Giáo sư Mỹ nhận giải thưởng 3 triệu USD nhờ nghiên cứu ớt và nỗi đau của con người

David Julius là một giáo sư Sinh lý học tại Trường Y Đại học California. Ông ấy biết nỗi đau là gì – theo một nghĩa đen thực sự của nó.

Dành gần như cả sự nghiệp của mình, Giáo sư Julius đã nghiên cứu cách hệ thống thần kinh cảm nhận nỗi đau và làm thế nào các hóa chất như capsaicin (hợp chất khiến ớt có được vị cay nóng của nó) kích hoạt các thụ thể và con đường dẫn truyền thần kinh gây đau trong cơ thể.

Chính khám phá tưởng chừng giản dị này lại vừa mang về cho ông giải thưởng Breakthrough Prize trị giá 3 triệu USD trong ngành khoa học sự sống. Nó có thể giúp bạn giải thích tại sao ăn ớt lại cay và nóng? Con đường thụ thể cảm nhận vị cay và cảm giác nóng có trùng hợp hay không?

Nhưng trên hết, khám phá của Giáo sư Julius còn có thể mở ra tiềm năng phát triển những thế hệ thuốc giảm đau mới, thay thế cho lớp thuốc opioid hiện nay với rất nhiều tác dụng phụ bao gồm gây nghiện.

David Julius - giáo sư Sinh lý học tại Trường Y Đại học California

Trong quá trình khám phá các phân tử, tế bào và cơ chế gây đau, Giáo sư Julius và các đồng nghiệp đã lần đầu hé lộ cách thức các protein trên màng tế bào (gọi là kênh tiềm năng thụ thể tạm thời -TRP) đóng vai trò vào sự cảm nhận nhiệt độ nóng, lạnh hoặc cảm giác đau đớn cũng như quá trình viêm xảy ra cho đến quá mẫn.

Phần lớn công việc của ông đã tập trung vào cơ chế mà capsaicin phát huy tác dụng mạnh mẽ của nó đối với hệ thần kinh của con người. Nhóm của ông đã xác định được TRPV1, thụ thể đáp ứng với capsaicin và chứng mính nó cũng được kích hoạt bởi nhiệt và những hóa chất gây viêm.

Gần đây, bằng hướng tiếp cận độc đáo này, Giáo sư Julius cũng phát hiện ra cơ chế nhắm vào thụ thể TRPA1 của nọc độc bọ cạp. Ngoài ra, ông còn tìm ra một thụ thể cho serotonin truyền tín hiệu não.

Vượt ra khỏi các cơ chế giác quan thông thường, Giáo sư Julius cũng nghiên cứu rất nhiều hệ thống giác quan khác, đôi khi chỉ có ở động vật, chẳng hạn như những con rắn có thể nhìn trong bóng tối nhờ hồng ngoại hoặc những con cá mập hoặc cá đuối có thể cảm nhận trường điện từ.

Để tìm hiểu những cống hiến và công việc của Giáo sư Julius trong lĩnh vực khoa học sự sống, Scientific American đã có một cuộc phỏng vấn với ông. Trong đó, Giáo sư Julius giải thích tại sao những quả ớt lại có thể dạy con người về nỗi đau.

Tại sao những quả ớt lại có thể dạy con người về nỗi đau?

Bắt đầu từ đâu mà ông lại có hứng thú với việc nghiên cứu nỗi đau?

Trong thời kỳ làm nghiên cứu sau tiến sĩ, tôi bắt đầu quan tâm đến hệ thống thần kinh. Tôi muốn tìm hiểu làm thế nào các chất dẫn truyền thần kinh như serotonin hoạt động trong não, các thụ thể của các chất dẫn truyền thần kinh này trông như thế nào? Để thử, tôi đã tiếp cận hướng nghiên cứu dưới góc nhìn di truyền học và sinh học phân tử.

Tôi thực sự rất thích thú với những ý tưởng y học và sức khỏe trong dân gian, cũng như cách các nhà khoa học khai thác những sản phẩm tự nhiên để tìm hiểu về sinh lý học. Tôi có hứng thú với những câu hỏi như: Ảo giác hoạt động như thế nào, tại sao con người khám phá ra những thứ như xương rồng peyote (một loài thực vật có khả năng tạo ảo giác) và sử dụng nó trong những nghi lễ cổ xưa.

Tất nhiên, các nhà hóa học bây giờ đã phát hiện ra các thành phần hoạt hóa và cách thức chúng tác động lên hệ thống thần kinh. Và tôi thực sự bị mê hoặc bởi toàn bộ cách tiếp cận đó, nơi mọi người nghiên cứu một số hành vi của con người, soi chiếu nó dưới lăng kính hóa học, và sau đó sử dụng các hóa chất đó làm đầu mối để tìm hiểu về cách hệ thống thần kinh hoạt động.

Điều đó cuối cùng đã khiến tôi tự hỏi: Một số tác nhân trong môi trường của chúng ta tạo ra nỗi đau - [những hóa chất] như capsaicin và wasabi – chúng hoạt động như thế nào? Và đó là một sự dẫn dắt rất tự nhiên đối với tôi, cho ý định sử dụng các sản phẩm tự nhiên để tìm hiểu hệ thống thần kinh.

Tôi nghe đồn rằng ông nảy ra ý tưởng nghiên cứu capsaicin trong khi đi siêu thị. Mọi chuyện hôm đó xảy ra như thế nào?

[Cười] Khi đang nhìn vào những kệ hàng chứa đầy ớt và các sản phẩm chiết xuất từ ớt, tôi chợt nảy ra ý nghĩ "Đây quả là một vấn đề quan trọng và thú vị để nghiên cứu. Mình phải thực sự nghiêm túc về vấn đề này".

Vợ tôi cũng là một nhà khoa học, khi đi xuống lối đi và nhìn thấy tôi ở đó, bà ấy hỏi: "Ông đang làm gì vậy?". Tôi trả lời: "Tôi bực không chịu nổi. Tôi thực sự cần phải tìm hiểu xem chúng ta có thể giải quyết vấn đề này như thế nào".

Bà ấy đáp lại: "Được rồi, đừng loay hoay nữa. Tại sao ông không bắt đầu ngay đi?".

Cũng giống như mọi việc khác trên đời: nó cần đúng người, đúng thời điểm và đúng công nghệ. Và trong phòng thí nghiệm của tôi khi đó có [Michael] Caterina, một người bạn nữa cũng đã theo bước tôi. Anh ấy nói: "Yeah, tôi sẽ thực hiện thử thách đó". Và anh ấy đã làm việc rất tuyệt vời.

Bởi vậy, bạn biết đấy, đó chính là khoa học: khi đúng thời điểm rồi thì mọi thứ sẽ kết hợp với nhau.

Giáo sư Julius nảy ra ý tưởng nghiên cứu capsaicin trong khi đi siêu thị.

Ông và đồng nghiệp đã phát hiện ra capsaicin kích hoạt một thụ thể có tên TRPV1. Làm thế nào mà nó giúp chúng ta cảm thấy đau?

Nó là một loại protein nằm trên bề mặt tế bào thần kinh. Nó hầu như chỉ được tìm thấy trên các tế bào thần kinh có liên quan đến cảm giác đau. Và nó có một kênh ion, về bản chất hình thành nên một chiếc bánh donut trong màng tế bào. Cái lỗ ở trung tâm chiếc bánh đó luôn luôn đóng trừ khi có thứ gì đó kích hoạt nó mở ra.

Một khi các kênh được mở, ion có thể chảy từ bên ngoài tế bào vào bên trong. (Các ion mà chúng ta đang nói đến ở đây chủ yếu là các ion natri và canxi). Khi điều này xảy ra, nó sẽ thiết lập các dòng điện trong tế bào và bắt đầu khiến súng lên nòng.

Nó gửi tín hiệu điện từ vùng thần kinh ngoại vi – nói đơn giản chúng là những vùng như môi hoặc mắt của bạn, bất cứ nơi nào bạn cảm nhận được ớt nóng – bắn tín hiệu về tủy sống. Và sau đó trong tủy sống, những tế bào thần kinh đó (cái mà chúng ta gọi là tế bào thần kinh cảm giác) gửi tín hiệu đến một tế bào thần kinh thứ hai cũng xuất hiện trong tủy.

Tiếp đó, thông qua một chuỗi các tế bào thần kinh, tín hiệu cuối cùng được đưa đến não, đến các trung tâm nơi bạn nhận thấy nó (capsaicin) là một thứ gì đó độc hại và đau đớn.

Điều thú vị của kênh ion này là nó cũng được kích hoạt bởi nhiệt. Vì vậy, nó cũng tham gia vào khả năng cảm nhận sức nóng. Ở đây xảy ra một loại chồng chập thông tin, trong đó một quả ớt đang bắt chước một kích thích nhiệt. Nhưng kênh ion này không chỉ phát hiện nhiệt; nó cũng phát hiện các tác nhân mà cơ thể chúng ta tạo ra để đáp ứng với tình trạng viêm.

Kênh ion TRPV1 bị kích hoạt bởi capsaicin. Nó cũng bị kích hoạt bởi nhiệt và axit cũng như một số tác nhân khác

Tại sao chúng ta cảm thấy đau - như một tính năng?

Tất nhiên, một điều mà chúng ta đều biết cũng là một trong những khía cạnh thú vị nhất về cơn đau. Đó là khi xảy ra chấn thương – dù là tổn thương mô hay tổn thương dây thần kinh –theo lẽ thông thường cơn đau sẽ xuất hiện.

Và lý do đằng sau đó có lẽ là một cơ chế bảo vệ của cơ thể: Khi bạn bị bong gân mắt cá chân, bạn cần biết rằng bạn đã làm điều đó tồi tệ với chân của mình, và bây giờ bạn cần bảo vệ nó để nó được chữa lành.

Những người bị giảm cảm giác, ví dụ bệnh nhân tiểu đường hoặc bệnh nhân phong thường không thể cảm nhận được cơn đau đớn của họ. Nếu họ làm mình bị thương, khi họ bị loét ở chân chẳng hạn và không biết gì về điều đó, họ sẽ không thể bảo vệ mình và vì thế vết loét sẽ nhiễm trùng.

Vì vậy, nỗi đau có mặt tốt nhất của nó là để bảo vệ chúng ta, nói với chúng ta rằng chúng ta cần phải bảo vệ một phần cơ thể nào đó của mình. Tất nhiên, đôi khi vấn đề xảy ra khi cơn đau vượt khỏi tầm kiểm soát. Và sau đó chúng ta gặp phải một hội chứng đau dai dẳng hoặc mạn tính.

Làm thế nào chúng ta có thể khai thác thụ thể capsaicin và những yếu tố khác để điều trị đau?

TRPV1 không chỉ cảm nhận nhiệt; nó còn cảm nhận được rất nhiều hóa chất mà cơ thể sinh ra trong quá trình viêm. Các hóa chất tác động lên những sợi thần kinh cảm giác đau này nhằm tăng cường độ nhạy cảm của chúng đối với những thứ như nhiệt độ, xúc giác và các hóa chất khác như là một phần của phản ứng tự vệ.

Kênh TRPV1 này có thể phát hiện rất nhiều các tác nhân gây viêm khác nhau và do đó góp phần làm tăng độ nhạy cảm của sợi thần kinh trong bối cảnh nếu chấn thương xảy ra. Và thực sự, đó gần như là toàn bộ lý do mà các nhà khoa học quan tâm đến các loại phân tử này, như một mảnh đất tiềm năng để nghiên cứu thuốc giảm đau: bởi chúng góp phần gây ra phản ứng quá mẫn khi có những thứ tương tự như chấn thương.

Vì vậy, bạn có thể tưởng tượng rằng trong các tình huống như viêm khớp, viêm bàng quang hoặc viêm đường tiêu hóa, với việc sản xuất rất nhiều các chất trung gian gây viêm này, TRPV1 và các [kênh] khác là những nhân tố quan trọng trong việc đặt lại độ nhạy cảm của sợi thần kinh khi chấn thương xảy ra.

Những gì bạn muốn làm là giảm bớt nỗi đau khi nó là nỗi đau bệnh lý. Nhưng bạn không muốn loại bỏ nỗi đau hữu ích ở dạng cấp tính, bởi nếu vậy sau đó bạn sẽ không còn một hệ thống cảnh báo nào nữa, đúng không? Vậy đó chính là thứ mà mọi người đều muốn đạt được.

Lý tưởng nhất có lẽ là việc bạn tìm ra cách chặn được các tác nhân gây viêm này thể hiện sự nhạy cảm với sợi thần kinh, bằng việc nhắm mục tiêu vào những thứ như TRPV1 và các phân tử khác – nhưng đồng thời phải cố gắng tránh tác động vào chức năng bảo vệ bình thường cơ chế gây đau.

Điều trị đau hiện đang phải phụ thuộc nhiều vào nhóm thuốc opioid với rất nhiều tác dụng phụ.

Những hướng nghiên cứu này có thể dẫn đến một giải pháp thay thế cho thuốc giảm đau nhóm opioid không? Nếu đúng vậy thì bao lâu nữa nó sẽ xuất hiện?

Đó là một câu hỏi hay. Tôi không làm việc với các công ty dược phẩm hay bất cứ đơn vị nào khác, vì vậy tôi không thể nói với bạn về những tiến bộ mới nhất [họ đã đạt tới] hiện thời. Nhưng [đúng là] đã có những loại thuốc được phát triển nhắm vào một số kênh này, chẳng hạn như TRPV1, loại được xác định đầu tiên.

Những loại thuốc này đã thể hiện được tác dụng khiêm tốn trên một số mô hình đau ở người, nhưng chúng cũng có những gì tôi sẽ gọi là tác dụng phụ trên mục tiêu: những loại thuốc này làm giảm khả năng cảm nhận nhiệt độ và có thể gây hại cho bệnh nhân theo cách đó.

Vì vậy, [các công ty dược phẩm] đã lo lắng về việc bệnh nhân [sau khi uống thuốc của họ] có thể bị bỏng khi uống cà phê nóng mà không biết. Và một điều nữa - có lẽ là vì thuốc làm thay đổi cảm giác về nhiệt độ - những người thử nghiệm nó báo cáo rằng họ bị sốt trong một khoảng thời gian ngắn.

Cho đến nay, tôi chưa nhìn thấy bất kỳ loại thuốc [thay thế opioid] nào mà bạn có thể [vào hiệu thuốc để]mua. Nhưng sự phát triển thuốc là một quá trình lâu dài và tôi đã hy vọng rằng một số phân tử mà chúng tôi đã phát hiện hoặc nghiên cứu cuối cùng sẽ trở thành mục tiêu cho một số thuốc giảm đau thế hệ mới không phải opioid.

Thực tế, [các loại thuốc opioid hiện nay chứa] các thụ thể thuốc phiện biểu hiện trên toàn bộ hệ thống thần kinh. Chúng có thể biểu hiện trong não, biểu hiện ở tủy sống, biểu hiện trên các sợi thần kinh cảm giác đau. Và do đó, thuốc phiện có rất nhiều tác dụng phụ lên hệ thần kinh dẫn đến những tình trạng như suy hô hấp, táo bón, ảnh hưởng đến các khu vực nhận thức.

Bạn có thể giảm đau nhờ [thuốc nhóm opioid] nhưng kèm theo đó cũng có thể bị nghiện.

Cho nên, mục tiêu ban đầu của nghiên cứu chúng tôi đã thực hiện, cũng như cách tiếp cận mà chúng tôi và những đồng nghiệp khác trong lĩnh vực này hướng đến, là tập trung vào các sợi thần kinh ngoại vi, chẳng hạn như trên da và những nơi khác, có nhiệm vụ cảm nhận các phản ứng đau. 

Ý tưởng là nếu chúng tôi có thể xác định các phân tử chỉ biểu hiện một cách có chọn lọc hơn tại đúng các vị trí [cơn đau xuất hiện], chúng tôi sẽ có được một loại thuốc ít tác dụng phụ hơn.

Nếu có thể xác định các phân tử chỉ nhắm vào vị trí cơn đau xuất hiện, chúng ta sẽ có được một loại thuốc ít tác dụng phụ hơn.

Bên cạnh nỗi đau, ông cũng đã nghiên cứu các cảm giác khác nữa của con người đúng không?

Đúng. Chúng tôi thường quan tâm đến các hệ thống giác quan – và muốn tìm hiểu hệ thống giác quan đóng vai trò gì trong toàn bộ cơ thể - chứ không chỉ là sự đau đớn nói riêng.

Các hệ thống giác quan cho phép bộ não của bạn tạo ra một ánh xạ của thế giới bên ngoài vào bên trong bạn.

Nhưng điều tôi thực sự thấy hấp dẫn về các hệ thống giác quan là các loài động vật khác nhau nhìn thế giới theo những cách khác nhau. Chúng tôi đã nghiên cứu [cảm giác hồng ngoại trong] rắn chuông, bởi vì chúng tôi nghĩ, như những hệ thống khác, nó có liên quan đến cảm giác nhiệt và vì nó na ná với những gì chúng tôi đang theo đuổi trong việc hiểu cơ chế cảm nhận cơn đau.

Gần đây, phòng thì nghiệm tôi có một vài người đã nghiên cứu thêm về các cơ chế cảm nhận điện [lĩnh vực cảm giác điện trường]. Đó là giác quan mà bạn có thể tìm thấy ở động vật thủy sinh như cá đuối và cá mập.

Trong nhiều năm, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu những con vật này và xác định thực tế rằng chúng sử dụng các hệ thống cảm giác hồng ngoại và cảm nhận điện trường. Họ đã có được những thành tựu tuyệt vời về nó dưới góc nhìn sinh lý học.

Nhưng có một cách tiếp cận không được quan tâm lắm, đó là hiểu những hệ thống giác quan này dưới góc nhìn phân tử học.

Bây giờ thì chúng ta đã có thể làm điều đó, với rất nhiều công cụ mà chúng ta có thể sử dụng, chẳng hạn như giải trình tự DNA và giải trình tự RNA, nơi bạn thực sự có thể thử và tạo mối liên hệ giữa các phân tử và sinh lý học.

Vì vậy, đó là nơi mà chúng tôi bước đến. Chúng tôi đã lấy những công cụ phân tử này và quay lại, xem xét lại những nghiên cứu rất đẹp trước đây, thử và đưa góc nhìn phân tử học chiếu xuống các hệ thống hành vi và sinh lý này.

Giáo sư Julius vừa nhận giải thưởng Breakthrough Prize trị giá 3 triệu USD

Ông dự định sẽ làm gì với số tiền thưởng?

Tôi nghĩ rằng tôi sẽ tiếp tục làm những gì tôi đang làm. Tôi thích dùng tiền phục vụ cho cộng đồng - tôi thực sự muốn hỗ trợ các giáo dục nghệ thuật, âm nhạc và khoa học, vì vậy tôi sẽ tiếp tục làm công việc đó.

Tôi dự định sẽ triển khai hoạt động này ở East Bay [phía bắc California] và nhiều khu vực khác, có lẽ tôi có thể làm điều đó với quy mô lớn hơn một chút. 

Tôi nghĩ rằng cả nghệ thuật, âm nhạc và khoa học đều thực sự cần thiết cho việc nhân bản hóa tất cả chúng ta và cả khoa học. Tôi nghĩ rằng nó sẽ giúp mọi người suy nghĩ rộng hơn, cởi mở và tương tác với nhau nhiều hơn.

Tham khảo Scientificamerican