Khi Bente Klarlund Pedersen thức dậy vào buổi sáng, điều đầu tiên cô ấy làm là kéo các huấn luyện viên của mình và chạy 5 km – và đó không chỉ là về việc giữ dáng. “Đó là khi tôi suy nghĩ và giải quyết vấn đề mà không biết”, Klarlund Pedersen, chuyên gia về nội khoa và các bệnh truyền nhiễm tại Đại học Copenhagen nói. “Nó rất quan trọng đối với sức khỏe của tôi.”

Cho dù đó là chạy hay nâng tạ, không có gì bí mật rằng tập thể dục tốt cho sức khỏe của bạn. Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng đi bộ nhanh trong 450 phút mỗi tuần có liên quan đến việc sống lâu hơn khoảng 4,5 năm so với không tập thể dục trong thời gian rảnh rỗi¹, và tham gia vào hoạt động thể chất thường xuyên có thể củng cố hệ thống miễn dịch và ngăn ngừa các bệnh mãn tính, chẳng hạn như ung thư, bệnh tim mạch và tiểu đường loại 2. Nhưng, theo Dafna Bar-Sagi, một nhà sinh học tế bào tại Đại học New York, câu hỏi nóng bỏng là làm thế nào để tập thể dục mang lại hiệu quả tăng cường sức khỏe?

“Chúng tôi biết rằng nó là tốt, nhưng vẫn còn một khoảng cách lớn trong việc hiểu những gì nó đang làm với các tế bào”, Bar-Sagi, người đi bộ trên máy chạy bộ trong 30 phút, năm ngày một tuần, nói.

Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu xây dựng một bức tranh về mê cung rộng lớn của các quá trình tế bào và phân tử được kích hoạt khắp cơ thể trong – và thậm chí sau – tập luyện. Một số quá trình này làm giảm viêm, trong khi những quá trình khác tăng cường sửa chữa và bảo trì tế bào. Tập thể dục cũng thúc đẩy các tế bào giải phóng các phân tử tín hiệu mang thông điệp điên cuồng giữa các cơ quan và mô: từ tế bào cơ đến hệ thống miễn dịch và tim mạch, hoặc từ gan đến não.

Nhưng các nhà nghiên cứu chỉ mới bắt đầu tìm ra ý nghĩa của nhiễu xuyên âm này, Atul Shahaji Deshmukh, một nhà sinh học phân tử tại Đại học Copenhagen cho biết. “Bất kỳ phân tử đơn lẻ nào cũng không hoạt động một mình trong hệ thống”, Deshmukh, người thích đi xe đạp leo núi vào mùa hè, nói. “Đó là cả một mạng lưới hoạt động cùng nhau.”

Tập thể dục sức bền gây ra phản ứng phân tử toàn thân đa cơ quan

Tập thể dục cũng đang thu hút sự chú ý từ các nhà tài trợ. Ví dụ, Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH) đã đầu tư 170 triệu đô la Mỹ vào một nghiên cứu kéo dài sáu năm về người và chuột nhằm tạo ra một bản đồ toàn diện về các phân tử đằng sau tác động của tập thể dục và cách chúng thay đổi trong và sau khi tập luyện. Hiệp hội đằng sau nghiên cứu đã công bố đợt dữ liệu đầu tiên từ các nghiên cứu trên chuột, khám phá cách tập thể dục gây ra những thay đổi giữa các cơ quan, mô và biểu hiện gen, và những thay đổi đó khác nhau như thế nào giữa hai giới^2–4.

Xây dựng một cái nhìn sắc nét hơn về thế giới phân tử của tập thể dục có thể tiết lộ các mục tiêu điều trị cho các loại thuốc bắt chước tác dụng của nó – có khả năng mang lại lợi ích của việc tập thể dục trong một viên thuốc. Tuy nhiên, liệu các loại thuốc như vậy có thể mô phỏng tất cả các lợi thế của thực tế hay không vẫn còn gây tranh cãi.

Nghiên cứu cũng có thể cung cấp manh mối về loại hoạt động thể chất nào có thể mang lại lợi ích cho những người mắc bệnh mãn tính, Klarlund Pedersen nói. “Chúng tôi nghĩ rằng bạn có thể kê toa tập thể dục vì bạn có thể kê toa thuốc”, cô nói.

Có dây cứng để tập thể dục

Tập thể dục là một chủ đề cơ bản trong câu chuyện tiến hóa của con người. Mặc dù các loài linh trưởng khác tiến hóa như những loài khá ít vận động, con người đã chuyển sang lối sống săn bắn hái lượm đòi hỏi phải đi bộ đường dài, mang theo nhiều thức ăn và đôi khi chạy trốn khỏi các mối đe dọa.

Những người có năng lực thể thao tốt hơn được trang bị tốt hơn để sống lâu hơn, điều này khiến tập thể dục trở thành một phần cốt lõi của sinh lý con người, Daniel Lieberman, một nhà cổ sinh vật học tại Đại học Harvard ở Cambridge, Massachusetts cho biết. Việc chuyển sang lối sống năng động hơn đã dẫn đến những thay đổi trong cơ thể con người: tập thể dục đốt cháy năng lượng mà nếu không sẽ được lưu trữ dưới dạng chất béo, với số lượng vượt quá, làm tăng nguy cơ mắc bệnh tim mạch, tiểu đường loại 2 và một số bệnh ung thư. Sự căng thẳng gây ra bởi việc chạy hoặc bơm sắt có khả năng làm hỏng các tế bào, nhưng nó cũng khởi động một loạt các quá trình tế bào hoạt động để đảo ngược những tác động đó. Điều này có thể giúp cơ thể ở trạng thái tốt hơn so với khi không tập thể dục, Lieberman nói.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá một số thay đổi sinh học xảy ra trong quá trình tập thể dục trong hơn một thế kỷ. Năm 1910, nhà dược học Fred Ransom tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh, đã phát hiện ra rằng các tế bào cơ xương tiết ra axit lactic, được tạo ra khi cơ thể phân hủy glucose và biến nó thành nhiên liệu⁵. Và vào năm 1961, các nhà nghiên cứu suy đoán rằng cơ xương giải phóng một chất giúp điều chỉnh glucose trong khi tập thể dục⁶.

Nhiều manh mối đã được lưu trữ. Năm 1999, Klarlund Pedersen và các đồng nghiệp đã thu thập mẫu máu từ những người chạy bộ trước và sau khi họ tham gia một cuộc chạy marathon và phát hiện ra rằng một số cytokine – một loại phân tử miễn dịch – tăng đột biến ngay sau khi tập thể dục và nhiều cytokine vẫn tăng cao trong tối đa 4 giờ sau đó⁷. Trong số các cytokine này có interleukin-6 (IL-6), một protein nhiều mặt đóng vai trò quan trọng trong phản ứng phòng thủ của cơ thể. Năm sau, Klarlund Pedersen và các đồng nghiệp phát hiện ra⁸ rằng IL-6 được tiết ra bằng cách co thắt cơ bắp trong khi tập thể dục, làm cho nó trở thành một ‘exerkine’ – thuật ngữ ô cho các hợp chất được tạo ra để đáp ứng với tập thể dục.

Mức độ cao của IL-6 có thể có lợi hoặc có hại, tùy thuộc vào cách nó bị kích động. Khi nghỉ ngơi, quá nhiều IL-6 có tác dụng viêm và có liên quan đến béo phì và kháng insulin, một dấu hiệu của bệnh tiểu đường loại 2, Klarlund Pedersen nói. Nhưng khi tập thể dục, phân tử kích hoạt các thành viên gia đình bình tĩnh hơn, chẳng hạn như IL-10 và IL-1ra, làm giảm viêm và tác hại của nó. “Với mỗi lần tập thể dục, bạn sẽ kích thích phản ứng chống viêm”, Klarlund Pedersen nói. Mặc dù một số hoạt động thể chất tốt hơn là không có, nhưng tập thể dục cường độ cao, thời gian dài thu hút các cơ bắp lớn – chẳng hạn như chạy hoặc đạp xe – sẽ thúc đẩy sản xuất IL-6, Klarlund Pedersen nói thêm.

Tập thể dục cũng là một hành động cân bằng theo những cách khác. Hoạt động thể chất tạo ra căng thẳng tế bào và một số phân tử nhất định đối trọng với tác động gây hại này. Khi ty thể – cường quốc cung cấp năng lượng trong tế bào – tăng cường sản xuất trong quá trình tập thể dục, chúng cũng tạo ra nhiều sản phẩm phụ gọi là các loại oxy phản ứng (ROS), với số lượng quá mức, có thể làm hỏng protein, lipid và DNA. Nhưng những ROS này cũng khởi động một loạt các quá trình bảo vệ trong khi tập thể dục, bù đắp các tác động độc hại hơn của chúng và củng cố hệ thống phòng thủ tế bào.

Trong số các ngôi sao phân tử trong kho vũ khí bảo trì và sửa chữa này là các protein PGC-1α, điều chỉnh các gen cơ xương quan trọng và NRF2, kích hoạt các gen mã hóa các enzyme chống oxy hóa bảo vệ. Trong quá trình tập thể dục, cơ thể đã học được cách hưởng lợi từ một quá trình căng thẳng cơ bản. “Nếu căng thẳng không giết chết bạn, nó sẽ khiến bạn mạnh mẽ hơn”, Ye Tian, một nhà di truyền học tại Viện Di truyền học và Sinh học Phát triển, Học viện Khoa học Trung Quốc, Bắc Kinh nói.

Exerkines ở khắp mọi nơi

Kể từ khi IL-6 mở ra kỷ nguyên exerkine, sự bùng nổ của multiomics – một cách tiếp cận kết hợp các bộ dữ liệu sinh học khác nhau, chẳng hạn như proteome và metabolome – đã cho phép các nhà nghiên cứu vượt ra ngoài việc theo đuổi các phân tử đơn lẻ. Bây giờ họ có thể bắt đầu gỡ rối mạng lưới phân tử phức tạp nằm đằng sau tập thể dục và cách nó tương tác với các hệ thống khác nhau trên cơ thể, Michael Snyder, một nhà di truyền học tại Đại học Stanford ở California, người gần đây đã chuyển từ chạy bộ sang cử tạ cho biết. “Chúng ta cần hiểu làm thế nào tất cả những thứ này hoạt động cùng nhau, bởi vì [con người] là một cỗ máy cân bằng nội môi cần được điều chỉnh đúng cách”, ông nói.

Vào năm 2020, Snyder và các đồng nghiệp đã lấy mẫu máu từ 36 người trong độ tuổi từ 40 đến 75 trước, trong và vào các khoảng thời gian khác nhau sau khi các tình nguyện viên chạy trên máy chạy bộ. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hồ sơ multiomic để đo hơn 17.000 phân tử, hơn một nửa trong số đó cho thấy những thay đổi đáng kể sau khi tập thể dục⁹. Họ cũng phát hiện ra rằng tập thể dục đã kích hoạt một ‘vũ đạo’ phức tạp của các quá trình sinh học như chuyển hóa năng lượng, stress oxy hóa và viêm. Tạo ra một danh mục các phân tử tập thể dục là bước đầu tiên quan trọng để hiểu tác dụng của chúng đối với cơ thể, Snyder nói.

Làm thế nào một thói quen tập thể dục mở đường cho cơ bắp bị thương để chữa lành

Các nghiên cứu khác đã thăm dò cách tập thể dục ảnh hưởng đến các loại tế bào. Một nghiên cứu năm 2022 trên chuột do Jonathan Long, nhà nghiên cứu bệnh học tại Đại học Stanford dẫn đầu, đã xác định được hơn 200 loại protein được biểu hiện khác nhau bởi 21 loại tế bào để đáp ứng với tập thể dục¹⁰. Các nhà nghiên cứu đã mong đợi phát hiện ra rằng các tế bào trong gan, cơ và xương sẽ nhạy cảm nhất với tập thể dục, nhưng thật ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng một loại tế bào phổ biến hơn nhiều, xuất hiện trong nhiều mô và cơ quan, cho thấy những thay đổi lớn nhất trong các protein mà nó quay ra hoặc từ chối. Các phát hiện cho thấy nhiều loại tế bào thay đổi bánh răng trong quá trình tập luyện hơn so với suy nghĩ trước đây, mặc dù những thay đổi này có ý nghĩa gì đối với cơ thể vẫn còn là một câu hỏi mở, Long nói.

Các phát hiện cũng cho thấy sau khi tập thể dục, các tế bào gan của chuột đã ép ra một số loại enzyme carboxylesterase, được biết là tăng cường trao đổi chất. Khi Long và các đồng nghiệp của ông điều chỉnh di truyền chuột để gan của chúng biểu hiện mức độ cao của các enzyme tăng cường trao đổi chất này, và sau đó cho chúng ăn chế độ ăn thức ăn béo, những con chuột không tăng cân. Họ cũng có sức chịu đựng tăng lên khi họ chạy trên máy chạy bộ. “Sự cải thiện hiệu suất tập thể dục của các carboxylesterase tiết ra này chưa được biết đến trước đây”, Long, người có chế độ tập thể dục hàng tuần liên quan đến bơi lội và nâng tạ cho biết. Ông nói thêm rằng nếu các enzyme có thể được sản xuất với số lượng và độ tinh khiết phù hợp, chúng có thể được sử dụng làm hợp chất bắt chước tập thể dục.

Trong quá trình tập luyện, các cơ quan và mô ở xa giao tiếp với nhau thông qua các tín hiệu phân tử. Cùng với exerkine, các túi ngoại bào (EV) – cấu trúc hình bong bóng, kích thước nano mang vật liệu sinh học – có thể là một trong những cơ chế đằng sau nhiễu xuyên âm cơ quan và mô, Mark Febbraio, cựu vận động viên ba môn phối hợp hiện là nhà sinh lý học tập thể dục tại Đại học Monash ở Melbourne, Úc cho biết. Vào năm 2018, Febbraio và nhóm của ông đã đưa ống vào động mạch đùi của 11 người đàn ông khỏe mạnh và lấy máu trước và sau khi họ đi xe đạp tập thể dục với tốc độ tăng dần trong một giờ. Trong và sau khi tập thể dục, nhưng không nghỉ ngơi, họ nhận thấy sự tăng đột biến về mức độ của hơn 300 loại protein tạo nên hoặc được vận chuyển bởi EV¹¹.

Khi nhóm nghiên cứu sau đó thu thập EV từ những con chuột chạy trên máy chạy bộ và tiêm chúng vào một nhóm chuột khỏe mạnh khác, hầu hết các EV đã kết thúc trong các tế bào gan. Trong một nghiên cứu trên chuột riêng biệt chưa được công bố, Febbraio và các đồng nghiệp của ông đã tìm thấy gợi ý rằng nội dung của những chiếc EV gắn gan này có thể bắt giữ một loại bệnh gan. Một câu hỏi lớn là liệu EV có lắng đọng vật liệu di truyền vào các tế bào khác nhau hay không, và nếu có, điều đó có ý nghĩa gì đối với cơ thể. “Chúng tôi vẫn chưa biết nhiều,” ông nói.

Tập thể dục như thuốc

Những nỗ lực lớn hơn đang được tiến hành để xây dựng một ảnh chụp phân tử chi tiết về cách tập thể dục phát huy tác dụng tăng cường sức khỏe của nó trên các mô và cơ quan. Năm 2016, NIH đã thành lập Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), một nghiên cứu kéo dài sáu năm trên khoảng 2.600 người và hơn 800 con chuột nhằm tạo ra một bản đồ phân tử về tập thể dục. Nỗ lực này – một trong những nghiên cứu lớn nhất về hoạt động thể chất – đang trêu chọc tác động của tập thể dục nhịp điệu và sức bền đối với nhiều loại mô ở các độ tuổi và mức độ thể dục khác nhau.

Bộ dữ liệu đầu tiên là từ những con chuột đã hoàn thành một đến tám tuần đào tạo máy chạy bộ, và có các mẫu máu và mô được thu thập vào cuối. Các nhà nghiên cứu đã xác định chính xác hàng ngàn thay đổi phân tử trên khắp cơ thể chuột, nhiều trong số đó có thể có tác dụng bảo vệ sức khỏe, chẳng hạn như giảm bệnh viêm ruột và tổn thương mô². Một nghiên cứu riêng biệt³ Phát hiện ra rằng tác động của việc rèn luyện sức bền khác nhau giữa các giới tính: các dấu hiệu liên quan đến sự phân hủy chất béo tăng lên trong mô mỡ nam, thúc đẩy giảm mỡ, trong khi mô mỡ nữ cho thấy sự gia tăng các dấu hiệu liên quan đến duy trì tế bào mỡ và tín hiệu insulin, có thể bảo vệ chống lại các bệnh chuyển hóa tim. Nghiên cứu thứ ba⁴ Phát hiện ra rằng tập thể dục làm thay đổi sự biểu hiện của các gen liên quan đến các bệnh như hen suyễn và có thể giúp kích hoạt các phản ứng thích nghi tương tự.

Tập trung vào tập thể dục, trao đổi chất và sức khỏe

Một mục tiêu lớn là khám phá lý do tại sao tập thể dục có tác dụng đa dạng như vậy đối với những người thuộc giới tính, độ tuổi và nguồn gốc dân tộc khác nhau, Snyder, thành viên của nhóm MoTrPAC nói. “Rõ ràng là một số người được hưởng lợi tốt hơn những người khác”, ông nói.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng các luồng dữ liệu phân tử cuối cùng sẽ giúp các bác sĩ lâm sàng phát triển các đơn thuốc tập thể dục phù hợp cho những người mắc bệnh mãn tính, thành viên nhóm MoTrPAC Bret Goodpaster, một nhà sinh lý học tập thể dục tại Đại học Pittsburgh ở Pennsylvania cho biết. Xa hơn nữa, những hiểu biết như vậy có thể được sử dụng để phát triển phương pháp trị liệu bắt chước một số tác dụng có lợi của việc tập thể dục ở những người quá ốm để tập thể dục, ông nói. “Điều đó không có nghĩa là chúng ta sẽ tập thể dục trong một viên thuốc, nhưng có một số khía cạnh nhất định của tập thể dục có thể dùng thuốc”, Goodpaster, người đã tham gia ba môn phối hợp, marathon và đua xe đạp nói.

Một số nhóm đã ở giai đoạn đầu phát triển liệu pháp bắt chước tập thể dục. Vào tháng 3/2023, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Thomas Burris, dược sĩ tại Đại học Florida ở Gainesville, đã xác định được một hợp chất nhắm vào các protein gọi là thụ thể liên quan đến estrogen, được biết là kích hoạt các con đường trao đổi chất quan trọng trong các mô sử dụng nhiều năng lượng, chẳng hạn như tim và cơ xương, đặc biệt là trong khi tập thể dục¹². Khi các nhà nghiên cứu sử dụng hợp chất – được gọi là SLU-PP-332 – cho chuột, họ phát hiện ra rằng các loài gặm nhấm được điều trị có thể chạy lâu hơn 70% và xa hơn 45% so với những con chuột không được điều trị. Sáu tháng sau, một nghiên cứu riêng biệt, cũng do Burris dẫn đầu, phát hiện ra rằng những con chuột béo phì được điều trị bằng thuốc đã giảm cân và tăng ít chất béo hơn so với những con không được điều trị – mặc dù chế độ ăn uống của chúng giống nhau và chúng không tập thể dục nhiều hơn bình thường¹³.

Đã có bằng chứng cho thấy tập thể dục tự nó hoạt động như thuốc. Vào năm 2022, Bar-Sagi và các đồng nghiệp của cô đã phát hiện ra rằng những con chuột bị ung thư tuyến tụy có nồng độ tế bào T CD8 tăng cao – tiêu diệt các tế bào ung thư và bị nhiễm virus – khi chúng tập thể dục nhịp điệu 30 phút trong 5 ngày một tuần¹⁴. Những tế bào giết người này biểu hiện một thụ thể cho IL-15, một exerkine khác được giải phóng bởi cơ bắp trong khi tập thể dục. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi các tế bào T CD8 liên kết với IL-15, chúng giải phóng phản ứng miễn dịch mạnh mẽ hơn đối với các khối u trong tuyến tụy. Hiệu ứng này kéo dài sự sống sót của những con chuột có khối u khoảng 40%, so với chuột đối chứng. Những phát hiện này được đưa ra khi Bar-Sagi và nhóm của cô phân tích mô khối u lấy từ những người bị ung thư tuyến tụy. Những người thực hiện 60 phút tập aerobic và sức mạnh mỗi tuần có nhiều tế bào T CD8 hơn và có khả năng sống sót lên đến 5 năm cao gấp đôi so với những người trong nhóm đối chứng.

Mặc dù tập thể dục nhiều hơn là không có trí tuệ để cải thiện sức khỏe, khoảng 25% người trưởng thành trên toàn cầu không đáp ứng mức độ tập thể dục được khuyến nghị của Tổ chức Y tế Thế giới mỗi tuần: 150-300 phút trở lên tập thể dục cường độ vừa phải, chẳng hạn như đi bộ nhanh; hoặc 75-150 phút tập thể dục cường độ mạnh, chẳng hạn như chạy. David James, một nhà sinh lý học tập thể dục tại Đại học Sydney ở Úc, người đạp xe đi làm mỗi ngày, nói rằng hiểu được hoạt động bên trong của tập thể dục có thể giúp phát triển các thông điệp sức khỏe cộng đồng rõ ràng hơn về lý do tại sao hoạt động thể chất lại quan trọng và làm thế nào nó có thể bù đắp nguy cơ mắc các bệnh mãn tính. “Đó là một thông điệp mạnh mẽ,” James nói.