Ngôn ngữ của những bộ xương và những điều thú vị chưa biết

Không thể nói quá tầm quan trọng của xương đối với chúng ta. Chúng giữ cho cơ thể chúng ta thẳng đứng, bảo vệ các cơ quan nội tạng của chúng ta, cho phép chúng ta cử động chân tay và nâng đỡ cơ thể của chúng ta thay vì chất đống trên mặt đất. Khi còn trẻ, xương phát triển cùng với chúng ta và phục hồi dễ dàng sau khi bị gãy. Tuy nhiên, theo tuổi tác, xương sẽ ngày càng mỏng manh và thường bị tổn thương, gãy, thậm chí phải phẫu thuật thể thay thế.

Chức năng cấu tạo của xương vốn đã phong phú, nhưng vai trò của nó còn nhiều hơn thế. Xương của chúng ta cũng lưu trữ một lượng lớn canxi, phốt pho và khoáng chất, rất quan trọng đối với chức năng thần kinh và tế bào. Ngoài ra, tủy xương tạo ra hàng trăm tỷ tế bào máu mỗi ngày, được sử dụng để vận chuyển oxy, chống nhiễm trùng, làm đông vết thương chảy máu và các tế bào khác tạo nên mô sụn, mô mỡ.

Và điều đó vẫn chưa đủ. Trong những thập kỷ gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng xương cũng tham gia vào quá trình trao đổi hóa học phức tạp với các bộ phận khác của cơ thể, bao gồm thận, não, mô mỡ, cơ, và thậm chí cả hệ thực vật đường ruột. Giống như thể bạn đột nhiên phát hiện ra rằng các dầm và dầm tường trong nhà bạn có thể giao tiếp với điều hòa, tủ lạnh, lò vi sóng... Các nhà khoa học cũng đang giải mã cách các tế bào xương gửi tín hiệu đến các cơ quan khác và cách chúng diễn giải cũng như phản ứng với thông tin phân tử lạ. Các nhà khoa học lâm sàng đang suy nghĩ về cách sử dụng giao tiếp tế bào này để phát triển các phương pháp mới để bảo vệ hoặc củng cố xương.

Đây là một lĩnh vực khám phá hoàn toàn mới, và những nghiên cứu gần đây đã khiến các nhà khoa học nhận ra rằng xương năng động hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.

Xương là một "tổ chức" độc đáo không chỉ chứa các tế bào làm tăng sức mạnh mà còn chứa các tế bào phân rã, cho phép xương tiếp tục phát triển trong thời thơ ấu và tái tạo xương bị gãy trong suốt cuộc đời. Các tế bào chịu trách nhiệm xây dựng xương được gọi là nguyên bào xương, và những tế bào chịu trách nhiệm phá vỡ chúng được gọi là tế bào hủy xương. Khi hai loại tế bào này hoạt động không cân bằng thì cơ thể có thể sẽ tạo ra quá ít (hoặc quá nhiều) xương. Ví dụ, loãng xương xảy ra khi xương mới không hình thành nhanh như tốc độ xương cũ bị thoái hóa, do đó xương trở nên lỏng lẻo và dễ gãy.

Ngoài nguyên bào xương và tế bào hủy xương, xương còn chứa một loại tế bào khác gọi là tế bào xương. Mặc dù những tế bào này chiếm hơn 90% tổng số tế bào trong xương nhưng chúng vẫn chưa được nghiên cứu sâu. Mãi cho đến 20 năm trước, một nhà sinh học tế bào tên là Lynda Bonewald làm việc tại Đại học Indiana ở Indianapolis mới bắt đầu quan tâm đến nó. Các đồng nghiệp khuyên cô không nên lãng phí thời gian của mình, bởi vì các tế bào xương có thể không có gì khác ngoài chức năng bình thường là cảm nhận lực cơ học và điều chỉnh quá trình tái tạo xương.

Nhưng Bonewald vẫn quyết định xem xét kỹ hơn. Cô và các nhà nghiên cứu khác phát hiện ra rằng các tế bào xương thực sự cảm nhận được tải trọng cơ học. Nhưng cô ấy cũng chỉ ra rằng: "Nó còn nhiều hơn thế nữa".

Cô ấy viết những nghiên cứu về tầm quan trọng của tế bào xương đối với thận, tuyến tụy và cơ bắp, vào năm 2006 cô đã xuất bản báo cáo đầu tiên về sự giao tiếp của tế bào xương với các cơ quan khác, trong đó chỉ ra ra rằng các tế bào xương tạo ra một yếu tố tăng trưởng được gọi là FGF23.

Phân tử này di chuyển theo dòng máu đến thận. Nếu có quá nhiều FGF23 trong cơ thể - như xảy ra ở một dạng còi xương di truyền - thận sẽ giải phóng quá nhiều phốt pho vào nước tiểu, khiến cơ thể mất đi khoáng chất cần thiết này, gây ra còi xương, yếu cơ hoặc cứng khớp và các vấn đề về răng miệng.

Cùng khoảng thời gian Bonewald đang nghiên cứu tế bào xương, nhà sinh lý học Gerard Karsenty cũng bắt đầu điều tra mối quan hệ giữa quá trình tái tạo xương và chuyển hóa năng lượng. Ông suy đoán rằng có thể có mối liên hệ giữa hai yếu tố này, vì việc phá hủy và xây dựng lại xương là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng.

Trong một nghiên cứu năm 2000, Karsenty đã phân tích mối liên hệ giữa một loại hormone gọi là leptin và cả hai quá trình sinh học này. Leptin được sản xuất bởi các tế bào mỡ và vai trò chính của nó là ngăn chặn sự thèm ăn. Trong quá trình tiến hóa, nó xuất hiện cùng thời với xương. Và Karsenty đã tìm thấy trong các thí nghiệm trên chuột rằng leptin ảnh hưởng đến não, làm ngừng quá trình tái tạo xương.

Bằng cách này, những sinh vật có xương ban đầu có thể ngăn chặn sự thèm ăn và sự phát triển của xương khi thiếu thức ăn và tiết kiệm năng lượng của chúng cho các chức năng hàng ngày.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia X để quét bàn tay và xương cổ tay của một số trẻ em bị thiếu tế bào mỡ (và do đó thiếu luôn cả leptin) do đột biến gen. Theo phán đoán của bác sĩ X quang, tuổi xương của những đứa trẻ này già hơn tuổi thật vài tháng, thậm chí nhiều năm. Điều này cho thấy khi thiếu leptin, xương của chúng sẽ phát triển nhanh hơn, phản ánh các đặc điểm của xương già hơn như mật độ xương cao hơn.

Đó là một trường hợp xương lắng nghe các cơ quan khác, nhưng vào năm 2007, Karsenty đã đề xuất rằng xương cũng nói lên điều gì đó về cách cơ thể sử dụng năng lượng. Ông phát hiện ra rằng những con chuột thiếu một loại protein tạo xương có tên là osteocalcin sẽ gặp khó khăn trong việc điều chỉnh lượng đường trong máu của chúng.

Trong nghiên cứu sâu hơn, Karsenty đã phát hiện ra rằng osteocalcin cũng thúc đẩy khả năng sinh sản của nam giới thông qua tác động của nó đối với sản xuất hormone giới tính, cải thiện khả năng học tập và trí nhớ bằng cách thay đổi mức độ dẫn truyền thần kinh trong não, và tăng cường chức năng cơ khi tập thể dục. Ông đã mô tả những thông điệp này và các cuộc "trò chuyện" khác mà xương tham gia, trong Đánh giá thường niên về Sinh lý học năm 2012.

Cho dù osteocalcin có đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của động vật có xương sống hay không, những nghiên cứu này đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học khác bắt đầu nghiên cứu cách xương giao tiếp với các bộ phận cơ thể khác.

Trong quá trình vận động của cơ thể, xương và cơ là một "đối tác" ăn ý, tham gia vào các tương tác vật lý khác nhau. Các cơ kéo xương, và khi cơ phát triển lớn hơn và khỏe hơn, xương cũng lớn hơn và khỏe hơn để chống lại lực kéo tăng lên của cơ. Bằng cách này, xương sẽ thích ứng với nhu cầu của cơ thể để xương và cơ luôn hoạt động cùng nhau một cách hiệu quả.

Nhưng các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng giữa hai "đối tác" này cũng có sự trao đổi chất. Ví dụ, các tế bào cơ xương tạo ra một loại protein gọi là myostatin, ngăn chặn cơ bắp phát triển quá lớn. Đồng thời trong các thí nghiệm trên loài gặm nhấm và các quan sát của con người cho thấy chất này cũng ức chế sự phát triển của khối lượng xương.

Trong quá trình tập luyện, cơ bắp cũng tổng hợp một phân tử gọi là axit beta-aminoisobutyric (BAIBA), chất này ảnh hưởng đến cách phản ứng của chất béo và insulin đối với việc tăng tiêu thụ năng lượng. Bonewald cũng phát hiện ra rằng phân tử này có thể làm giảm thiệt hại cho các tế bào xương bởi các loại oxy phản ứng, một sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất tế bào. Ở những con chuột non bị bất động trong một thời gian dài, chúng sẽ bị teo xương và cơ, nhưng khi được bổ sung thêm axit beta-aminoisobutyric cơ và xương của chúng sẽ dần trở về trạng thái bình thường.

Trong nghiên cứu sâu hơn, Bonewald và các đồng nghiệp của mình cũng tìm thấy một phân tử khác, irisin, tăng lên khi tập thể dục. Khi được nuôi cấy trong ống nghiệm, chất này giúp tế bào hủy xương duy trì hoạt động; và ở động vật, phân tử này cũng thúc đẩy quá trình tái tạo xương.

Hơn nữa, sự giao tiếp này không phải là một sớm một chiều. Đến lượt mình, các tế bào xương thường xuyên sản xuất ra chất prostaglandin E2, giúp thúc đẩy sự phát triển của cơ bắp. Sự bài tiết của phân tử này được tăng lên khi xương cảm nhận được sức căng của cơ tăng lên.

Cơ thể chúng ta chứa số lượng tế bào và vi sinh vật gần như tương đương nhau. Khuẩn lạc ruột cũng giống như một cơ quan khác và đóng một vai trò nhất định trong cơ thể. Chúng giúp chúng ta tiêu hóa thức ăn, ngăn ngừa nhiễm trùng do vi khuẩn có hại và giao tiếp với các cơ quan khác, bao gồm cả xương.

Cho đến nay, sự giao tiếp giữa xương và hệ vi sinh vật đường ruột dường như là một chiều. Chưa ai quan sát thấy rằng xương truyền thông tin đến hệ vi sinh vật đường ruột, nhưng xương có thể thu nhận rất nhiều thông tin hữu ích từ ruột. Ví dụ, trong trường hợp ngộ độc thực phẩm nghiêm trọng, khi chúng ta cần sử dụng toàn bộ nguồn lực của cơ thể để chống lại nhiễm trùng, đây không phải là thời điểm tốt nhất cho sự phát triển của xương.

Mối liên hệ giữa xương và hệ vi sinh vật lần đầu tiên được nhìn thấy trong một nghiên cứu năm 2012. Những con chuột được sử dụng trong nghiên cứu này đều được nuôi trong môi trường vô trùng mà không có bất kỳ vi sinh vật nào trong cơ thể chúng. Chúng có ít tế bào hủy xương hơn trong cơ thể và do đó có nhiều khối lượng xương hơn. Khi những con chuột này được bổ sung lợi khuẩn đường ruột, khối lượng xương của chúng nhanh chóng trở lại mức bình thường trong thời gian ngắn.

Điều thú vị nhất về những phát hiện này là chúng có thể giúp chúng ta tìm ra những phương pháp mới để điều trị xương, cho phép thuốc hoạt động ở các bộ phận khác nhau của cơ thể.

Người ta ước tính rằng gần 13% người trên 50 tuổi bị loãng xương, và trong khi những loại thuốc có thể làm chậm quá trình phân hủy xương hoặc thúc đẩy sự phát triển của xương đều có tác dụng phụ và ít hiệu quả. Vì vậy, chúng ta cần tìm ra một phương pháp điều trị mới.

Chúng ta có thể bắt đầu với ruột trước. Chế phẩm sinh học, cũng như các loại thực phẩm có chứa vi khuẩn được nuôi cấy có chủ đích, chẳng hạn như các sản phẩm sữa lên men, có thể giúp xây dựng hệ vi khuẩn đường ruột khỏe mạnh. Lactobacillus reuteri có thể giúp chuột chống lại sự mất xương sau khi điều trị bằng kháng sinh.

Các nhà khoa học vẫn còn rất nhiều điều để tìm hiểu về sự giao tiếp giữa xương và các bộ phận khác của cơ thể. Theo thời gian, những nghiên cứu này có thể dẫn đến nhiều phương pháp điều trị hơn để giữ cho xương và các bộ phận cơ thể khác khỏe mạnh.