Cơ bắp có thể sản sinh chất làm chậm lão hóa nhờ cái lạnh?

Từ lâu, giới khoa học đã ghi nhận nhiều loài động vật kéo dài được tuổi thọ khi sống trong môi trường mát lạnh, thế nhưng cơ chế đằng sau hiện tượng kỳ diệu ấy vẫn là một ẩn số lớn. 

Mới đây, một nhóm nghiên cứu do giáo sư David Vilchez dẫn dắt tại Trung tâm Nghiên cứu Lão hóa & Các bệnh liên quan đến lão hóa (CECAD) thuộc Đại học Cologne (Đức) đã phần nào giải mã được câu hỏi này, qua công trình vừa được công bố trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature.

Suốt hơn 1 thế kỷ qua, quan niệm phổ biến cho rằng nhiệt độ thấp giúp kéo dài tuổi thọ đơn giản vì các phản ứng sinh hóa bên trong cơ thể diễn ra chậm lại. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu mới lại mang đến một bức tranh phức tạp và thú vị hơn nhiều. 

Lần theo dấu vết của cái lạnh

Ở loài giun tròn Caenorhabditis elegans, một sinh vật mẫu quen thuộc trong các nghiên cứu về sự lão hóa nhờ sở hữu vòng đời ngắn ngủi, cái lạnh thực chất đã kích hoạt một hệ thống tín hiệu có tổ chức chặt chẽ, trong đó cơ bắp đóng vai trò là trung tâm điều phối.

Để tìm ra hệ thống này, các nhà khoa học đã tiến hành nuôi giun trưởng thành ở 3 mức nhiệt độ khác nhau gồm 15, 20 và 25 độ C, sau đó so sánh thành phần hóa học sau 5 ngày. 

Kết quả chỉ ra có 45 chất chuyển hóa gia tăng ở nhóm giun sống trong môi trường lạnh, trong đó dihydrobiopterin, hay còn gọi là BH2, nằm trong số những chất tăng trưởng mạnh mẽ nhất. Nhóm nghiên cứu quyết định tập trung sâu hơn vào phân tử này.

Họ nhanh chóng lần ra enzyme CAT-4, yếu tố khởi đầu của quá trình tổng hợp BH2. Ở điều kiện nhiệt độ thường, enzyme này hầu như không xuất hiện trong cơ giun, nhưng khi trời lạnh, các tế bào cơ lại sản xuất nó với số lượng lớn. 

Đáng chú ý, nếu làm suy giảm lượng enzyme CAT-4 ở những con giun trưởng thành, phần lớn lợi ích kéo dài tuổi thọ do cái lạnh mang lại sẽ biến mất hoàn toàn. 

Thí nghiệm cũng cho thấy chỉ cần can thiệp giảm enzyme này riêng ở phần cơ là đủ làm giun chết sớm hơn, trong khi những tác động tương tự ở ruột, hệ thần kinh hay da hoàn toàn không tạo ra sự khác biệt nào.

Sau khi được tổng hợp tại cơ bắp, BH2 di chuyển đến các cơ quan khác như ruột và tế bào thần kinh. Tại đây, một loại enzyme khác mang tên DHFR-1 tiếp tục chuyển hóa BH2 thành tetrahydrobiopterin, hay BH4, một chất đóng vai trò là đồng yếu tố quan trọng cho nhiều enzyme trong cơ thể. 

Trong số các enzyme cần đến BH4, chỉ có PAH-1 là thực sự đóng vai trò cốt lõi đối với hiệu ứng của cái lạnh, giúp tổng hợp axit amin tyrosine. Những con giun bị thiếu hụt PAH-1 sẽ không thể nhận trọn vẹn lợi ích từ nhiệt độ thấp. 

Có thể hình dung cơ bắp giống như một nhà máy sản xuất, trong khi các cơ quan khác đảm nhận vai trò nhập nguyên liệu về để sử dụng.

Từ giun đến tế bào người

Để kiểm chứng thêm, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm theo chiều ngược lại bằng cách tạo ra những con giun có phần cơ luôn sản xuất enzyme CAT-4 bất kể điều kiện nhiệt độ môi trường. Kết quả rất ấn tượng khi chúng sống lâu hơn ở cả môi trường lạnh, nhiệt độ phòng lẫn môi trường ấm áp. 

Protein ở ruột của những con giun này ít bị vón cục hơn theo thời gian, đồng thời ruột cũng hạn chế tối đa sự xâm nhập của vi khuẩn gây hại. Trong khi đó, việc trộn trực tiếp BH2 vào thức ăn lại mang lại hiệu quả khá khiêm tốn vì khả năng hấp thu của giun kém, còn axit amin tyrosine lại phát huy hiệu quả rõ rệt hơn hẳn, giúp giun duy trì tuổi thọ ở mọi điều kiện.

Bước tiếp theo, các nhà khoa học đã kiểm tra xem những phát hiện này có điểm gì tương đồng với tế bào người hay không. Trên các mô hình tế bào mang protein đột biến gây bệnh Huntington cùng chứng xơ cứng teo cơ một bên, cả BH2 lẫn tyrosine đều thể hiện khả năng làm giảm đáng kể tình trạng vón cục protein. 

Thậm chí đối với các neuron vận động được tạo ra từ tế bào gốc của người mang đột biến bệnh, 2 chất này còn giúp giảm thiểu rõ rệt số lượng tế bào bị chết. Đây đều là những căn bệnh thoái hóa thần kinh nan giải gắn liền với tuổi tác, nơi các protein hỏng tích tụ ngày càng nhiều trong tế bào.

“Một trong những khía cạnh thú vị nhất trong phát hiện của chúng tôi là cơ bắp có vai trò vượt ra ngoài chức năng vận động và chuyển hóa năng lượng quen thuộc", Giáo sư David Vilchez chia sẻ. "Cơ cũng có thể là nguồn phát ra các tín hiệu chuyển hóa, truyền thông tin về nhiệt độ cơ thể đến phần còn lại của sinh vật”.

Điều này mở ra một hướng đi hoàn toàn mới về khả năng tác động vào một mô duy nhất để mang lại sự bảo vệ cho toàn bộ cơ thể.

Dù vậy, các tác giả cũng nhấn mạnh vẫn còn rất nhiều chặng đường dài phía trước, trước khi có thể nghĩ đến các ứng dụng thực tế trên con người. Các thí nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô giun và tế bào nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. 

Khi tế bào chịu áp lực từ stress oxy hóa, BH2 sẽ mất đi tác dụng bảo vệ do khó chuyển hóa thành BH4, trong khi tyrosine vẫn duy trì hoạt động bình thường. Hơn nữa, ở động vật có vú, BH4 còn đảm nhiệm chức năng phục vụ một enzyme trong mạch máu, và nhóm nghiên cứu thừa nhận họ chưa nắm rõ BH2 sẽ tác động ra sao lên enzyme này trong cơ thể sống. 

Khoảng cách từ phòng thí nghiệm đến thực tế

Dù BH4 hiện đang được sử dụng để điều trị một số bệnh nhân mắc chứng rối loạn chuyển hóa bẩm sinh, giáo sư Vilchez lưu ý rằng đây là 2 phân tử khác nhau và các liệu pháp y tế hiện hành chưa thể chứng minh tính an toàn hay hiệu quả của BH2 trong việc kéo dài tuổi thọ con người.

Bên cạnh đó, ông cũng lưu ý độc giả cần tránh hiểu lầm rằng những kết quả này là lời khuyến khích con người nên chủ động tiếp xúc nhiều với cái lạnh. 

Trong khi giun, cá hay ếch là động vật biến nhiệt với thân nhiệt phụ thuộc hoàn toàn vào môi trường bên ngoài, con người lại duy trì nhiệt độ cốt lõi tương đối ổn định và phản ứng với giá rét bằng cơ chế tự sinh nhiệt. Ngủ trong một căn phòng mát mẻ không đồng nghĩa với việc nhiệt độ lõi bên trong cơ thể sẽ giảm đi đáng kể.

Trong thời gian tới, định hướng tiếp theo của nhóm nghiên cứu là xác định chính xác liều lượng sử dụng, tìm hiểu cặn kẽ cơ chế hoạt động của các phân tử này bên trong cơ thể sinh vật, cũng như đánh giá độ an toàn một cách toàn diện trước khi tiến hành các bước thử nghiệm lâm sàng trên người. 

Nhóm cũng đang tiếp tục khám phá xem các chất chuyển hóa còn lại có phát đi những tín hiệu sinh học riêng biệt nào khác hay không. Được biết, giáo sư Vilchez cùng một đồng tác giả đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế liên quan tới việc ứng dụng BH4 cùng các tiền chất và phân tử sinh ra từ nó trong công tác phòng ngừa hoặc điều trị các rối loạn vận động.