Tác động sinh học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Tác động sinh học là mọi biến đổi về cấu trúc, chức năng hoặc sinh lý của sinh vật phát sinh khi tiếp xúc với tác nhân vật lý, hóa học hoặc sinh học. Các tác động này có thể cấp tính hoặc mãn tính, xảy ra ở cấp độ phân tử, tế bào và cơ quan, phụ thuộc liều lượng, tốc độ phơi nhiễm và đặc điểm sinh học cá nhân.

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Tác động sinh học (biological effect) là mọi thay đổi về cấu trúc, chức năng hoặc sinh lý của cơ thể sinh vật phát sinh khi tiếp xúc với tác nhân vật lý (tia bức xạ, sóng âm), hóa học (độc chất, thuốc) hoặc sinh học (vi sinh vật, độc tố). Những thay đổi này có thể có lợi (adaptive response), trung tính hoặc bất lợi (adverse effect).

Trong lĩnh vực bức xạ y tế, tác động sinh học thường đề cập tới ảnh hưởng của liều bức xạ lên tế bào, mô và cơ quan, bao gồm gãy mạch đơn và đôi của DNA, sản sinh gốc tự do và khởi phát tín hiệu stress nội bào. Tác động này có tính phụ thuộc vào liều hấp thụ (absorbed dose), tốc độ liều (dose rate) và thời gian phơi nhiễm.

Các tác nhân hóa học như benzen, asen, thuốc trừ sâu cũng gây tác động sinh học thông qua tương tác trực tiếp với phân tử sinh học hoặc gián tiếp qua quá trình chuyển hóa tạo chất độc. Trong ô nhiễm môi trường, đánh giá tác động sinh học bao gồm đo nồng độ sinh học (biomonitoring) và xử lý sinh học (bioremediation).

Phân loại tác động sinh học

Theo thời gian khởi phát và mức độ phản ứng, tác động sinh học được chia thành hai nhóm chính:

  • Cấp tính (acute effect): xảy ra ngay hoặc trong vòng vài giờ đến vài ngày sau phơi nhiễm, ví dụ phỏng da do bức xạ, ngộ độc cấp do cyanide.
  • Mãn tính (chronic effect): khởi phát muộn, tích lũy theo thời gian dài, như ung thư da do tia UV, xơ phổi qua tiếp xúc lâu dài với silica.

Theo cơ chế và đặc điểm tổn thương, có thể phân biệt:

  1. Tác động thích nghi (adaptive): kích hoạt hệ sửa chữa DNA, tăng sản xuất enzyme chống oxy hóa.
  2. Tác động bất lợi (adverse): apoptosis, necrosis, ung thư hóa.
  3. Tác động trung gian (intermediate): viêm mãn tính, thay đổi biểu hiện gene.

Cơ chế phân tử và tế bào

Tác động sinh học ở cấp độ phân tử thường bắt đầu từ tổn thương DNA và protein. Ví dụ, bức xạ ion hóa tạo ra gốc hydroxyl (·OH) và superoxide (O₂·⁻), gây gãy mạch đôi DNA. Đường tín hiệu p53 được kích hoạt khi nhận diện tổn thương DNA, dẫn đến điểm kiểm soát chu kỳ tế bào (cell cycle arrest) hoặc apoptosis nếu tổn thương không thể sửa chữa.

Cơ chế sửa chữa DNA bao gồm:

  • Base excision repair (BER): loại bỏ base bị oxy hóa, cắt mạch ngắn và kết nối lại.
  • Nucleotide excision repair (NER): loại bỏ đoạn dài chứa tổn thương, lắp ghép lại bằng polymerase.
  • Non-homologous end joining (NHEJ): nối gốc đôi nhanh nhưng có thể sai lệch, gây đột biến.

Ở cấp độ tế bào, nếu tổn thương vượt quá khả năng sửa chữa, tế bào sẽ kích hoạt apoptosis qua chu trình nội sinh (mitochondrial pathway) hoặc ngoại sinh (death receptor pathway). Trạng thái senescence (dừng phân chia) cũng là phản ứng quan trọng ngăn chặn ung thư hóa nhưng có thể gây rối loạn mô và viêm mãn tính.

Mối quan hệ liều – đáp ứng

Mối quan hệ liều – đáp ứng (dose–response relationship) mô tả sự thay đổi tác động sinh học khi thay đổi liều hoặc cường độ tác nhân. Trong bức xạ ion hóa, mô hình tuyến tính không ngưỡng (Linear No-Threshold, LNT) giả định đáp ứng sinh học tỉ lệ thuận với liều R(D)=αD+βD2\displaystyle R(D)=\alpha D+\beta D^2, không tồn tại liều an toàn hoàn toàn.

Mô hìnhĐặc điểmỨng dụng chính
Tuyến tính không ngưỡng (LNT) R ∝ D, không có ngưỡng Đánh giá nguy cơ ung thư do bức xạ thấp
Sigmoid (Hormesis) Đáp ứng nhỏ ở liều thấp, tăng nhanh ở liều trung bình, bão hòa hoặc giảm ở liều cao Đánh giá độc chất hóa học có tác động thích nghi
Ngưỡng (Threshold) Không có đáp ứng cho đến khi vượt ngưỡng D₀ Độc chất cấp tính, phơi nhiễm nghề nghiệp

Các yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ liều–đáp ứng bao gồm tốc độ liều, đường vào (ingestion, inhalation, dermal), đặc tính sinh học cá thể và tương tác đa tác nhân. Việc chọn mô hình phù hợp rất quan trọng để xác định ngưỡng an toàn và quy chuẩn phơi nhiễm theo khuyến nghị của ICRP và EPA .

Các yếu tố ảnh hưởng

Thời gian phơi nhiễm là yếu tố quan trọng quyết định mức độ tác động sinh học. Phơi nhiễm ngắn hạn với liều cao có thể gây tổn thương cấp tính nghiêm trọng, trong khi phơi nhiễm kéo dài với liều thấp dẫn đến hiệu ứng tích luỹ và phát sinh mãn tính.

Cường độ tác nhân (liều hoặc nồng độ) ảnh hưởng trực tiếp đến xác suất và mức độ tổn thương tế bào. Ví dụ, với bức xạ ion hóa, tốc độ liều (dose rate) cao làm giảm khả năng sửa chữa DNA của tế bào và tăng tổn thương gốc tự do.

Đặc điểm sinh học cá thể bao gồm độ tuổi, giới tính, tình trạng dinh dưỡng, chức năng gan-thận và yếu tố di truyền. Nhiều biến đổi gen liên quan đến sửa chữa DNA (như BRCA1/2) làm thay đổi ngưỡng nhạy cảm với độc chất và bức xạ.

  • Đường phơi nhiễm: hít, uống, tiếp xúc da
  • Điều kiện môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, pH
  • Tương tác đa tác nhân: kết hợp hóa chất, bức xạ và vi sinh vật

Phương pháp đo và chỉ thị sinh học

Sinh vật chỉ thị (bioindicator) là các loài nhạy cảm dùng để giám sát ô nhiễm môi trường, như địa y (lichens) phản ứng với ô nhiễm không khí, hoặc cá da trơn cho chỉ thị ô nhiễm nước.

Xét nghiệm biomarker trong tế bào và huyết thanh giúp định lượng tác động phân tử. Ví dụ, đo lượng DNA adducts trong tế bào phổi chỉ điểm mức độ tiếp xúc với polycyclic aromatic hydrocarbons.

Kỹ thuật in vitro sử dụng nuôi cấy tế bào ung thư hoặc mô đệm để đánh giá độc tính cấp và mãn tính, trong khi in vivo dùng động vật thử nghiệm để phân tích toàn diện tác động sinh lý và sinh hóa.

Ứng dụng trong y sinh và môi trường

Trong y sinh, đánh giá tác động sinh học của bức xạ y tế giúp định liều tối ưu cho xạ trị ung thư và giảm nguy cơ biến chứng muộn ở mô lành. Phân tích mô hình liều–đáp ứng hỗ trợ lập kế hoạch điều trị cá thể hóa.

Trong công nghiệp hóa chất, kiểm tra tác động sinh học của sản phẩm mới trước khi đưa ra thị trường đảm bảo an toàn cho người lao động và môi trường. Các thử nghiệm toxicogenomics cung cấp dữ liệu cơ chế độc tính ở mức gene và protein.

Giám sát ô nhiễm môi trường dựa trên kết quả đo chỉ thị sinh học và mô hình hoá chất phân tán. Ví dụ, đo nồng độ kim loại nặng trong thực vật và động vật thủy sinh giúp đánh giá ảnh hưởng đối với chuỗi thức ăn và sức khỏe cộng đồng.

Ngưỡng an toàn và hướng dẫn quy chuẩn

ICRP (International Commission on Radiological Protection) khuyến nghị giới hạn liều bức xạ nghề nghiệp không vượt quá 20 mSv mỗi năm trung bình trong 5 năm và không quá 50 mSv trong một năm duy nhất (icrp.org).

WHO và FAO đưa ra giá trị ADI (Acceptable Daily Intake) cho dư lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm, thường tính bằng µg/kg thể trọng/ngày. EPA (U.S. Environmental Protection Agency) xác định Reference Dose (RfD) cho hóa chất môi trường để bảo vệ sức khỏe cộng đồng (epa.gov).

Cơ quanLoại tác nhânGiới hạn
ICRPBức xạ ion hóa20 mSv/năm (trung bình 5 năm)
WHO/FAOThuốc trừ sâu0.01–0.1 µg/kg/ngày
EPAHóa chất môi trườngRfD: 0.001–0.1 mg/kg/ngày

Mô hình hóa và dự báo

PBPK models (Physiologically Based Pharmacokinetic) mô phỏng quá trình hấp thu, phân bố, chuyển hóa và thải trừ của chất trong cơ thể, giúp dự báo nồng độ mô theo thời gian và xác định ngưỡng độc.

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo thực hiện hàng ngàn phép tính ngẫu nhiên trên các tham số đầu vào để đánh giá phân phối rủi ro và biến thiên kết quả, hỗ trợ định mức bảo vệ và thiết kế thử nghiệm an toàn.

Ứng dụng machine learning và AI phân tích dữ liệu tác động sinh học lớn (omics, toxicogenomics) để phát hiện mẫu phơi nhiễm và dự báo nguy cơ ung thư, đột biến hoặc rối loạn chức năng cơ quan.

Hướng nghiên cứu tương lai

Tiếp cận systems biology kết hợp đa tầng dữ liệu gen, transcriptome, proteome và metabolome để xây dựng bản đồ mạng lưới tín hiệu và cơ chế tác động sinh học toàn diện, từ đó phát triển liệu pháp phòng ngừa và điều trị chính xác.

Ứng dụng CRISPR-based biosensors trong đo tác động sinh học thời gian thực, cho phép phát hiện nhanh thay đổi biểu hiện gene hoặc sinh tổng hợp gốc tự do trong tế bào sống mà không cần lấy mẫu phá hủy.

Phát triển nền tảng IoT kết nối cảm biến sinh học di động (wearable biosensors) và công nghệ microfluidics để giám sát phơi nhiễm cá nhân và môi trường, hỗ trợ y tế dự phòng và quản lý rủi ro thời gian thực.

Tài liệu tham khảo

  • International Commission on Radiological Protection. “ICRP Publication 103: The 2007 Recommendations.” icrp.org
  • World Health Organization & Food and Agriculture Organization. “Joint FAO/WHO Meeting on Pesticide Residues.” who.int
  • U.S. Environmental Protection Agency. “Integrated Risk Information System (IRIS).” epa.gov
  • Borghoff, S. J., & Andersen, M. E. “Physiologically based pharmacokinetic modeling in toxicology.” Adv Drug Deliv Rev. 2022;185:114–136.
  • Hartung, T., & Rovida, C. “Toward a 3R-guided risk assessment—Improvements of tests and testing strategies for developmental neurotoxicity.” ALTEX. 2023;40(2):325–338.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề tác động sinh học:

Các hoạt động vận động bằng tiên mao và co giật cần thiết cho sự phát triển màng sinh học của Pseudomonas aeruginosa Dịch bởi AI
Molecular Microbiology - Tập 30 Số 2 - Trang 295-304 - 1998

Quá trình hình thành các cộng đồng vi khuẩn phức tạp được gọi là màng sinh học bắt đầu với sự tương tác của các tế bào trôi nổi với bề mặt để đáp ứng các tín hiệu môi trường thích hợp. Chúng tôi báo cáo việc phân lập và đặc điểm hóa của các đột biến Pseudomonas aeruginosa PA14 có khiếm khuyết trong việc bắt đầu hình thành màng sinh học trên bề mặt vô cơ, nhựa polyvinylcl...

... hiện toàn bộ
#Pseudomonas aeruginosa #biofilm formation #flagellar motility #type IV pili #surface attachment #bacterial communities #PVC plastic
Đánh giá định lượng bằng chứng cho các hiệu ứng đa dạng sinh học đối với chức năng và dịch vụ hệ sinh thái Dịch bởi AI
Ecology Letters - Tập 9 Số 10 - Trang 1146-1156 - 2006
Tóm tắtSự lo ngại đang gia tăng về những hậu quả của việc mất đa dạng sinh học đối với chức năng hệ sinh thái, đối với việc cung cấp dịch vụ hệ sinh thái và đối với sự phúc lợi của con người. Bằng chứng thực nghiệm cho mối quan hệ giữa đa dạng sinh học và tốc độ quá trình hệ sinh thái là rất thuyết phục, nhưng vấn đề vẫn còn gây tranh cãi. Tại đây, chúng tôi trình ...... hiện toàn bộ
#đa dạng sinh học #chức năng hệ sinh thái #dịch vụ hệ sinh thái #tác động sinh thái #quản lý đa dạng sinh học
Cơ chế tác động của insulin và kháng insulin Dịch bởi AI
Physiological Reviews - Tập 98 Số 4 - Trang 2133-2223 - 2018
Phát hiện insulin vào năm 1921 được coi như một Vụ Nổ Lớn, từ đó một vũ trụ rộng lớn và đang mở rộng của nghiên cứu về tác động và kháng insulin đã phát triển. Trong thế kỷ qua, một số phát hiện đã trưởng thành, kết tinh thành nền tảng vững chắc và màu mỡ cho ứng dụng lâm sàng; những phát hiện khác vẫn chưa được điều tra đầy đủ và còn gây tranh cãi về mặt khoa học. Tại đây, chúng tôi cố gắ...... hiện toàn bộ
#insulin #kháng insulin #tiểu đường type 2 #tác động sinh lý #mô mỡ trắng #sinh lý học #bệnh lý học #tín hiệu tế bào #phân giải mỡ #gluconeogenesis
Một phương pháp sinh lý học để làm sạch thuốc gan Dịch bởi AI
Clinical Pharmacology and Therapeutics - Tập 18 Số 4 - Trang 377-390 - 1975
Một phương pháp sinh lý học đã được phát triển, nhận ra rằng dòng máu qua gan, hoạt động của quá trình loại bỏ tổng thể (độ thanh thải nội tại), sự gắn kết thuốc trong máu và cấu trúc giải phẫu của tuần hoàn gan là những yếu tố sinh học chính quyết định đến việc làm sạch thuốc trong gan. Phương pháp này cho phép dự đoán định lượng cả mối quan hệ nồng độ/thời gian thuốc tự do và tổng nồng ...... hiện toàn bộ
#thuốc gan #loại bỏ thuốc #độ thanh thải nội tại #nồng độ thuốc #chuyển hóa thuốc #tương tác dược động học
Tác động của polyphenol và các chất sinh học khác đến sức khỏe con người Dịch bởi AI
Food and Function - Tập 10 Số 2 - Trang 514-528

Việc tiêu thụ polyphenol liên quan đến những lợi ích cho sức khỏe tim mạch và chức năng não bộ, được thúc đẩy bởi mối quan hệ phức tạp giữa chúng với hệ vi sinh vật đường ruột, các chất chuyển hóa sinh học của chúng và các phytochemical khác.

Tannin: Kiến thức hiện tại về nguồn gốc thực phẩm, lượng tiêu thụ, tính khả dụng sinh học và tác động sinh học Dịch bởi AI
Molecular Nutrition and Food Research - Tập 53 Số S2 - 2009
Tóm tắtTannins là một nhóm hợp chất phenolic độc đáo với trọng lượng phân tử dao động từ 500 đến 30.000 Da, được phân bố rộng rãi trong hầu hết các loại thực phẩm và đồ uống từ thực vật. Proanthocyanidins và tannin thủy phân là hai nhóm chính của các hợp chất sinh học này, nhưng còn có tannin phức tạp chứa các yếu tố cấu trúc của cả hai nhóm và tannin đặc biệt có t...... hiện toàn bộ
Các tác nhân cho nitric oxide và các tác nhân tim mạch điều chỉnh hoạt động sinh học của nitric oxide Dịch bởi AI
Circulation Research - Tập 90 Số 1 - Trang 21-28 - 2002
Oxide nitric (NO) đóng vai trò trung gian trong nhiều quá trình sinh lý và bệnh lý ở hệ thống tim mạch. Các hợp chất dược lý giải phóng NO đã trở thành công cụ hữu ích để đánh giá vai trò then chốt của NO trong sinh lý và liệu pháp tim mạch. Các tác nhân này bao gồm hai loại hợp chất chính: những hợp chất giải phóng NO hoặc một trong các đồng vị redox của nó một cách tự phát và những hợp c...... hiện toàn bộ
Tác động của chất mang đến hoạt tính sinh học của amphotericin B Dịch bởi AI
Clinical Microbiology Reviews - Tập 9 Số 4 - Trang 512-531 - 1996
Amphotericin B (AmB), thuốc điều trị được lựa chọn cho hầu hết các nhiễm trùng nấm hệ thống, được tiếp thị dưới tên thương mại Fungizone, dưới dạng phức hợp AmB-deoxycholate thích hợp cho việc truyền tĩnh mạch. Sự kết hợp giữa AmB và deoxycholate tương đối yếu; do đó, sự phân ly xảy ra trong máu. Chính thuốc này tương tác với cả màng tế bào động vật có vú và nấm để làm hư hại tế bào, nhưng...... hiện toàn bộ
Một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả để đo lường đồng thời sự biến đổi của các phytohormone ABA, JA và SA trong thực vật dưới tác động của stress sinh học và phi sinh học Dịch bởi AI
Plant Methods - - 2008
Tóm tắt Chúng tôi mô tả một phương pháp hiệu quả để xác định nhanh chóng định lượng sự phong phú của ba hormone thực vật acid trong một chiết xuất thô duy nhất trực tiếp bằng LC/MS/MS. Phương pháp này khai thác độ nhạy của hệ thống khối phổ và sử dụng giám sát phản ứng đồng thời và mẫu được gán đồng vị để định lượng các phytohormone acid abscisic, acid ja...... hiện toàn bộ
#Phytohormones #LC/MS/MS #Abscisic acid #Jasmonic acid #Salicylic acid #Arabidopsis #Biotic stress #Abiotic stress
Nghiên cứu đa thể chế về tác động của việc áp dụng sách giáo khoa mở lên kết quả học tập của sinh viên sau trung học Dịch bởi AI
Journal of Computing in Higher Education - Tập 27 Số 3 - Trang 159-172 - 2015
Tóm tắt Trong một số bối cảnh giáo dục, chi phí sách giáo khoa có thể gần bằng hoặc thậm chí vượt qua chi phí học phí. Với nguồn lực hạn chế, việc hiểu rõ hơn về tác động của tài nguyên giáo dục mở miễn phí (OER) đến kết quả học tập của sinh viên là rất quan trọng. Sử dụng các tài nguyên kỹ thuật số như OER có thể làm giảm đáng kể chi phí cho sinh viên. M...... hiện toàn bộ
Tổng số: 206   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10