Virus là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học về Virus

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Virus là các hạt siêu vi sinh vật không có cấu trúc tế bào hoàn chỉnh, chỉ bao gồm vật liệu di truyền (DNA hoặc RNA) và vỏ protein bảo vệ (capsid). Một số virus còn có màng bao lipid (envelope) lấy từ tế bào chủ kèm glycoprotein kết nối với receptor trên tế bào mục tiêu. Kích thước virus dao động từ 20 đến 300 nm, nằm giữa kích thước phân tử và tế bào, và chỉ quan sát được qua kính hiển vi điện tử.

Virus không thể tự chuyển hóa hay sinh trưởng độc lập; chúng phải xâm nhập và sử dụng bộ máy sinh tổng hợp của tế bào chủ để nhân bản. Điều này khiến virus trở thành ký sinh bắt buộc, khác biệt với vi khuẩn, vi nấm hay nguyên sinh động vật. Mỗi virus có tính đặc hiệu cao với loài và loại tế bào chủ, phụ thuộc vào receptor bề mặt màng tế bào.

Phân loại virus dựa trên loại vật liệu di truyền (DNA hay RNA, đơn sợi hay kép sợi), cấu trúc capsid (icosahedral, xoắn), có màng bao hay không, và phương thức sao chép. Ví dụ, virus cúm (Influenza) là RNA kép sợi âm tính, có màng bao; trong khi bacteriophage T4 là DNA kép sợi, không có màng bao.

Lịch sử phát hiện

Cuối thập niên 1890, nhà thực vật học Dmitri Ivanovsky nghiên cứu bệnh “chết táp” ở cây thuốc lá và phát hiện rằng dịch chiết bệnh vẫn lây nhiễm sau khi lọc qua màng ngăn vi khuẩn. Năm 1898, Martinus Beijerinck đặt tên “virus filtrable” để chỉ tác nhân nhỏ hơn vi khuẩn và không thể nuôi cấy trên môi trường thạch thông thường.

Giai đoạn tiếp theo, sự ra đời của kính hiển vi điện tử (1931) cho phép Frederick R. K. learnth và các đồng nghiệp lần đầu quan sát hình thái hạt virus như Tobacco mosaic virus (TMV). Từ đó, nghiên cứu virus phát triển mạnh mẽ với khám phá cấu trúc, chu kỳ nhân bản và cơ chế gây bệnh.

Thế kỷ 20 chứng kiến nhiều bước ngoặt: năm 1952, Hershey và Chase khẳng định DNA là vật liệu di truyền của virus T2; thập niên 1980, phát hiện HIV gây hội chứng suy giảm miễn dịch (AIDS); và gần đây, đại dịch COVID-19 do SARS-CoV-2 thúc đẩy cuộc cách mạng vaccine mRNA.

Cấu trúc và thành phần

Capsid của virus được tạo thành từ các đơn vị protein gọi là capsomer, có thể xếp thành hình dạng icosahedral (20 mặt tam giác) hoặc xoắn (helical). Capsid bảo vệ acid nucleic bên trong, đồng thời tham gia quá trình gắn kết và xâm nhập vào tế bào chủ.

Một số virus có màng bao lipid (envelope) được “mượn” từ màng tế bào chủ trong quá trình xuất bào. Màng bao này chứa glycoprotein (spike protein) đóng vai trò then chốt trong giai đoạn bám dính (attachment) và hợp nhất màng (fusion) với tế bào chủ. Ví dụ, SARS-CoV-2 sử dụng protein S gắn vào receptor ACE2 trên tế bào người.

Vật liệu di truyền của virus có thể là DNA hoặc RNA, đơn sợi (ss) hoặc kép sợi (ds). Genome virus nhỏ gọn, chỉ chứa đủ gen mã hóa cho protein cấu trúc, protein điều hòa và enzym sao chép. Kích thước genome dao động từ vài kilobase (kb) đến vài trăm kb, như herpesvirus (~150 kb) hoặc HIV (~9 kb).

Chu kỳ sống và nhân bản

Chu kỳ sống của virus bắt đầu bằng giai đoạn bám dính (attachment) thông qua tương tác đặc hiệu giữa glycoprotein trên bề mặt virus và receptor trên tế bào chủ. Tiếp theo là giai đoạn xâm nhập (penetration) hoặc hợp nhất màng (fusion) đối với virus có màng bao, hoặc được thực bào (endocytosis) đối với virus không có màng bao.

Sau khi tiếp cận tế bào, virus tiến hành giai đoạn giải phóng vật liệu di truyền (uncoating). Trong tế bào chất hay nhân, genome virus được phiên mã và dịch mã để tổng hợp protein capsid, enzym sao chép và protein hỗ trợ. Nhiều virus RNA, như virus cúm, mang theo enzym RNA polymerase riêng để dịch mã genome RNA.

Giai đoạn lắp ráp (assembly) xảy ra khi acid nucleic và protein capsid tự tổ hợp thành hạt virus mới. Quá trình giải phóng (release) virus con ra ngoại bào diễn ra qua cơ chế chui qua màng (budding) đối với virus có màng bao, hoặc ly giải tế bào (lysis) đối với virus không có màng bao. Chu kỳ này lập đi lập lại, khiến số lượng virus tăng nhanh và có thể dẫn đến chết tế bào chủ.

Đường lây truyền và dịch tễ học

Virus lây truyền qua nhiều cơ chế, bao gồm tiếp xúc trực tiếp (da – da), giọt bắn đường hô hấp (như virus cúm, SARS-CoV-2), qua đường tiêu hóa (như rotavirus, norovirus), qua đường máu và dịch cơ thể (như HIV, viêm gan B), cũng như qua vector trung gian (muỗi truyền sốt xuất huyết, Zika). Mỗi virus đặc hiệu với con đường lây và mô đích khác nhau, ảnh hưởng đến biện pháp phòng bệnh và kiểm soát dịch tễ.

Dịch tễ học virus dựa trên tỷ lệ tấn công (attack rate), hệ số lây lan cơ bản R₀ (basic reproduction number) và thời gian ủ bệnh. Ví dụ, R₀ của SARS-CoV-2 ước tính từ 2 đến 3, trong khi R₀ của sởi lên tới 12–18, khiến sởi dễ gây dịch lớn nếu không đạt mức miễn dịch cộng đồng cao.

Theo WHO, các ổ dịch virus lớn thường phát sinh ở khu vực dân cư đông đúc, y tế kém và vệ sinh kém. Theo dõi chuỗi lây truyền qua truy vết tiếp xúc (contact tracing) và xét nghiệm sớm là chìa khóa hạn chế lan truyền, đặc biệt với các virus có giai đoạn không triệu chứng dài như SARS-CoV-2.

Bệnh lý và cơ chế bệnh sinh

Virus gây bệnh thông qua hai cơ chế chính: tổn thương trực tiếp tế bào chủ khi virus phá vỡ màng tế bào hoặc khởi động chương trình apoptosis, và tổn thương gián tiếp qua đáp ứng miễn dịch quá mức, dẫn đến viêm trầm trọng. Ví dụ, trong COVID-19, hội chứng “bão cytokine” góp phần gây tổn thương phổi nặng và suy hô hấp.

Một số virus, như HIV và HBV, gây nhiễm mạn tính bằng cách ức chế miễn dịch hoặc ẩn trong tế bào (latency). HIV tích hợp genome vào DNA tế bào chủ, làm suy giảm tế bào CD4 và cuối cùng gây AIDS. HBV có thể tồn tại dưới dạng cccDNA trong nhân tế bào gan, dẫn đến viêm mạn, xơ gan và ung thư gan.

Virus oncogenic như HPV (human papillomavirus) và EBV (Epstein–Barr virus) can thiệp vào chu kỳ tế bào chủ, ức chế gene ức chế khối u (p53, Rb) và kích hoạt oncogene, dẫn đến ung thư cổ tử cung, ung thư vòm họng và lymphoma.

Chẩn đoán virus

Chẩn đoán chính xác phụ thuộc vào phát hiện acid nucleic (nucleic acid amplification tests – NAATs) như PCR và RT-PCR, cho độ nhạy và độ đặc hiệu cao. NAATs cho phép định lượng virus (viral load) và theo dõi đáp ứng điều trị, ví dụ định lượng HIV RNA để điều chỉnh phác đồ ARV.

Test kháng nguyên nhanh (rapid antigen tests) và kháng thể (serology) hỗ trợ chẩn đoán sàng lọc: kháng nguyên phát hiện protein virus trong mẫu dịch hô hấp, kháng thể IgM/IgG xác định đáp ứng miễn dịch sau nhiễm hoặc tiêm vaccine. Phương pháp ELISA và neutralization assay thường sử dụng trong nghiên cứu dịch tễ và đánh giá hiệu lực vaccine.

Hình ảnh học điện tử (electron microscopy) và kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang (immunofluorescence) dùng để quan sát trực tiếp virus trong mẫu sinh học hoặc nuôi cấy. Khảo sát mô học (histopathology) với nhuộm kháng thể đặc hiệu giúp đánh giá tổn thương mô và phân biệt cấu trúc virus.

Phòng ngừa và kiểm soát

Phòng ngừa virus bao gồm vaccine, biện pháp y tế công cộng và thuốc kháng virus. Vaccine bất hoạt, sống giảm độc lực, vector, protein tái tổ hợp và mRNA đã góp phần kiểm soát nhiều bệnh như bại liệt, sởi và COVID-19. Chương trình tiêm chủng mở rộng (EPI) của WHO đặt mục tiêu loại trừ các virus vaccine phòng được.

Biện pháp y tế công cộng như rửa tay, đeo khẩu trang, giãn cách xã hội và khử khuẩn bề mặt giúp làm chậm lây lan virus đường hô hấp và tiếp xúc. Trong bối cảnh dịch, phong tỏa (lockdown), đóng cửa trường học, giãn cách xã hội mạnh mẽ là biện pháp cuối cùng để cắt đứt chuỗi lây.

Thuốc kháng virus bao gồm các nhóm: ức chế men sao chép (nucleoside analogues), ức chế protease, ức chế neuraminidase (cho virus cúm) và các tác nhân ức chế dòng miễn dịch như interferon. Điều trị sớm giúp giảm tải virus, hạn chế tổn thương mô và giảm nguy cơ biến chứng.

Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Vector virus được thiết kế làm công cụ vận chuyển gene trong liệu pháp gene và vaccine. Adenovirus và lentivirus thường dùng để đưa gene chỉnh sửa vào tế bào đích trong điều trị rối loạn di truyền và ung thư. Các vector này được biến đổi để không gây bệnh và giảm phản ứng miễn dịch.

Phage therapy – sử dụng bacteriophage để tiêu diệt vi khuẩn đề kháng kháng sinh đang hồi sinh như giải pháp thay thế. Bacteriophage có tính đặc hiệu cao, chỉ tấn công vi khuẩn mục tiêu, giúp hạn chế tác động đến hệ vi sinh vật có lợi và giảm nguy cơ đề kháng.

Virus cũng là công cụ sinh học để nghiên cứu cơ chế tế bào và miễn dịch. Các system viral pseudotype cho phép nghiên cứu xâm nhập tế bào an toàn trong phòng thí nghiệm sinh học cấp độ thấp hơn. CRISPR–Cas9 ban đầu phát hiện là hệ thống phòng vệ virus của vi khuẩn, nay là công cụ chỉnh sửa gene mạnh mẽ.

Triển vọng nghiên cứu tương lai

Công nghệ vaccine mRNA và vector nanoparticle đang phát triển nhanh, cho phép thiết kế vaccine linh hoạt chống lại các biến thể virus mới. Khả năng tinh chỉnh lipid nanoparticle và tối ưu phân phối mRNA hứa hẹn cải thiện hiệu quả và độ bền miễn dịch của vaccine.

Nghiên cứu kháng thể đơn dòng (monoclonal antibodies) phòng ngừa và điều trị virus như SARS-CoV-2, Ebola cho thấy tiềm năng cao. Kỹ thuật humanized antibody và bispecific antibody giúp tăng tính đặc hiệu và trung hòa virus tốt hơn.

• Vaccine mRNA thế hệ mới: multi-epitope và self-amplifying mRNA.
• Kháng thể đơn dòng tái cấu trúc: tăng ái lực và khả năng trung hòa.
• Ứng dụng AI trong phát hiện epitope và tối ưu thiết kế thuốc kháng virus.

Tài liệu tham khảo

1. Centers for Disease Control and Prevention. Basics of Virus Detection. 2023. Link
2. World Health Organization. Vaccines and immunization. 2024. Link
3. U.S. Food and Drug Administration. Viral Vectors Used in Gene Therapy. 2022. Link
4. Fields Virology Editorial Board. Fields Virology. 7th ed., Lippincott Williams & Wilkins, 2020.
5. Journal of Virology. Phage Therapy and Antiviral Research. 2021.