1. Giới thiệu
Giải thưởng Nobel Y học năm 2021 đã được trao cho hai nhà khoa học người Mỹ, David Julius và Ardem Patapoutian vào ngày 4 tháng 10 năm 2021 tại Thụy Điển, để ghi nhận những kết quả nghiên cứu của họ về các thụ thể liên quan đến nhiệt độ và xúc giác.
Khả năng cảm nhận nhiệt, lạnh và xúc giác của chúng ta là điều cần thiết để tồn tại và làm nền tảng cho sự tương tác với thế giới xung quanh. Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi những cảm giác này là đương nhiên, nhưng làm thế nào các xung thần kinh bắt đầu để có thể cảm nhận được nhiệt độ và áp suất? David Julius đã sử dụng capsaicin, một hợp chất có vị cay nồng từ ớt và gây ra cảm giác nóng, để xác định một cảm biến trong các đầu dây thần kinh của da khi phản ứng với nhiệt. Ardem Patapoutian đã sử dụng các tế bào nhạy cảm với áp suất để khám phá ra một loại cảm biến mới phản ứng với các kích thích cơ học trong da và các cơ quan nội tạng. Những khám phá đột phá này đã khởi động các hoạt động nghiên cứu sâu rộng tạo ra sự hiểu biết nhanh chóng về cách hệ thần kinh của chúng ta trong việc cảm nhận các kích thích nóng, lạnh và cơ học. Những người đoạt giải đã xác định được các mối liên hệ còn thiếu quan trọng trong hiểu biết của loài người về sự tác động lẫn nhau, phức tạp giữa các giác quan và môi trường.
2. Nghiên cứu về thụ thể nhiệt độ
Vào cuối những năm 1990, David Julius tại Đại học California, San Francisco, Mỹ, đã phân tích cách mà hợp chất hóa học capsaicin gây ra cảm giác nóng rát mà chúng ta cảm thấy khi tiếp xúc với ớt. Capsaicin đã được biết đến để kích hoạt các tế bào thần kinh gây ra cảm giác đau, nhưng làm thế nào mà nó có khả năng này là một câu hỏi chưa được giải đáp. Julius và các đồng nghiệp đã tạo ra một bộ sưu tập gồm hàng triệu đoạn DNA tương ứng với các gen được biểu hiện trong các tế bào thần kinh cảm giác có thể phản ứng với đau, nóng và tiếp xúc. Julius và các đồng nghiệp đưa ra giả thuyết rằng trong số các đoạn AND đó, sẽ bao gồm một đoạn mã hóa protein có khả năng phản ứng với capsaicin. Họ biểu hiện các gen riêng lẻ từ bộ sưu tập này trong các tế bào nuôi cấy không phản ứng với capsaicin. Sau quá trình nghiên cứu đầy nỗ lực, các nhà khoa học đã xác định được một gen duy nhất có thể làm cho các tế bào có cảm ứng với capsaicin (Hình 1). Người ta đã tìm thấy gen thụ cảm với capsaicin. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gen mã hóa một protein kênh ion mới và thụ thể capsaicin mới được phát hiện này sau đó được đặt tên là TRPV1 (transient receptor potential V member 1). Khi Julius nghiên cứu khả năng phản ứng với nhiệt của protein, ông nhận ra rằng mình đã phát hiện ra một thụ thể cảm nhận nhiệt được kích hoạt ở nhiệt độ được cho là gây đau (Hình 1).
Hình 1. Thí nghiệm của David Julius sử dụng capsaicin trong quả ớt để khám và ra thụ thể capsaicin TRPV1 và kênh vận chuyển ion được kích hoạt vởi nhiệt độ và cảm giác đau.
Việc phát hiện ra TRPV1 là một bước đột phá lớn dẫn đường cho việc khám phá các thụ thể nhiệt độ khác. David Julius và Ardem Patapoutian đều sử dụng chất hóa học menthol để xác định TRPM8, một thụ thể được kích hoạt khi lạnh. Các kênh ion bổ sung liên quan đến TRPV1 và TRPM8 đã được xác định và được kích hoạt bởi một loạt các nhiệt độ khác nhau. Nhiều phòng thí nghiệm đã theo đuổi các chương trình nghiên cứu để tìm hiểu vai trò của các kênh ion này trong cảm giác nhiệt của con người bằng cách sử dụng những con chuột bị đột biến thiếu các gen mới được phát hiện này. Việc tìm ra TRPV1 của David Julius là bước đột phá cho phép chúng ta hiểu được sự khác biệt về nhiệt độ có thể tạo ra tín hiệu điện trong hệ thần kinh như thế nào.
3. Nghiên cứu về thụ thể xúc giác
Trong khi các cơ chế tạo ra cảm giác với nhiệt độ đang dần được làm sáng tỏ, thì việc chuyển đổi các kích thích cơ học thành các giác quan về xúc giác và áp lực của con người chưa được nghiên cứu đầy đủ. Các nhà nghiên cứu trước đây đã tìm thấy cảm biến cơ học ở vi khuẩn, nhưng cơ chế cảm ứng cơ bản ở động vật có xương sống vẫn chưa được biết đến. Ardem Patapoutian, làm việc tại viện Scripps Research ở La Jolla, California, Mỹ, mong muốn xác định các thụ thể được kích hoạt bởi các kích thích cơ học.
Patapoutian và các cộng sự của ông lần đầu tiên xác định một dòng tế bào phát ra tín hiệu điện có thể đo được khi các tế bào riêng lẻ được chọc bằng micropipette. Người ta giả định rằng thụ thể được kích hoạt bởi lực cơ học là một kênh ion và trong bước tiếp theo, 72 gen có thể mã hóa các thụ thể đã được xác định. Các gen này lần lượt bị bất hoạt để phát hiện ra gen chịu trách nhiệm về tính nhạy cảm cơ học trong các tế bào được nghiên cứu. Sau quá trình nghiên cứu gian khổ, Patapoutian và các đồng nghiệp của ông đã thành công trong việc xác định một gen duy nhất, khi bị xử lý để không biểu hiện, có khả năng khiến các tế bào không nhạy cảm với việc chọc dò bằng micropipette. Một kênh ion cảm ứng cơ học mới và hoàn toàn chưa được biết đến đã được phát hiện và được đặt tên là Piezo1, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là áp suất (í; píesi). Thông qua sự tương đồng với Piezo1, một gen thứ hai đã được phát hiện và được đặt tên là Piezo2. Các tế bào thần kinh cảm giác có biểu hiện mức độ cao của Piezo2 và các nghiên cứu sâu hơn đã khẳng định chắc chắn rằng Piezo1 và Piezo2 là các kênh ion được kích hoạt trực tiếp khi tạo áp lực lên màng tế bào (Hình 2).
Hình 2. Thí nghiệm của Patapoutian sử dụng tế bào nhạy cảm với lực cơ học để xác định kênh vận chuyển ion được kích hoạt lực cơ học.
Bước đột phá của Patapoutian đã dẫn đến một loạt các công trình của ông và các nhà khoa học khác chứng minh rằng kênh ion Piezo2 rất cần thiết cho xúc giác. Hơn nữa, Piezo2 đã được chứng minh có vai trò quan trọng trong việc cảm nhận vị trí và chuyển động của cơ thể, được gọi là cảm nhận động học (proprioception). Trong nghiên cứu sâu hơn, các kênh Piezo1 và Piezo2 đã được chứng minh là điều chỉnh các quá trình sinh lý quan trọng khác bao gồm huyết áp, hô hấp và kiểm soát bàng quang tiết niệu.
4. Kết luận.
Những khám phá mang tính đột phá về kênh TRPV1, TRPM8 và Piezo của giải Nobel năm nay đã cho phép chúng ta hiểu cơ chế mà các yếu tố như nhiệt, lạnh và lực cơ học có thể khởi tạo các xung thần kinh cho phép chúng ta nhận thức và thích ứng với thế giới xung quanh. Các kênh TRP là trung tâm cho khả năng cảm nhận nhiệt độ của cơ thể. Kênh Piezo2 cung cấp cho chúng ta cảm giác xúc giác và khả năng cảm nhận vị trí và chuyển động của các bộ phận cơ thể. Các kênh TRP và Piezo cũng góp phần vào nhiều chức năng sinh lý phụ thuộc vào nhiệt độ cảm nhận hoặc các kích thích cơ học. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành bắt nguồn từ những khám phá được trao giải Nobel năm nay tập trung vào việc làm sáng tỏ các chức năng của các thụ thể cảm giác trong nhiều quá trình sinh lý khác nhau. Kiến thức này đang được sử dụng để phát triển các phương pháp điều trị cho một loạt các tình trạng bệnh, bao gồm cả các cơn đau mãn tính (Hình 3).
Hình 3. Kết quả nghiên cứu được trao giải Nobel Y học 2021 giải thích cách thức mà nhiệt, lạnh và xúc giác có thể kích thích các tín hiệu trong hệ thần kinh. Các kênh ion đóng vái trò quan trọng đối với nhiều quá trình sinh lý và tình trạng bệnh tật.
Viện nghiên cứu và phát triển các sản phẩm thiên nhiên (IRDOP) đã nghiên cứu chiết xuất capsaicin từ quả ớt và ứng dụng trong một số sản phẩm kem massage tan mỡ, giảm béo…
TS. Nguyễn Hữu Nghị biên dịch và hiệu đính
Tài liệu tham khảo: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/