Phát hiện bộ ba gen tái tạo tế bào tai trong mang lại hy vọng phục hồi thính lực cho người khiếm thính

Trong hàng thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu về thính giác đã phải đối mặt với một mâu thuẫn sinh học kỳ lạ. Khi một số lượng đủ lớn các tế bào lông cảm giác ở tai trong bị chết - dù là do tuổi tác hay chấn thương - tình trạng mất thính lực thường là vĩnh viễn.

Các thiết bị hỗ trợ hiện đại như máy trợ thính chỉ dừng lại ở việc khuếch đại âm thanh, trong khi cấy ghép ốc tai điện tử có thể bắc cầu qua những cấu trúc bị tổn thương. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều không thể khôi phục lại chính các tế bào đã hỏng.

Điều đáng nói là giới hạn này không hề tồn tại ở một số loài động vật khác. Loài chim và loài cá đều có khả năng tự tái tạo các tế bào cảm giác giúp chúng nghe được. Khi những tế bào này bị tổn thương, các tế bào mới sẽ xuất hiện để thay thế. Trái lại, con người lại hoàn toàn không có khả năng tự nhiên này.

Hoặc ít nhất, đó từng là những gì giới khoa học tin tưởng. Trong thập kỷ qua, một loạt thí nghiệm thực hiện trên chuột đã làm thay đổi góc nhìn đó. Kết quả cho thấy, trong một khoảng thời gian ngắn ngay sau khi sinh, tai trong của loài động vật có vú vẫn giữ lại một khả năng sửa chữa hạn chế.

Ban đầu, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tìm ra một công tắc chính đơn lẻ để kích hoạt lại khả năng kỳ diệu đó. Thế nhưng, câu trả lời thực tế lại giống như một công thức phân tử - một giải pháp tận dụng nguồn tế bào thay thế đầy bất ngờ: chính là các tế bào hỗ trợ nằm trong ốc tai.

Khi nhận được sự kết hợp đúng đắn của các tín hiệu phát triển, những tế bào hỗ trợ này có thể bắt đầu chuyển đổi và mang đặc tính của tế bào lông cảm giác. Thách thức lớn nhất hiện nay là thúc đẩy chúng hoàn thành trọn vẹn quá trình chuyển đổi đó.

Cơ chế khiến tai trong không thể tự sửa chữa

Mọi âm thanh mà chúng ta nghe thấy đều bắt đầu từ một hiện tượng cơ học. Bên trong ốc tai - cơ quan hình xoắn ốc nằm sâu trong hộp sọ - có khoảng 15.000 tế bào lông cảm giác chịu trách nhiệm chuyển đổi các rung động thành tín hiệu điện. Mỗi tế bào này được phủ phía trên bởi một búi lông vi mô gọi là stereocilia. Khi sóng âm đi vào tai, các búi lông tơ này uốn cong, làm mở ra các kênh nhỏ trong tế bào và tạo ra tín hiệu điện truyền qua dây thần kinh thính giác đến não bộ.

Tuy nhiên, toàn bộ quá trình này lại cực kỳ mỏng manh. Tế bào lông có thể bị phá hủy bởi sự tích tụ của tiếng ồn qua nhiều năm, do tác dụng phụ của thuốc hóa trị, một số loại kháng sinh, do quá trình lão hóa tự nhiên hoặc do các đột biến gen bẩm sinh khiến chúng không thể hoạt động ngay từ khi sinh ra. Không giống như da, máu hay mô gan, ốc tai của động vật có vú gần như không có khả năng tự thay thế các tế bào bị hỏng. Khi các tế bào lông chết đi, các tế bào hỗ trợ xung quanh không tự nhiên sản sinh ra tế bào mới để thay thế.

Sự phát hiện ra việc chuột sơ sinh có thể tái tạo tế bào lông trong vài ngày đầu đời đã làm đảo lộn quan niệm cũ. Brandon Cox, nhà sinh học phát triển tại Trường Y Đại học Southern Illinois, cho biết trước đây giới khoa học luôn mặc định sự tái tạo chỉ xảy ra ở các loài không phải động vật có vú. Phát hiện này chứng minh động vật có vú chưa hoàn toàn mất đi khả năng tái sinh, mà chỉ bị mất khả năng truy cập vào nó.

Một phần lý do nằm ở di truyền học biểu gen (epigenetics) - bộ máy phân tử kiểm soát việc tế bào có thể sử dụng đoạn DNA nào. Khi tế bào còn trẻ, cấu trúc DNA mở và sẵn sàng hoạt động. Nhưng khi trưởng thành, nhiễm sắc chất (chromatin) đóng lại, khiến các gen cần thiết để tạo tế bào lông bị khóa chặt sau các lớp điều hòa, dù chúng vẫn tồn tại trong mô.

Bước đột phá từ bộ ba yếu tố phân tử

Để mở lại chương trình phát triển đã bị khóa, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu và tìm ra ba loại protein quan trọng gồm Atoh1, Gfi1 và Pou4f3. Cả ba đều là các yếu tố phiên mã giúp kích hoạt mạng lưới gen và định hướng các tế bào chưa trưởng thành phát triển thành tế bào lông.

Trước đây, các nỗ lực chủ yếu xoay quanh Atoh1 - tín hiệu sớm nhất trong quá trình hình thành tế bào lông. Mặc dù việc kích hoạt Atoh1 giúp một số tế bào biểu hiện gen của tế bào lông, nhưng đa phần chúng vẫn chưa trưởng thành hoàn toàn. Chúng thiếu các búi lông tơ stereocilia hoàn chỉnh, thiếu các đặc tính phân biệt giữa tế bào lông trong và tế bào lông ngoài, cũng như thiếu kết nối thần kinh cần thiết để nghe.

Mặc dù vậy, nghiên cứu đã chứng minh rằng tế bào lông không thể được tạo ra chỉ bằng một hướng dẫn đơn lẻ. Bác sĩ phẫu thuật Alan Cheng, giáo sư tai mũi họng tại Đại học Stanford, đánh giá rằng kết quả này đã mở ra một con đường mới đầy hứa hẹn cho việc ứng dụng liệu pháp gen trong điều trị khiếm thính.