Nhắc đến sức khỏe xương khớp, phần lớn mọi người thường chỉ nghĩ đến việc bổ sung canxi và vitamin D. Tuy nhiên, nhiều người dù đã uống sữa hay bổ sung canxi đều đặn nhưng khung xương vẫn yếu, dễ giòn gãy hoặc trẻ em chậm phát triển chiều cao mà không rõ lý do.

Thực tế, hệ thống khung xương không chỉ được cấu tạo từ các tinh thể khoáng chất mà cần một mạng lưới protein hữu cơ nền tảng, trong đó collagen loại I chiếm phần lớn để tạo nên độ dẻo dai. Kẽm đóng vai trò là một yếu tố đồng hóa thiết yếu và là đồng yếu tố kích hoạt enzym phosphatase kiềm (ALP) cùng các chu trình sinh tổng hợp, do đó khi cơ thể thiếu hụt kẽm, quá trình sản xuất mạng lưới collagen xương sẽ bị đình trệ nghiêm trọng, kéo theo sự suy giảm chất lượng toàn bộ cấu trúc xương.

Bộ khung xương và sự thật ít biết về vai trò của vi chất kẽm

Nhiều người lầm tưởng xương là một khối vô cơ cố định, nhưng thực chất xương là một mô sống liên tục diễn ra quá trình tạo xương mới và hủy xương cũ. Kẽm là một thành phần tự nhiên của xương, trực tiếp tham gia vào chu trình luân chuyển và chuyển hóa chất nền này [1]. Các bằng chứng từ nghiên cứu trong ống nghiệm lẫn trên sinh vật sống đều khẳng định kẽm hoạt động như một yếu tố đồng hóa, kích thích quá trình tạo xương và ức chế sự tiêu biến xương, giúp gia tăng khối lượng xương tổng thể [1].

Để hình thành nên các nốt xương chắc khỏe, hai tiến trình sinh học chính phải diễn ra nhịp nhàng: sự biệt hóa của tế bào tạo xương (nguyên bào xương) thông qua việc biểu hiện các gen chỉ dấu xương đặc hiệu, và sự khoáng hóa chất nền ngoại bào bằng cách lắng đọng canxi [2]. Nếu thiếu đi kẽm, cả hai mắt xích sống còn này đều bị gián đoạn, khiến các tế bào xương không thể hoàn thiện cấu trúc [2].

Thiếu kẽm ức chế gen tạo xương và làm chậm quá trình biệt hóa

Ở cấp độ phân tử, quá trình biệt hóa nguyên bào xương chịu sự kiểm soát chủ yếu của yếu tố phiên mã đặc hiệu cho xương là Runx2 [2]. Một nghiên cứu thực nghiệm trên dòng tế bào nguyên bào xương MC3T3-E1 đã sử dụng chất tạo phức chelate TPEN với nồng độ 5 micromol/L để mô phỏng trạng thái thiếu kẽm nghiêm trọng ở mức 1 micromol/L, so sánh với môi trường sinh xương chuẩn hoặc môi trường đủ kẽm ở mức 15 micromol/L [2].

Kết quả ghi nhận tình trạng thiếu kẽm làm suy giảm biểu hiện của hàng loạt gen chỉ dấu xương quan trọng bao gồm collagen loại I, osteopontin, alkaline phosphatase, osteocalcin và thụ thể hormon cận giáp sau cả 5 ngày ở giai đoạn tăng sinh và 15 ngày ở giai đoạn trưởng thành chất nền [2]. Cơ chế của hiện tượng này bắt nguồn từ việc thiếu kẽm làm giảm lượng protein Runx2 trong nhân và giảm lượng bản sao phiên mã của Runx2 [2].

Không chỉ làm suy giảm về lượng, thiếu hụt kẽm còn làm chậm trễ thời điểm đạt đỉnh của Runx2 mRNA và protein nhân ngay trong 24 giờ đầu tiên của quá trình biệt hóa [2]. Sự trì hoãn và sụt giảm biểu hiện của yếu tố phiên mã này chính là lời giải thích sinh học thỏa đáng cho hiện tượng chậm phát triển hệ xương khi cơ thể không được cung cấp đầy đủ kẽm [2].

Mối liên hệ mật thiết giữa kẽm và enzym phosphatase kiềm (ALP)

Alkaline phosphatase (phosphatase kiềm - ALP) là một enzym xương chủ chốt tham gia xúc tác giải phóng gốc phosphat vô cơ (Pi), mở đường cho quá trình lắng đọng canxi phosphat vào khung sợi hữu cơ [3]. Kẽm chính là yếu tố kích hoạt không thể tách rời của enzym này, tác động trực tiếp đến khả năng tổng hợp collagen và hoạt lực của ALP [1].

Khi nồng độ kẽm bị rút cạn xuống mức 1 micromol/L trong thí nghiệm kéo dài đến 20 ngày trên hai dòng phụ tế bào MC3T3-E1 (gồm dòng biệt hóa cao SC 4 và dòng biệt hóa thấp SC 24), hoạt tính của enzym ALP trong cả dịch nuôi cấy lẫn lớp tế bào đều sụt giảm rõ rệt [3]. Sự suy giảm hoạt tính ALP này dẫn tới việc tích tụ phosphat vô cơ bị giảm sút theo phép nhuộm von Kossa, đồng thời lượng canxi lắng đọng đo bằng phương pháp nhuộm Alizarin red S cũng giảm mạnh [3].

Đáng chú ý, khi nuôi cấy phôi chi trước của chuột ở ngày thai thứ 16, các mẫu nằm trong môi trường thiếu kẽm có hoạt tính enzym phosphatase kiềm giảm sút, chất nhiễm sắc trong tế bào bị co cụm, màng tế bào nứt vỡ và chất nền xương bị biến mất [4]. Ngược lại, nhóm duy trì nồng độ kẽm thích hợp ở mức 45 micromol/L và 70 micromol/L ghi nhận hoạt tính enzym này gia tăng mạnh mẽ, thúc đẩy tạo xương tích cực hơn, chất nền bắt màu đậm hơn và hình thành nhiều bè xương hơn [4]. Tuy nhiên, việc phơi nhiễm với nồng độ kẽm quá cao ở mức 120 micromol/L cũng làm suy giảm hoạt tính enzym và gây tổn hại mô xương tương tự như khi thiếu hụt [4].

Collagen xương suy giảm nghiêm trọng khi cơ thể thiếu hụt kẽm

Collagen loại I đóng vai trò như giàn giáo chịu lực, giúp khung xương có độ đàn hồi và chịu được lực uốn cong trước các va chạm cơ học. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh rằng tình trạng thiếu kẽm ảnh hưởng sâu sắc đến cả con đường sinh tổng hợp lẫn thoái giáng của tất cả các dạng collagen trong cơ thể [5].

Nghiên cứu trên mô hình gà con cho thấy những dấu hiệu thiếu kẽm xuất hiện rất sớm, chỉ sau 8 ngày áp dụng chế độ ăn nghèo kẽm [6]. Những cá thể này bị dị tật xương chày và sụt giảm hoạt tính enzym phosphatase kiềm rõ rệt [6]. Quá trình chuyển hóa collagen xương bị rối loạn nghiêm trọng, thể hiện qua việc giảm mạnh tốc độ tổng hợp và luân chuyển collagen [6]. Cụ thể, thời gian bán luân chuyển của collagen xương chày đã bị kéo dài từ mức bình thường là 13 ngày ở nhóm đối chứng lên tới 35 ngày ở nhóm thiếu kẽm [6]. Bên cạnh đó, hoạt tính của enzym collagenase tại xương chày cũng giảm từ 40% đến 80%, làm chậm chu trình làm mới sợi collagen tự nhiên và trực tiếp gây ra các biến dạng xương chân ở gà con [6].

Một phát hiện quan trọng khác chỉ ra rằng dù axit ascorbic (vitamin C) là dưỡng chất thiết yếu cho quá trình tạo collagen, việc bổ sung vitamin C với liều 50 microgram/mL cũng không thể bù đắp hay cứu vãn được những tổn hại trên chất nền ngoại bào do tình trạng thiếu kẽm gây ra [3]. Điều này khẳng định kẽm giữ vai trò độc lập và then chốt, không thể thay thế trong việc định hình mạng lưới collagen xương [3].

Khoa học thực nghiệm nói gì về tác động bổ sung kẽm?

Trái ngược với tình trạng thiếu hụt, việc cung cấp đầy đủ kẽm cho thấy những tác động tích cực rõ ràng lên việc tăng sinh tế bào và củng cố chất nền. Khảo sát trên xương chày tách từ phôi gà 19 ngày tuổi được nuôi cấy trong 48 giờ cho thấy, việc bổ sung kẽm với nồng độ từ 25 đến 200 g/dL đã làm gia tăng hoạt tính phosphatase kiềm theo mức phụ thuộc liều lượng [7]. Đi kèm với đó là sự gia tăng đưa phân tử proline vào protein xương cũng như tăng cường phản ứng oxy hóa sau dịch mã từ proline thành peptidyl hydroxyproline – bước then chốt để tạo sợi collagen hoàn chỉnh [7]. Khi các nhà khoa học sử dụng chất bắt giữ kẽm là axit 2,6-pyridine dicarboxylic, mọi tác động kích thích này đều bị triệt tiêu hoàn toàn [7]. Việc bổ sung kẽm cũng làm gia tăng hàm lượng DNA và tốc độ nhân đôi DNA tế bào xương tương ứng với mức tăng của hoạt tính ALP và tổng hợp hydroxyproline, chứng minh kẽm thúc đẩy sự phân chia tế bào xương [7].

Tương tự, khi tế bào MC3T3-E1 được nuôi cấy với các liều lượng kẽm tăng dần, nồng độ collagen nội bào đạt mức cao nhất ở mốc 10 ngày tại nồng độ can thiệp kẽm cao nhất là 25 mM [5]. Nồng độ collagen tiết ra môi trường cũng thể hiện sự kích thích phụ thuộc vào lượng kẽm ngay từ ngày đầu tiên, thúc đẩy quá trình tích lũy chất nền xương và sự trưởng thành của nguyên bào xương [5].

Tuy nhiên, không phải mọi mô hình tế bào đều phản ứng đồng nhất với nồng độ kẽm bổ sung tự do. Một thử nghiệm trên tế bào mô đệm tủy xương của chuột kéo dài đến 3 tuần với nồng độ kẽm cơ bản 3 x 10^-6 M hoặc bổ sung thêm 1 x 10^-5 M và 4 x 10^-5 M lại không tìm thấy sự thay đổi có ý nghĩa thống kê về số lượng tế bào, hoạt tính ALP, tổng protein, mức tổng hợp collagen hay mức độ khoáng hóa chất nền [8]. Kết quả này cho thấy kẽm có thể phát huy tác dụng rõ rệt nhất khi được tích hợp trong cấu trúc vật liệu sinh học hoặc hoạt động trong môi trường mô sinh lý chuyên biệt, thay vì chỉ tăng nồng độ ion kẽm đơn thuần trong dịch nuôi tế bào tiền thân [8].

Nguy cơ từ sự thiếu hụt kẽm trên lâm sàng và những hiểu lầm thường gặp

Nhiều người thường chỉ chú ý đến canxi mà bỏ quên kẽm, dẫn đến nguy cơ loãng xương âm thầm tiến triển mà không được kiểm soát. Trên thực tế lâm sàng, tình trạng thiếu hụt kẽm xuất hiện rất phổ biến ở các bệnh nhân mắc bệnh lý đường tiêu hóa mạn tính [1].

Điển hình ở bệnh nhân viêm ruột (IBD), tình trạng thiếu kẽm được phát hiện ở 35% đối tượng trẻ em và thanh thiếu niên ngay tại thời điểm chẩn đoán bệnh [1]. Thậm chí, việc bổ sung vi chất này trong suốt một năm cũng không thể cải thiện được nồng độ kẽm ở toàn bộ bệnh nhân [1]. Đối với người trưởng thành mắc bệnh viêm ruột, có tới 68% bệnh nhân bị sụt giảm nồng độ kẽm dưới mức tiêu chuẩn thông thường là 10-17 mmol/L [1]. Một nghiên cứu phân tích gộp cũng khẳng định nồng độ kẽm huyết thanh ở người mắc các bệnh tự miễn thấp hơn đáng kể so với nhóm đối chứng khỏe mạnh [1].

Hậu quả của việc thiếu kẽm kéo dài đối với mật độ xương đã được chứng minh qua nhiều số liệu dịch tễ học rõ ràng [1]:

  • Tỷ số chênh (odds ratio) mắc bệnh loãng xương đốt ngón tay ở nhóm người có mức tiêu thụ kẽm thấp nhất (tứ phân vị 1) cao hơn hẳn so với những nhóm tiêu thụ kẽm ở các mức cao hơn [1].
  • Lượng kẽm ăn vào có mối tương quan nghịch với nguy cơ loãng xương đốt ngón tay ở toàn bộ quần thể nói chung và đặc biệt ở nam giới [1].
  • Nam giới bị loãng xương ở cột sống thắt lưng và cổ xương đùi có lượng tiêu thụ kẽm cũng như nồng độ kẽm huyết thanh thấp hơn so với nhóm đối chứng không bị loãng xương [1].
  • Mật độ khoáng xương (BMD) tại cổ xương đùi, cột sống thắt lưng và vùng đầu xa xương cổ tay thấp hơn rõ rệt ở nhóm có nồng độ kẽm huyết tương thuộc nhóm thấp nhất [1].
  • Nồng độ kẽm huyết thanh ở phụ nữ loãng xương, đặc biệt là nhóm phụ nữ sau mãn kinh, giảm đi rõ rệt khi so sánh với những phụ nữ chỉ bị giảm mật độ xương nhẹ (thiếu xương) hoặc có khối lượng xương hoàn toàn bình thường [1].

Một hiểu lầm rất phổ biến là chỉ cần uống thật nhiều canxi hoặc vitamin C thì cơ thể sẽ tự bù đắp được sự thiếu hụt mạng lưới xương [3]. Tuy nhiên, nếu thiếu kẽm, enzym ALP không thể hoạt hóa tối ưu và chuỗi collagen không thể tổng hợp bình thường, khiến canxi không có chỗ bám trụ vững chắc trong chất nền [2], [3].

Ai cần đặc biệt thận trọng và giải pháp bổ sung kẽm an toàn, hợp lý

Những nhóm đối tượng có nguy cơ cao thiếu kẽm bao gồm người mắc các bệnh tự miễn, bệnh nhân viêm ruột mạn tính (Crohn, viêm loét đại tràng), người ăn chay trường nghiêm ngặt và phụ nữ sau mãn kinh [1]. Đáng lưu ý, nhiều người bệnh tiêu hóa thường phải kiêng các loại hạt, đậu và ngũ cốc nguyên hạt do xuất hiện các triệu chứng khó chịu ở đường tiêu hóa sau khi ăn, khiến nguồn nạp vi chất kẽm từ thực phẩm càng trở nên hạn hẹp [1].

Nguồn cung cấp kẽm chính trong chế độ ăn uống hằng ngày đến từ các loại thịt động vật, các loại hạt hạch, đậu và sản phẩm từ ngũ cốc nguyên hạt [1]. Mặc dù thực vật có chứa kẽm, khả năng hấp thu kẽm từ các nguồn thực vật vào cơ thể lại thấp hơn đáng kể so với nguồn thực phẩm từ động vật [1].

Do đó, người dân nên xây dựng một thực đơn đa dạng:

  • Ưu tiên các loại thịt nạc, hải sản và kết hợp hợp lý các loại đậu, hạt ngâm nở để giảm bớt axit phytic nhằm tăng khả năng hấp thu.
  • Khi nghi ngờ cơ thể thiếu vi chất hoặc nằm trong nhóm nguy cơ cao, người bệnh nên đến các cơ sở y tế để được xét nghiệm máu, đánh giá nồng độ kẽm huyết thanh thay vì tự ý mua các loại viên uống kẽm liều cao [1].
  • Cần thận trọng tránh bổ sung kẽm quá liều kéo dài mà không có chỉ định từ bác sĩ, bởi dữ liệu thực nghiệm đã cảnh báo rằng việc dư thừa kẽm ở nồng độ cao cũng có thể làm ức chế enzym phosphatase kiềm và gây hủy hoại chất nền xương tương tự như khi thiếu hụt [4].

Tóm lại, kẽm là mắt xích thiết yếu tham gia điều hòa biểu hiện gen Runx2, thúc đẩy hoạt tính của enzym phosphatase kiềm và duy trì tốc độ tổng hợp mạng lưới collagen xương [2], [3], [1]. Một chế độ dinh dưỡng cân bằng, cung cấp đầy đủ đạm, khoáng chất kết hợp với việc kiểm tra sức khỏe định kỳ sẽ giúp bạn bảo vệ khung xương vững chắc một cách toàn diện và bền vững.