Đánh thức khả năng phân bào của cơ tim trưởng thành

Trên cơ sở phát hiện ra khả năng phối hợp của một loại protein đặc biệt với những protein khác có thể làm kìm hãm sự phân chia của tế bào tim, các nhà khoa học tại Trung tâm Y tế UT Southwestern (Dallas, Texas, Mỹ) đã đề xuất một cách thức mới để mở cơ chế kìm hãm này và xuất bản công trình trên tạp chí Nature hôm 22/4.

TS. Nguyễn Ngọc Uyên Nhi

TS. Nguyễn Ngọc Uyên Nhi, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Trung tâm Y tế UT Southwestern và là tác giả thứ nhất của bài báo, đã trao đổi với báo KH&PT về công trình cũng như hành trình của các nhà khoa học để vượt qua những khó khăn, thậm chí có thời điểm tưởng chừng như đã đi vào ngõ cụt, để có được kết quả này.

Phát hiện cơ chế kìm hãm sự phân chia của tế bào cơ tim

Vì sao chị và đồng nghiệp lại quan tâm đến tế bào cơ tim? Nó có gì đặc biệt so với các loại tế bào khác?

Tế bào cơ tim (cardiomyocyte) chịu trách nhiệm chính cho việc bơm máu đi khắp cơ thể. Việc mất một phần cơ tim, ví dụ sau nhồi máu cơ tim, làm giảm cung lượng tim. Khác với phần lớn các cơ quan khác trong cơ thể, tim được xem như không có khả năng tự tái tạo sau khi bị tổn thương – một phần tế bào cơ tim sẽ chết đi. Vì vậy tim hoạt hóa hệ thống bù trừ và tái cấu trúc tâm thất trái giúp cải thiện cung lượng tim với số cơ tim còn lại. Tuy nhiên, về lâu dài các buồng tim sẽ dãn, dẫn tới suy tim và tử vong.

Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng tim ở động vật có vú trưởng thành vẫn có khả năng tự tái tạo sau tổn thương, nhưng với tỷ lệ rất nhỏ, không đủ để bù đắp số cơ tim bị mất. Điều thú vị là nghiên cứu trên chuột cho thấy tim của chuột sơ sinh có thể tự tái tạo gần như hoàn toàn sau tổn thương nhờ vào sự tăng phân bào (proliferation) từ các cơ tim có sẵn. Khả năng phân bào này giảm dần và gần như biến mất khi chuột bắt đầu trưởng thành (khoảng ngày thứ 7 sau sinh).

Lúc này tế bào cơ tim chuyển qua phát triển về kích thước và cấu trúc để phục vụ cho việc co bóp. Mục đích nghiên cứu của lab – do TS. BS. Hesham Sadek đứng đầu – là tìm ra tác nhân đã ngăn chặn quá trình phân bào của tế bào cơ tim khi chuyển tiếp từ giai đoạn sơ sinh sang trưởng thành, từ đó có thể đánh thức khả năng phân bào của cơ tim ở động vật trưởng thành để bù đắp số cơ tim đã chết, giảm bớt áp lực hoạt động lên số cơ tim còn sống, ngăn ngừa suy tim và tử vong do suy tim.

Vậy nghiên cứu này đã được xuất phát từ yếu tố nào?

Năm 2013, TS. BS. Sadek và cộng sự phát hiện rằng yếu tố phiên mã (transcription factor) Meis1 đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế khả năng phân bào của tế bào cơ tim trưởng thành. Ở chuột có đột biến dẫn đến cơ tim không thể sản sinh Meis1, tế bào cơ tim trưởng thành có khả năng phân bào như ở tim chuột sơ sinh, tuy nhiên khả năng phân chia này chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn rồi sau đó lại biến mất.

Cả nhóm đã công bố phát hiện này cũng trên Nature, mở ra một hướng đi mới trong nghiên cứu về tái tạo cơ tim. Đồng thời, nó cũng đặt ra cho chúng tôi một câu hỏi lớn: tại sao đột biến Meis1 chỉ hoạt hóa phân bào thoáng qua mà không duy trì lâu dài được?

Điều này chứng tỏ là có những yếu tố khác có chức năng hoạt động tương tự Meis1 và bù trừ cho sự thiếu hụt Meis1. Nhóm nghiên cứu sau đó tìm ra Hoxb13, một yếu tố phiên mã hoạt động tương tự như Meis1 trong quá trình trưởng thành của cơ tim. Chúng tôi tạo chuột đột biến mà cơ tim của nó không sản sinh ra Hoxb13, và quan sát khả năng phân bào của cơ tim.

Giống như chuột đột biến Meis1, cơ tim của chuột đột biến Hoxb13 cũng tăng khả năng phân bào thoáng qua. Số tế bào cơ tim mới này tuy có thể bù đắp để ngăn chặn suy tim diễn tiến, nhưng không đủ để phục hồi chức năng tim như bình thường. Sau đó, nhóm nghiên cứu quyết định gây đột biến cả hai gene cùng một lúc, và kết quả thật đáng chú ý: tế bào cơ tim ở chuột có hai đột biến gene không chỉ tăng khả năng phân bào, mà còn có kiểu hình giống với quá trình phân bào ở cơ tim chuột sơ sinh, điều chưa từng thấy ở những báo cáo trước đây.

Kết quả này đã gợi mở vấn đề gì thú vị?

Kết quả này cho thấy rằng, bằng cách ức chế hoạt động của hai yếu tố phiên mã Meis1 và Hoxb13 cùng lúc, tế bào cơ tim trưởng thành có vẻ như được trẻ hóa (rejuvenate) đến giai đoạn giống với tế bào tim sơ sinh, giúp tăng cường và duy trì khả năng phân bào. Thú vị là số lượng cơ tim mới được sinh ra đủ để phục hồi chức năng cơ tim về gần với mức bình thường ở chuột sau khi bị tổn thương.

Về mặt cơ chế, nhóm nghiên cứu tìm thấy calcineurin thúc đẩy Hoxb13 chuyển dịch vào nhân (nucleus) trong quá trình cơ tim trưởng thành (từ sau sanh cho tới ngày thứ 7). Khi Meis1 và Hoxb13 đã vào nhân, hai yếu tố này hoạt hóa phiên mã của những yếu tố ức chế phân bào và những yếu tố cần thiết cho sự phát triển/phì đại của cơ tim.

Calcineurin từ lâu đã được biết đến là yếu tố thúc đẩy cơ tim phì đại (cả sinh lý và bệnh lý), tuy nhiên nghiên cứu này chỉ ra thêm vai trò của calcineurin trong ức chế phân bào để chuyển cơ tim từ phát triển bằng tăng số lượng (hyperplasia) đến phát triển bằng tăng kích thước (hypertrophy).

Sự phối hợp giữa Meis1 và Hoxb13 như thế nào?

Meis1 và Hoxb13 hoạt động theo 3 cách: Meis1 và Hoxb13 điều khiển sự hoạt động của nhóm gene riêng của nó, và hai yếu tố này hoạt động chung trên một nhóm gene chung. Nhóm nghiên cứu cần thêm nhiều thí nghiệm để chứng minh hoạt động cụ thể của hai yếu tố phiên mã này trên từng gene.

Như vậy calcineurin sẽ hứa hẹn khả năng phát triển các loại thuốc nhắm đến Meis1 và Hoxb13 chứ?

Nhóm nghiên cứu không phát triển thuốc nhắm vào hoạt động của calcineurin vì ngoài việc thúc đẩy Hoxb13 chuyển dịch vào nhân (dẫn đến ức chế phân bào), calcineurin rất cần thiết cho nhiều hoạt động khác của tế bào cơ tim. Bởi vì Meis1 và Hoxb13 hoạt động bằng cách bám vào DNA để hoạt hóa hay ức chế gene, nhóm nghiên cứu nhắm vào việc phát triển thuốc mà có thể khóa khả năng bám vào DNA của Meis1 và Hoxb13, làm cho Meis1 và Hoxb13 không thể điều khiển các gene của nó, giống như tình trạng của tế bào cơ tim chuột sơ sinh.

Hình ảnh miễn dịch huỳnh quang tim chuột trưởng thành khoảng 2 tuần sau khi Meis1 và Hoxb13 bị loại bỏ, có kiểu hình giống tế bào cơ tim đang phân bào ở chuột sơ sinh. Màu đỏ là troponin T (protein đặc hiệu cho cơ tim), màu xanh dương là nhân (nucleus), màu xanh lá cây là phospho-H3, dấu hiệu đang nhân bản DNA để chuẩn bị cho phân bào. Thông thường troponin T sẽ lấp đầy tế bào cơ tim chuột trưởng thành. Ngược lại ở tế bào cơ tim chuột sơ sinh đang phân bào, troponin T sẽ bị phân hủy tạo ra khoảng trống giữa nhân và phần troponin T gần màng tế bào (sarcomere disassenmbly), đồng thời một số nhân có dấu hiệu của phospho-H3.

Loại dần khó khăn để đạt được mục tiêu đề ra

Nghiên cứu về chức năng của các protein là một vấn đề đầy thách thức. Vậy để có được cơ chế này, chị và nhóm nghiên cứu chắc chắn đã vấp nhiều khó khăn?

Thật sự tôi không còn nhớ bao nhiêu khó khăn đã trải qua. Đề tài này kéo dài gần 7 năm và trong quãng thời gian đó có hai nghiên cứu viên đã bỏ cuộc. Khi tôi tham gia đề tài thì có vẻ như không ai trong lab muốn nhận đề tài hết nên tôi phải làm việc gần như một mình giai đoạn đầu. Bản thân tôi cũng rất nhiều lần muốn bỏ cuộc như họ vì quá nhiều thí nghiệm không thành công, cộng với sức ép quá lớn, nhưng rất may mắn là tôi được hai giáo sư trưởng lab động viên và thúc đẩy, đồng nghiệp chỉ dẫn và hỗ trợ rất nhiều.

Tôi sẽ chỉ kể một vài khó khăn chính thôi:

Khó khăn đầu tiên đến từ bài báo Nature trước: tại sao đột biến Meis1 chỉ hoạt hóa phân bào thoáng qua mà không duy trì lâu dài được. Tuy nhiên nhờ giải quyết khó khăn đó bằng cách sàng lọc các yếu tố phụ trợ với Meis1 mà tìm ra Hoxb13 và có bài báo này.

Khó khăn thứ 2 là chuột đột biến Hoxb13 cũng không có kết quả khả quan hơn chuột đột biến Meis1. Nhờ đó mà nhóm nghĩ đến tạo ra chuột đột biến cả hai gene.

Khó khăn thứ 3 là khi chuột bị đột biến của hai gene, tế bào cơ tim có kiểu hình rất lạ chưa bao giờ nhìn thấy. Lúc đó nhóm nghĩ là tế bào cơ tim bị chết sau đột biến, như vậy kết quả hoàn toàn ngược với dự định. Tuy nhiên sau khi theo dõi sát sao số chuột đột biến thì nhóm thấy rằng chuột vẫn sống tốt và số tế bào cơ tim tăng lên. Sau đó, trưởng lab tìm ra là kiểu hình này giống với kiểu hình của tim chuột sơ sinh.

Khó khăn thứ 4 là cơ chế hoạt động của calcineurin trên Hoxb13. Lúc đầu nhóm thực hiện thí nghiệm trên tế bào bình thường (còn Hoxb13) nên không ra kết quả. Sau nhiều thí nghiệm nhóm phát hiện ra là cần phải thử nghiệm trên tế bào hoàn toàn không có Hoxb13, vì vậy phải phân tách tế bào từ chuột đột biến Meis1 và Hoxb13. Tuy nhiên, nhờ đó đã tìm được cơ chế hoạt động của calcineurin trên Hoxb13.

Ngoài những khó khăn trên phần lớn khó khăn là do số lượng thí nghiệm nhiều và khó và đòi hỏi nhiều thời gian thực hiện. Cụ thể bài báo sử dụng khoảng 14 chủng chuột khác nhau, 3 phương pháp mổ, 2 phương pháp đo chức năng tim, và nhiều thí nghiệm khác nữa.

Giữa những khó khăn bủa vây như vậy, chị và đồng nghiệp đã giải quyết khó khăn như thế nào?

TS. BS. Hesham Sadek, giáo sư trưởng lab-PI, là người đóng vai trò quan trọng nhất cho sự hoàn thành của bài báo này. Khi hai nghiên cứu viên trước bỏ cuộc, ông vẫn tin tưởng vào giả thuyết của mình, và động viên nhóm tiếp tục nghiên cứu. Sự định hướng của ông gồm hai mặt:

Về chuyên môn, ông đưa ra giả thuyết và dự đoán kết quả mong muốn, nhóm nghiên cứu dựa trên giả thuyết đó để thực hiện thí nghiệm và báo cáo kết quả. Kết quả dù phù hợp hay không phù hợp với giả thuyết đều được tranh luận ở lab meeting để hiểu rõ hơn và tìm hướng đi tiếp theo.

Về tinh thần, ông luôn khuyến khích suy nghĩ vượt ra ngoài khuôn khổ (“out of the box”) cho những vấn đề khoa học, nhưng phải dựa trên nguyên tắc giải quyết vấn đề dựa trên một giả thuyết hoặc một câu hỏi cụ thể. Điều này giúp cho nghiên cứu có hướng đi rõ ràng tới một mục tiêu xác định (là chữa bệnh gì), chứ không chỉ là một nghiên cứu chung chung.

Quãng thời gian thực hiện đề tài giúp chị rút ra được điều gì?

Việc tham gia nghiên cứu này giúp tôi học được rất nhiều thứ có ích cho con đường nghiên cứu độc lập sau này:

Thứ nhất, đó là lòng kiên nhẫn: vì làm việc dưới áp lực cao, làm liên tục nhiều giờ mỗi ngày với độ tập trung cao, phải vận dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, thậm chí những kỹ thuật rất mới chưa từng làm qua, cộng thêm việc tiếp xúc hóa chất độc hại, chuột, vi khuẩn, virus…làm cho bản thân rất dễ mệt mỏi dẫn tới bỏ cuộc. Vì vậy rất cần rèn luyện tính kiên nhẫn để có thể hoàn thành một đề tài khoa học.

Thứ hai, là niềm tin: niềm tin vào giả thuyết giúp cho bản thân và nhóm nghiên cứu có động lực để vượt qua khó khăn.

Ngoài ra, tôi còn rèn được cho mình khả năng đàn hồi trong công việc: nếu như kết quả nghiên cứu chỉ ra giả thuyết ban đầu bị sai thì cần phải có tính đàn hồi để thay đổi giả thuyết và tìm hướng đi mới.

Tôi cũng mở lòng, giao tiếp với mọi người thoải mái hơn. Là người ngại giao tiếp nên tôi hay lủi thủi làm việc một mình. Tuy nhiên việc mở rộng giao tiếp giúp tôi học hỏi kỹ thuật mới nhanh hơn, được giúp đỡ nhiều hơn để hoàn thành những thí nghiệm không phải thế mạnh của tôi, và được nhận những ý kiến đóng góp vô cùng giá trị. Tăng cường khả năng làm việc nhóm thúc đẩy tốc độ hoàn thành của đề tài. Việc làm việc nhóm này không chỉ trong lab hay trong trường, mà còn mở rộng ra các lab ở các nước khác nữa.

Được làm việc ở một phòng thí nghiệm lớn, nhân lực quốc tế với trình độ chuyên môn cao, tôi học được cách định hướng nghiên cứu dựa trên giải quyết một câu hỏi/ giả thuyết cụ thể, cách tiếp nhận ý kiến từ những chuyên gia khác ngành (họ có góc nhìn khác cho vấn đề của mình), sử dụng máy móc hiện đại và kỹ thuật mới để rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng/ độ tin cậy của thí nghiệm.

Và trên tất cả, tôi nhận ra tầm quan trọng của sự chăm chỉ. Trong nghiên cứu, tôi thấy rằng không có ai thành công mà bỏ ít thời gian để làm việc cả. Không chỉ làm thí nghiệm mà còn phải đọc rất nhiều tài liệu nghiên cứu cũ và mới, tham gia rất nhiều seminar, hội nghị để cập nhật kiến thức…, viết báo cáo, dự án… Suy cho cùng, phải làm việc chăm chỉ thì mới theo đuổi được nghề nghiên cứu.

Phát hiện này có gợi mở những hướng nghiên cứu gì cho chị trong tương lai?

Hiện tại nhóm nghiên cứu đang phát triển thuốc tác động vào Meis1 và Hoxb13 để thúc đẩy cơ tim phân chia. Tôi muốn tìm thêm những yếu tố khác đảm nhận quá trình bật/ tắt chương trình phân bào của cơ tim, từ đó có thể điều khiển quá trình này để giúp cho việc điều trị bệnh tim.

Cảm ơn những chia sẻ của chị!

Theo Anh Thư/ KH&PT