Chuột cảm nhận được ôxi bằng da

Các nhà sinh học thuộc Đại học California San Diego mới đây đã khám phá ra rằng da của chuột có thể cảm nhận được tỉ lệ ôxi thấp và điều hòa quá trình sản xuất erythropoietin (EPO) – hoocmon kích thích cơ thể chuột sản xuất tế bào hồng cầu giúp thích nghi với môi trường trên cao có tỉ lệ ôxi thấp.

Kết quả gây bất ngờ này đã được đăng tải trên số ra ngày 18/04/2008 tờ Cell đối lập với quan điểm coi lớp da của động vật có vú là một vỏ bọc bao quanh cơ thể có rất ít liên hệ với hệ hô hấp.

Nếu có thể ứng dụng được với con người, khám phá có thể thay đổi hoàn toàn cách thức điều trị bệnh thiếu máu cũng như các bệnh khác đòi hỏi phải tăng cường khả năng sản xuất tế bào hồng cầu của cơ thể. Đồng thời nó cũng có thể được áp dụng để tăng sức chống chịu của vận động viên tham gia Olympic mùa hè này.

Randall Johnson – giáo sư sinh học thuộc Đại học California San Diego chỉ đạo nghiên cứu – cho biết: “Điều mà chúng tôi thu được từ nghiên cứu khá khác thường. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng lớp da của động vật có vú, hay ít nhất là của chuột, có phản ứng với tỉ lệ oxi ở môi trường ngoài. Chính vì có phản ứng này mà dòng máu lưu chuyển dưới da thay đổi. Ngược lại, dòng máu cũng sẽ làm thay đổi một trong những phản ứng cơ bản nhất của cơ thể đối với tỉ lệ ôxi thấp – đó là quá trình sản xuất erythropoietin”.

Các nhà khoa học cho rằng phản ứng này có thể là dấu tích còn sót lại khi động vật có vú tiến hóa từ các dạng động vật có xương sống bậc thấp hơn, ví dụ như lưỡng cư, có cùng loại ống ion để khuếch tán ôxi qua lớp da thẩm thấu được giống như lá phổi của động vật có vú.

Johnson cho biết thêm: “Động vật lưỡng cư – đặc biệt là ếch nhái – thở qua da và có khả năng cảm nhận cũng như phản ứng đối với tỉ lệ ôxi trong không khí hoặc nước bao quanh lớp da của chúng. Nhưng từ trước đến nay không có ai nghĩ đến chuyện đặt những câu hỏi tương tự về lớp da của động vật có vú”.

Theo Frank Powell – giáo sư y khoa thuộc Đại học California San Diego đồng thời là một chuyên gia nghiên cứu đặc điểm thích nghi của động vật và con người đối với môi trường trên cao, “Xuất phát từ quan điểm tiến hóa, kết quả trên hoàn toàn hợp lý khi nói đến vai trò quan trọng của lớp da với tỉ lệ ôxi hấp thu được ở động vật lưỡng cư. Sẽ rất thú vị khi biết được cơ chế này hoạt động ở cơ thể người như thế nào; tỉ lệ ôxi khác nhau do da cảm nhận có thể ảnh hưởng đến khả năng thích nghi nhanh chóng và hiệu quả đối với tỉ lệ ôxi thấp như thế nào khi con người sống ở môi trường trên cao hoặc khi được áp dụng chế độ chăm sóc đặc biệt tại bệnh viện."

Nhóm nghiên cứu Đại học California San Diego không hề tìm được bằng chứng nào chứng minh chuột có thể thở bằng da. Nhưng nếu khám phá chuột cảm nhận được tỉ lệ ôxi thấp nhờ da và thúc đẩy quá trình sản xuất EPO có thể ứng dụng được ở con người, đây sẽ là phát hiện có ý nghĩa vô cùng lớn lao đối với việc đào tạo cũng như kiểm tra sức chịu đựng của các vận động viên tham gia Olympic mùa hè tại Bắc Kinh.

Ngoài hai phương pháp được chấp nhận nhằm tăng cường sản xuất hồng cầu (rèn luyện trên cao hoặc trong lều có tỉ lệ ôxi thấp), vận động viên điền kinh, bơi lội, đạp xe và các môn thể thao đòi hỏi sức bền khác đang mong muốn có thể lực tốt hơn bằng cách tăng cường khả năng vận chuyển ôxi của máu giờ đã có thể có được một phương pháp hợp lý nhằm tăng lượng tế bào hồng cầu. Việc sử dụng doping máu – tế bào hồng cầu được tiêm vào cơ thể - hay việc tiêm EPO tổng hợp để thúc đẩy quá trình sản xuất hồng cầu là bất hợp pháp và bị cấm trong tất cả các kỳ Olympic cũng như trong tất cả các môn thể thao. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu các vận động viên có thể tăng cường lượng EPO và tế bào hồng cầu trong cơ thể họ bằng cách để cơ thể rèn luyện trong môi trường có tỉ lệ ôxi thấp; hoặc với hiệu quả tương tự, họ đơn giản chỉ cần tăng lưu lượng máu qua da.

Theo Johnson, “Chúng tôi đã khám phá ra một cần đẩy sinh lý tiềm năng có thể được kích hoạt mà không cần đến nguồn EPO ngoại sinh. Trong nghiên cứu, chúng tôi đã chứng minh rằng khi chúng ta hít thở trong môi trường có tỉ lệ ôxi nào đó rồi để cơ thể tiếp xúc với tỉ lệ ôxi khác thì sẽ kích thích cơ thể sản xuất EPO. Không hề khó khăn khi đoán trước được rằng mọi người sẽ làm theo những gì chúng tôi học được từ chuột rồi áp dụng với con người”.

Nếu lớp da của chúng ta cũng nhạy cảm với tỉ lệ ôxi, điều này có thể làm sống lại những tranh luận xung quanh “Hội chứng ngón tay vàng”. Nó có thể khiến người ta nhớ mãi chính nhờ bộ phim nổi tiếng về James Bond với chi tiết người bạn gái của tên tội phạm bị giết sau khi bị sơn vàng. Đồng thời nó là trung tâm của những huyền thoại đô thị và những bàn tán trên internet về ảnh hưởng tiêu cực tiềm năng đối với sức khỏe của việc sơn da. Kênh Discovery cũng từng lấy sự kiện này để tiến hành hai cuộc điều tra trên chương trình “MythBusters”.

Khám phá của nhóm nghiên cứu có sự hỗ trợ của các cộng tác viên Thụy Điển, Đức và trường Đại học Pennsylvania. Nhóm nghiên cứu thu được kết quả sau 2 năm nỗ lực tìm hiểu tại sao những con chuột được tiến hành thao tác biến đổi về mặt di truyền để làm thí nghiệm lại có tỉ lệ EPO cao. Năm 2004, Johnson cùng các sinh viên đã đăng một bài viết trên tờ Plos Biology giải trình chi tiết bằng cách nào họ đã biến đổi một con chuột thí nghiệm bình thường thành một “vận động viên gặm nhấm” có sức chịu đựng không thua các vận động viên Olympic. Họ đã làm được điều này bằng cách loại bỏ gen khiến cho cơ bắp của động vật có vú chuyển từ trao đổi chất có khí đến trao đổi chất kỵ khí khi tỉ lệ ôxi trong cơ giảm xuống thấp.

Phần lớn các hoạt động hàng ngày của chúng ta đều cần không khí để tiến hành, cơ chế hóa sinh học trong cơ đã tận dụng tối đa khí ôxi. Nhưng khi nhu cầu của hệ cơ vượt quá nguồn cung cấp ôxi sẵn có, ví dụ như chạy đuổi theo một chiếc xe buýt hay nâng một vật nặng, loại protein có tên HIF-1 (hypoxia inducible transcription factor-1) được kích hoạt. Nó cho phép cơ bắp chuyển sang chế độ hoạt động mạnh mẽ hơn – quá trình trao đổi chất kị khí – không sử dụng ôxi nhưng giải phóng sản phẩm phụ là axit lăctic.

Khi Johnson và các sinh viên của ông tiến hành loại bỏ đoạn điều hành trên gen HIF-1, họ đã tạo ra những con chuột bé xíu có da màu đỏ, mỏng manh. Những con chuột này gặp vấn đề với việc giữ nhiệt cơ thể do phần lớn lượng máu được đưa đến da và làm mát, giống như người ngồi trong phòng tắm hơi vậy. Nhưng điều ngạc nhiên nhất ở những con chuột đột biến chính là tỉ lệ EPO cao khác thường của chúng – 90% huyết thanh là tế bào hồng cầu trong khi tỉ lệ trung bình chỉ là 40% đến 50%

Johnson cho biết: “Máu của chúng hơi sền sệt còn tim, theo hệ quả, tăng kích cỡ. Chúng tôi không thể hiểu tại sao lớp da lại có tác động trên. Chúng tôi không có chút khái niệm nào về nó. Chúng tôi có thể biết được mọi khía cạnh xung quanh câu hỏi tại sao con chuột đột biến lại trông như thế, lại hành động như thế. Nhưng điều đó quả thực làm chúng tôi bối rối và chúng tôi đã đi theo hướng nghiên cứu này. Khi chúng tôi phát hiện ra EPO sinh ra từ nội quan, không phải lớp da của chuột; chúng tôi đã nghĩ chắc chắn phải có một tín hiệu từ da đến cơ quan bên trong cơ thể”.

Johnson và các cộng sự cùng làm việc tại phòng thí nghiệm của ông – gồm có nghiên cứu sinh Adam Boutin, cộng sự hậu tiến sĩ Alexander Weidemann và sinh viên Lernik Mesropian – đã xác nhận được gen HIF-1 giữ vai trò quyết định bằng cách tiến hành thao tác gen ở những con chuột đột biến không có gen HIF-1 trong tế bào da. Những con chuột đó không thể phát tín hiệu sản xuất thêm EPO khi da của chúng được bao quanh bởi môi trường có tỉ lệ ôxi 10% (bằng tỉ lệ trên núi Everest). Nồng độ ôxi trong nước biển vào khoảng 21%. Chuột bình thường vẫn có thể tăng sản xuất EPO nếu tỉ lệ ôxi ở mức 10%.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy phản ứng xảy ra khi lượng máu đến da nhiều hơn. Khi đặt lên da chuột miếng dán nitroglycerine với công dụng làm tăng lưu lượng máu quá da, họ đã phát hiện những con chuột có thể tăng cường đáng kể quá trình sản xuất EPO và tế bào hồng cầu.

“Việc kiểm soát được EPO sẽ mang lại một thị trường dược phẩm hàng tỉ đôla nhằm điều trị tất cả các bệnh liên quan đến tỉ lệ hồng cầu thấp. Do đó khả năng điều khiển quá trình sản xuất tế bào hồng cầu bằng cách thay đổi lưu lượng máu qua các phần nhất định của lớp da có ý nghĩa to lớn. Trong nghiên cứu, chúng tôi đã chứng minh được rằng chỉ cần đặt một miếng dán nitroglycerine nhỏ thôi cũng có thể kích thích sản xuất EPO với cường độ rất lớn. Dù vậy chúng tôi cũng chưa chắc chắn phát hiện này có đúng với con người hay không. Nhưng rõ ràng đây là một phương thức rất thú vị để kiểm soát đường tín hiệu này”, Johnson phát biểu.

Các nhà khoa học cho phần đầu và phần thân của chuột tiếp xúc độc lập với hỗn hợp không khí chứa 10% ôxi (bằng tỉ lệ trên ngọn Everest) và hỗn hợp chứa 21% ôxi (tỉ lệ trong nước biển). (Ảnh: Đại học California – San Diego)

Johnson và nhóm của ông – bao gồm cả trợ lý giáo sư sinh học Colin Jamora thuộc Đại học California San Diego – nhận thấy những con chuột có toàn bộ phần thân tiếp xúc trong môi trường có tỉ lệ ôxi thấp thì có phản ứng mạnh nhất cũng như sản xuất nhiều EPO nhất. Trong khi những con chuột được hô hấp trong một căn phòng chỉ có tỉ lệ ôxi là 10%, nhưng phần da từ cổ trở xuống lại tiếp xúc với không khí trong một căn phòng khác có tỉ lệ ôxi là 21% (tỉ lệ ôxi trong nước biển) thì khả năng thích nghi với môi trường ôxi thấp bị giảm trên 1,5 lần.

Johnson nói: “Nếu chúng ta bỏ những con chuột thiếu phản ứng hypoxia ở da vào trong một căn phòng ít ôxi thì phản ứng hypoxia của chúng giảm trên một nửa và điều này khiến chúng tôi rất kinh ngạc. Lớp da chính là một phần đóng góp lớn vào cách thức con chuột phản ứng với tỉ lệ ôxi thấp”.

Powell cho biết: “Tất cả các phản ứng quan trọng với hypoxia (hay tỉ lệ ôxi thấp) trước đây vẫn được cho là kích thích bởi hệ thống dây thần kinh và phân tử nhạy cảm với ôxi nằm trong máu cũng như các nội quan. Nhưng những thí nghiệm của chúng tôi rõ ràng đã chứng minh da phản ứng trực tiếp đối với những thay đổi về lượng ôxi trong môi trường bằng những biến đổi trong lưu lượng máu. Biến đổi lưu lượng máu trong da lại có vai trò lớn trong việc biến đổi tỉ lệ HIF có công dụng giống như một công tắc chuyển đổi nhằm thích nghi với tỉ lệ ôxi thấp. Nó kích hoạt nhiều gen tăng khả năng vận chuyển ôxi đến các phần của cơ thể”.

Theo Johnson, do những người mắc bệnh ngoài da như bệnh vẩy nến hay chàm bội nhiễm có tỉ lệ hồng cầu thấp nên ông và nhóm nghiên cứu rất quan tâm đến việc mở rộng nghiên cứu của mình nhằm tìm hiểu bệnh thiếu máu do viêm nhiễm da gây ra ở những con chuột đột biến.

Ông cho biết thêm: “Dường như EPO ở những người mắc bệnh thiếu máu do viêm nhiễm không hề có một tác động nào. Thực tế chúng tôi có những con chuột đột biến bị viêm nhiễm da cũng có tình trạng tương tự. Chúng có tỉ lệ EPO cao, nhưng tỉ lệ hồng cầu thì không. Chuột đột biến được sử dụng trong nghiên cứu có tỉ lệ EPO cao đồng thời tỉ lệ hồng cầu cũng cao nhưng không bị viêm nhiễm da. Bước tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu tại sao các bệnh viêm nhiễm ngoài da lại kích thích sản xuất EPO. Liệu có điều gì đó trong những căn bệnh này mà chúng ta có thể tận dụng để điều trị cho bệnh nhân mà không phải chịu đựng tình trạng thiếu máu?”

Nghiên cứu đồng thời giải thích tại sao người dân ở một số khu vực tại Nepal, Ấn Độ và Pakistan lại lấy dầu mù tạt xoa lên mình những đứa trẻ mới sinh. Đây chính là một chất kích thích không gây hại có thể tăng cường lưu lượng máu qua da.

Johnson phát biểu: “Trong nghiên cứu chúng tôi đã chứng minh rằng nếu bạn bôi lên da một con chuột chất kích thích là dầu mù tạt, nó cũng có thể tăng sản xuất EPO dù với tỉ lệ khá thấp. Trẻ em ở một số cộng đồng dân cư Ấn Độ và Pakistan được xoa dầu mù tạt lúc mới sinh. Một số người tuyên truyền về sức khỏe đã cố gắng khuyên bảo mọi người bỏ truyền thống này. Nhưng chúng tôi đã chứng minh được dầu mù tạt tăng tỉ lệ EPO ở chuột. Do tỉ lệ EPO tăng sẽ làm tăng tỉ lệ hồng cầu. Và chúng ta hoàn toàn có thể hình dung được những lợi ích của nó”.