Cây cóc kèn (Derris elliptica) từ lâu được dùng dân gian để trừ sâu hoặc đánh bắt cá do chứa hàm lượng rotenoid cao, trong đó thành phần chính là rotenone. Nhiều người lầm tưởng nguồn gốc thực vật đồng nghĩa tuyệt đối an toàn. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh rotenone tác động độc hại sâu sắc lên tế bào thần kinh động vật.

Liệu hoạt chất tự nhiên này tác động thế nào đến não bộ? Các thử nghiệm chỉ ra cơ chế tổn thương ty thể, stress oxy hóa và nguy cơ thoái hóa thần kinh dạng Parkinson.

Bản chất rotenone và con đường xâm nhập não bộ

Rotenone là hợp chất tự nhiên thuộc nhóm rotenoid, trước đây được ứng dụng phổ biến làm thuốc trừ sâu hữu cơ [1]. Tuy nhiên, tác dụng phụ nghiêm trọng đối với các loài không chủ đích là độc tính thần kinh [1].

Chất này có tính kỵ nước rất cao [2]. Nhờ đặc tính thân mỡ đó, rotenone dễ dàng vượt qua hàng rào máu não để xâm nhập thẳng vào mô thần kinh trung ương [2]. Khi vào trong tế bào, hoạt chất gây rối loạn chức năng ty thể và thúc đẩy tạo gốc tự do oxy hóa [2].

Điểm đáng chú ý, rotenone không phụ thuộc vào chất vận chuyển dopamine (DAT) để xâm nhập tế bào, do đó nó có thể kích hoạt tổn thương ty thể ở cả các hệ thống tế bào không chứa dopamine [2]. Dù tác động rộng, độc tính thực tế lại đặc biệt chọn lọc trên các tế bào thần kinh tiết dopamine [2].

Cơ chế phá hủy tế bào thần kinh qua phức hợp I ty thể

Ty thể đóng vai trò trạm cung cấp năng lượng cho tế bào thông qua chuỗi truyền điện tử. Rotenone hoạt động bằng cách can thiệp vào chuỗi này, ức chế trực tiếp phức hợp hô hấp I (mitochondrial respiratory chain complex I) [3].

Khi phức hợp I bị ức chế, oxy trong tế bào bị khử thành các gốc tự do, tạo ra tình trạng stress oxy hóa nghiêm trọng [3]. Quá trình này kích hoạt stress oxy hóa, giảm khả năng tự thực (autophagy) và thúc đẩy tế bào chết theo chương trình (apoptosis) [1].

Ở cấp độ phân tử, nghiên cứu tế bào u nguyên bào thần kinh SK-N-SH cho thấy sự chết tế bào do rotenone đi kèm mất điện thế màng ty thể, giảm sút nồng độ ATP và cạn kiệt glutathione (GSH) [4]. Đồng thời, các yếu tố thúc đẩy chết tế bào như Bax, cytochrome c, caspase-3 và caspase-9 bị kích hoạt mạnh, trong khi yếu tố bảo vệ tế bào Bcl-2 bị ức chế rõ rệt [4]. Tích tụ ty thể tổn thương chính là nguồn phát sinh gốc tự do (ROS), dẫn đến thoái hóa tế bào thần kinh [3].

Bằng chứng tổn thương thần kinh trên mô hình gặm nhấm

Rotenone từ lâu được giới khoa học sử dụng làm chất kích hoạt bệnh lý để tạo mô hình bệnh Parkinson (PD) trên động vật [1, 4]. Bệnh Parkinson đặc trưng bởi sự mất dần các tế bào thần kinh dopaminergic ở vùng liềm đen (substantia nigra pars compacta - SNpc) và suy giảm dopamine tại thể vân [4].

Nghiên cứu trên chuột Lewis dùng bơm thẩm thấu mini dưới da truyền tĩnh mạch liên tục rotenone liều thấp ghi nhận hiện tượng thoái hóa thần kinh chọn lọc [2]. Chuột bị giảm biên độ nhịp nhiệt độ cơ thể trung tâm (CBT), suy giảm nhịp thức-ngủ, tương quan thuận với mức độ suy giảm vận động [2].

Tại Ấn Độ, nghiên cứu năm 2013 kiểm tra vai trò của gốc nitric oxide (NO) và hydroxyl (OH) trên chuột cống [5]. Sau 96 giờ dùng rotenone, tế bào SNpc chuột tăng biểu hiện enzyme tổng hợp nitric oxide cảm ứng (iNOS) và tăng nhuộm NADPH-diaphorase [5]. Sau 24 giờ, gốc OH tăng rõ rệt, glutathione cạn kiệt nghiêm trọng, kéo theo tăng hoạt tính enzyme superoxide dismutase và catalase trong dịch bào SNpc vào ngày thứ 5 [5]. Tình trạng này khiến chuột bị mất dopamine thể vân và sụt giảm lượng tế bào thần kinh miễn dịch tyrosine hydroxylase (TH) [5].

Năm 2020, nghiên cứu dùng mô hình tiêm rotenone đơn phương vào vùng liềm đen chuột C57BL/6 [6]. Độc chất gây rối loạn vận động rõ rệt trong các bài kiểm tra rotarod và cylinder test [6]. Phân tích mô học ghi nhận số lượng tế bào thần kinh TH-positive sụt giảm, kích hoạt vi tế bào đệm (Iba-1 microglia), đồng thời tăng mạnh biểu hiện các cytokine gây viêm (TNF-alpha, IL-1beta) và các gene stress lưới nội chất (ATF4, ATF6, XBP1, Grp78, CHOP) ở não giữa [6]. Dù vậy, mô hình rotenone có độ nhạy biến thiên cao giữa các cá thể và dễ gây nhiễm độc toàn thân diện rộng [2].

Vì sao tế bào dopaminergic đặc biệt nhạy cảm?

Dù ức chế ty thể khắp cơ thể, rotenone gây thoái hóa chọn lọc mạnh nhất tại tế bào thần kinh dopaminergic vùng liềm đen và thể vân [4, 7].

Nguyên nhân một phần do các tế bào thần kinh vùng SNpc vốn có độ nhạy cảm tự nhiên cao hơn trước các tổn thương ty thể [2]. Ngoài ra, nghiên cứu năm 2003 chỉ ra vai trò của chính dopamine nội sinh [7]. Tiếp xúc rotenone nồng độ cao trong thời gian ngắn làm giảm sức sống của cả tế bào dopaminergic lẫn non-dopaminergic [7].

Tuy nhiên, khi xử lý kéo dài với rotenone nồng độ thấp, độc tính lại diễn ra có chọn lọc trên tế bào dopaminergic [7]. Tác động này được giảm nhẹ khi dùng alpha-methyl-p-tyrosine (chất ức chế tyrosine hydroxylase, ngăn tổng hợp dopamine) hoặc chất giả lập superoxide dismutase [7]. Điều đó chứng minh sự kết hợp giữa gốc tự do superoxide và dopamine nội sinh là nguồn cơn thúc đẩy tế bào thần kinh tự thoái hóa [7].

Phân tích proteomics bằng kỹ thuật SILAC trên tế bào dopaminergic (MES) tiếp xúc rotenone xác định được 110 trong số 950 protein ty thể bị biến đổi biểu hiện đáng kể, làm xáo trộn sâu sắc cân bằng nội môi tế bào [8].

Dữ liệu dịch tễ: Cảnh báo phơi nhiễm thực tế từ thuốc trừ sâu

Mối liên hệ giữa rotenone và tổn thương não bộ không chỉ dừng lại trong phòng thí nghiệm. Bệnh Parkinson có cơ chế tổn thương đa phân tử, trong đó các khảo sát dịch tễ học lặp đi lặp lại việc phơi nhiễm chất ô nhiễm môi trường làm tăng nguy cơ mắc bệnh tự phát [3].

Một nghiên cứu của Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH) báo cáo mối liên hệ thuận mạnh mẽ giữa việc sử dụng rotenone và tỷ lệ mắc bệnh Parkinson ở những người làm việc tại nông trại [3]. Độc chất khi đưa vào cơ thể kích hoạt hàng loạt phản ứng sinh học đa hiệu (pleiotropic reaction), gây thoái hóa tế bào thần kinh tiến triển [3].

Điều này đập tan quan niệm rằng "chiết xuất thực vật" như từ rễ cây cóc kèn luôn lành tính. Việc tự ý khai thác cóc kèn làm thuốc diệt côn trùng gia dụng hoặc xử lý ao đầm tiềm ẩn nguy cơ phơi nhiễm chất độc thần kinh qua da hoặc đường hô hấp.

Hướng nghiên cứu giải trừ độc tính rotenone

Trước nguy cơ từ rotenone, nhiều nghiên cứu tập trung tìm kiếm các hoạt chất bảo vệ thần kinh:

  • Metformin: Cho chuột uống 50 mg/kg metformin mỗi ngày (từ 3 ngày trước tiêm rotenone và duy trì 4 tuần) giúp giảm rõ rệt chứng rối loạn vận động, bảo tồn số lượng tế bào thần kinh TH-positive, ức chế kích hoạt microglia và giảm các chỉ dấu viêm, stress lưới nội chất [6].
  • Chất ức chế NOS: Dùng 7-nitroindazole (ức chế chọn lọc NOS thần kinh) hoặc L-NAME (ức chế không chọn lọc NOS) đảo ngược tình trạng cạn kiệt dopamine thể vân và giảm tổn thương tế bào TH tại vùng SNpc chuột [5].
  • Hesperidin và các hợp chất tự nhiên: Flavanone từ quả chi cam chanh (hesperidin) giúp bảo vệ tế bào u nguyên bào thần kinh SK-N-SH nhờ khả năng chống oxy hóa, duy trì điện thế màng ty thể và ức chế chu trình chết tế bào [4]. Nhiều hợp chất tự nhiên khác cũng được ghi nhận khả năng tăng cường tự thực và dọn dẹp gốc tự do [1].

Ai cần thận trọng và cách phòng tránh nhiễm độc

Cây cóc kèn chứa nồng độ rotenone lớn trong rễ và thân. Nhóm đối tượng cần thận trọng gồm:

  • Nông dân, người nuôi trồng thủy sản: Tuyệt đối không dùng rễ cóc kèn giã tay, tạt ao tự do không có đồ bảo hộ. Tiếp xúc qua da hoặc hít phải bụi mịn dẫn đến nguy cơ rotenone thấm vào máu, vượt hàng rào máu não [2].
  • Người có tiền sử gia đình mắc bệnh thoái hóa thần kinh: Suy giảm chức năng ty thể là đặc điểm then chốt của bệnh Parkinson [3]. Tiếp xúc thêm độc chất ức chế phức hợp I dễ làm khởi phát bệnh sớm hơn.
  • Không tự ý dùng làm thuốc dân gian: Không sử dụng các bài thuốc truyền miệng dùng cóc kèn chữa bệnh ngoài da hay ký sinh trùng đường ruột trên người.

Nghiên cứu trên mô hình động vật khẳng định rotenone trong cóc kèn là chất độc thần kinh điển hình [3, 7]. Hợp chất gây suy kiệt năng lượng ty thể, làm chết chọn lọc tế bào sản xuất dopamine [4, 7]. Tránh phơi nhiễm rotenone từ nguồn thảo mộc tự nhiên là biện pháp cần thiết bảo vệ sức khỏe hệ thần kinh lâu dài.