Giải Nobel Y sinh 2021: Tầm quan trọng của việc biết đau

 

“Hai khôi nguyên này đã phát hiện một mắt xích quan trọng giúp chúng ta hiểu sự tương tác phức tạp giữa môi trường và cảm nhận của chúng ta [...] Khám phá của họ giúp chúng ta hiểu sức nóng, lạnh, và các lực cơ có thể kích hoạt các tế bào thần kinh để chúng ta thích ứng với thế giới chung quanh” - giáo sư Thomas Perlmann, thư ký của Hội đồng giải Nobel, nhận xét.

Đau: một đề tài khoa học

Mỗi ngày, mỗi chúng ta đều trải nghiệm về nhìn, nghe, ngửi, nếm và cảm nhận sự vật chung quanh. Nhưng chúng ta ít khi nào nghĩ về những giác quan này (thị giác, thính giác, vị giác, khứu giác, và xúc giác) vận hành như thế nào. Tuy nhiên, đối với giới nghiên cứu y sinh, đó là những giác quan có ý nghĩa lớn cho sự tồn tại của chúng ta, và do đó trở thành những đề tài khoa học chuyên sâu.

Nhiều nghiên cứu trong quá khứ đã giúp chúng ta hiểu về các cơ chế thần kinh giúp cho sinh vật thấy, nghe, ngửi và cảm giác. Nhưng cơ chế nào giúp chúng ta nhận thức được độ nóng, độ lạnh, độ đau đớn, hay nói chung là áp suất thì vẫn còn chưa được hiểu đầy đủ. Nhưng đó là một giác quan (xúc giác) rất quan trọng cho sự sống còn của chúng ta, đó cũng là yếu tố giúp cho chúng ta tương tác với thế giới chung quanh.

Ở đây, cần phải mở ngoặc để nhắc lại rằng khả năng cảm nhận sự đau đớn cũng có thể xem là một “sản phẩm” của quá trình chọn lọc tự nhiên. Những người không biết đau thường chết sớm, và không có cơ hội lưu truyền gene cho thế hệ mai sau. Đau thường gắn liền với những cảm nhận tiêu cực, nhưng thật ra đau cũng có lợi ích của nó. Đau thực chất là một tín hiệu báo động cho cơ thể biết là các mô và tế bào đang trong tình trạng nguy hiểm hay đang bị tổn thương.

Chẳng hạn, những người với chứng rỗng tủy sống (syringoyelia), do hư hỏng dây thần kinh phát đi tín hiệu đau, có thể cầm một tách cà phê cực nóng và uống bình thường, hay có thể để cho điếu thuốc lá cháy dần đến ngón tay mà không hề cảm thấy đau đớn gì cả. Thành ra, hiểu được cơ chế gây đau có thể giúp chúng ta thích ứng với môi trường tốt hơn.

Bắt đầu từ trái ớt 

Giáo sư Julius được vinh danh nhờ khám phá các protein giúp chúng ta cảm nhận đau khi tiếp xúc với sức nóng. Hành trình khám phá của ông về cơ chế của xúc giác xuất phát từ một sự tò mò: bằng cách nào cơ thể chúng ta cảm nhận được sức nóng, lạnh hay đau?

Từ thập niên 1940, các nhà khoa học Hungary phát hiện rằng nếu họ chà xát capsaicin (một hoạt chất có trong tiêu và ớt) vào chuột, chúng phản ứng như bị dị ứng. Trong các thập niên sau đó, giới khoa học phát hiện nhiều mối liên hệ giữa các hoạt chất, nhiệt độ cơ thể và viêm.

Nhưng phải đến thập niên 1990, Julius quyết định tìm ra những phân tử đằng sau phản ứng trước sự tiếp xúc với capsaicin. Ông hỏi tại sao khi ăn một món ăn cay (như có ớt, tiêu) chúng ta cảm thấy nóng một cách đau đớn, mặc dù ở trong môi trường máy lạnh. Ông còn quan sát thấy nhiều loại cây và quả tự bảo vệ bằng cách sản sinh ra những hoạt chất làm cho những con vật săn mồi phải cảm thấy đau, Julius nghĩ rằng ông có thể dùng những “công cụ” này để hiểu cảm giác đau ở cấp độ phân tử.

Nhóm nghiên cứu do Julius dẫn đầu dành ra nhiều năm tầm soát một cách công phu tất cả những tế bào cảm quan (phản ứng trước sự đau đớn, sức nóng) xem gene nào được kích hoạt. Thành quả của công việc này là họ xây dựng được một thư viện với hàng triệu mảng DNA. Sau đó, họ sao chép các mảng DNA này vào các tế bào mà trong điều kiện bình thường không phản ứng với capsaicin. Công việc tầm soát quy mô đó tìm ra chỉ 1 gene duy nhất, và gene đó sản xuất ra một protein mà sau này được đặt tên là TRPV1 (transient receptor potential cation channel subfamily V member 1).

... đến Piezo1 trong người

Năm 2013, bác sĩ nhi khoa Carsten Bönnemann lần đầu tiên gặp trường hợp kỳ lạ khi khám cho một bé gái 13 tuổi tại một bệnh viện ở Calgary (Canada). Bệnh nhân cố gắng giữ cánh tay vững, nhưng ngón tay của em cứ cựa quậy và quằn quại. Nếu nhìn từ ngoài, các chi cơ và cánh tay của bệnh nhân bình thường, vấn đề là em không biết cánh tay và ngón tay mình ở đâu. Bệnh nhân không cảm nhận được vị trí trong không gian, và đó là một năng lực có tên tiếng Anh là proprioception. Bác sĩ Bönnemann lấy mẫu máu của bệnh nhân và ứng dụng phương pháp giải trình tự gene, và nhóm nghiên cứu phát hiện đột biến trong gene Piezo2.

Phát hiện này trùng hợp với một phát hiện một protein có tên là Piezo1 được nhóm nghiên cứu do giáo sư Patapoutian dẫn đầu công bố trước đó vài năm. Piezo là những kênh ion (có thể hiểu như là những cánh cửa của tế bào cho phép ion xuyên qua). Bằng cách bất kích hoạt các gene trong một dòng tế bào phát điện khi bị kích thích với một pipet nhỏ, nhóm của Patapoutian phát hiện 1 protein quan trọng giúp chúng ta cảm nhận được sức ép và gọi nó là Piezo1 (lấy từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “áp suất”). Piezo1 và Piezo2 là nguyên nhân chúng ta cảm nhận được một sự tiếp xúc như sờ tay và ôm nhau.

Khám phá về TRPV1 và Piezo1 mở một cánh cửa cho các nhà nghiên cứu khác nghiên cứu về hệ xúc giác. Hàng ngàn nghiên cứu sau đó phát hiện hai protein này có vai trò trong nhiều cơ phận, kể cả bệnh lý loãng xương.

 

Tại sao chúng ta đau?

Từ thế kỷ 17, triết gia và nhà khoa học lừng danh René Descarte (Pháp) từng nghĩ rằng có những “sợi dây” nối liền giữa các cơ phận trong da và não. Ông lý giải rằng khi chân chúng ta đặt xuống một cái lò lửa nóng, thì các sợi dây đó sẽ truyền tín hiệu đến não và não “lệnh” cho cơ thể chúng ta có phản ứng thích hợp để tránh bị tổn thương. Những “sợi dây” mà Descarte nghĩ đến đó sau này chúng ta biết là các tế bào cảm quan (sensory neurons).

Với phát hiện protein TRPV1 và Piezo1 chúng ta đã có thể mở rộng và giải thích giả thuyết của Descarte. Nguyên lý đơn giản của sự cảm quan và phản ứng là các tế bào thần kinh cảm quan có một hệ thống protein gắn kết với tường của các tế bào thần kinh (còn gọi là channel hay kênh) có thể chức năng kích hoạt khi tiếp xúc với nhiệt độ nóng hay lạnh. Bây giờ chúng ta biết rằng protein quan trọng đó là TRPV1.

Thật ra, TRPV1 là một thụ thể, có thể ví von như một ổ khóa của tế bào. Thụ thể TRPV1 phản ứng khi da chúng ta tiếp xúc với độ nóng từ 42OC trở lên, vì ở độ nóng này chúng ta cảm thấy đau hay khó chịu. Khi da chúng ta tiếp xúc với sức nóng như thế, thụ thể TRPV1 được lập tức kích hoạt, và tín hiệu được gửi thẳng lên não với một thông điệp: nóng!

Còn lạnh thì sao? Một số người không thể chịu được độ lạnh mà đối với người khác xem đó là nhiệt độ dễ chịu. Lý do giải thích cho sự khác biệt này là một thụ thể có tên là TRPM8. Thay vì phản ứng trước sức nóng, TRPM8 phản ứng khi da chúng ta tiếp xúc với độ lạnh cao. Ngoài ra, thụ thể TRPM8 phản ứng khi tiếp xúc với các chất menthol (trong cây bạc hà hay quế).

Ngoài ra, còn có một thụ thể khác có tên là TRPA1, và nó được kích hoạt khi tiếp xúc với những hoạt chất rất nóng như mù tạt (và do đó, nó còn có biệt danh là “thụ thể wasabi”). Tuy nhiên, sự hiểu biết của khoa học về thụ thể này chưa được rõ ràng. Các nhà khoa học chỉ biết rằng TRPA1 phản ứng khi da tiếp xúc với độ cực nóng hay cực lạnh, nhưng chưa ai biết nó có chức năng phát hiện cái lạnh hay không.

Các thụ thể TRPV1, TRPM8 và TRPA1 có một cái tên chung là nocireceptor, có nghĩa là những protein này có chức năng giúp chúng ta tránh nhiệt độ ở một ngưỡng nào đó. Chúng giúp cho da chúng ta phát hiện những ngưỡng nhiệt độ và phản ứng một cách thích hợp. Những con chuột thiếu TEPM8 không có cảm giác lạnh và chúng không cần tránh môi trường cực lạnh. Chuột cũng như con người không tìm nhiệt độ dễ chịu; thay vào đó chúng ta tránh môi trường quá nóng và quá lạnh, và điều này giải thích tại sao chúng ta thích môi trường ấm.■