Vì sao vi khuẩn luôn đi trước con người một bước?

Vi khuẩn không ngừng tiến hóa để thích nghi với áp lực từ kháng sinh, khiến nhiều loại thuốc từng hiệu quả dần mất tác dụng. Ảnh: CDC/Unsplash.

Trong cuốn sách Uy thế lượng tử, nhà vật lý Michio Kaku dành một phần để bàn về cuộc chiến giữa con người và vi khuẩn kháng thuốc - không phải dưới góc độ y sinh, mà từ góc nhìn công nghệ: liệu máy tính lượng tử có thể giúp con người hiểu rõ cơ chế phân tử của kháng sinh và tìm ra vũ khí mới trong cuộc đua này hay không

Khi mỗi bước tiến của y học đều kéo theo sự đáp trả từ tự nhiên, đây cũng là câu chuyện mà giới khoa học đang phải đối mặt trong cuộc chiến chống lại kháng kháng sinh hiện nay.

Trước đây, nhiễm trùng là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây tử vong. Tuy nhiên, một sự kiện tình cờ trong một phòng thí nghiệm ở London vào năm 1928 đã thay đổi tiến trình y học khi Alexander Fleming đã phát hiện ra penicillin, khi ông vô tình quan sát thấy bào tử nấm mốc bay vào rồi phát triển trên đĩa Petri có thể tiêu diệt vi khuẩn xung quanh.

Nhà vi khuẩn học người Scotland Sir Alexander Fleming là người phát hiện ra kháng sinh penicillin năm 1928, mở đầu kỷ nguyên kháng sinh hiện đại. Ảnh: UIG.

Nhà huyết học Gwyn Macfarlane ví việc phát hiện ra penicillin là “một loạt các sự kiện tình cờ gần như không thể tin được”. Chỉ trong vài thập niên, kháng sinh giúp y học bước sang một kỷ nguyên mới, mở đường cho các ca phẫu thuật lớn, ghép tạng, hóa trị ung thư và chăm sóc trẻ sinh non.

Tuy nhiên, ngày nay, WHO xem kháng kháng sinh là một trong những mối đe dọa sức khỏe toàn cầu nghiêm trọng nhất, đe dọa đưa y học trở về thời kỳ trước khi có penicillin.

Kháng sinh hoạt động thế nào?

Khi vào trong cơ thể, penicillin và vancomycin tác động lên quá trình tổng hợp peptidoglycan (thành phần cấu trúc quan trọng tạo nên độ bền của thành tế bào vi khuẩn). Khi quá trình này bị ức chế, thành tế bào không được hình thành hoặc sửa chữa đúng cách, trở nên yếu và dễ vỡ, khiến vi khuẩn bị tiêu diệt.

Tuy nhiên, vi khuẩn và tế bào người không giống nhau. Vi khuẩn có thành tế bào chứa peptidoglycan, còn tế bào người hoàn toàn không có cấu trúc này. Vì vậy, nhiều loại kháng sinh được thiết kế để nhắm đúng vào điểm yếu chỉ vi khuẩn mới có, giúp tiêu diệt mầm bệnh mà ít gây tổn thương cho tế bào của cơ thể, theo Nature Reviews Microbiology.

Bên cạnh đó, một loại kháng sinh khác là quinolone, có tác dụng cản trở cơ chế sinh sản của vi khuẩn, khiến DNA của nó không hoạt động bình thường, do đó không thể sinh sản được. Hay kháng sinh tetracycline, cản trở khả năng tổng hợp protein của vi khuẩn, ngăn chặn các tế bào sản xuất folic acid, từ đó cản trở khả năng kiểm soát các chất hóa học chảy qua thành tế bào.

Hay nhóm kháng sinh tetracycline cản trở khả năng tổng hợp protein của vi khuẩn, khiến tế bào vi khuẩn không thể duy trì các hoạt động sống cơ bản và ngừng phát triển

Tuy nhiên, kháng sinh chỉ có tác dụng với vi khuẩn vì chúng nhắm vào những cấu trúc riêng như thành tế bào, ribosome hoặc các enzyme tham gia tổng hợp DNA. Trong khi đó, virus không có thành tế bào, không có ribosome và cũng không tự tạo ra năng lượng hay protein. Virus chỉ nhân lên khi xâm nhập vào tế bào người và “chiếm dụng” bộ máy của tế bào để sinh sản.

Điều đó đồng nghĩa với việc kháng sinh gần như không có tác dụng với virus. Đây là lý do thuốc kháng sinh không thể điều trị cảm lạnh, cúm hay phần lớn trường hợp viêm họng do virus.

Sự trỗi dậy của vi khuẩn kháng thuốc

“Thuốc kháng sinh rất hiệu quả và được kê đơn thường xuyên đến mức hiện nay vi trùng đang chống trả. Đây không phải là câu hỏi học thuật, vì vi trùng kháng thuốc là một trong những vấn đề sức khỏe lớn mà xã hội ngày nay phải đối mặt”, tác giả Michio Kaku viết.

Theo WHO, kháng kháng sinh hiện được xếp vào một trong 10 mối đe dọa sức khỏe toàn cầu. The Lancet ước tính năm 2021 có khoảng 4,71 triệu ca tử vong liên quan đến tình trạng kháng thuốc, trong đó 1,14 triệu ca tử vong trực tiếp do vi khuẩn kháng kháng sinh.

Mỗi lần con người sử dụng kháng sinh, hàng triệu vi khuẩn nhạy cảm sẽ bị tiêu diệt, nhưng đôi khi vẫn còn một số ít cá thể mang đột biến giúp chúng sống sót. Những vi khuẩn này tiếp tục sinh sản và truyền đặc tính kháng thuốc cho thế hệ sau.

Theo thời gian, những chủng vi khuẩn từng dễ bị tiêu diệt dần trở nên “lì đòn” trước kháng sinh. Đây là một ví dụ điển hình của quá trình chọn lọc tự nhiên dưới áp lực của thuốc kháng sinh.

Cuộc chạy đua không hồi kết

Theo Nature Reviews Microbiology, vi khuẩn có thể kháng lại kháng sinh bằng nhiều cơ chế khác nhau. Một trong những cách phổ biến nhất là sản xuất enzyme có khả năng phá hủy kháng sinh trước khi thuốc kịp phát huy tác dụng.

Các nhà nghiên cứu cũng cho biết vi khuẩn có thể thay đổi mục tiêu mà kháng sinh nhắm đến. Nói cách khác, nếu kháng sinh giống như một chiếc “chìa khóa” thì các protein, enzyme của vi khuẩn chính là “ổ khóa”. Khi những “ổ khóa” này thay đổi do đột biến gen, kháng sinh sẽ không còn gắn kết hiệu quả, làm giảm hoặc mất hoàn toàn tác dụng điều trị.

Vi khuẩn Salmonella kháng kháng sinh, có khả năng sống sót và phát triển dù được điều trị bằng thuốc. Ảnh: James Archer/Unsplash.

Bên cạnh đó, nhiều chủng vi khuẩn còn phát triển các bơm tống thuốc (efflux pumps) có khả năng đẩy kháng sinh ra khỏi tế bào ngay sau khi thuốc xâm nhập. Ở vi khuẩn Gram âm, việc giảm số lượng hoặc thay đổi cấu trúc các kênh protein trên màng ngoài còn hạn chế lượng kháng sinh đi vào tế bào. Hai cơ chế này giúp nồng độ thuốc bên trong vi khuẩn không đạt mức cần thiết để tiêu diệt chúng.

Không chỉ tiến hóa thông qua đột biến, vi khuẩn còn có thể trao đổi gene kháng thuốc với nhau. Theo Microbiology Spectrum, nhiều gene kháng thuốc nằm trên các plasmid - những phân tử DNA nhỏ có thể truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác thông qua cơ chế chuyển gene ngang. Điều này khiến khả năng kháng thuốc có thể lan rộng nhanh chóng giữa các loài vi khuẩn khác nhau, thay vì chỉ truyền từ thế hệ trước sang thế hệ sau.

Cuộc đối đầu giữa kháng sinh và vi khuẩn vì thế giống như một cuộc “chạy đua vũ trang” không hồi kết. Mỗi khi con người phát triển một loại kháng sinh mới, vi khuẩn lại dần tiến hóa, tạo ra những “chiến lược” mới để vô hiệu hóa loại thuốc đó.

Điều gì sẽ xảy ra khi kháng sinh mất tác dụng?

Hậu quả không chỉ dừng lại ở những bệnh truyền nhiễm. Theo WHO, kháng kháng sinh đe dọa nhiều thành tựu của y học hiện đại.

Đối với bệnh nhân ung thư, thuốc hóa trị làm suy giảm hệ miễn dịch nên nguy cơ nhiễm khuẩn rất cao. Người được ghép tạng hoặc ghép tủy phải sử dụng thuốc ức chế miễn dịch trong thời gian dài, khiến họ phụ thuộc vào kháng sinh để kiểm soát nhiễm trùng. Ngay cả các ca phẫu thuật như thay khớp háng hay sinh mổ cũng trở nên nguy hiểm hơn nếu bác sĩ không còn kháng sinh đủ hiệu quả để phòng ngừa nhiễm khuẩn.

Ở quy mô toàn cầu, tình trạng kháng kháng sinh làm kéo dài thời gian nằm viện, tăng chi phí điều trị, gia tăng tỷ lệ tử vong và tạo thêm gánh nặng cho hệ thống y tế.

WHO cảnh báo nếu không kiểm soát hiệu quả tình trạng kháng kháng sinh, thế giới có nguy cơ bước vào một “kỷ nguyên hậu kháng sinh” (post-antibiotic era), nơi những bệnh nhiễm khuẩn từng dễ điều trị có thể một lần nữa trở thành nguyên nhân gây tử vong.

Theo Davies và Davies 2010, kháng thuốc là hệ quả tất yếu của quá trình tiến hóa dưới áp lực chọn lọc của kháng sinh. Vì vậy, mục tiêu của y học hiện nay không phải là loại bỏ hoàn toàn khả năng kháng thuốc của vi khuẩn, mà là làm chậm quá trình này thông qua sử dụng kháng sinh hợp lý, kiểm soát lây nhiễm, phát triển thuốc mới và tăng cường giám sát tình trạng kháng thuốc.

Minh Châu