Kích hoạt các phản ứng mang tính hệ thống khi tổn thương xảy ra ở nhiều sinh vật có thể hỗ trợ quá trình chữa lành và tái sinh; điều này đã được thấy ở chuột, kỳ nhông, cá ngựa vằn và hành tinh. Ở động vật hành tinh, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng đường truyền tín hiệu ERK, lan truyền dọc theo các tế bào cơ thành cơ thể với tốc độ nhanh hơn so với suy nghĩ trước đây, rất quan trọng cho quá trình tái tạo, ngụ ý một quá trình ra quyết định tái tạo toàn cơ thể phối hợp cũng cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự phát triển của bệnh ung thư: giống như một vết thương chưa lành.
Ở một số sinh vật, tổn thương ở một bộ phận cơ thể có thể kích hoạt quá trình chữa lành ở bộ phận khác. Những phát hiện gần đây cho thấy phản ứng toàn thân này không phải là tác dụng phụ: nó là đặc điểm chính.
Những con chuột bị thương ở một chân có các tế bào gốc ở chân còn lại đang "thức tỉnh", như thể các tế bào đang chuẩn bị chữa lành vết thương. Điều tương tự cũng xảy ra với loài kỳ nhông, chúng là bậc thầy về tái tạo chân tay. Tổn thương tim ở cá ngựa vằn gây ra những thay đổi nhất định ở các cơ quan ở xa như thận và não.
"Ở nhiều sinh vật khác nhau, bạn có thể thấy phản ứng của toàn bộ cơ thể đối với chấn thương. Nhưng liệu những phản ứng này có thực sự phục vụ mục đích nào hay không thì vẫn chưa rõ ràng", Bo Wang, trợ lý giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Stanford cho biết. "Vì vậy, đó là những gì chúng tôi tập trung vào."
Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Cell, Wang và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng sự phối hợp toàn cơ thể này là một phần quan trọng trong quá trình chữa lành vết thương của hành tinh và tái tạo mô sau đó. Hiểu được điều gì bật và tắt quá trình tái tạo cũng như cách phối hợp của nó cũng có thể cung cấp thông tin cho nghiên cứu về bệnh ung thư, căn bệnh thường được coi là vết thương không bao giờ lành.
Planarians là loài giun dẹp dài nửa inch với siêu năng lực: Chúng có thể tái sinh trong hầu hết mọi tình huống. Cắt một con giun dẹp thành bốn mảnh và bạn sẽ có bốn con giun dẹp mới trong vài ngày. Giống như ở chuột, cá ngựa vằn và kỳ nhông, một vết thương ở một bộ phận của cơ thể hành tinh dường như gây ra phản ứng ở các mô ở xa hơn.
Wang muốn hiểu cách thức phối hợp những phản ứng này. Một cơ chế có thể là con đường kinase liên quan đến tín hiệu ngoại bào (ERK). Các tế bào sử dụng con đường ERK để liên lạc với nhau và gửi tín hiệu dưới dạng sóng. Nếu mô bị tổn thương, tế bào gần nhất sẽ “truyền” thông tin đó đến các tế bào lân cận, từ đó các tế bào này sẽ báo cho các tế bào lân cận. Sóng này lan truyền khắp cơ thể giống như một trò chơi điện thoại.
Bây giờ chỉ có một vấn đề: nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sóng ERK di chuyển quá chậm nên không thể sử dụng được. Wang nói: “Nếu tôi truyền tín hiệu ở tốc độ 10 micron mỗi giờ, có thể mất vài ngày để truyền qua một milimet”. Ở tốc độ này, tín hiệu được truyền quá chậm từ vùng này sang vùng khác của giun để hỗ trợ quá trình lành vết thương và tái tạo.
Hiểu được điều gì bật và tắt quá trình tái tạo có thể dẫn đến những tiến bộ trong các phương pháp điều trị và can thiệp y tế, bao gồm cả những phương pháp liên quan đến ung thư. Nguồn hình ảnh: Phòng thí nghiệm Wang/Trường Kỹ thuật Đại học Stanford
Đây có thể không phải là vấn đề đối với con người. Hệ thống tuần hoàn của chúng ta có thể cho phép các tín hiệu truyền đi nhanh chóng khắp cơ thể. Nhưng người hành tinh không có hệ tuần hoàn để đẩy nhanh quá trình này.
Vì vậy, Wang và các đồng nghiệp của ông bắt đầu theo dõi sự lan truyền của sóng ERK từ đầu này đến đầu kia của con vật. Họ phát hiện ra rằng tín hiệu truyền đi nhanh hơn 100 lần so với trước đây. Thay vì truyền dọc theo các tế bào cơ thành cơ thể cực dài, sóng ERK truyền dọc theo các tế bào cơ thành cơ thể cực dài. Những tế bào này hoạt động như những “đường cao tốc”, truyền tín hiệu nhanh từ đầu này đến đầu kia của cơ thể. Không phải ngày, mà là giờ.
Các tín hiệu đủ nhanh để hỗ trợ điều trị, nhưng họ vẫn không biết liệu toàn bộ cơ thể có liên quan hay không.
Để tìm hiểu, Fan Yuhang, một sinh viên tốt nghiệp trong phòng thí nghiệm của Wang, đã chặt đầu hành tinh. Thông thường, đầu của hành tinh sẽ nhanh chóng mọc lại từ cơ thể còn lại sau khi bị chặt đầu. Nhưng Fan đã chặn tín hiệu ERK truyền đến nửa sau của sinh vật để kiểm tra xem sóng ERK có chịu trách nhiệm điều phối các phản ứng chữa lành từ xa hay không. Khi tín hiệu ERK bị chặn, đầu không chỉ lành chậm hơn mà còn không thể tái tạo được nữa.
Tiếp theo, Fan tự hỏi liệu có thể "cứu" quá trình tái sinh hay không và thử nghiệm điều này bằng cách loại bỏ đuôi của hành tinh, điều này sẽ cảnh báo mô đuôi bị tổn thương. Cái đuôi mọc lại và đáng ngạc nhiên là cái đầu cũng mọc lại.
“Điều thực sự thú vị là chúng tôi có thể điều chỉnh độ trễ thời gian giữa các lần cắt cụt chi,” Wang nói. Nếu bạn cắt đuôi của hành tinh trong vòng vài giờ sau vết thương ban đầu, bạn có thể bắt đầu lại quá trình chữa lành bị chặn. Nhưng nếu bạn đợi quá lâu, cả hai sẽ không tái sinh.
"Điều này có nghĩa là có một hệ thống trong cơ thể bỏ phiếu để nói 'Được rồi, bây giờ chúng ta nên trồng thứ gì đó' và mọi người phải đồng ý," Wang nói. Ngay cả những tế bào xa nhất cũng có quyền biểu quyết.
Nhiều loài động vật—chẳng hạn như hành tinh, sao biển và kỳ nhông—có khả năng chữa bệnh và tái tạo vượt xa con người. Hiểu được lý do tại sao chúng ta thiếu khả năng này có thể dẫn đến những tiến bộ trong phương pháp điều trị và can thiệp y tế, bao gồm cả những tác động liên quan đến ung thư.
"Không ai trong chúng tôi muốn mô luôn ở trạng thái tổn thương. Điều này có thể dẫn đến ung thư", Wang giải thích. Nghiên cứu của ông cho thấy rằng ngay cả ở những con giun có khả năng tái tạo đáng kinh ngạc này, hầu hết quá trình tái tạo vẫn bị "tắt" cho đến khi toàn bộ cơ thể đồng ý đã đến lúc "bật".
Ngoài ra, khi Wang và các đồng nghiệp của ông theo dõi các làn sóng ERK lan truyền khắp các hành tinh, họ nhận thấy rằng hàng trăm gen đã được bật và tắt. Mặc dù con người và người hành tinh có mối quan hệ rất xa nhau nhưng chúng ta có nhiều gen giống nhau.
"Điều này cho phép chúng tôi truy cập vào việc theo dõi các gen này, cho phép chúng tôi tìm ra cách động vật tái sinh trong khi kiểm soát nguy cơ phát triển ung thư không kiểm soát được."