Lactate dehydrogenase là gì? Các nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về Lactate Dehydrogenase (LDH)

Lactate dehydrogenase (LDH) là một enzyme xúc tác phản ứng chuyển hóa pyruvate thành lactate trong điều kiện yếm khí, đồng thời tái tạo NAD⁺ từ NADH, giúp duy trì hoạt động của chu trình đường phân. Enzyme này có mặt gần như khắp nơi trong cơ thể người và động vật, đặc biệt trong các mô có mức tiêu thụ năng lượng cao như cơ vân, tim, gan và não.

LDH giữ vai trò then chốt trong chuyển hóa năng lượng tế bào khi không đủ oxy, do đó hoạt động mạnh trong các điều kiện như gắng sức, tổn thương mô hoặc thiếu máu cục bộ. Ngoài vai trò sinh hóa, LDH còn được dùng rộng rãi như một chỉ dấu sinh học để theo dõi tổn thương tế bào, đặc biệt là trong các bệnh lý ung thư, viêm, tan máu và hoại tử mô.

Các enzyme nhóm dehydrogenase như LDH đóng vai trò trong chuỗi phản ứng oxy hóa-khử. Riêng LDH thuộc nhóm oxidoreductase, mã số EC 1.1.1.27 theo phân loại của Ủy ban Enzyme Quốc tế. Đây là enzyme hoạt động thuận nghịch, phù hợp với cả hai chiều phản ứng giữa pyruvate và lactate tùy vào điều kiện môi trường tế bào.

Cấu trúc phân tử và đồng phân LDH

LDH là một protein dạng tetramer gồm bốn tiểu đơn vị (subunits), được mã hóa bởi hai gene chính: LDHA (tạo tiểu đơn vị M - muscle) và LDHB (tạo tiểu đơn vị H - heart). Tổ hợp khác nhau giữa các tiểu đơn vị này tạo ra 5 isoenzyme LDH có tính chất vật lý và hóa học khác biệt.

Bảng dưới đây mô tả các isoenzyme LDH và phân bố chính trong cơ thể:

Isoenzyme	Thành phần tiểu đơn vị	Cơ quan phân bố chính
LDH-1	H4	Tim, não, hồng cầu
LDH-2	H3M1	Hệ bạch huyết, thận
LDH-3	H2M2	Phổi, lá lách
LDH-4	H1M3	Gan, tụy, thận
LDH-5	M4	Cơ xương, gan

Sự khác biệt về tính chất điện di và ái lực với cơ chất giúp phân biệt các isoenzyme này trong xét nghiệm lâm sàng. Phân tích cấu trúc LDH còn cho thấy các vùng hoạt động (active site) và liên kết đồng yếu tố NAD⁺/NADH đặc hiệu, từ đó mở ra nhiều hướng ứng dụng trong thiết kế thuốc và nghiên cứu sinh học phân tử.

Chức năng sinh hóa

Phản ứng mà LDH xúc tác là phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch:

$\text{Pyruvate} + \text{NADH} + H^+ \leftrightarrow \text{Lactate} + \text{NAD}^+$

Trong điều kiện yếm khí, chẳng hạn khi cơ thể vận động mạnh hoặc thiếu oxy, phản ứng này chuyển đổi pyruvate – sản phẩm của đường phân – thành lactate để tái sinh NAD⁺, giúp duy trì dòng chảy của glycolysis. Ngược lại, trong điều kiện hiếu khí, lactate có thể được chuyển ngược thành pyruvate để đi vào chu trình Krebs.

LDH hoạt động chủ yếu ở bào tương. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính enzyme bao gồm:

• Nồng độ cơ chất pyruvate và NADH
• pH môi trường (pH tối ưu khoảng 7.4)
• Nhiệt độ (hoạt động tối ưu khoảng 37°C)
• Sự hiện diện của các ion kim loại và chất ức chế

Điều này cho thấy hoạt tính của LDH phản ánh tình trạng chuyển hóa và môi trường nội bào một cách nhạy bén.

Biểu hiện của LDH trong các mô

Các isoenzyme của LDH có sự phân bố không đồng đều trong cơ thể. Sự phân bố này không chỉ phản ánh nhu cầu chuyển hóa khác nhau giữa các mô mà còn mang ý nghĩa chẩn đoán trong y học. Ví dụ, LDH-1 chiếm ưu thế ở tim và hồng cầu, trong khi LDH-5 phổ biến ở gan và cơ xương.

Dưới đây là ví dụ về phân bố tương đối của các isoenzyme LDH trong một số mô:

Mô/ Cơ quan	Isoenzyme chiếm ưu thế
Tim	LDH-1
Gan	LDH-5
Phổi	LDH-3
Cơ vân	LDH-5
Thận	LDH-2, LDH-4

Sự thay đổi tỷ lệ các isoenzyme trong máu có thể giúp xác định nguồn gốc của tổn thương mô. Ví dụ, sự đảo ngược tỷ lệ LDH-1/LDH-2 (hiện tượng "flipped pattern") là dấu hiệu gợi ý nhồi máu cơ tim cấp. Vì thế, định lượng isoenzyme LDH vẫn có giá trị bổ sung trong xét nghiệm lâm sàng, đặc biệt tại các vùng không có điều kiện tiếp cận công nghệ cao.

LDH trong lâm sàng và chẩn đoán

LDH là một chỉ dấu sinh học không đặc hiệu, nhưng phản ánh tốt tình trạng tổn thương tế bào hoặc chuyển hóa bất thường. Trong điều kiện bình thường, LDH chủ yếu nằm trong tế bào; khi có tổn thương màng tế bào, enzyme sẽ thoát ra ngoài và xuất hiện trong huyết tương hoặc các dịch cơ thể khác. Do đó, nồng độ LDH tăng là chỉ báo cho quá trình hoại tử hoặc tổn thương mô.

Một số tình trạng bệnh lý thường liên quan đến tăng LDH huyết thanh:

• Nhồi máu cơ tim: tăng LDH-1 rõ rệt, thường kèm hiện tượng đảo ngược tỷ lệ LDH-1/LDH-2.
• Thiếu máu tan máu: giải phóng LDH từ hồng cầu vỡ.
• Bệnh gan: tăng LDH-5 trong viêm gan, xơ gan hoặc tổn thương gan do thuốc.
• Ung thư: nhiều loại ung thư ác tính gây tăng LDH toàn phần do tăng chuyển hóa và hoại tử mô khối u.
• Viêm tụy cấp, viêm phổi, nhiễm trùng toàn thân: phản ứng viêm làm giải phóng LDH từ tế bào.

Mức độ tăng LDH không phản ánh trực tiếp nguyên nhân mà phải kết hợp với lâm sàng và các chỉ số khác để đưa ra chẩn đoán chính xác. Ví dụ: để chẩn đoán nhồi máu cơ tim, LDH thường được so sánh cùng Troponin, CK-MB và biểu hiện điện tâm đồ.

LDH trong ung thư và vai trò tiên lượng

LDH là một trong những chỉ số quan trọng trong tiên lượng và theo dõi điều trị ung thư. Trong môi trường khối u, do hiện tượng thiếu oxy (hypoxia), tế bào ung thư ưu tiên chuyển hóa glucose theo con đường glycolysis hiếm khí (hiệu ứng Warburg), dẫn đến tích lũy lactate và tăng hoạt động của LDH.

LDH toàn phần cao thường gặp trong các ung thư như:

• Lymphoma ác tính (đặc biệt là non-Hodgkin)
• Melanoma ác tính
• Ung thư phổi tế bào nhỏ
• Ung thư tinh hoàn, buồng trứng, tuyến tụy, gan

Theo Hướng dẫn của NCCN, LDH là yếu tố tiên lượng trong các thang điểm nguy cơ như IPI (International Prognostic Index) cho lymphoma. Mức LDH cao liên quan đến tiên lượng xấu hơn, đáp ứng kém với hóa trị, và tỷ lệ sống còn giảm.

LDH cũng được sử dụng để theo dõi hiệu quả điều trị. Sau hóa trị hoặc xạ trị, nếu nồng độ LDH giảm về bình thường, điều đó cho thấy mô khối u đã đáp ứng tốt. Ngược lại, LDH tăng trở lại có thể báo hiệu tái phát hoặc tiến triển bệnh.

Ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ sinh học

Trong sinh học phân tử và dược lý, LDH được sử dụng làm chỉ số đánh giá tính toàn vẹn của màng tế bào. Khi tế bào bị tổn thương do hóa chất, phóng xạ hoặc điều kiện nuôi cấy không tối ưu, LDH rò rỉ ra môi trường ngoại bào. Nhờ đó, việc đo LDH trong dịch nuôi cấy giúp xác định mức độ độc tính của các tác nhân thử nghiệm.

Quy trình thử nghiệm LDH trong nghiên cứu thường sử dụng các bộ kit thương mại như:

• LDH Cytotoxicity Assay Kit – Thermo Fisher
• LDH-Glo™ Cytotoxicity Assay – Promega
• TOX7 LDH Assay Kit – Sigma-Aldrich

Các ứng dụng sinh học tổng hợp (synthetic biology) cũng đang khai thác enzyme LDH trong các chuỗi phản ứng lên men công nghiệp, ví dụ sản xuất acid lactic, ethanol, hoặc chuyển hóa sinh học không khí thành sản phẩm năng lượng.

Phân tích LDH và kỹ thuật xét nghiệm

Định lượng LDH trong phòng xét nghiệm dựa trên hoạt tính enzyme, được đo bằng phương pháp quang phổ. Phản ứng xúc tác của LDH tạo ra sự thay đổi hấp thụ ánh sáng tại bước sóng 340 nm, nhờ sự chuyển đổi NADH thành NAD⁺.

$\text{NADH} + \text{H}^+ + \text{Pyruvate} \rightarrow \text{NAD}^+ + \text{Lactate}$

Kỹ thuật xét nghiệm LDH bao gồm:

• LDH toàn phần: đo trực tiếp hoạt tính enzyme trong mẫu huyết thanh, huyết tương, dịch não tủy hoặc dịch màng phổi.
• Điện di isoenzyme LDH: phân tách và định lượng 5 isoenzyme riêng biệt bằng điện di hoặc sắc ký.
• Định lượng LDH trong nghiên cứu tế bào: sử dụng các kit huỳnh quang hoặc phát quang để đo mức LDH ngoại bào.

Việc chuẩn bị mẫu đúng cách là yếu tố quan trọng: mẫu bị tan huyết có thể làm tăng giả LDH do giải phóng enzyme từ hồng cầu. Ngoài ra, một số thuốc và điều kiện bệnh lý (như suy thận) có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.

Tài liệu tham khảo

1. Thermo Fisher Scientific. LDH Cytotoxicity Assay.
2. National Cancer Institute. Definition of Lactate Dehydrogenase (LDH).
3. MedlinePlus. LDH Blood Test.
4. National Center for Biotechnology Information (NCBI). StatPearls - Lactate Dehydrogenase.
5. American Association for Clinical Chemistry (AACC). Lactate Dehydrogenase: A Versatile Biomarker.
6. National Comprehensive Cancer Network (NCCN). NCCN Clinical Practice Guidelines in Oncology.