Giải Nobel Y học năm 2021 đã được trao cho hai nhà khoa học đã phát hiện ra thụ thể nhiệt độ và xúc giác. Làm thế nào họ mở ra những lĩnh vực nghiên cứu mới từ những cảm xúc mà con người vẫn quen thuộc?
Khi ăn lẩu, bạn cảm thấy thế nào về vị cay và nóng trong miệng? Thời tiết đang trở lạnh, bạn cảm thấy mát mẻ thế nào? Trên thực tế, đó là hoạt động của toàn bộ xúc giác của cơ thể con người.
Cho dù đó là nhận thức về xúc giác hay nhiệt độ, con người đã trở nên quen thuộc với nó. Nhưng đối với các nhà khoa học David Julius và Ardem Patapoutian, đây là một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới.
Giải Nobel Sinh lý học và Y khoa năm nay vừa được trao cho hai nhà khoa học này để ghi nhận khám phá của họ về thụ thể nhiệt độ và xúc giác, mở ra cánh cửa tri thức cho chúng ta. Khả năng cảm nhận nhiệt, lạnh và xúc giác của con người là điều cần thiết để sinh tồn và là nền tảng cho cách con người tương tác với thế giới xung quanh. Nếu không có xúc giác, chúng ta sẽ không biết liệu mình có “ở trên mặt đất vững chắc” hay không; Nếu không có khả năng cảm nhận nhiệt độ, chúng ta có thể rơi vào tình huống nguy hiểm mà không hề hay biết.
▲Julius (trái) và Pataptian (Nguồn ảnh: Trang web chính thức của Giải Nobel)
"Hãy tưởng tượng một buổi sáng mùa hè, đi chân trần trên cánh đồng. Bạn có thể cảm nhận được hơi ấm của mặt trời, sự mát mẻ của sương sớm, làn gió mùa hè nhẹ nhàng và cảm giác của thảm cỏ dưới chân bạn", trang web chính thức của Giải Nobel cho biết. Nghiên cứu của hai nhà khoa học không chỉ giải thích cách nhiệt, lạnh và cảm ứng bên ngoài kích hoạt tín hiệu trong hệ thần kinh của con người mà còn có thể được sử dụng để phát triển phương pháp điều trị nhiều bệnh khác nhau, bao gồm cả chứng đau mãn tính.
Ớt mở "kênh" cảm nhận nóng và lạnh. Trên thực tế, các nhà khoa học từ lâu đã chứng minh rằng các tế bào thần kinh có tính chuyên biệt cao và có thể được sử dụng để nhận dạng và truyền các loại kích thích khác nhau. Joseph Erlanger và Herbert Gasser, những người đoạt giải Nobel Sinh lý học và Y khoa năm 1944, đã phát hiện ra rằng các loại sợi thần kinh cảm giác khác nhau sẽ phản ứng với các kích thích khác nhau, chẳng hạn như chạm vào gây đau và không gây đau.
Tuy nhiên, hiểu biết của chúng ta về cách hệ thần kinh nhận thức và diễn giải môi trường xung quanh luôn ẩn chứa một câu hỏi cơ bản chưa được giải đáp: Nhiệt độ vật lý và các kích thích cơ học được chuyển đổi thành xung điện thần kinh như thế nào?
Vào những năm 1990, David Julius, chuyên gia về nhân bản thụ thể, đã quan tâm đến cơ chế phân tử của nhận thức cơ thể và cơn đau. Sau quá trình tìm kiếm gian khổ, Julius và Michael Caterina, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm, đã phát hiện ra một gen vào năm 1997 khiến các tế bào nhạy cảm với capsaicin. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy gen này mã hóa một protein kênh ion mới và thụ thể capsaicin mới được phát hiện này sau đó được đặt tên là TRPV1.
▲Nhận thức của chúng ta về nhiệt độ và áp suất phụ thuộc vào các protein kênh ion (Nguồn ảnh: Trang web chính thức của Giải Nobel)
Kênh ion là gì? Lý do tại sao chúng ta phản ứng khác nhau với các kích thích khác nhau là vì chúng ta phụ thuộc vào các kênh ion trên màng tế bào thần kinh. Việc đóng mở các kênh này ảnh hưởng đến sự ra vào của các ion bên trong và bên ngoài tế bào, do đó ảnh hưởng đến điện thế màng tế bào.
Màng tế bào bình thường duy trì sự chênh lệch điện thế "dương bên ngoài và âm bên trong". Nếu một lượng lớn cation chảy vào hoặc anion chảy ra sẽ gây ra sự thay đổi điện thế màng tế bào. Khi sự thay đổi tiềm tàng này đạt đến một mức độ nhất định, nó sẽ tạo ra các xung thần kinh và cuối cùng tạo ra "cảm xúc" ở vỏ não.
Khi Julius nghiên cứu khả năng phản ứng với nhiệt của protein TRPV1, ông nhận ra một điều: họ đã phát hiện ra một thụ thể nhiệt có thể được kích hoạt ở nhiệt độ trên 43°C.
▲ Capsaicin gây ra ảo giác về "nhiệt"
Đây là kênh ion nhạy cảm với nhiệt độ đầu tiên được phát hiện. Khám phá này lần đầu tiên xác nhận rằng các kích thích hóa học tự nhiên như capsaicin và các kích thích vật lý như nhiệt độ có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua kênh TRPV1 trên màng tế bào, cho phép chúng ta hiểu cách sự khác biệt về nhiệt độ tạo ra tín hiệu điện trong hệ thần kinh và cập nhật hiểu biết của chúng ta về cảm giác cơ thể.
▲Sơ đồ cấu trúc protein TRPV1. Nhiệt độ cao có thể kích hoạt nó, và một số độc tố của nhện (các phân tử màu tím trong hình trên) và các phân tử capsaicin (các phân tử nhỏ màu đỏ trong hình) cũng có thể kích hoạt nó, do đó tạo ra cảm giác "nóng rát" (Nguồn ảnh: quanta)
Kể từ đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra ít nhất tám kênh TRP phản ứng với nhiệt độ nóng và lạnh. Ví dụ, nhóm của Julius và Ardem Patapoutian đã độc lập xác định TRPM8 là một phân tử phản ứng với tinh dầu bạc hà và lạnh, và kênh này có thể được kích hoạt ở nhiệt độ thấp vô hại từ 8°C đến 28°C.
▲Một nghiên cứu năm 2017 phát hiện ra rằng chuột đồng và sóc không nhạy cảm với môi trường lạnh do đột biến ở TRPM8 (Nguồn ảnh: Cell Reports)
Năm 2003, nhóm của Julius đã phát hiện ra kênh cảm biến lạnh TRPA1, có thể được kích hoạt bởi dầu mù tạt và cũng có thể được kích hoạt bởi nhiệt độ cực thấp (
Các nghiên cứu gần đây gọi TRPA1 là "công tắc ho": các nhà nghiên cứu đã sử dụng các chất như acrolein trong khói thuốc lá để tiến hành thí nghiệm và phát hiện ra rằng cả chuột và tình nguyện viên đều ho sau khi hít phải những chất này, và hít vào càng nhiều thì cơn ho càng dữ dội. Nhưng nếu sử dụng thuốc để ức chế thụ thể TRPA1 trong cơ thể, cơn ho của họ sẽ giảm đáng kể.
▲Các nhà khoa học đã tìm thấy nhiều kênh TRP phản ứng với lạnh và nóng với sự trợ giúp của nhiều thành phần tự nhiên tạo ra cảm giác "cay" hoặc "mát" (Nguồn ảnh: "Membranes")
Điều thú vị là nhiều khám phá trong lĩnh vực này lại gắn liền với các loại gia vị thông dụng trong bếp. Trong một cuộc phỏng vấn qua điện thoại với Ủy ban Giải Nobel, Julius cho biết, "Chúng tôi có thể tiến hành nghiên cứu có liên quan vì chúng tôi bắt đầu tìm kiếm (manh mối) trong thế giới tự nhiên."
▲Một số protein TRP quan trọng được nhóm của Julius phát hiện tương tác với các thành phần của gia vị (Nguồn ảnh: iBiology.org)
Khám phá bí mật của "áp suất" Pataptian và Julius đã nghiên cứu vấn đề về thụ thể xúc giác gần như cùng một lúc. Sau khi phát hiện ra các thụ thể dành cho tinh dầu bạc hà và mù tạt, ông quyết định tiến hành một cuộc tìm kiếm đầy thách thức hơn về các thụ thể lực cơ học.
Việc nghiên cứu các thụ thể lực cơ học là vô cùng khó khăn. Đầu tiên, cần phải tìm ra phương pháp kích thích phù hợp, thứ hai, khó có thể ghi lại được dòng điện yếu được tạo ra. Trong quá trình nghiên cứu, Pataptian đã tìm thấy các tế bào từ dòng tế bào u thần kinh đệm có thể được nuôi cấy trong đĩa thí nghiệm, có khả năng phản ứng với những thay đổi về áp suất do tác động nhẹ bằng cách tạo ra tín hiệu điện.
▲Tác động lực lên bề mặt màng tế bào sẽ mở một số kênh ion (Nguồn ảnh: Trang web chính thức của Giải Nobel)
Nhóm nghiên cứu đã chọn ra hơn 300 gen ứng viên có biểu hiện cao trong loại tế bào này từ hơn 20.000 gen mã hóa của con người, sau đó nuôi cấy các tế bào trong đó các gen này đã bị loại bỏ. Các mẫu sau đó được thử nghiệm để tìm kiếm các gen nếu thiếu sẽ khiến tế bào mất khả năng cảm nhận dòng điện.
Sau quá trình nghiên cứu tỉ mỉ, Patapoutian và các đồng nghiệp đã thành công trong việc xác định một gen, khi loại bỏ gen này, các tế bào sẽ không còn nhạy cảm với tác động nhẹ của vi ống. Họ phát hiện ra một kênh ion nhạy cảm với lực hoàn toàn mới và chưa từng được biết đến, và đặt tên cho nó là PIEZO1, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "áp suất" (piesi).
▲Mô hình protein kênh xuyên màng PIEZO được in 3D (Nguồn ảnh: Pataptian)
Sau đó, thông qua sự tương đồng về trình tự với PIEZO1, họ đã phát hiện ra gen thứ hai và đặt tên là PIEZO2. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh cảm giác biểu hiện mức độ cao của PIEZO2 và các nghiên cứu sâu hơn đã xác nhận rằng các kênh ion PIEZO1 và PIEZO2 có thể được kích hoạt trực tiếp bằng cách tác dụng áp lực lên màng tế bào.
Việc phát hiện ra protein kênh PIEZO đã mở ra cánh cửa cho ngành cơ học, một lĩnh vực khoa học mới nổi giao thoa giữa sinh học, kỹ thuật và vật lý, tập trung vào cách những thay đổi trong lực vật lý và tính chất cơ học của tế bào và mô ảnh hưởng đến sức khỏe và bệnh tật. Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng protein kênh PIEZO không chỉ quan trọng đối với cảm ứng mà còn có thể cảm nhận áp lực thông qua các đầu dây thần kinh phân bố trong mạch máu và phổi, ảnh hưởng đến thể tích hồng cầu và sinh lý mạch máu. Sự bất thường của nó có thể gây ra nhiều bệnh di truyền ở người.
Trong một cuộc phỏng vấn, Patabotian cho biết ông đã trải qua một thời gian dài sự nghiệp nghiên cứu của mình tiến triển chậm chạp, thậm chí ông còn nghĩ đến việc thay đổi nghề nghiệp. Nhưng may mắn thay, ông đã "chịu được áp lực" và kiên trì. "Đó là một hành trình hấp dẫn, khi các kênh PIEZO đưa chúng ta từ sinh học và bệnh lý sinh lý đến những lĩnh vực mới và chưa được biết đến."
▲ Từ những món ăn phổ biến, Patabotian có thể thấy protein PIEZO trông như thế nào
Khám phá đoạt giải Nobel về triển vọng y khoa “trong tầm tay” chính là khám phá về thụ thể capsaicin TRPV1, xác nhận rằng vị cay không phải là hương vị mà là cảm giác đau. Sau đó, bí ẩn về "thuốc giảm đau ớt" đã được hé lộ: nghiên cứu phát hiện ra rằng khi các đặc tính kênh ion của TRPV1 liên tục được kích hoạt, các cation sẽ tiếp tục chảy vào tế bào. Để bảo vệ chính mình, các tế bào sẽ đóng kênh TRPV1 và "làm giảm độ nhạy" của các tế bào thần kinh cảm thụ đau đối với capsaicin và thậm chí cả các kích thích có hại khác, làm giảm sự phát sinh tín hiệu đau và do đó ức chế cảm giác đau.
Sau khi nắm bắt được mối quan hệ giữa thụ thể TRPV1 và thuốc giảm đau, các nhà khoa học cũng đang khám phá nó như một mục tiêu thuốc quan trọng mới để điều trị nhiều loại đau mãn tính. Trên thực tế, ngay từ cuối những năm 1980, thuốc mỡ capsaicin liều thấp dành cho người tiêu dùng đã xuất hiện, nhưng hiệu quả của nó rất nhỏ. Vào năm 2009, các nhà nghiên cứu về cơn đau đã phát triển một miếng dán có nồng độ capsaicin cao hơn dành cho những bệnh nhân bị đau thần kinh mãn tính. Sản phẩm này chứa 8% capsaicin, cao hơn 100 lần so với nồng độ kem capsaicin ban đầu và hiệu quả hơn các loại thuốc mỡ trước đây.
▲Miếng dán capsaicin nồng độ cao 8% đã được chấp thuận ở Châu Âu và Hoa Kỳ để điều trị một số loại bệnh đau thần kinh (Nguồn hình ảnh: Tiến bộ trị liệu trong rối loạn thần kinh)
Sau khi phát hiện thêm nhiều protein kênh trong họ TRP, nhóm của Julius đã hợp tác với phòng thí nghiệm của nhà khoa học người Trung Quốc Cheng Yifan để giải quyết cấu trúc ba chiều của nhiều protein TRP. Sau đó, họ sử dụng các phương pháp như công nghệ loại bỏ gen để khám phá mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng của các protein này. Điều này cung cấp tài liệu tham khảo cho các nhà khoa học tương lai để phát triển các loại thuốc có mục tiêu.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng TRPV1 rất nhạy cảm với các hóa chất được sản sinh trong quá trình viêm, điều này cũng có thể giúp giải quyết các phương pháp điều trị đau do ung thư và các bệnh khác trong tương lai. Nghĩa là, sau khi tìm ra nguyên nhân, một số loại đau mãn tính có thể được làm giảm bằng cách ức chế các kênh ion có liên quan thông qua thuốc.
Mặt khác, với tư cách là thụ thể áp suất trong các tế bào thần kinh cảm giác của hệ thần kinh tự chủ, việc phát hiện ra protein PIEZO cũng mang lại tin tốt lành cho những bệnh nhân tăng huyết áp. Bệnh nhân bị rối loạn phản xạ thụ thể áp suất thường bị hạ huyết áp tư thế, tức là huyết áp giảm mạnh khi đứng, dẫn đến chóng mặt hoặc thậm chí ngất xỉu. Chức năng thụ thể áp suất bị suy giảm cũng có thể dẫn đến loạn nhịp tim và tử vong sớm ở những bệnh nhân nhồi máu cơ tim và suy tim.
▲Các thụ thể áp suất động mạch liên tục theo dõi huyết áp động mạch thông qua các dây thần kinh cảm giác biểu hiện thụ thể PIEZO1 và PIEZO2
Mặc dù khái niệm phản xạ áp lực động mạch đã được mô tả cách đây hơn 80 năm, nhưng con người vẫn chưa hiểu rõ cách thức những thay đổi về huyết áp được chuyển đổi thành tín hiệu điện truyền qua dây thần kinh.
Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng PIEZO1 được biểu hiện đáng kể trong hệ thống tim mạch của con người, trong khi PIEZO2 là một phân tử quan trọng trong "cảm giác vị trí" của con người. "Cảm giác về vị trí cơ thể" cho phép chúng ta nhận biết vị trí của cơ thể trong không gian và đóng vai trò quan trọng trong việc con người đứng, đi và thậm chí thực hiện nhiều hành động khác nhau trong bóng tối.
▲PIEZO2 rất quan trọng đối với cảm giác cơ thể của con người (Nguồn hình ảnh: kavliprize.org)
Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu về thụ thể áp suất cung cấp cơ sở cho việc phát triển các loại thuốc mới kích hoạt các kênh áp điện để ức chế hoạt động quá mức của dây thần kinh giao cảm. Ngoài ra, nhóm của Patabotian còn phát hiện ra rằng các tế bào hồng cầu trong máu có thể cảm nhận áp suất và thay đổi thể tích của tế bào; Các thụ thể liên quan trên tế bào miễn dịch có thể điều chỉnh hàm lượng sắt trong máu. Nói cách khác, thụ thể PIEZO có thể mang lại bước đột phá trong liệu pháp miễn dịch.
Tài liệu tham khảo:
[1]Waxman SG, Zamponi GW. Điều chỉnh khả năng kích thích của các sợi hướng tâm ngoại biên: mục tiêu kênh ion mới nổi. Khoa học thần kinh tự nhiên. 2014;17(2):153-163. doi:10.1038/nn.3602
[2] Stevens RM, Ervin J, Nezzer J, và cộng sự. Thử nghiệm ngẫu nhiên, mù đôi, có đối chứng giả dược về Trans-Capsaicin nội khớp để điều trị chứng đau liên quan đến viêm xương khớp đầu gối. Viêm khớp dạng thấp (Hoboken, NJ). 2019;71(9):1524-1533. doi:10.1002/nghệ thuật.40894
[3] Tôi cay đến mức trở thành kẻ thích tự ngược đãi bản thân, nhưng anh bảo tôi rằng ớt có thể giảm đau sao?
https://www.sohu.com/a/328319835_119097
[4] Giải Nobel năm 2021 | Chúng ta nhận thức thế giới như thế nào?
https://www.163.com/dy/article/GLG48R550511D3CN.html
[5] Giải Nobel Y học và Sinh lý học năm 2021: Sử dụng ớt như chìa khóa để mở khóa bí ẩn của các cảm giác cơ thể
http://www.myzaker.com/article/615ad6a68e9f093f5b2527d7
[6] Công bố khoa học: Bí ẩn hàng thế kỷ về huyết áp đã được giải đáp, tin vui cho bệnh nhân tăng huyết áp!
https://www.cn-healthcare.com/article/20190307/content-515471.html
Bài viết của phóng viên Lai Tianying và Ding Lin Biên tập bởi Ding Lin
Sản xuất bởi: Science Central Kitchen
Sản xuất bởi: Tin tức Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh | Khách hàng Science Plus
Chào mừng bạn chia sẻ với vòng tròn bạn bè của bạn
Nghiêm cấm sao chép khi chưa được phép
