What shape are your cells? Squishy cylinders? Jagged zig-zags? You probably don’t think much about the bodies of these building blocks, but at the microscopic level, small changes can have huge consequences. And while some adaptations change these shapes for the better, others can spark a cascade of debilitating complications. This is the story of sickle-cell disease.
Tế bào có hình dạng gì? Hình trụ đàn hồi? Hay đường zig-zag gồ ghề? Có lẽ bạn chưa từng để tâm đến các cấu trúc cơ bản này của cơ thể, nhưng ở cấp độ vi mô, thay đổi nhỏ cũng có thể để lại ảnh hưởng rất lớn. Vài biến đổi giúp cơ thể hoạt động tốt hơn, một số khác lại gây ra các biến chứng gây hại.
Sickle-cell disease affects the red blood cells, which transport oxygen from the lungs to all the tissues in the body. To perform this vital task, red blood cells are filled with hemoglobin proteins to carry oxygen molecules. These proteins float independently inside the red blood cell’s pliable, doughnut-like shape, keeping the cells flexible enough to accommodate even the tiniest of blood vessels. But in sickle cell disease, a single genetic mutation alters the structure of hemoglobin. After releasing oxygen to tissues, these mutated proteins lock together into rigid rows. Rods of hemoglobin cause the cell to deform into a long, pointed sickle. These red blood cells are harder and stickier, and no longer flow smoothly through blood vessels. Sickled cells snag and pile up– sometimes blocking the vessel completely. This keeps oxygen from reaching a variety of cells, causing the wide range of symptoms experienced by people with sickle-cell disease.
Dưới đây là câu chuyện về bệnh hồng cầu hình liềm. Bệnh hồng cầu hình liềm tác động lên tế bào hồng cầu, có chức năng vận chuyển oxy từ phổi đến các tế bào trong cơ thể. Để thực hiện nhiệm vụ quan trọng này, tế bào hồng cầu chứa protein tên hemoglobin vận chuyển oxy. Protein này trôi tự do trong tế bào hồng cầu mềm dẻo, có hình dạng như bánh vòng, giúp chúng có đủ độ đàn hồi để đi qua cả các mạch máu nhỏ nhất. Nhưng ở bệnh hồng cầu hình liềm, một đột biến đã làm thay đổi cấu trúc hemoglobin. Sau khi oxy được vận chuyển đến các tế bào, những protein đột biến dính lại thành những hàng cứng. Thanh hemoglobin làm tế bào biến dạng thành hình liềm dài và nhọn. Tế bào hồng cầu trở nên cứng và dính hơn, và lưu thông qua mạch máu khó khăn hơn. Tế bào hình liềm mắc kẹt và ứ đọng, đôi khi làm nghẽn mạch máu, làm cho nhiều tế bào không nhận được oxy, gây ra một loạt các triệu chứng lên bệnh nhân. Chưa đầy một tuổi,
Starting when they’re less than a year old, patients suffer from repeated episodes of stabbing pain in oxygen-starved tissues. The location of the clogged vessel determines the specific symptoms experienced. A blockage in the spleen, part of the immune system, puts patients at risk for dangerous infections. A pileup in the lungs can produce fevers and difficulty breathing. A clog near the eye can cause vision problems and retinal detachment. And if the obstructed vessels supply the brain the patient could even suffer a stroke.
tại các tế bào thiếu oxy, bệnh nhân phải chịu những cơn đau lặp đi lặp lại. Vị trí nghẽn mạch quyết định triệu chứng bệnh. Nghẽn tại lá lách, một phần của hệ thống miễn dịch, khiến bệnh nhân có nguy cơ mắc các bệnh nhiễm trùng nguy hiểm. Nghẽn ở phổi có thể gây sốt và khó thở. Gần mắt có thể gây ra các vấn đề về thị lực và bong võng mạc. Nếu các mạch máu não bị nghẽn, bệnh nhân thậm chí có thể bị đột quỵ. Tệ hơn, tế bào hồng cầu hình liềm tồn tại trong thời gian rất ngắn,
Worse still, sickled red blood cells also don’t survive very long— just 10 or 20 days, versus a healthy cell’s 4 months. This short lifespan means that patients live with a constantly depleted supply of red blood cells; a condition called sickle-cell anemia.
chỉ 10 hoặc 20 ngày, trong khi tế bào khỏe mạnh sống tới bốn tháng. Thời gian tồn tại ngắn nghĩa là bệnh nhân luôn thiếu hồng cầu. Có lẽ điều bất ngờ nhất về đột biến ác tính này,
Perhaps what’s most surprising about this malignant mutation is that it originally evolved as a beneficial adaptation. Researchers have been able to trace the origins of the sickle cell mutation to regions historically ravaged by a tropical disease called malaria. Spread by a parasite found in local mosquitoes, malaria uses red blood cells as incubators to spread quickly and lethally through the bloodstream.
là ban đầu, nó là một đột biến có lợi. Các nhà nghiên cứu đã truy ra đột biến tế bào hình liềm bắt nguồn từ những vùng có lịch sử bị thiệt hại nặng nề bởi một căn bệnh nhiệt đới: sốt rét. Lây truyền qua ký sinh trùng được tìm thấy trên các loài muỗi địa phương, sốt rét dùng tế bào hồng cầu làm nơi ủ bệnh, lây nhanh qua đường máu và gây nguy hiểm đến tính mạng.
However, the same structural changes that turn red blood cells into roadblocks also make them more resistant to malaria. And if a child inherits a copy of the mutation from only one parent, there will be just enough abnormal hemoglobin to make life difficult for the malaria parasite, while most of their red blood cells retain their normal shape and function. In regions rife with this parasite, sickle cell mutation offered a serious evolutionary advantage. But as the adaptation flourished, it became clear that inheriting the mutation from both parents resulted in sickle-cell anemia.
Nhưng việc thay đổi cấu trúc biến tế bào hồng cầu thành vật cản làm tăng khả năng chống lại bệnh sốt rét. Chỉ cần đứa trẻ hưởng một gen đột biến từ cha hoặc mẹ, lượng hemoglobin bất thường cũng đủ để gây khó khăn cho ký sinh trùng sốt rét, dù các tế bào hồng cầu còn lại không thay đổi hình dạng và chức năng. Tại khu vực nhiều ký sinh trùng sốt rét, đột biến tế bào hình liềm đem lại nhiều lợi ích lớn. Nhưng khi được nhân rộng, dễ thấy rằng việc thừa hưởng gen đột biến từ cả cha lẫn mẹ sẽ gây ra bệnh hồng cầu hình liềm.
Today, most people with sickle-cell disease can trace their ancestry to a country where malaria is endemic. And this mutation still plays a key role in Africa, where more than 90% of malaria infections occur worldwide. Fortunately, as this “adaptation” thrives, our treatment for sickle cell continues to improve. For years, hydroxyurea was the only medication available to reduce the amount of sickling, blunting symptoms and increasing life expectancy. Bone marrow transplantations offer a curative measure, but these procedures are complicated and often inaccessible. But promising new medications are intervening in novel ways, like keeping oxygen bonded to hemoglobin to prevent sickling, or reducing the stickiness of sickled cells. And the ability to edit DNA has raised the possibility of enabling stem cells to produce normal hemoglobin. As these tools become available in the areas most affected by malaria and sickle cell disease, we can improve the quality of life for more patients with this adverse adaptation.
Ngày nay, hầu hết những người mắc bệnh có thể truy ra tổ tiên họ từng ở những nước bị sốt rét hoành hành. Đột biến này vẫn đóng vai trò quan trọng ở châu Phi, nơi chiếm hơn 90% ca nhiễm sốt rét trên toàn thế giới. May mắn thay, cùng với sự nhân lên của gen này, phương pháp điều trị cũng đang được cải thiện. Trong nhiều năm, hydroxyurea là loại thuốc duy nhất làm giảm số lượng hồng cầu hình liềm, suy giảm các triệu chứng và tăng tuổi thọ trung bình. Một biện pháp khác là ghép tủy xương, nhưng phương pháp này phức tạp và thường không dễ tiếp cận. Những loại thuốc mới cũng hứa hẹn những cách can thiệp mới như giữ oxy liên kết với hemoglobin để ngăn ngừa tế bào hình liềm, hoặc giảm độ dính của tế bào hình liềm. Và khả năng chỉnh sửa DNA cho phép dùng tế bào gốc để tạo ra hemoglobin thường. Khi những phương pháp này đến được với nơi bệnh sốt rét và hồng cầu hình liềm hoành hành, chất lượng cuộc sống của ngày càng nhiều bệnh nhân sẽ được cải thiện