Lịch sử nghiên cứu SCI

Từ Ai Cập cổ đại đến ngày nay: Nghiên cứu SCI

Xuyên suốt hầu hết lịch sử khoa học và y khoa, tổn thương tủy sống và bệnh tê liệt được coi là những bệnh không thể hồi phục và không thể điều trị được. Từ thời Ai Cập cổ đại xa xưa, các bác sĩ tin rằng họ không thể làm gì để giúp đỡ người bị chấn thương cột sống. Ngay cả khi chúng ta hiểu sâu sắc về hệ thần kinh và chức năng của nó theo thời gian thì vẫn tồn tại niềm tin rằng các dây thần kinh trong hệ thần kinh trung ương (CNS, tức là não và tủy sống) đơn giản không thể tái sinh một khi đã bị tổn thương.

Chỉ trong khoảng 35 năm trở lại đây, tư tưởng này mới được chứng minh ngược lại. Từ lâu, người ta đã biết rằng các dây thần kinh ngoại biên bị tổn thương, trong cơ thể có thể tái tạo và hồi phục chức năng hoàn toàn. Các nhà khoa học đã thắc mắc liệu có điều gì đặc biệt ở môi trường dây thần kinh ngoại biên.

Vào những năm 1980, những thí nghiệm ở chuột cho thấy tế bào hệ thần kinh trung ương có thể tái tạo các sợi thần kinh, hoặc sợi trục trong điều kiện phòng thí nghiệm mô phỏng hệ thần kinh ngoại biên (PNS).

Tại sao? Một phần vì môi trường PNS cung cấp một số chất dinh dưỡng mà sợi trục CNS thích, và một phần vì môi trường CNS chứa các phân tử chống đối tích cực sửa chữa dây thần kinh.

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu xác định điều kiện phân tử chính xác khuyến khích sự tái tạo của sợi trục trong cơ thể sống. Họ cũng khám phá ra các yếu tố ngăn cản sợi trục CNS tái tạo. Vào cuối những năm 1980, những rào cản đầu tiên trong số những rào cản này được xác định: những protein chặn tái tạo mạnh mẽ được sản sinh từ bao myelin bao quanh dây thần kinh của hệ thần kinh trung ương. Bằng việc loại bỏ protein chặn, các sợi trục có thể phát triển khá mạnh mẽ.

Khám phá này đã mang nguồn sống mới cho lĩnh vực bị gạt bỏ vì vô vọng, và mở ra một kỷ nguyên nghiên cứu mới trên toàn bộ phạm vi sinh học tủy sống.

Bảo vệ thần kinh

Những năm 1990: Các nhà khoa học tìm hiểu được rằng chấn thương tủy sống xảy ra khi có một đợt tổn thương kéo dài.

Đầu tiên là tác động làm tổn thương dây tủy, theo sau đó là chuỗi tổn thương tế bào liên quan đến viêm và hỗn loạn hóa học tại khu vực bị tổn thương. Một loại thuốc, steroid, đã được phê duyệt để điều trị SCI cấp tính; điều này xảy ra vào năm 1990.

Ngày nay: Công tác nghiên cứu tiếp tục phát triển một phương pháp điều trị cấp tính hiệu quả cho chấn thương tủy sống, với hiểu biết sâu sắc hơn về môi trường phân tử sau khi bị tổn thương, bao gồm những phát hiện mới về vai trò của tế bào thần kinh đệm, huyết áp, và phản ứng miễn dịch.

Nhiều thử nghiệm lâm sàng đã được thực hiện để kiểm tra các phương pháp trị liệu bằng thuốc, làm lạnh, hoặc phương pháp trị liệu tế bào được cho là giảm thiểu tổn thương tế bào và bảo vệ chức năng ở nghiên cứu động vật.

Thúc đẩy tăng trưởng sợi trục

Những năm 1990: Các nhà khoa học bắt đầu điều trị chấn thương dây thần kinh bằng các chất thúc đẩy phát triển sợi trục trực tiếp hoặc chặn các phân tử làm kìm nén sự tăng trưởng. Những chiến lược này đã thành công trong việc hồi sinh từng tế bào thần kinh bị tổn thương và, trong mô hình động vật, chúng cũng giúp hồi phục một phần chức năng tủy sống.

Ngày nay: Các nhà khoa học tiếp tục điều chỉnh môi trường CNS để tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào thần kinh phát triển. Một số lượng phân tử quan trọng đã được xác định là có thể thúc đẩy hoặc ngăn chặn sự phát triển, cũng như số lượng phân tử thúc đẩy tăng trưởng đã được xác định và tiếp tục được thí nghiệm.

Một lĩnh vực nghiên cứu thú vị mới đã chỉ ra rằng bản thân sợi trục bị tổn thương không thể tạo ra phản ứng mạnh với tổn thương. Bằng việc hiểu được mã di truyền cơ thể liên quan đến sự phát triển phôi, các nhà khoa học đã có thể khởi động lại phản ứng của cơ thể với tổn thương, nhờ đó tạo ra sự phát triển sợi trục chưa từng có. Mặc dù đây là một phát triển quan trọng, song con đường theo đuổi vẫn đòi hỏi nhiều nghiên cứu.

Đơn giản là việc tái tạo sợi trục bị tổn thương không đủ để khôi phục chức năng tế bào thần kinh. Sợi trục đang phát triển cũng phải được nuôi dưỡng và hỗ trợ, sau đó được kết nối với mục tiêu sản sinh ra chức năng hữu ích, và không đau hoặc co cứng.

Tăng cường tăng trưởng bù

Những năm 1990: Các nhà khoa học nhận thấy rằng những điều trị được thiết kế để sửa các sợi trục bị tổn thương cũng giúp các tế bào thần kinh khỏe mạnh xung quanh phát triển và hỗ trợ các tế bào phục hồi.

Ngày nay: Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục điều chỉnh quy trình này để tái tạo hệ thần kinh nguyên vẹn nhưng bị tổn thương, đặc biệt là những người bị tổn thương tủy sống không hoàn toàn — những người vẫn có những dây thần kinh không bị tổn thương có thể phải đảm nhiệm chức năng của những dây thần kinh bị tổn thương.

Độ dẻo dai

Những năm 1990: Cho đến đầu Thế Kỷ 21, tư tưởng cơ bản vẫn cho rằng hệ thần kinh là một bộ “các sợi dây” độc nhất, được hình thành trong sự phát triển và sau đó không phát triển trong suốt khoảng thời gian sống.

Ngày nay: Các nhà khoa học giờ biết rằng não bộ không phải là một hệ thống nối cứng; trên thực tế não bộ tạo ra nhiều tế bào thần kinh mới ở tuổi trưởng thành. Hơn thế nữa, có nhiều cách để điều khiển hoặc tăng cường sự phát triển thần kinh. Chấn thương dẫn đến việc sắp xếp lại phần lớn dây thần kinh để thích ứng với sự gián đoạn tín hiệu. Mạch tủy sống có thể dễ uốn nắn, nghĩa là những mạch này có thể được đào tạo để đảm nhận chức năng của những vùng bị tổn thương. Những phương pháp trị liệu đơn giản chẳng hạn như thiếu oxy gián đoạn hoặc tập thể dục có thể thúc đẩy sự tăng trưởng của một số dây thần kinh liên quan đến chức năng vận động.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu một số phương pháp trị liệu thuốc khác nhau có thể thúc đẩy tăng trưởng tế bào thần kinh và sự mềm dẻo. Đây là bằng chứng cho thấy bản thân chánh niệm có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai liên quan đến trí nhớ và nhận thức. Các nhà khoa học cực kỳ phấn kích về việc sử dụng kích thích điện não hoặc tủy sống để tăng cường chức năng vận động bằng cách tăng độ mềm dẻo.

Tuy vẫn chưa hiểu hoàn toàn về mạch nhỏ của tủy sống nhưng điều này hứa hẹn sẽ mang lại phương pháp trị liệu chính xác hơn nhằm tăng khả năng sửa và độ dẻo dai, phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng cá nhân bị bệnh tê liệt.

Tế bào thần kinh đệm

Những năm 1990: Các nhà khoa học mới chỉ bắt đầu hiểu rằng tế bào thần kinh đệm hình sao và tế bào thần kinh tạo bao myelin không phải là các chất độn không gian tĩnh hoặc thụ động trong hệ thần kinh.

Ngày nay: Vai trò của những tế bào giúp hệ thần kinh này vẫn đang hé mở. Các tế bào thần kinh đệm hình sao hiện được biết là có vai trò quan trọng trong việc phản ứng với tổn thương hệ thần kinh — theo cách tốt bằng việc nuôi dưỡng tế bào thần kinh, và theo cách xấu là tạo ra sẹo vây chắn các khu vực tổn thương.

Các tế bào thần kinh tạo bao myelin là chìa khóa trong việc hình thành myelin, chất cách ly trên sợi trục thần kinh cho phép tăng tốc các tín hiệu điện hóa. Có thể điều trị mất myelin (hay đặc điểm xác định đa xơ cứng) theo phương pháp trị liệu tế bào.

Ngăn hình thành sẹo

Những năm 1990: Mô sẹo ở vùng tổn thương tủy sống đóng vai trò như một rào cản vật lý và hóa học trong việc sửa chữa. Vào những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã xác định được một số tín hiệu phân tử ngăn chặn sự phát triển liên quan đến mô sẹo và bắt đầu tìm cách để khắc phục những tín hiệu ức chế này.

Ngày nay: Các nhà nghiên cứu đang thí nghiệm enzyme chủ yếu làm tan sẹo và cho phép dây thần kinh vượt qua hàng rào đó. Trong các nghiên cứu phòng thí nghiệm, động vật đã có thể hồi phục chức năng sau khi sử dụng thuốc trị sẹo. Các thử nghiệm ở con người được lên kế hoạch một khi xử lý xong các chi tiết kỹ thuật.

Cầu răng nhân tạo

Những năm 1990: Các sợi trục cần một nền tảng vững chắc để phát triển. Các sợi trục không thể tự mở rộng khoảng cách vật lý ở vị trí tổn thương tủy sống. Trong những năm 1990, các nhà nghiên cứu bắt đầu thử nghiệm các vật chất chế tạo có thể giúp các tế bào thần kinh vượt qua những khoảng đứt gãy này. Họ cũng phát hiện ra một số loại tế bào được cấy ghép có thể bắc cầu qua khoảng trống. Các tế bào hỗ trợ được cấy ghép, chẳng hạn như tế bào Schwann và các tế bào khứu giác niêm mạc (OEG) được lấy từ cơ thể của một động vật thí nghiệm, cho thấy tiềm năng lớn.

Ngày nay: Các nghiên cứu viên đã phát triển khung polyme tổng hợp và các chất hữu cơ (tức là fibrin cá) làm vật chất thay thế để lấp đầy khoảng trống cho các tế bào sống.

Những khung này hỗ trợ vật lý cho các tế bào đang tăng trưởng, nhưng cũng có thể được kết hợp với các phân tử thúc đẩy tăng trưởng, hoặc thậm chí là các tế bào gốc để thúc đẩy hồi phục chức năng.

Các nhà khoa học đang làm việc để cải thiện khả năng thành công của việc cấy ghép các tế bào đặc biệt. Thử nghiệm trên động vật đã khuyến khích thực hiện thử nghiệm lâm sàng. Các tế bào Schwann và việc cấy ghép OEG đã được thực hiện ở thử nghiệm con người khi có nhiều loại tế bào gốc. Một số thử nghiệm đang tiếp nhận người bị tổn thương lâu, được đặc biệt khuyến khích đăng ký tham gia.

Tế bào gốc

Những năm 1990: Các nhà khoa học đã tìm hiểu cách cô lập các tế bào gốc ở người và bắt đầu cấy ghép những tế bào này ở động vật để tái tạo mạng thần kinh bị tổn thương. Họ hy vọng rằng những tế bào còn nguyên vẹn có thể di chuyển đến vị trí cần thiết và thay đổi thành loại tế bào bị thiếu. Có một sự phóng đại trong việc công chúng tán dương tế bào gốc là “hộp công cụ của tự nhiên” có thể sửa chữa mọi vấn đề trong cơ thể.

Đáng tiếc là nhiều người bị thu hút tới những phòng khám nước ngoài ca ngợi sự thần kì của tế bào gốc mà không có đủ bằng chứng khoa học và lâm sàng để củng cố những tuyên bố này.

Ngày nay: Sự hứa hẹn tuyệt vời của tế bào gốc vẫn đang dần được hiện thực hóa. Nhiều thử nghiệm lâm sàng đang được thực hiện để thí nghiệm những tế bào này trong nhiều điều kiện, bao gồm tổn thương tủy sống – cả cấp tính và mãn tính.

Một số nhà khoa học tế bào gốc đã phát hiện ra những dạng tế bào mới, bao gồm tế bào đa năng cảm ứng (iPSC), một loại tế bào cơ thể, ví dụ như tế bào da, có thể được lập trình cho trạng thái nguyên thủy hơn. Những iPSC này hoạt động rất giống những tế bào gốc nguyên vẹn, mà không có những vấn đề đạo đức liên quan đến tế bào phôi.

Thiết kế lại phục hồi chức năng

Những năm 1990: Lĩnh vực SCI chỉ mới bắt đầu hiểu rằng phục hồi chức năng không đơn giản chỉ là cung cấp các thiết bị và công cụ khôi phục. Tầm quan trọng của vật lý trị liệu trong phục hồi chức năng tổn thương tủy sống đã được công nhận và nhấn mạnh bởi nghiên cứu ở động vật và người cho thấy những thói quen bước lặp lại và có tính cấu trúc có thể khuyến khích tủy sống dưới (bên dưới vùng tổn thương) thực sự “học” cách điều khiển vận động mà không cần tín hiệu đầu vào từ não bộ.

Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng những phương pháp trị liệu dựa trên hoạt động giúp cơ thể tăng khả năng sản sinh các tín hiệu phân tử giúp hỗ trợ tăng trưởng sợi trục và sự sống của tế bào thần kinh.

Ngày nay: Tập thể dục mạnh mẽ đã trở thành một phần tiêu chuẩn trong phục hồi chức năng. Các nhà khoa học đang dần hiểu được một số hình thức hoạt động theo khuôn mẫu giúp đánh thức mạch thần kinh không hoạt động trong tủy sống, và có thể kích hoạt một số cấp độ chức năng.

Đây là cơ sở để khám phá thần kinh liên quan đến huấn luyện vận động — bước với sự hỗ trợ của máy chạy bộ chuyển động. Các nhà nghiên cứu đã thêm kích thích tủy sống vào hoạt động khi coi đây là một bước tiến mới. Ở số lượng bệnh nhân nhỏ, kích thích tủy sống đã tạo ra sự phục hồi chức năng chưa từng có; hơn thế nữa, kích thích còn tạo ra thêm lợi ích cho chức năng tim mạch, bàng quang và tình dục. Nhiều thử nghiệm ở người nữa sẽ được thực hiện.

Khám phá giới hạn di truyền

Những năm 1990: Các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu cơ sở di truyền về cách hình thành não và tủy sống.

Ngày nay: Các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về sinh học phát triển và những gen cụ thể tạo ra bản vẽ thiết kế hình thành hệ thần kinh trước khi chúng ta sinh ra.

Hiện các nhà khoa học tin rằng có thể chuyển đổi mục tiêu gen để thúc đẩy sự phát triển dây thần kinh ở động vật trưởng thành. Với công nghệ sàng lọc dãy vi mô tinh vi, và dữ liệu từ phân tích bộ gen chuột và người, giờ chúng ta đã hiểu hơn về mã di truyền của cơ thể đối với hoạt động tế bào và hành vi liên quan đến tái tạo sợi trục.

Các ý tưởng nghiên cứu hiện đại khác không tồn tại cách đây 25 năm

Trị liệu kết hợp: Dường như không có phương pháp trị liệu duy nhất nào có thể chữa trị tổn thương tủy sống. Thay vào đó, có thể cần kết hợp nhiều phương pháp trị liệu theo thời gian.

Giao diện não bộ-máy: Trong khoảng mười năm vừa qua, các nhà kỹ thuật sinh học đã có thể khai thác sóng não ở động vật, bao gồm con người để điều khiển thiết bị máy tính.

Ví dụ, khỉ vàng rhesus chỉ sử dụng tâm trí của mình, đã có thể kích hoạt chính xác tay bị tê liệt của linh trưởng bạn tình. Một phụ nữ liệt tứ chi, chỉ sử dụng suy nghĩ, đã lái được thiết bị mô phỏng máy bay chiến đấu. Một người đàn ông liệt tứ chi, điều khiển suy nghĩ tới tay giả, đã có thể cầm cốc bia và uống. Lĩnh vực này đang tiến triển rất nhanh trong nhiều phòng thí nghiệm.

Công cụ mới: Hiện tại các nhà khoa học đã có những cách để quan sát chức năng dây thần kinh ở động vật sống. Công cụ mới, bao gồm chỉnh sửa gen bằng ánh sáng, có thể bật hoặc tắt từng tế bào nhờ nguồn ánh sáng. Hiện cũng có những phương pháp mới để điều khiển hoặc thậm chí là chỉnh sửa mã gen mới.

Dữ Liệu Lớn: Lĩnh vực SCI hiện tại hoàn toàn gắn kết với thông tin sinh học. Việc phân tích thứ được gọi là Dữ Liệu Lớn cho phép các nhà nghiên cứu đào sâu vào nhiều dữ liệu nghiên cứu đa dạng cho các mô hình và thông tin chi tiết mà trước đó không thể. Hơn thế nữa, lĩnh vực đã có những bước tiến lớn trong việc tiêu chuẩn hóa cách thực hiện thí nghiệm để tăng tốc khám phá và giảm sự lặp lại.

Số liệu: Để kiểm tra hiệu quả của một phương pháp trị liệu, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra những cách rất chính xác để đo những thay đổi chức năng một cách thống nhất và chính xác. Những thông tin này bao gồm chuỗi kiểm tra chức năng bàn tay và ngón tay cho bất kỳ phương pháp trị liệu nào hướng đến chấn thương cổ. Những đo lường kết quả nhạy cảm và thích hợp là rất quan trọng đối với việc lập kế hoạch và thực hiện, và cuối cùng là thành công, của các thử nghiệm lâm sàng.