Khoa học và những nghiên cứu về các cơ thể "Lộn tùng phèo"!

Một ngày năm 1788, các sinh viên Trường y khoa Hunterian ở London (Anh) đang mổ một tử thi thì phát hiện chuyện lạ lùng: nội tạng của xác chết đối nghịch với người bình thường. Thay vì ở bên phải, lá gan lại nằm bên trái. Và trái tim thay vì nằm bên trái lại ở bên phải. Các sinh viên tìm gặp GS Matthew Baillie và thầy cũng kinh ngạc như trò.

Sau này GS Baillie viết: “Trường hợp này cực kỳ hiếm thấy, kể cả với những nhà giải phẫu học danh tiếng nhất”. Đó là phát hiện đầu tiên trong y học về tình trạng situs inversus (toàn bộ nội tạng đảo ngược).

Chỉ cần một máy động là đảo lộn!

Nhưng làm cách nào phôi thai biết được vị trí trái - phải để phát triển các cơ quan nội tạng? Đó là câu hỏi mà TS sinh học Dominic P. Norris thuộc Hội đồng nghiên cứu y khoa ở Harwell (Anh) cùng nhiều nhà khoa học khác đang đi tìm giải đáp. Theo New York Times, họ đã xác định được một số bước theo đó các cơ quan của phôi thai sẽ phát triển ở bên trái hay bên phải.

Những đột biến tạo ra situs inversus có thể dẫn tới nhiều rối loạn nghiêm trọng, trong đó có các khuyết tật tim bẩm sinh. Giải mã được các tác động của gen đột biến này có thể giúp tìm ra nhiều cách chẩn đoán và điều trị các rối loạn. TS Rebecca Burdine, nhà sinh học phân tử ở Princeton (Mỹ), nói: “Hiểu được cách cơ thể xác định trục trái - phải là có nhiều khả năng hiểu được bệnh tim bẩm sinh”.

Cơ thể chúng ta khởi đầu phát triển đối xứng, bên trái là phản chiếu hoàn hảo của bên phải. Theo một nghiên cứu của Sudipto Roy thuộc Viện Sinh học tế bào và phân tử Singapore đăng trên tạp chí Open Biology (1) đầu tháng 6 này, những dấu hiệu về sự bất đối xứng trái - phải trong cơ thể người chỉ rõ ràng khoảng sáu tuần sau khi phôi thai phát triển.

Trái tim sẽ bộc lộ dấu hiệu bất đối xứng trước tiên. Khởi đầu chỉ là một hình ống đơn giản, tim sẽ cong vòng sang trái, sau đó sẽ hình thành các cấu tạo khác nhau ở hai bên, tạo ra các ngăn và các mạch dẫn cần thiết để bơm máu. Trong khi đó, các cơ quan khác cũng bắt đầu chuyển động. Bao tử và gan từng cái một sẽ di chuyển theo chiều kim đồng hồ khỏi trục giữa của phôi thai. Ruột già sẽ nhú ra một mẩu ruột thừa ở bên phải. Lá phổi bên phải sẽ mọc ba thùy, bên trái chỉ có hai.

Những thay đổi thấy rõ này chỉ nảy sinh rất lâu sau khi phôi thai đã có khả năng phân biệt trái - phải. Các thí nghiệm cho thấy phôi thai từ đầu đã tạo ra các protein khác nhau cho mỗi bên, dù trông nó vẫn đối xứng. Giới sinh học đã xác định được một điểm duy nhất nơi bắt đầu phá vỡ sự đối xứng này: một hốc lõm nhỏ xíu - gọi là node (mắt) - trên trục giữa của phôi thai. Bên trong cái mắt này được lót bằng hàng trăm sợi lông nhỏ xíu - gọi là cilia (mao) - quay tròn với tốc độ 10 lần/giây.

Các mao xoay tròn này đều hướng nghiêng ra ngoài. Chính độ nghiêng này là điều cốt yếu của khả năng phân chia cơ thể thành hai bên trái - phải. Gần đây, TS Kathryn V. Anderson và các cộng sự ở Trung tâm ung thư Sloan-Kettering (Mỹ) đã thử ngắt các gen điều khiển các mao này. Theo báo cáo của họ trên tạp chí Development (2), đột biến đó đã khiến một số phôi thai chuột hình thành một cơ thể có nội tạng đảo ngược.

Độ nghiêng của các mao này hết sức quan trọng vì phôi thai nằm trong một màng dịch mỏng, nếu các mao thẳng đứng thì chúng sẽ đẩy chất dịch lỏng này theo mọi hướng và sẽ không tạo ra được sự lưu chuyển nào. TS Norris giải thích: “Nó giống như cái máy trộn vậy. Cứ xoay tròn, xoay tròn”. Khi nghiêng như thế, các mao sẽ đẩy chất dịch theo một hướng từ phải sang trái. Khi các nhà khoa học đảo ngược dòng lưu chuyển này trong phôi thai chuột, kết quả là các nội tạng đảo ngược vị trí.

Chỉ cần một lưu chuyển rất nhẹ về phía trái cũng đủ cho phôi thai phát triển thích hợp. Năm ngoái, các nhà khoa học ở ĐH Osaka (Nhật) báo cáo rằng chỉ cần hai sợi mao là đủ thực hiện nhiệm vụ này.

Một hình chụp X-quang cho thấy cơ thể có toàn bộ nội tạng đảo ngược vị trí - Ảnh: radiopaedia.org

Nhiều bí mật chưa giải đáp

Một khi chất dịch bắt đầu lưu chuyển thì chỉ cần 3-4 giờ là phôi thai đã xác định rõ các vị trí trái - phải. Khoa học hiện nay vẫn chưa hiểu biết đầy đủ về các bước trung gian.

Trong bước đầu tiên, chất dịch lưu chuyển trong hốc lõm ấy cho tới khi đến phía bên trái của miệng hốc. Miệng này được bọc bằng những sợi mao không xoay tròn, nhưng bằng cơ chế nào đó chưa giải thích được, các mao này vẫn phản ứng theo dòng lưu chuyển - có thể bằng cách phóng thích những nguyên tử canxi cho lan tỏa ra các tế bào xung quanh.

Các tế bào này lại phản ứng bằng cách tiết ra một chất protein gọi là nodal lan về phía bên trái của phôi thai và tiếp tục tác động các tế bào khác tự tiết ra nodal, tạo thành một chu trình phản hồi khiến phía bên trái tràn ngập nodal và phía bên phải hầu như không hề có chất protein này.

Giới khoa học vẫn đang tìm hiểu cơ chế nào giúp chất nodal xác định vị trí nội tạng ở hai bên cơ thể. Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu không tập trung vào chuột nữa mà vào loài cá ngựa vằn (zebra fish) vì loài này có lợi thế là phôi thai trong suốt. Các nhà khoa học có thể điều khiển cho các tế bào trong phôi thai cá ngựa vằn phát sáng để quan sát được các cơ quan trong quá trình hình thành.

TS Burdine ở Princeton đã nghiên cứu cơ chế định hình nội tạng của chất nodal đối với tim của loài cá ngựa vằn khi các tế bào phôi thai di chuyển quanh cơ quan nội tạng này. Theo bà, dường như chất nodal trực tiếp điều khiển các tế bào phía bên trái di chuyển nhanh hơn các tế bào bên phải. Bà và nhóm cộng sự đã công bố trên số tháng 1-2013 của tạp chí PLoS Genetics (3) rằng các tế bào chuyển động nhanh ở bên trái đã lôi kéo toàn bộ trái tim theo chiều kim đồng hồ. Từ cú xoay vặn khởi động này, trái tim sau đó sẽ phát triển theo các bên trái - phải rõ rệt.

Một số nghiên cứu cho rằng những tín hiệu đầu tiên này cũng tác động đến sự phát triển của não. Từ lâu, giới khoa học biết rằng hai nửa bộ não có những khác biệt quan trọng: bán cầu não phải chẳng hạn sẽ đóng vai trò lớn trong việc hiểu biết đời sống tinh thần của người khác, còn bán cầu não trái lại quan trọng đối với khả năng tập trung chú ý. Nhiều động vật có xương sống khác cũng có sự khác biệt trái - phải ở não bộ, nhưng nguồn gốc của sự bất cân xứng này gần như vẫn còn bí ẩn.

“Tôi cho rằng cá ngựa vằn chính là loài có xương sống mà chúng ta hiểu biết cặn kẽ nhất” - nhà sinh học Joshua T. Gamse ở ĐH Vanderbilt (Mỹ) nhận xét. TS Gamse cùng nhiều nhà nghiên cứu khác đã phát hiện chất nodal thúc đẩy một phần nhỏ của não bộ loài cá này phát triển với hai bên trái - phải. Sự khác biệt này sau đó lan tỏa ra các phần khác của cả não bộ. Nhưng khoa học hiện vẫn chưa rõ con người và các loài có vú khác có phát triển theo cùng một cách hay không.

Chắp vá lại trái tim

Khi nghiên cứu các dấu hiệu sinh học này, giới khoa học cũng nghiên cứu những rối loạn có thể liên quan đến tình trạng lộn tùng phèo. Trường hợp mà GS Baillie đã mô tả năm 1788 là lạ lùng nhất, hiếm thấy nhất nhưng cũng thuộc loại vô hại nhất vì theo TS Burdine, “người ta có thể sống bình thường với cái trục đảo ngược hoàn toàn như thế, cho đến khi một bác sĩ phát hiện trái tim nằm lộn chỗ”.

Tình trạng situs inversus tương đối an toàn vì mọi cơ quan nội tạng đều sắp xếp đồng bộ với nhau, dù tất cả lật ngược. Theo TS Norris, nguy cơ thật sự nằm ở những bộ phận riêng lẻ bị đảo vị trí. “Nếu trái tim nằm lộn chỗ trong khi mọi thứ khác đều đúng vị trí thì hầu như luôn luôn tai họa” - TS Burdine nói.

Trong những trường hợp khác, trái tim phát triển đúng vị trí ở bên trái cơ thể nhưng cấu tạo bên trong (van tim và buồng tim) lại phát triển ngược. Những rối loạn này có thể không gây nguy hại ngay nhưng về sau có thể đòi hỏi phải giải phẫu phức tạp để sắp xếp lại trái tim. TS Burdine hi vọng việc nghiên cứu các rối loạn này sẽ dẫn đến những thí nghiệm di truyền giúp tiên liệu nguy cơ từ các khuyết tật tim tiềm ẩn này. Bà thậm chí còn hình dung một cách ứng dụng để tái tạo những trái tim đã tổn thương bằng các tế bào gốc.

Theo bà, vấn đề không chỉ đơn thuần là xác định đúng tế bào mà còn phải đặt tế bào trong cấu trúc ba chiều thích hợp để kích tạo những tín hiệu chính xác nhằm điều khiển tế bào đi đúng hướng. Bà nói: “Một trong những tín hiệu đó là tín hiệu trái - phải”.

Chính danh họa Leonardo da Vinci (1452-1519) đã phát hiện trái tim nằm bên phải trong quá trình giải phẫu tử thi để nghiên cứu cơ thể học. Đến năm 1643, trường hợp này mới được nhà giải phẫu học người Ý Marco Aurelio Severino (1580-1656) gọi là dextrocardia và ghi vào y văn năm 1643.

___________

(1): Left-right asymmetry: cilia stir up new surprises in the node - rsob.royalsocietypublishing.org/content/3/5/130052.(2): Cofilin and Vangl2 cooperate in the initiation of planar cell polarity in the mouse embryo - http://dev.biologists.org/content/140/6/1262.(3): Integration of Nodal and BMP Signals in the Heart Requires FoxH1 to Create Left-Right Differences in Cell Migration Rates That Direct Cardiac Asymmetry - http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1003109.