Trước thềm Giải Nobel 2020: Khoa học cơ bản giúp thế giới chống lại Covid-19

Tuần này, giải Nobel 2020 sẽ lần lượt được công bố trực tuyến, vì đại dịch Covid-19 không cho phép các nhà khoa học nhận giải trực tiếp tại Thụy Điển như mọi năm. Hãy cùng nhìn lại những thành tựu y học đã từng đoạt giải Nobel và đang phát huy tác dụng của nó trong cuộc chiến chống Covid-19.

Khoa học là sự kế thừa, những tiến bộ khoa học chưa từng có trong đại dịch Covid-19 có nền tảng từ những khám phá đột phá trong quá khứ. Thường là nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ sau một khám phá khoa học cơ bản mà giải Nobel tôn vinh, người ta mới nhận ra ý nghĩa của nó.

Những tiến bộ trong nhiều năm qua về khoa học phân tử cơ bản, trong đó có một số nghiên cứu đã đoạt giải Nobel, đã mang lại cho thế giới các công cụ xác định virus nhanh chóng, đẩy nhanh quá trình xét nghiệm virus, mang lại triển vọng về phương pháp điều trị Covid-19 và cuối cùng là có thể phát triển vaccine vốn mất nhiều năm giờ chỉ trong một năm hoặc nhanh hơn.

Nhà địa vật lý Marcia McNutt, Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ cho biết: “Đây có thể là thời điểm tốt nhất của khoa học, không chỉ cho một quốc gia mà còn cho thế giới, phép màu sẽ cứu chúng ta”.

Tất cả những tiến bộ trong giải trình tự gen virus SARS-CoV-2, phương pháp xét nghiệm nhanh Covid-19, nghiên cứu về thuốc điều trị hay vaccine đều được xây dựng dựa trên những tiến bộ khoa học cơ bản, bà McNutt cho biết.

Năm 1993, nghiên cứu về trình tự gen và phản ứng chuỗi polymerase, cho phép sao chép nhiều đoạn DNA chính xác đã giành giải Nobel hóa học. Và xa hơn nữa, vào năm 1984, giải Nobel y học đã thuộc về một nhóm nghiên cứu lý thuyết về cách sử dụng kháng thể đơn dòng điều khiển hệ thống miễn dịch. Giờ đây, những kháng thể đó là một trong những hy vọng tốt nhất để điều trị bệnh Covid-19.

Tiến sĩ Sudip Parikh, Giám đốc điều hành của Hiệp hội vì sự tiến bộ Mỹ cho biết: “Bất chấp chính trị, bất chấp những cản trở khác đang làm chúng ta chậm lại, những khám phá đoạt giải Nobel từ 20 năm trước sẽ là chìa khóa để điều trị và ngăn ngừa Covid-19 vào năm tới. Điều đó đã được thực hiện nhờ nghiên cứu khoa học cơ bản”.

Nghiên cứu cơ bản được đặt lên ưu tiên hàng đầu. Những lợi ích thường chỉ được gặt hái sau đó, trong lĩnh vực khoa học ứng dụng.

Bà Frances Arnold, một kỹ sư hóa học của Caltech, người đã giành giải Nobel hóa học năm 2018 cho biết: “Nếu không có khoa học cơ bản, sẽ không có khoa học ứng dụng tiên tiến”. Nghiên cứu cơ bản đoạt giải Nobel đã cho phép chúng ta nhìn thế giới trong một ánh sáng hoàn toàn mới.

Dưới đây là một số khám phá đoạt giải Nobel trong quá khứ đang góp phần vào cuộc chiến chống lại đại dịch hiện nay.

Khám phá về kháng thể

Năm 1901, nhà sinh lý học Emil Von Behring đã đoạt giải Nobel y học đầu tiên cho nghiên cứu về bệnh bạch hầu đã giết chết rất nhiều trẻ em. Thông qua một loạt thí nghiệm trên động vật, ông Von Behring phát hiện ra những con vật đã khỏi bệnh bạch hầu có một phương pháp chữa bệnh kỳ diệu trong máu của chúng. Khi ông xử lý máu để loại bỏ tế bào, huyết thanh thu được có thể ngăn chặn các động vật khác mắc bệnh và thậm chí chữa khỏi cho những con vật đã tiếp xúc với độc tố bạch hầu.

Von Behring và các đồng nghiệp của ông đã phát triển huyết thanh chống bệnh bạch hầu từ ngựa thành một loại thuốc có thể sản xuất với số lượng lớn và được sử dụng để cứu sống trẻ em.

Cộng tác viên chính của ông, bác sĩ Paul Ehrlich, đã chuẩn hóa huyết thanh và phát triển các giải thích lý thuyết về cách thức hoạt động của nó. Ông Paul Ehrlich đã đưa ra chính xác cốt lõi của miễn dịch qua trung gian kháng thể. Và năm 1908, Ehrlich được trao giải Nobel y học.

Huyết thanh chống bạch hầu của hai nhà khoa học Von Behring và Ehrlich, được gọi là chất chống độc tố bạch hầu, về cơ bản là cùng ý tưởng với huyết tương dưỡng bệnh đang được thử nghiệm như một phương pháp điều trị cho Covid-19. Sự khác biệt chính là chất kháng độc tố bạch hầu là từ động vật, trong khi huyết tương dưỡng bệnh Covid-19 từ người.

Mặc dù thuốc kháng độc tố bạch hầu có hiệu quả cao, nhưng bằng chứng cho thấy huyết tương dưỡng bệnh giúp chống lại Covid-19 chưa có hiệu quả rõ ràng. Đó là bởi vì Covid-19 phức tạp hơn bệnh bạch hầu.

Bệnh bạch hầu do một loại vi khuẩn có tên là Corynebacterium diphtheriaegây ra, và tác hại của nó có thể bắt nguồn từ một độc tố duy nhất dễ dàng bị vô hiệu hóa bởi các kháng thể. Covid-19 là do virus SARS-CoV-2 gây ra, chúng xâm chiếm tế bào người và tàn phá tế bào qua nhiều cơ chế mà các nhà nghiên cứu vẫn đang cố gắng tìm hiểu.

Sau khi phát triển chất kháng độc tố bạch hầu, ông Von Behring đã phát minh ra một loại vaccine bằng cách trộn độc tố bạch hầu và chất chống độc với nhau. Chất chống độc đã vô hiệu hóa chất độc và khiến nó trở nên an toàn, và hệ thống miễn dịch của con người phản ứng với chất độc đã bị vô hiệu hóa bằng cách tạo ra kháng thể của chính họ.

Thúc đẩy cơ thể bệnh nhân sản xuất kháng thể vẫn là mục tiêu chính của các nhà phát triển vaccine ngày nay, trong đó có cả những nghiên cứu vaccine ngừa Covid-19.

Lấy kháng thể làm công cụ phát hiện bệnh

Các kháng thể cũng có giá trị như công cụ phát hiện. Một loại kháng thể duy nhất sẽ chỉ liên kết với một mục tiêu hóa học cụ thể. Và các nhà khoa học có thể đưa kháng thể nhắm mục tiêu vào các chất sinh học mà họ muốn nghiên cứu. Họ sử dụng kháng thể cho nhiều nghiên cứu, từ nhuộm các bộ phận của tế bào trên kính hiển vi đến xét nghiệm bệnh. Và với Covid-19, một số xét nghiệm sàng lọc đã sử dụng kháng thể để phát hiện xem một người có các phần tử virus SARS-CoV-2 trong cơ thể hay không.

Nhưng nhiều thí nghiệm yêu cầu các mẫu tinh khiết chỉ chứa một loại kháng thể. Máu của một người chứa hàng nghìn loại kháng thể. Một căn bệnh cũng có thể thúc đẩy cơ thể sản sinh ra nhiều loại kháng thể, vì mỗi loại nhận biết một phần khác nhau của nguồn gây bệnh.

Hai nhà khoa học César Milstein và Georges Köhler đã giải quyết vấn đề này vào năm 1975. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học biết rằng kháng thể được tạo ra bởi các tế bào chuyên biệt gọi là tế bào B, và mỗi tế bào B chỉ tạo ra một loại kháng thể. Nhưng tế bào B không tồn tại lâu bên ngoài cơ thể. Để tạo ra các tế bào tạo kháng thể có thể nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và duy trì sự sống vô thời hạn, Köhler và Milstein đã kết hợp tế bào B với tế bào ung thư. Mỗi “khối u lai” tạo ra một loại kháng thể duy nhất, hoặc “kháng thể đơn dòng”. Khám phá này đã giúp họ đoạt giải Nobel về y học vào năm 1984.

Nhà miễn dịch học cấu trúc Pamela Björkman, Viện Công nghệ California đánh giá: “Nghiên cứu này đã tạo ra cuộc cách mạng hóa sinh học. Chúng tôi và nhiều người khác ngày nay vẫn sử dụng các kháng thể đơn dòng”. Hiện nay, có một số cách tạo ra kháng thể đơn dòng, nhưng phương pháp của Köhler và Milstein vẫn được sử dụng rộng rãi.

Nhiều loại thuốc mới được phát triển từ kháng thể đơn dòng. Thí dụ, thuốc chống viêm khớp Tocilizumab là một kháng thể đơn dòng giúp giảm viêm bằng cách ức chế các bộ phận của hệ thống miễn dịch.

Với dịch Covid-19, triệu chứng tồi tệ nhất là do các phản ứng miễn dịch mất kiểm soát gọi là bão cytokine và các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu xem liệu thuốc Tocilizumab có thể ngăn chặn được không.

Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển các kháng thể đơn dòng tự tấn công SARS-CoV-2. Nhóm của Giáo sư sinh học Björkman đang nghiên cứu để xác định đặc điểm của các kháng thể từ huyết tương dưỡng bệnh, hy vọng xác định được các ứng cử viên có triển vọng để tổng hợp thành thuốc. Theo bà Björkman, các phương pháp điều trị kháng thể hiệu quả nhất có thể sẽ kết hợp một số loại kháng thể đơn dòng tấn công virus theo những cách khác nhau.

Tế bào T sát thủ

Mặc dù các kháng thể cực kỳ quan trọng, nhưng chúng chỉ có thể tiêu diệt các virus trôi nổi tự do trong máu. Một khi virus xâm nhập vào tế bào người, nó sẽ trở nên vô hình đối với các kháng thể, nhưng với tế bào T thì không.

Virus chiếm lấy các tế bào, buộc tế bào phải sản sinh ra nhiều virus hơn. Tế bào T sát thủ tấn công các tế bào bị nhiễm virus này. Giống như kháng thể, tế bào T có nhiều loại, mỗi loại có mục tiêu cụ thể riêng.

Vào đầu những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã biết rằng các tế bào T sát thủ có thể tiêu diệt các tế bào bị nhiễm virus. Cụ thể, Giáo sư Rolf Zinkernagel và nhà miễn dịch học Peter Doherty, Australia đã phát hiện ra tế bào T sát thủ dựa vào một nhóm phân tử gọi là protein MHC lớp 1 bám bề mặt của tế bào. Tế bào T sát thủ liên kết với các protein MHC này và sử dụng chúng để đánh giá xem tế bào có phải là bộ phận khỏe mạnh trong cơ thể của một người hay không.

Khi virus lây nhiễm vào tế bào, nó sẽ làm thay đổi các protein MHC trên bề mặt tế bào. Sau đó, các protein MHC bị thay đổi này đóng vai trò thông báo với các tế bào T rằng tế bào này đã bị phá hủy và cần bị tiêu diệt. Khám phá này giải thích tại sao các cơ quan được cấy ghép thường bị từ chối, vì các tế bào T sát thủ có thể cảm nhận các protein MHC từ một cá thể khác là “bị thay đổi” hoặc “ngoại lai”. Nghiên cứu sau đó cho thấy rằng có một nhóm tế bào T thứ hai, ngày nay được gọi là tế bào T trợ giúp, điều chỉnh hệ thống miễn dịch thay vì tấn công các tế bào bị nhiễm bệnh.

Hai nhà khoa học Doherty và Zinkernagel đã giành được giải Nobel cho nghiên cứu của họ về protein MHC và tế bào T, còn được gọi là tế bào lympho T, vào năm 1996. Giờ đây, kiến ​​thức đó là một phần của cuộc chiến chống lại Covid-19.

Theo ông Doherty, hầu hết các nhà phát triển vaccine vẫn tập trung chủ yếu vào kháng thể. Vì các phản ứng của tế bào T mất vài ngày để kích hoạt, trong khi các kháng thể có khả năng tiêu diệt virus xâm nhập một cách nhanh chóng, ngăn ngừa sự lây nhiễm diễn ra.

Tuy nhiên, các virus đường hô hấp đang là thách thức với các ứng cử viên vaccine dựa trên kháng thể, vì rất khó để giữ mức kháng thể đủ cao trong chất nhầy ở mũi, ông Doherty cho biết. Đó là một phần lý do tại sao vaccine cúm chỉ có hiệu quả ngừa bệnh khoảng 40-60%. Các nhà nghiên cứu tin rằng SARS-CoV-2 cũng bắt đầu bằng cách lây nhiễm các mô mũi, vì vậy ông Doherty lo ngại nó có thể gây ra một số vấn đề tương tự.

Nếu vaccine Covid-19 kích thích phản ứng tế bào T mạnh, nó sẽ không ngăn ngừa nhiễm trùng, nhưng nó có thể giúp mọi người loại bỏ nhiễm trùng nhanh chóng, với các triệu chứng ít nghiêm trọng hơn.

Ông Doherty cho biết vẫn chưa có thông tin nào cho biết loại vaccine Covid-19 nào sẽ có hiệu quả cao nhất. Nhưng ông cho rằng có khả năng các ứng cử viên vaccine của Moderna và Pfizer, sử dụng RNA thông tin, sẽ nhận được phản ứng tế bào T đặc biệt tốt.

Nhiều nhà khoa học đoạt giải Nobel đang tập trung nghiên cứu chống lại Covid-19, và nhiều nhà khoa học khác đã không bao giờ được Nobel vinh danh cũng đang làm công việc này. Cuối cùng, tất cả họ đều cùng một mục tiêu lớn là nâng cao kiến ​​thức của con người và được trao quyền để giải quyết mối đe dọa hiện tại.