung quanh. Chính sự kết hợp giữa tế bào, cấu trúc, chất nền và thông tin làm xuất hiện chức năng ở cấp mô.

Vì vậy, để hiểu một mô hoạt động như thế nào, không chỉ cần hỏi nó gồm những tế bào nào mà còn phải xem các tế bào được sắp xếp ra sao, bám vào đâu, giao tiếp bằng cách nào và nhiệm vụ của chúng bổ sung cho nhau như thế nào. Đó là cơ chế biến nhiều tế bào chuyên hóa thành một đơn vị sinh học có chức năng chung.