Giải Nobel Sinh học cho những khám phá về cách cơ thể cảm thụ nhiệt độ và áp lực

Làm sáng tỏ phương pháp giảm đau

Giải Nobel Sinh lý học và Y học được trao chung cho David Julius và Ardem Patapoutian vì những khám phá về các thụ thể đối với nhiệt độ và xúc giác. Công trình nghiên cứu của hai nhà khoa học làm sáng tỏ phương pháp giảm đau mãn tính và cấp tính, liên quan đến hàng loạt bệnh tật, chấn thương và phương pháp điều trị những loại bệnh này.

Patrik Ernfors, thư ký Ủy ban Nobel về Sinh lý học và Y học, công bố những người chiến thắng giải thưởng năm 2021, David Julius và Ardem Jonathan Nackstrand. 

“Khả năng cảm nhận nhiệt, lạnh và xúc giác của chúng ta là điều cần thiết cho sự sống còn và làm nền tảng cho sự tương tác của con người với thế giới xung quanh,” Ủy ban Nobel trong một thông cáo báo chí cho biết. "Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta coi những cảm giác này là đương nhiên, nhưng làm thế nào các xung thần kinh được khởi tạo để có thể nhận biết được nhiệt độ và áp suất? câu hỏi này hiện đã được giải quyết”.

Từ những nghiên cứu cường độ cao, hai nhà khoa học đã có những khám phá đột phá, nhanh chóng mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về cách hệ thần kinh con người cảm nhận những kích thích nóng, lạnh và cơ học. Họ đã xác định được những mối liên hệ quan trọng, còn thiếu trong hiểu biết của chúng ta về sự tác động phức tạp qua lại giữa các giác quan con người và môi trường.

Thông qua các thí nghiệm bắt đầu từ những năm 1990, các nhà khoa học tổng hợp lại những cách kích hoạt các xung thần kinh trên da để có thể cảm nhận được nhiệt độ và áp suất.

TS Julius đã sử dụng capsaicin, hợp chất làm cho ớt cay, để xác định các cảm biến trong các đầu dây thần kinh trên da, phản ứng đối với nhiệt. TS Patapoutian nghiên cứu các tế bào nhạy cảm với áp suất và phát hiện ra các thụ thể, phản ứng với vật chất khi chọc và đẩy.

Bước đột phá đầu tiên đến khi Julius và các đồng nghiệp tạo ra một thư viện hàng triệu sợi DNA tương ứng với các gene trong tế bào thần kinh cảm giác. Với nỗ lực cao độ và sự miệt mài hiếm thấy, nhóm nghiên cứu bổ sung từng gene một vào các tế bào, thường không phản ứng với capsaicin, cuối cùng các nhà khoa học đã xác định được một gene duy nhất khiến các tế bào phản ứng với hợp chất nóng. Loại gene này cho phép các tế bào tạo ra một loại protein có tên TRPV1, loại protein này phản ứng với nhiệt, tạo ra cảm giác đau.

Nghiên cứu hoàn toàn độc lập, TS Julius và TS Patapoutian tiếp tục sử dụng tinh dầu bạc hà, phát hiện được một thụ thể cảm nhận cái lạnh, tên là TRPM8, và một loạt các thụ thể khác được kích hoạt bởi các nhiệt độ khác nhau.

Sau thành công ban đầu, TS Patapoutian và các đồng nghiệp đã tìm hiểu cách các tế bào phản ứng với xúc giác. Thông qua hàng loạt thí nghiệm tốn nhiều công sức vào 72 gene, nhóm nghiên cứu xác định được một gene, cho phép các tế bào phản ứng bằng một tín hiệu điện nhỏ khi bị chọc bằng micropipette (thiết bị tạo áp suất sinh học).

Các nhà khoa học đặt tên cho gene này là Piezo1, theo từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là áp suất. Ngay sau đó, nhóm nghiên cứu tìm thấy một thụ thể nhạy cảm tương tự, Piezo2, có vai trò quan trọng thứ hai là cảm nhận vị trí và chuyển động của cơ thể, hay còn gọi là cảm thụ.

Những thụ thể cảm thụ nhiệt độ và áp lực lên cơ thể

Nóng, lạnh và lực cơ học có thể khởi động các xung thần kinh

GS Patrick Haggard thuộc Viện Khoa học Thần kinh Nhận thức của Đại học London (UCL) cho biết: “ TS Julius và TS Patapoutian đã chỉ ra, bằng các chi tiết cơ học tuyệt vời cách thức hoạt động của tất cả các cảm giác cơ thể khác nhau. Nghiên cứu của họ đã cho thấy một cách xuất sắc chất lượng những cảm giác khác nhau mà chúng ta trải qua hàng ngày như nhiệt độ và xúc giác, tương ứng với một phân tử riêng lẻ cụ thể hoặc tập hợp các phân tử nhúng trong màng tế bào thần kinh cảm giác, được tìm thấy khắp cơ thể”.

“Nghiên cứu của hai nhà khoa học về cảm giác nhiệt độ đặc biệt ấn tượng cho tư duy sâu. Nhiệt độ là một cảm thụ vật lý duy nhất, nhưng chúng ta trải nghiệm thông qua hai hệ thống giác quan khác nhau, một hệ thống cảm giác ấm và một hệ thống cảm giác lạnh, mỗi hệ thống phụ thuộc vào một phân tử đặc biệt”.

“Ý tưởng về việc, cảm giác lạnh giảm xuống với sự hiện diện của phân tử TRPM8 thật sự hấp dẫn, có ý nghĩa rất lớn với các nhà khoa học khi có được sự hiểu biết thực sự về mặt cơ học những trải nghiệm có ý thức của con người”.

Ủy ban Nobel cho rằng, công trình của TS Julius và TS Patapoutian, lần đầu tiên cho phép chúng ta hiểu cách thức sức nóng, lạnh và lực cơ học có thể khởi động các xung thần kinh cho phép chúng ta nhận thức và thích nghi với thế giới xung quanh. Công trình của họ đã thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu về việc phát triển các phương pháp điều trị cho hàng loạt các tình trạng bệnh lý, trong đó có các bệnh đau mãn tính.

TS Julius là GS sinh lý học tại Đại học California, San Francisco. Vào những năm 1990, nghiên cứu của ông về hợp chất hóa học capsaicin tạo ra một cuộc cách mạng, cho phép các nhà khoa học hiểu được cảm giác bỏng rát do ớt tạo ra. Cùng một nhóm đồng nghiệp, ông xây dựng một thư viện chứa hàng triệu đoạn DNA được thể hiện trong các tế bào thần kinh cảm giác, phản ứng với đau, nóng và cảm giác.

TS Patapoutian là nhà sinh học phân tử và nhà khoa học thần kinh tại Scripps Research ở La Jolla, California, ông tập trung nghiên cứu xác định và mô tả các kênh ion và các cảm biến khác chuyển các kích thích cơ học sang tín hiệu hóa học”.

Ông nhận bằng Tiến sĩ tại Viện Công nghệ California năm 1996 và hoàn thành nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học California, San Francisco, gia nhập nhóm Nghiên cứu Scripps vào năm 2000. Ông được bổ nhiệm vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia năm 2017, năm 2020, ông được bầu chọn vào Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ.

Năm 2020, TS Julius và TS Patapoutian nhận được Giải thưởng Kavli về Khoa học Thần kinh của chính phủ Na Uy do có phát hiện đột phá về protein giúp cơ thể cảm nhận được áp lực.