Góc nhìn Sinh học về vấn đề kháng kháng sinh.

Bài viết nhằm cung cấp tri thức Sinh học (cụ thể hơn là Vi sinh vật học) cho quý độc giả. Trên cơ sở đó, bài viết muốn bàn về vấn đề vi khuẩn kháng kháng sinh và hậu quả khôn lường từ việc dùng kháng sinh một cách vô tội vạ ở đa số người dân hiện nay. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã xếp Việt Nam vào nhóm các nước có tỉ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới. Từ năm 2009 đến nay, số lượng thuốc kháng sinh ở Việt Nam bán ra ngoài cộng đồng đã tăng gấp 2 lần, có tới 88% kháng sinh tại thành thị được bán ra mà không cần kê đơn, ở nông thôn tỉ lệ lên đến 91% [1].

Tôi là một người đam mê nghiên cứu khoa học, cụ thể là Vật lý lý thuyết. Tôi cũng rất hứng thú trong việc học ngoại ngữ, tìm hiểu sâu về các chủ đề Địa - Chính trị, Toán học, Sinh học, Hóa học,... Y sinh tuy không phải là chuyên môn của tôi, nhưng tôi cũng có nghiên cứu và tìm hiểu chi tiết về nó trước khi viết bài này nhằm cung cấp tri thức khoa học đúng đắn. Tôi rất hoan nghênh ý kiến đóng góp của các bạn đọc. Chính những ý kiến, bình luận đó đã, đang và sẽ góp phần rất lớn trong việc hoàn thiện bài viết hơn nữa, đồng thời xây dựng nền tảng tri thức khoa học không chỉ cho chính bản thân tôi mà cả với những bạn đã đọc bài viết này. Tuy nhiên, những bình luận không nhằm xây dựng kiến thức, những bình luận tiêu cực, công kích cá nhân, trái với thuần phong mỹ tục nước ta sẽ không được chấp nhận ở đây.

Để các bạn tiện theo dõi, bài viết được chia thành hai phần chính, gồm các đề mục nhỏ như sau:

Vi sinh vật là những cơ thể vô cùng nhỏ bé, thường được đo bằng micrômét (µm), do đó ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường mà chỉ có thể nhìn rõ chúng dưới kính hiển vi. Phần lớn các vi sinh vật là các cơ thể đơn bào nhân sơ hoặc nhân thực, một số là tập hợp đơn bào. Đặc điểm chung của chúng là hấp thụ và chuyển hóa chất dinh dưỡng rất nhanh, sinh trưởng và sinh sản nhanh, phát triển mạnh, phân bố rộng, chủng loại đa dạng và năng lực thích ứng mạnh, dễ phát sinh biến dị.

Căn cứ vào nhu cầu của vi sinh vật về nguồn năng lượng và nguồn cacbon, có các hình thức dinh dưỡng như sau. Về nguồn dinh dưỡng, sử dụng năng lượng Mặt Trời là Quang dưỡng, sử dụng năng lượng Hóa học là Hóa dưỡng. Về nguồn cacbon, sử dụng CO2 và các hợp chất đơn giản để tổng hợp chất dinh dưỡng là Tự dưỡng, sử dụng chất hữu cơ của các vi sinh vật khác là Dị dưỡng. Kết hợp các tiêu chí trên, ta có 4 kiểu dinh dưỡng của vi sinh vật, gồm: Quang tự dưỡng, Quang dị dưỡng, Hóa tự dưỡng, Hóa dị dưỡng.

Nước chiếm phần lớn khối lượng cơ thể vi sinh vật. Phần nước có thể tham gia vào quá trình trao đổi chất của vi sinh vật được gọi là nước tự do. Đa phần nước trong vi sinh vật đều ở dạng nước tự do. Nước kết hợp là phần nước liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào. Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5 % khối lượng khô của tế bào. Chúng thường tồn tại dưới các dạng muối sunfat, phôtphat, cacbonat, clorua,... Chất hữu cơ trong tế bào vi sinh vật chủ yếu được cấu tạo bởi các nguyên tố: C, H, O, N, P, S,… Riêng các nguyên tố C, H, O, N chiếm 90 - 97% toàn bộ chất khô của tế bào. Đó là các nguyên tố chủ yếu cấu tạo nên cacbohiđrat, protein, axit nucleic, lipit,... Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đại phân tử chỉ chiếm 3,5%, còn các ion vô cơ chỉ có 1%. Vitamin cũng có sự khác nhau rất lớn về nhu cầu của vi sinh vật. Có những vi sinh vật tự dưỡng, chúng có thể tự tổng hợp ra các vitamin cần thiết, cũng có nhiều vi sinh vật dị dưỡng, chúng đòi hỏi phải cung cấp nhiều loại vitamin khác nhau với liều lượng khác nhau.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ các phản ứng Hóa - Sinh trong tế bào, làm cho vi sinh vật sinh sản nhanh hay chậm. Nhiệt độ cao làm biến tính các loại protein, axit nucleic trong tế bào của vi sinh vật. Căn cứ vào khả năng chịu nhiệt, vi sinh vật được chia thành 4 nhóm, gồm: ưa lạnh, ưa nhiệt, ưa ấm, ưa siêu nhiệt. Ta có thể ứng dụng yếu tố nhiệt độ để thanh trùng, kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật,...

Độ pH ảnh hưởng đến tính thấm qua màng sinh chất, hoạt động chuyển hóa vật chất trong tế bào, hoạt tính enzim, tổng hợp ATP (ađênôzin triphôtphat),... Nói sơ qua về ATP, nó còn được biết đến với tên gọi “đồng tiền năng lượng của tế bào”. Nó là một hợp chất cao năng được cấu tạo gồm các thành phần chính là bazơ nitơ ađênin, đường ribôzơ và 3 nhóm phôtphat. ATP truyền năng lượng cho các hợp chất khác bằng cách chuyển nhóm phôtphat cuối cùng cho các chất đó để thành ADP (ađênôzin điphôtphat) và phân tử ADP đó lại được gắn thêm một nhóm phôtphat để thành ATP. Năng lượng trong ATP có thể được sử dụng để tổng hợp các chất hóa học cần thiết cho tế bào, sinh công cơ học và vận chuyển chủ động các chất qua màng sinh chất. Trở lại với độ pH, dựa vào độ pH của môi trường, sinh vật được chia thành 3 nhóm: ưa axit, ưa kiềm và ưa pH trung tính. Vi sinh vật cũng thường tiết ra các chất thay đổi độ pH của môi trường.

Ánh sáng có tác động đến sự hình thành bào tử sinh sản, tổng hợp các sắc tố, chuyển động hướng sáng,... Vi khuẩn quang hợp cần năng lượng ánh sáng để quang hợp. Bức xạ ánh sáng cũng có thể ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật. Thật vậy, tia tử ngoại với độ dài sóng 250 - 260 nm có thể làm biến tính axit nucleic, tia gamma làm ion hóa các protein và axit nucleic dẫn đến đột biến hoặc gây chết tế bào vi sinh vật.

Độ ẩm là yếu tố quan trọng khác đối với vi sinh vật. Hàm lượng nước trong môi trường quyết định độ ẩm mà nước là dung môi của các khoáng chất dinh dưỡng, là yếu tố hóa học tham gia vào các quá trình thủy phân các chất. Vi khuẩn đòi hỏi độ ẩm cao, mỗi loài vi sinh vật sinh trưởng trong một độ ẩm nhất định. Yếu tố độ ẩm có thể dùng để khống chế sự sinh trưởng của từng nhóm vi sinh vật.

Áp suất thẩm thấu được gây nên bởi sự chênh lệch nồng độ giữa hai bên màng sinh chất. Khi đưa vi sinh vật vào môi trường ưu trương thì nước trong tế bào bị rút ra ngoài bởi vì các phân tử nước tự do di chuyển từ môi trường nhược trương sang môi trường ưu trương, gây co nguyên sinh, khiến chúng không phân chia được. Môi trường ưu trương là môi trường có nồng độ chất tan lớn hơn và ngược lại, môi trường nhược trương là môi trường có nồng độ chất tan nhỏ hơn. Trong ví dụ trên, môi trường bên ngoài là môi trường ưu trương thì có nồng độ chất tan lớn hơn môi trường bên trong tế bào vi sinh vật, có nghĩa môi trường bên trong tế bào lúc này là môi trường nhược trương.

Về chất dinh dưỡng, các chất hữu cơ như cacbohiđrat, protein, lipit,... và các chất vô cơ chứa các nguyên tố vi lượng như Zn, Mn,... có vai trò quan trọng trong việc hoạt hóa enzim, quá trình hóa thẩm thấu,... Các chất hữu cơ khác như vitamin, axit amin,... với hàm lượng rất ít nhưng vô cùng cần thiết cho sự sinh trưởng của vi sinh vật, tuy nhiên, chúng không thể tự tổng hợp được những chất đó từ các chất vô cơ, ta gọi là những chất đó là nhân tố sinh trưởng. Dựa vào khả năng tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng, vi sinh vật được chia làm 2 loại, gồm vi sinh vật nguyên dưỡng (vi sinh vật tự tổng hợp các nhân tố sinh trưởng) và vi sinh vật khuyết dưỡng (vi sinh vật không tự tổng hợp được các nhân tố sinh trưởng). Ta có thể ứng dụng vi sinh vật khuyết dưỡng vào việc kiểm tra an toàn thực phẩm.

Về chất ức chế, chúng thường được dùng để ức chế sự sinh trưởng của vi sinh vật. Các loại cồn làm thay đổi khả năng cho lipit đi qua ở màng sinh chất, do đó được dùng để thanh trùng. Các hợp chất phênol làm biến tính protein và các loại màng tế bào, có thể dùng để khử khuẩn. Iôt làm oxi hóa các thành phần tế bào nên có thể dùng để diệt khuẩn, tẩy trùng trong bệnh viện. Kim loại nặng như thủy ngân, bạc gắn vào nhóm SH của protein làm chúng bất hoạt nên có thể ứng dụng trong việc diệt bào tử đang nảy mầm, các thể sinh trưởng. Các chất kháng sinh có khả năng diệt khuẩn có tính chọn lọc nên được áp dụng rộng rãi trong Y học.

Kháng sinh là một loại chất kháng khuẩn, do đó nó có khả năng chống lại vi khuẩn và là loại chất kháng khuẩn quan trọng nhất dùng trong đối phó nhiễm khuẩn. Nó là thuốc tiêu diệt hoặc kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn, từ đó giảm đáp ứng viêm gây ra bởi vi khuẩn. Kháng sinh có tác dụng khác nhau trên từng loại vi khuẩn, một số kháng sinh có tác dụng trên nhiều chủng vi khuẩn được gọi là kháng sinh phổ rộng, một số loại khác tác dụng trên một số chủng vi khuẩn nhất định được gọi là kháng sinh phổ hẹp. [2]

Kháng sinh là một bước đột phá trong Y học hiện đại, là cuộc cách mạng cứu sống được hàng triệu người. Chất kháng sinh tự nhiên đầu tiên được khám phá là penicillin bởi nhà dược lý học người Scotland Alexander Fleming vào năm 1928. Năm 1938, penicillin được nhà hoá sinh người Anh gốc Đức Ernst Boris Chain và nhà nghiên cứu bệnh học Úc Howard Florey nghiên cứu kỹ. Vào năm 1945, cả ba vị được trao giải Nobel Y sinh vì “đã phát hiện ra penicillin và những tác dụng chữa trị của nó đối với nhiều bệnh nhiễm trùng”. Giải Nobel Y sinh là giải thưởng danh giá bậc nhất của ngành Y học và Sinh học, tên đầy đủ của giải thưởng là giải Nobel Y học hoặc Sinh lý học, tôi lấy chữ “y” trong Y học (Medicine) và chữ “sinh” trong Sinh lý học (Physiology) để gọi tắt tên giải.

Penicillin thường được dùng để chỉ benzylpenicillin (penicillin G), procaine benzylpenicillin (procaine penicillin), benzathine benzylpenicillin (benzathine penicillin), và phenoxymethylpenicillin (penicillin V). Penicillin được chiết xuất chủ yếu từ nấm Penicillium chrysogenum.

Lõi penam là thuật ngữ để chỉ khung chính thông thường của penicillin, nó có công thức phân tử R-C9H11N2O4S, với R là một nhóm bất kỳ. Lõi penam có khối lượng phân tử 243 g/mol, với các penicillin lớn hơn thì khối lượng phân tử gần 450 g/mol như cloxacillin có khối lượng phân tử 436 g/mol. Đặc điểm cấu trúc chính của các penicillin là vòng β-lactam có 4 nhóm; cấu trúc moiety này cần thiết cho tính kháng khuẩn của penicillin. Vòng β-lactam tự gắn kết với vòng thiazolidine có 5 nhóm khác. Sự kết hợp của 2 vòng này làm cho vòng β-lactam hoạt động hơn so với từng vòng β-lactam riêng biệt vì các vòng được kết hợp bóp méo liên kết amide của β-lactam và do đó loại bỏ sự bền vững cộng hưởng của liên kết hóa học thường được tìm thấy trong các liên kết. [3]

Kháng sinh dùng để điều trị các bệnh lý gây ra bởi vi khuẩn, ví dụ như: viêm xoang, nhiễm khuẩn răng, nhiễm khuẩn da mô mềm, viêm màng não, nhiễm khuẩn đường niệu, nhiễm khuẩn hô hấp trên, nhiễm khuẩn hô hấp dưới,... Các bệnh lý cảm, cảm cúm, ho, đau họng, viêm phế quản thường gây ra bởi virus, và trong trường hợp này, việc dùng thuốc kháng sinh sẽ không có hiệu quả. Kháng sinh thường có tác dụng phụ trên hệ tiêu hóa vì thuốc diệt cả vi khuẩn có lợi trong đường ruột. Tác dụng phụ hay gặp là nôn ói, tiêu chảy, khó tiêu, đau bụng,... Ngoài ra, một số kháng sinh có tác dụng phụ trên các hệ cơ quan khác như thần kinh, tim mạch, hệ tạo máu, hệ tiết niệu, đặc biệt trong trường hợp dùng thuốc quá liều cho phép. Việc lạm dụng kháng sinh đã dẫn đến một hiện tượng vô cùng nghiêm trọng, đe dọa sức khỏe và tính mạng của con người, đó là kháng kháng sinh.

Việc sử dụng kháng sinh không phù hợp dẫn đến đề kháng kháng sinh, do vi khuẩn được “huấn luyện” và tự phát sinh các khả năng chống lại thuốc, cơ chế thế nào tôi sẽ giải thích kỹ hơn ở phần “3. Nguyên nhân”. Lúc này, kháng sinh sẽ không còn hiệu quả diệt khuẩn. Do đó, người bệnh cần phải được chữa trị bằng loại kháng sinh mạnh hơn, phổ rộng hơn. Ngoài ra, khi vi khuẩn trở nên “siêu kháng thuốc” (antibiotic resistance) thì sẽ không còn kháng sinh nào có tác dụng. Người bệnh khi này chỉ còn có thể chờ “thăng thiên” và cầu nguyện cho điều tốt đẹp nhất xảy đến với mình vì đã không còn loại thuốc điều trị phù hợp nào nữa.

Theo báo cáo của CDC, vào năm 2019, ước tính có 2.868.700 ca nhiễm liên quan đến vi khuẩn siêu kháng thuốc, với 35.900 ca tử vong ở Mỹ [4]. Đặc biệt nguy hiểm là loài Clostridioides difficile với 223.900 ca nhiễm và 12.800 ca tử vong ở Mỹ. Độc tố được sản xuất bởi các chủng Clostridioides difficile trong đường tiêu hóa gây ra viêm đại tràng giả mạc. Các triệu chứng là tiêu chảy, đôi khi có máu, hiếm khi tiến triển đến nhiễm khuẩn huyết và triệu chứng bụng cấp. Khi nhiễm trùng diễn tiến đến mức độ nghiêm trọng có thể cần đến sự can thiệp của các biện pháp điều trị khác như dùng men vi sinh probiotics hay tiến hành phẫu thuật cắt bỏ phần đại tràng bị viêm. Như danh sách trên ta có thể thấy được các cấp độ nguy hiểm, từ “khẩn cấp” (urgent), “nghiêm trọng” (serious), “quan ngại” (concerning) và “đang theo dõi” (watch list).

Không chỉ ở Mỹ, như tôi đã nhắc ở trên, Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã xếp Việt Nam vào nhóm các nước có tỉ lệ kháng kháng sinh cao nhất thế giới. Từ năm 2009 đến nay, số lượng thuốc kháng sinh ở Việt Nam bán ra ngoài cộng đồng đã tăng gấp 2 lần, có tới 88% kháng sinh tại thành thị được bán ra mà không cần kê đơn, ở nông thôn tỉ lệ lên đến 91%. Tỷ lệ kháng kháng sinh ở Việt Nam chiếm 40%, đứng thứ 4 về tỷ lệ kháng thuốc ở các nước tại châu Á - Thái Bình Dương. Nghiên cứu tại Bệnh viện Bệnh Nhiệt đới TP. HCM cho thấy đã xuất hiện một vài trường hợp kháng cả Colistin - kháng sinh thế hệ mới nhất. Mỗi năm, khoảng 700.000 người tử vong trên toàn cầu vì kháng thuốc kháng sinh. Con số này có thể tăng lên đến 10 triệu người vào năm 2050 nếu thế giới không hành động mạnh mẽ. Theo WHO, tình trạng kháng thuốc kháng sinh là “một trong những mối đe dọa y học lớn nhất trong thời đại của chúng ta”. Điều này có thể khiến loài người không còn khả năng tự bảo vệ trước các bệnh nhiễm trùng mà ngày nay có thể dễ dàng chữa trị. [5]

Nhìn chung, các nhà khoa học đưa ra ba nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng kháng kháng sinh.

Thứ nhất, vi khuẩn có cách để làm hạn chế việc xâm nhập của các kháng sinh vào bên trong tế bào vi khuẩn, dẫn đến kháng sinh sẽ ít có cơ hội tác động để tiêu diệt chúng. Vi khuẩn có thể gia tăng củng cố các màng bảo vệ của chúng ví dụ như màng ngoài (outer membrane) ở các vi khuẩn gram âm hoặc sử dụng các bơm đẩy từ bên trong tế bào để bơm kháng sinh ra ngoài như ở trực khuẩn mủ xanh (nếu như kháng sinh đã lọt vào trong tế bào vi khuẩn). Có thể hiểu là vi khuẩn chống chọi bằng cách “mặc áo giáp” và “dùng bơm công suất lớn” đẩy kháng sinh ra ngoài. Phần lớn vi khuẩn gram âm sống ở đại tràng của người đều có cơ chế này để kháng lại các kháng sinh nhóm β-lactam.

Thứ hai, vi khuẩn che chắn hoặc làm biến đổi hoặc làm mất hiệu lực của kháng sinh. Hiện tượng này là do nguồn gốc từ các đột biến gen trên nhiễm sắc thể hoặc plasmid bên trong tế bào vi khuẩn. Đối với nhóm kháng sinh β-lactam, muốn tiêu diệt vi khuẩn thì kháng sinh này phải bám vào được các đích tác động đó là các PBP (protein gắn penicillin). Việc giảm ái lực của các PBP với các thuốc nhóm β-lactam có thể do đột biến gen ở nhiễm sắc thể, hoặc do mắc phải gen bên ngoài có các PBP mới thông qua các plasmid. Sự đột biến gen để biến đổi vị trí gắn của kháng sinh ở tiểu đơn vị ribôxôm đích bên trong tế bào vi khuẩn dẫn đến giảm hoạt tính của các kháng sinh. Sự biến đổi này làm cho kháng sinh không đủ khả năng ức chế tổng hợp protein cũng như sự tăng trưởng của vi khuẩn. Sự đột biến gen mã hóa cho men DNA-gyrase gây ra đề kháng quinolone. DNA-gyrase là men cần thiết cho hoạt tính của các quinolone. Chúng ta có thể thấy vi khuẩn sử dụng các yếu tố sinh học (các đột biến gen) để làm mất tác dụng của kháng sinh. Cơ chế này thường gặp với các cầu khuẩn gram dương, nhưng rất hiếm gặp ở vi khuẩn gram âm.

Thứ ba, vi khuẩn sản xuất ra enzim phá hủy cấu trúc các kháng sinh. Hiện tượng tổng hợp nên các enzim phân huỷ kháng sinh là một hiện tượng rõ nét ở vi khuẩn tụ cầu vàng và các vi khuẩn đường ruột. Ở tụ cầu vàng, chúng thường tổng hợp nên các men β-lactamase bẻ gãy vòng lactam của các kháng sinh nhóm β-lactam. Ở các vi khuẩn đường ruột chủ yếu là sản xuất ra các men β-lactamase phổ rộng (ESBL). Với các chủng sinh ESBL này vi khuẩn có thể kháng lại được hầu hết các kháng sinh β-lactam trừ một số kháng sinh mới và đắt tiền như imipenem, meronem,…

Kháng kháng sinh dẫn đến các bệnh gây ra bởi vi khuẩn như viêm phổi, bệnh lao hoặc nhiễm trùng nhẹ có thể trở nên vô phương cứu chữa. Nhiễm trùng do vi khuẩn kháng thuốc có thể kháng với nhiều hơn một loại kháng sinh, trong khi rất ít thuốc kháng sinh mới đang được phát triển. Đó là mối nguy hại đặc biệt nghiêm trọng cho sức khỏe và tính mạng của con người, khiến chúng ta không còn khả năng tự bảo vệ trước các bệnh nhiễm trùng mà vốn dĩ có thể dễ dàng chữa trị.

Để ngăn chặn tình trạng này, mỗi người chúng ta cần nâng cao nhận thức và hiểu biết về Sinh học. Cần phải tạo thói quen tuân thủ đơn thuốc của bác sĩ, không tự ý mua kháng sinh về dùng cho bất cứ ai. Chỉ uống thuốc đúng theo đơn bác sĩ, luôn uống đủ liều lượng đã được kê, không bỏ dở nửa chừng, ngay cả khi cảm thấy bệnh đã đỡ nhiều. Không dùng thuốc kháng sinh thừa từ lần sử dụng trước, không chia sẻ thuốc kháng sinh trong toa thuốc đang dùng cho người khác uống. Các nhà thuốc cũng phải có trách nhiệm thông tin đến người mua, không tự ý bán thuốc một cách bừa bãi.