Rober Koch: Người đặt nền móng cho ngành vi khuẩn học

Khi dịch COVID-19 bắt đầu xâm nhập vào nước Đức, Thủ Tướng Angela Merkel đã chủ trì cuộc họp với bộ trưởng y tế Đức và Viện nghiên cứu y sinh mang tên Robert Koch (RKI). Tại sao lại là RKI mà không phải là đơn vị nghiên cứu nào khác? Bởi vì đây là viện có những chuyên gia về vi khuẩn, virus hàng đầu thế giới, và Robert Koch chính là một trong những người đặt nền móng cho ngành học này từ cuối thế kỷ 19. Ví dụ điển hình nhất là ngày nay, để xác định vi khuẩn là nguyên nhân gây ra một loại bệnh nào đó thì tất cả các “nguyên tắc Koch” cần phải được thỏa mãn. Xin giới thiệu chân dung của ông, để hiểu hơn những nền tảng mà ông đặt ra cho nghiên cứu vi khuẩn học.

Căn bệnh bí ẩn

Vào những năm 1860, khi Robert Korch bắt đầu nghiên cứu y khoa thì những hiểu biết về vi khuẩn mới chỉ hết sức manh nha. Lúc đó, Louis Pasteur vừa phát hiện vi khuẩn là loài gây ra bệnh tật, Joseph Lister phát triển kỹ thuật phẫu thuật có khử trùng; và Jacob Henle, thầy dạy giải phẫu của Koch ở ĐH Göttingen danh tiếng của Đức mới đang bảo vệ cho ý tưởng “lý thuyết mầm bệnh” - contagium animatum, cho rằng bệnh tật là do các thực thể sống có khả năng truyền bệnh. Lý thuyết này đang là đề tài tranh luận sôi nổi bấy giờ, và vai trò của vi khuẩn trong bệnh truyền nhiễm vẫn chưa sáng rõ.

Cho nên, khi Robert Koch được được bổ nhiệm là viên chức y tế ở Wöllstein cũng là lúc ông bắt đầu điều tra về một vấn đề sức khỏe nổi cộm - bệnh than. Người ta cho rằng căn bệnh bí ẩn này bắt nguồn từ đất và các cánh đồng quen thuộc trở thành nơi nguy hiểm đối với vật nuôi ăn cỏ, nhưng điều đáng buồn là có quá ít hiểu biết về cấu trúc hình roi cũng như bản chất của căn bệnh đã giết chết 528 người và 56,000 vật nuôi chỉ trong vòng 4 năm này.

Koch đã thiết kế một nghiên cứu sử dụng chuột, lợn guinea, thỏ, chó, ếch và chim, và ông phát hiện khi truyền máu của một con cừu đã chết vì bệnh than cho một con chuột thì nó cũng chết vài ngày sau đó. Khi mổ xác con chuột, ông thấy các cấu trúc hình roi trong máu, hạch lympho và lách. Ông tiêm máu từ lách con chuột chết cho con chuột thứ hai cũng cho kết quả tương tự, cứ thế lặp lại qua hàng chục thế hệ. Koch đặt giả thuyết những “cái roi” là vi khuẩn sống, lây lan bằng cách kéo dài, thắt eo rồi tách làm đôi. Máu giàu vi khuẩn này mất khả năng gây bệnh sau vài ngày, nên điều này không thể giải thích sự nhiễm độc kéo dài của nguồn đất.

Koch phát triển kỹ thuật nuôi cấy nhân tạo cho phép ông quan sát sự thay đổi theo thời gian của vi khuẩn. Ông nhận thấy thủy dịch là môi trường nuôi cấy thích hợp vì sau khi tiêm dung dịch chứa vi khuẩn vào giác mạc thỏ, thủy dịch trong mắt chúng bị mờ đục. Ông cũng phát triển các kỹ thuật quan sát hiển vi mới lạ. Bằng cách bỏ một mẫu nhỏ mô lách nhiễm khuẩn vào một giọt thủy dịch chứa trong tấm lam dạng lõm, ông đã có thể quan sát vi khuẩn sinh sôi trong nhiều ngày. Ông có thể điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và thông khí cho mẫu vật nhờ đèn dầu, buồng ẩm, lồng ấp và dầu thực vật.

Ông phát hiện rằng trong điều kiện tối ưu - ấm, ẩm và thoáng khí, vi khuẩn sẽ to ra, kéo dài và kết sợi. Trên sợi nảy ra các nốt lớn dần thành các khối cầu, và vẫn tồn tại sau khi sợi tiêu biến. Khi dịch cấy khô đi và được bổ sung thêm thủy dịch, vi khuẩn trồi lên từ các khối cầu. Koch giả thuyết rằng các khối cầu là bào tử, hình thành vì gặp điều kiện khắc nghiệt. Dựa trên hiểu biết mới về vai trò của bào tử trong quá trình gây bệnh, Koch đề nghị các vật nuôi bị bệnh cần được đốt hoặc chôn dưới đất lạnh để ngăn sự hình thành bào tử.

Mặc dù các nhà khoa học thảo luận về “lý thuyết mầm bệnh” từ trước, nhưng Koch mới là người tìm được mối liên hệ cụ thể giữa một loài vi khuẩn với một bệnh tương ứng. Chính trong phòng thí nghiệm tạm bợ sau ngôi nhà riêng, ông là người đầu tiên làm sáng tỏ “chu trình sống” của trực khuẩn than. Ông trình bày thí nghiệm của mình với nhà thực vật học uy tín nhất nước Đức thời ấy, Ferdinand Cohn. Bị ấn tượng sâu sắc, Cohn đề nghị xuất bản công trình của Koch trên tập san thực vật của mình. Bài báo được xuất bản năm 1876, khi Koch 32 tuổi. Thời đại vàng của ngành vi khuẩn học đã khởi đầu.

Tìm cách nuôi vi khuẩn

Vào năm tiếp theo, ông bắt đầu nghiên cứu về nhiễm trùng vết thương ở động vật. Nhờ các kỹ thuật mới, ông đã phân biệt các tình trạng bệnh khác nhau - nhiễm trùng huyết, hoại tử, áp xe - ở cấp độ hiển vi. Ông đưa ra giả thuyết rằng tồn tại nhiều loài vi khuẩn khác nhau, mỗi loài lại gây ra một hội chứng lâm sàng độc nhất, và bác bỏ quan điểm phổ biến cho rằng các vi khuẩn mang hình thái khác nhau là biến thể của cùng một loài. Ông khẳng định rằng không thể khái quát hóa tất cả các bệnh truyền nhiễm, một bệnh cụ thể chỉ có thể hiểu được thông qua nghiên cứu mầm bệnh tương ứng.

Tuy nhiên, quan sát hiển vi là một thách thức rất lớn bởi vi khuẩn trong suốt và di động. Phải đến khi Koch sử dụng các thuốc nhuộm aniline như eosin, fuchsin, safranin, và methyl tím, ông có thể dễ dàng nhận biết các hình thái của vi khuẩn. Ông trở thành bác sĩ đầu tiên sử dụng vật kính dầu, sử dụng tụ điện, và công bố hình ảnh vi khuẩn.

Mặt khác, rất khó tạo ra môi trường “thuần khiết” để nuôi và quan sát vi khuẩn bằng các phương tiện thông thường. Trước đó, Klebs và Lister cũng từng nghĩ ra kỹ thuật nuôi cấy lỏng, nhưng tốn thời gian và thiếu tin cậy. Nên Koch lại mày mò nghiên cứu thạch nuôi cấy. Môi trường gelatin lỏng được làm lạnh cho rắn lại, trở thành môi trường cấy sạch, trơn láng và đồng tính để vi khuẩn nhân lên thành các khúm nhìn thấy được, gọi là khuẩn lạc. Người phụ tá của Koch là Walter Hesse cùng với vợ là Fannie Hesse đã tạo ra thạch agar từ rong biển, là môi trường hiệu quả vì có điểm nóng chảy cao hơn gelatin. Trong khi đó, một phụ tá khác là Julius Petri đã thiết kế một đĩa nông chứa thạch nuôi cấy mà ngày nay được gọi là đĩa petri theo tên người phát minh.

Nắm các kỹ thuật trong tay, Koch nuôi cấy các khuẩn lạc rồi cho chúng tiếp xúc với hơi nước và các hóa chất khác nhau, nhằm tìm ra cách tiêu diệt chúng (tiệt trùng). Ông nhận thấy một số hóa chất giết chết vi khuẩn, một số khác chỉ ức chế chúng, sự phân biệt này có vai trò quan trọng trong thời đại thuốc kháng sinh. Trong một bản thảo xuất bản năm 1881, ông mô tả rất chi tiết kỹ thuật nuôi cấy trên đĩa để người khác có thể tự thực hiện, và nó trở thành “kinh thánh của ngành vi khuẩn học” ngày nay.

“Nguyên tắc Koch”

Koch đến London trình bày kỹ thuật nuôi cấy vi khuẩn trên đĩa cho Louis Pasteur và Joseph Lister, và sau đó chẳng mấy chốc kỹ thuật của ông trở nên phổ biến. Nhóm nghiên cứu của ông liên tiếp phát hiện ra những nguyên nhân gây bệnh phổ biến và đáng sợ nhất thời bấy giờ: vi khuẩn gây bệnh glanders, bạch hầu, trực khuẩn thương hàn. Koch đã truyền cảm hứng cho một thế hệ các nhà khoa học sau đó, và chỉ vỏn vẹn 30 năm - từ 1876 đến 1906 - các vi khuẩn gây bệnh chủ yếu ở người đã được phân lập.

Tuy nhiên, căn bệnh đáng sợ nhất, bệnh lao, vẫn là điều bí ẩn. Ở châu Âu, cứ 7 người chết thì có 1 người chết do lao. Nghi ngờ vi khuẩn lao không thấm các chất nhuộm thông thường, Koch thí nghiệm với chất nhuộm mới. Với chất methylene xanh, ông phát hiện một ít vi khuẩn nhỏ hình roi trong mô nhiễm lao. Khi thêm chất phản nhuộm màu nâu để tăng độ tương phản, ông thấy thêm nhiều vi khuẩn hơn. Ông cũng nhận ra chất nhuộm để lâu ngày cho hiệu quả tốt hơn, và giả định rằng chất nhuộm methylene xanh hấp thụ một chất khác trong không khí, có thể là amoniac, nên đã bị kiềm hóa. Vì vậy, ông thêm xút kali vào chất nhuộm để tạo phản ứng tương tự và quan sát thấy vô số trực khuẩn. Chúng luôn hiện diện trong bệnh lao nhưng số lượng rất biến đổi. Chúng luôn xuất hiện trước khi u lao hình thành trước khi các tế bào khổng lồ di chuyển đến và hoại tử. Số lượng của chúng rất nhiều khi mới nhiễm hoặc bệnh tiến triển nặng, nhưng rất ít khi ở giai đoạn tiềm ẩn.

Koch chính thức đưa ra một bộ nguyên tắc về quan hệ nhân quả trong bệnh do vi khuẩn và trở thành nguyên tắc kinh điển được thực hành cho đến ngày nay gồm: tiêu chuẩn phát hiện vi khuẩn và xảy ra bệnh, phân lập được vi khuẩn trong môi trường thuần khiết, và gây bệnh bằng cách tiêm vi khuẩn trích từ môi trường nuôi cấy. Để xác định loài trực khuẩn nói trên có phải thủ phạm gây bệnh hay không, ông tiêm các vi khuẩn trích từ môi trường nuôi cấy cho 217 con vật. Trong tất cả trường hợp, số lượng u lao tỷ lệ thuận với lượng vi khuẩn được tiêm. Các mô không được tiêm đã không hình thành u lao. Thêm nữa, trực khuẩn từ các nguồn khác nhau - bệnh tự phát, bệnh do lây, và nuôi cấy - đều gây ra u lao tương tự nhau. Koch kết luận trực khuẩn lao là nguyên nhân gây bệnh duy nhất trong tất cả các dạng của lao như lao kê, viêm phổi bã đậu, lao ruột, lao hạch, lao xương.

Koch phát hiện trực khuẩn trong đờm và khoang phổi của bệnh nhân. Ông gây bệnh cho một con vật khỏe mạnh bằng cách tiêm đờm nhiễm bệnh cho chúng và ông kết luận đờm là nguồn lây chủ yếu và bệnh nhân mắc lao thanh quản hoặc lao phổi phát tán lượng lớn vi khuẩn. Mặc dù không thể nhân lên bên ngoài vật chủ, trực khuẩn lao trong đờm khô vẫn giữ được khả năng lây bệnh trong nhiều tuần. Do đó xử lý đúng cách đờm của bệnh nhân và khử trùng môi trường là cách thức phòng bệnh hiệu quả. Bệnh lao hiện đã được ghi nhận là một vấn đề sức khỏe cộng động đòi hỏi các chiến lược ngăn chặn sự lây lan, như khử trùng quần áo, ga trải giường và cấm khạc nhổ nơi công cộng.

Ngày 24.3.1882, Koch trình bày phát hiện về bệnh lao tại hội nghị của Hiệp hội Sinh lý học Berlin, đây là một trong những bài thuyết trình có tầm ảnh hưởng lớn nhất lịch sử y học. Paul Ehrlich đã rất ấn tượng với công trình của Koch, sau đó đã tinh chỉnh lại kỹ thuật nhuộm của Koch và ảnh hưởng đến Hans Christian Gram, cũng như Franz Ziehl và Friedrich Neelsen, những nhà khoa học mà tên họ được đặt cho phương pháp nhuộm vi sinh Gram và Ziehl–Neelsen. Nhờ công trình này, ông được trao giải Nobel Y học. Danh tiếng tăng lên nên Koch còn tham gia vào nghiên cứu đặc điểm vi khuẩn và dịch tễ học gây ra nỗi sợ hãi nạn đại dịch tả ở Ấn Độ, Ai Cập.

Tuberculin

Nhưng ông vẫn trăn trở tìm kiếm phương pháp chữa bệnh lao ám ảnh cả châu Âu thời bấy giờ. Làm việc lặng lẽ trong phòng thí nghiệm của mình với một chiết xuất glycerin của trực khuẩn lao mà ông đặt tên là tuberculin. Khi tiêm tuberculin cho người, ông nhận thấy không có phản ứng (hoặc chỉ phản ứng nhẹ) ở những người khỏe mạnh, trong khi ở những bệnh nhân mắc bệnh lao hoạt động, một phản ứng nghiêm trọng xảy ra, đặc trưng bởi sốt, ớn lạnh và viêm da dẫn đến hoại tử. Koch tin rằng, ở những người được tiêm, tuberculin tạo ra một phản ứng làm chậm hoặc ngừng bệnh. Ông cũng tin rằng phản ứng này cung cấp bằng chứng chẩn đoán bệnh lao cấp tính.

Công chúng hưởng ứng công bố này một cách nồng nhiệt: vô số bệnh nhân và bác sĩ đổ về Berlin để nhận thuốc khiến bệnh viện quá tải. Koch từ chức giáo sư để dành trọn thời gian nghiên cứu tuberculin. Ông được bổ nhiệm làm Viện trưởng Viện Truyền nhiễm mới được thành lập mô phỏng theo Viện Pasteur ở Paris, sau này được đổi tên thành Viện Robert Koch. Viện có một khoa chữa trị và một đơn vị nghiên cứu tuberculin riêng. Viện đã thu hút các ngôi sao sáng như Emil von Behring, người đã phát hiện ra kháng độc tố bạch hầu và đồng phát triển liệu pháp huyết thanh cho bệnh bạch hầu và uốn ván (ông đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1901); Shibasaburo Kitasato, người đồng phát hiện ra vi khuẩn gây bệnh dịch hạch và đồng phát triển huyết thanh chữa uốn ván; Paul Ehrlich, người có công nghiên cứu về tán huyết, tự miễn và hóa trị liệu kháng khuẩn đã giành được giải thưởng Nobel năm 1908; Richard Pfeiffer, người đồng phát hiện ra vi khuẩn và tiên phong trong vaccine thương hàn; và August von Wassermann, người đã thiết lập một xét nghiệm cố định bổ thể cho bệnh giang mai.

Tuy nhiên, Tuberculin đã không chứng minh được hiệu quả như kỳ vọng trong điều trị lao. Danh tiếng lẫn cuộc sống cá nhân của ông suy sụp. Ông ly dị người vợ đầu sau 26 năm chung sống. (Cuối cùng, một phiên bản sửa đổi của tuberculin, được tiêm trong da, sẽ trở thành tiêu chuẩn để chẩn đoán bệnh lao tiềm ẩn. Koch đã chứng minh, hiện tượng quá mẫn cảm và miễn dịch tế bào nhưng không được công nhận).

Một thời gian dài sau đó, ông chu du khắp nơi trên thế giới để nghiên cứu về nhiều bệnh truyền nhiễm khác nhau như sốt rét, thương hàn, bệnh ngủ châu Phi, tả trâu bò… và bị phản biện gay gắt tại Đại hội Lao Quốc tế ở Washington khi cho rằng lao bò không có hại cho con người.

Ở tuổi 67, ông qua đời vì bệnh tim ở Baden-Baden. Ông được hỏa táng, tro cốt được lưu giữ trong lăng mộ nằm ở cánh Tây Viện Koch. Bất chấp một số thất bại gây tranh cãi trong những năm cuối cùng của sự nghiệp, Koch đã thực sự góp phần lớn lao trong cuộc cách mạng của ngành vi khuẩn học.

Theo Cao Hồng Chiến/KHPT (Sciencedirect)