Lịch sử phát triển và vai trò của vi sinh y học

1. Đối tượng nghiên cứu
Vi sinh vật học (microbiology) là một môn khoa học nghiên cứu về sự sống của vi sinh vật (Từ tiếng Hylạp: mikros là nhỏ bé, bios là sự sống, logos là khoa học). Như vậy vi sinh vật bao gồm cả vi khuẩn, động vật nguyên sinh và vi nấm. Nhưng động vật nguyên sinh và vi nấm là những tế bào có màng nhân (Eukaryote) và được xếp vào môn học Ký sinh trùng. Vi khuẩn là những đơn bào không có màng nhân (Procaryote), vi khuẩn có đầy đủ tính chất của một sinh vật. Vi khuẩn quan sát được ở kính hiển vi quang học. Virus là hình thái vật chất sống đặc biệt không có cấu trúc tế bào, kích thước rất nhỏ, phải quan sát ở kính hiển vi điện tử mới nhìn thấy được. Genom chỉ có 1 trong 2 loại acid nucleic, hoặc là ADN, hoặc là ARN. Ký sinh bắt buộc trong tế bào cảm thụ.
Rickettsia, chlamydia, mycoplasma là những vi sinh vật trung gian giữa vi khuẩn và virus. Kích thước nhỏ hơn vi khuẩn nhưng ký sinh bắt buộc vào tế bào cảm thụ. Rickettsia có nhiều tính chất giống vi khuẩn: có cấu trúc tế bào, 2 loại acid nucleic nhưng thiếu một số men hô hấp năng lượng). Chlamydia có những đặc điểm giống Rickettsia nhưng nhỏ hơn, khoảng 450nm. Mycoplasma giống Rickettsia nhưng không có vách nên cũng phải ký sinh bắt buộc vào nội bào. Vi sinh y học là môn học chuyên nghiên cứu về các vi sinh vật ảnh hưởng tới sức khoẻ con người, kể cả có lợi và có hại. Bao gồm các học phần về Đại cương, Vi khuẩn, Virus, Miễn dịch…

2. Sơ lược lịch sử phát triển của ngành vi sinh vật

Antoni van Loeuwenhoek (1632-1723) người Hà Lan đã phát minh ra kính hiển vi vào năm 1676. Khi đó, ông quan sát trong phân và nước có những sinh vật rất nhỏ. Việc tìm ra kính hiển vi là sự kiện quan trọng cho những nghiên cứu về vi khuẩn. Loeuwenhoek đã tìm ra cầu khuẩn, trực khuẩn và xoắn khuẩn. Sau Loeuwenhoek, nhiều nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu để có các loại kính hiển vi quang học hoàn thiện hơn. Ngày nay chúng ta đã có kính hiển vi điện tử có độ phóng đại lớn nhất.

Louis Pasteur (1822-1895), nhà Bác học người Pháp, ông có nhiều công lao đối với ngành vi sinh vật và được coi là người sáng lập ngành vi sinh vật và miễn dịch học. Đến thế kỷ XVII, có người vẫn cho rằng các sinh vật xuất hiện trên trái đất đều là tự sinh. Chính Pasteur là người đã đấu tranh chống lại thuyết này. Sau khi có kính hiển vi người ta nghiên cứu lấy một ít nước chiết xuất từ động vật hoặc thực vật để vào nơi ấm, sau một thời gian ngắn thấy xuất hiện nhiều vi sinh vật và cho rằng vi sinh vật đã tự sinh. Pasteur đã tiệt khuẩn nước chiết xuất và giữ rất lâu cũng không có vi sinh vật xuất hiện. Sau đó, ông đã có nhiều nghiên cứu góp cho ngành vi sinh vật y học như:

- Năm 1854-1864: Chứng minh nhiều quá trình lên men là do vi sinh vật gây ra.

- Năm 1863: Chứng minh vi khuẩn là nguồn gốc của bệnh than.

- Năm 1877: Phát hiện phẩy khuẩn tả gây bệnh

- Năm 1880: Phát hiện tụ cầu gây bệnh

- Năm 1881: Ông đã tìm ra vaccin phòng bệnh than.

- Năm 1885: Ông đã thành công trong việc sản xuất vaccin phòng bệnh chó dại, mặc dù lúc đầu con người chưa phát hiện được virus. Ông đã chứng minh bệnh dại lây truyền qua vết cắn của chó dại và trong nước bọt chó dại có chứa mầm bệnh. Vì những đóng góp xuất sắc, L. Pasteur đã được xếp vào danh sách những nhà khoa học vĩ đại của loài người.

Robert Koch (1843 - 1910) người Đức, một bác sỹ thú y đã có nhiều đóng góp lớn và được coi là một trong những người sáng lập ra Ngành vi sinh y học. Những nghiên cứu của ông là:

- Năm 1876: tìm ra vi khuẩn than (Bacillus anthracis)

- Năm 1878: phát hiện ra những vi khuẩn gây nhiễm khuẩn vết thương.

- Năm 1882: phân lập được vi khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis)

- Năm 1884: phân lập được vi khuẩn tả ( Vibriocholerae) - Năm 1890, tìm ra cách sử dụng phản ứng tuberculin và hiện tượng dị ứng lao.

A.J.E. Yersin (1863-1943) người Thuỵ sĩ, học trò xuất sắc của L.Pasteur. Đóng góp lớn nhất của ông với ngành vi sinh vật là tìm ra trực khuẩn dịch hạch và dây chuyền dịch tễ bệnh dịch hạch ở Hồng Kông. Yersin là Hiệu trưởng đầu tiên của trường Đại học Y dược Hà Nội và mất ở Thành phố Nha trang Việt Nam.

Edward Jenner (1749-1823), một bác sĩ thú y người Anh, người đã tìm ra vaccin phòng bệnh đậu mùa khi còn là một sinh viên thực tập ở trang trại chăn nuôi. Ông nhận thấy những người chăn nuôi trâu bò không bị mắc bệnh đậu mùa vì họ đã mắc bệnh đậu bò. Từ đó ông đã dùng vẩy đậu bò phòng bệnh đậu mùa.

Dimitri Ivanopxki (1864- 1920) là một nhà thực vật người Nga. Ông là người đầu tiên phát hiện ra virus khi nghiên cứu trong nước lọc của lá cây thuốc lá bị đốm sau khi đã lọc hết vi khuẩn vẫn còn một loại mầm bệnh bé hơn vi khuẩn, nghiên cứu của ông đã đặt nền móng cho sự nghiên cứu về virus sau này. Sau phát hiện của ông, các nhà khoa học liên tiếp tìm ra virus gây bệnh ở người và động vật như virus gây lở mồm long móng ở trâu bò, virus sốt vàng, virus thuỷ đậu...

Người đầu tiên tìm ra virus ký sinh trên vi khuẩn là nhà sinh vật Anh F.W. Twort(1877-1950). Hai năm sau nhà vi khuẩn học Canada nghiên cứu thấy virus ký sinh trên vi khuẩn và gọi là thực khuẩn thể (phage hay bacteriophage, phage xuất phát từ chữ phageen, tiếng Hylạp nghĩa là ăn ).

- Năm 1929, nhà vi khuẩn học người Anh Alexandre Fleming (1881-1955) lần đầu tiên phát hiện ra tác dụng ức chế vi khuẩncủa một chất được sinh ra từ nấm penicillium notatum và đặt tên là penicillin. Từ đó mở ra một tương lai mới trong việc điều chế kháng sinh điều trị các bệnh nhiễm khuẩn.

Cùng với sự phát triển chung của khoa học, còn rất nhiều những nhà khoa học đã có đóng góp rất lớn trong lĩnh vực vi sinh vật, góp phần phát hiện mầm bệnh, chẩn đoán bệnh, phòng bệnh và điều trị bệnh có kết quả như việc tìm ra hàng loạt vi khuẩn, virus gây bệnh, phương pháp khử trùng, kháng sinh, miễn dịch…Đặc biệt, kỷ nguyên sinh học đang bắt đầu từ những năm cuối của thế kỷ XX, trong đó loài người đi vào bản chất của sự sống ở mức độ phân tử, dưới phân tử, thời kỳ tách chiết gen ở vi snh vật và ứng dụng nó vào việc chữa bệnh.

3. Vai trò của vi sinh vật

3.1. Tác dụng có lợi của vi sinh vật

Vi khuẩn, virus không hoàn toàn là những mầm bệnh nguy hiểm, mà vi sinh vật nói chung là cần thiết cho sự sống. Những tác dụng tích cực của vi sinh vật chủ yếu trên một số lĩnh vực sau:

Trong thiên nhiên: Vi khuẩn tham gia vào tuần hoàn CO[sub]2[/sub] và chuyển hoá Nitơ, hai chu trình có ý nghĩa quyết định cho sự sống của mọi sinh vật trên trái đất. Trong không khí có nhiều Nitơ, động vật và thực vật không thể trực tiếp sử dụng chất đạm đó. Nhờ có vi khuẩn mà khí đạm được biến thành muối vô cơ mang đạm. Thực vật có thể hấp thu những chất này tạo nên những chất hoá hợp hữu cơ của thực vật, rồi tiếp đó là tạo thành anbumin động vật, để sự sống tiếp diễn không ngừng. Khi động, thực vật chết, vi khuẩn làm thối rữa, các chất hữu cơ sinh vật lại được hoàn trả lại cho đất.

Trong công nghiệp: Từ cổ xưa. khi loài người chưa hiểu biết về vi sinh vật nhưng đã biết muối dưa, muối cà, làm tương làm mắm..Sau này người ta biết nấu rượu, làm bia, bành mì, nem chua. Các sản phẩm này đều cần có qúa trình lên men của vi sinh vật. Ngày nay công nghệ sinh học đã đem lại cho con người nhiều lợi ích và là cuộc cách mạng khoa học cách mạng kỹ thuật rất lớn. Vi sinh vật là một công cụ được sử dụng nhiều trong công nghệ sinh học.

Trong nông nghiệp: Trong đất có một số vi sinh vật có khả năng cố định đạm vô cơ thành đạm hữu cơ và một số vi sinh vật có khả năng quang hợp. Những khả năng này làm giàu dinh dưỡng cho đất, làm ải đất giúp cho cây trồng phát triển tốt.

Trên cơ thể người: Trên da và một số bộ phận của cơ thể có khá nhiều loại vi sinh vật ký sinh. Chúng với cơ thể tạo nên mối quan hệ sinh thái và có tác dụng chống lại vi sinh vật gây bệnh xâm nhập vì chúng đã chiếm được các thụ thể trên cơ thể, làm cho vi sinh vật gây bệnh không có chỗ bám để gây bệnh. Tất nhiên cũng có thể chúngsẽ gây bệnh cơ hội. Một số vi khuẩn đường ruột tham gia vào qúa trình tiêu hoá cellulose, tiêu hoá thức ăn cung cấp chất dinh dưỡng cho người. Một số có khả năng tổng hợp được vitamin B[sub]1[/sub], B[sub]12[/sub], K cho cơ thể. Một số vi khuẩn lại tiết ra những chất để ức chế, tiêu diệt các vi khuẩn khác trong qúa trình cạnh tranh sinh tồn.

Trong y học: Vi sinh vật được dùng để sản xuất kháng sinh, sản xuất vaccin và huyết thanh miễn dịch. Đó là những sản phẩm quan trọng được dùng trong việc phòng và điều trị các bệnh do vi sinh vật. Ngày nay, vi sinh vật còn là mô hình để nghiên cứu về di truyền phân tử, hoá sinh học… do vi sinh vật có số lượng gen ít, phát triển nhanh.

3.2. Tác dụng có hại của vi sinh vật

Mặc dù vi sinh vật có nhiều lợi ích đối với đời sống con người song tác hại của nó là rất đáng kể. vi sinh vật là căn nguyên của các bệnh nhiễm khuẩn gây tổn hại đến sức khoẻ con người, thậm chí nguy hiểm đến tính mạng. Trên thế giới đã có nhiều bệnh dịch gây chết người hàng loạt như dịch tả, dịch hạch hoặc nhiều bệnh nguy hiểm do virus gây nên.

Ngày nay, vi sinh vật gây ô nhiễm môi trường như ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí… đang là vấn đề bức xúc đối với xã hội. Vì vậy mà các bệnh nhiễm khuẩn ngày càng gia tăng ở các nước kém phát triển.

Ngoài ra, vi sinh vật cũng gây ảnh hưởng lớn đối với đời sống sinh hoạt của con người như phân giải thức ăn, thực phẩm, lương thực, phá huỷ đồ dùng…

Hiện nay, những vấn đề của vi sinh vật y học đang được con người đặc biệt quan tâm và được coi là vấn đề toàn cầu như xuất hiện những vi sinh vật gây bệnh chết người hoặc ảnh hưởng đến tính mạng mà ít có biện pháp điều trị có hiệu quả như: HIV/AIDS, virus Ebola, bệnh bò điên, virus gây khối u, virus gây ung thư… Mặt khác, vi khuẩn kháng kháng sinh cũng là vấn đề nổi cộm của y tế các nước. Các vi khuẩn là căn nguyên gây bệnh thường gặp cũng là những vi khuẩn kháng thuốc mạnh nhất như: tụ cầu vàng, trực khuẩn mủ xanh, trực khuẩn đường ruột… Đây là một cản trở lớn trong điều trị các bệnh do vi khuẩn.

4. Vai trò của ngành vi sinh vật học

4.1. Chẩn đoán bệnh

Vai trò rất lớn của ngành vi sinh vật học là chẩn đoán chính xác các bệnh nhiễm khuẩn, truyền nhiễm. Đó là việc tìm vi sinh vật gây bệnh trong các bệnh phẩm như: đờm, máu, mủ, dịch, phân…hoặc lấy huyết thanh bệnh nhân chẩn đoán miễn dịch.

4.2. Dự phòng các bệnh truyền nhiễm

Các bệnh truyền nhiễm ngày nay đã được giảm rất nhiều và một số bệnh đã được thanh toán như: bại liệt, dịch hạch, đậu mùa... Đó là kết quả của việc đã sản xuất ra các loại vaccin phòng bệnh, góp phần đáng kể trong công tác phòng chống các dịch bệnh.

4.3. Điều trị bệnh

Ngành vi khuẩn học đã điều chế ra các kháng huyết thanh để điều trị bệnh như kháng độc tố bạch hầu, uốn ván hoặc tổng hợp ra các loại kháng sinh điều trị các bệnh do vi khuẩn.

5. Phân loại vi khuẩn

Phân loại vi sinh vật nói chung hay vi khuẩn nói riêng đều với mục đích là nhóm các sinh vật có đặc điểm giống nhau vào một nhóm và thông thường nhất là với đơn vị loài (species). Mục đích chính của việc phân loại sinh học là giúp cho con người có cái nhìn đơn giản hơn về sinh giới và mỗi khi nhắc đến tên một đơn vị nào đó trong phân loại sinh học thì chúng ta có thể biết ngay về những đặc điểm và tính chất của các đơn vị này mà không phải liệt kê ra.

5.1. Những khái niệm chung

5.1.1. Phân loại sinh học (Taxonomy) Phân loại sinh học là ngành khoa học về phân loại, xác định và danh pháp trong ngành sinh học. Đối với các Eukaryote (tế bào có màng nhân), định nghĩa về các loài thường được dựa trên cơ sở chức năng và hình thức sinh sản, đó là những cá thể cùng loài phải có sự tương đồng về khả năng phát sinh giao tử, những giao tử đực và giao tử cái phải thụ tinh được với nhau để tạo thành hợp tử đa dạng trong sinh giới. Tuy nhiên, vi khuẩn là những tế bào Procaryote(không có màng nhân) thì phân loại học không phụ thuộc theo hướng sinh sản như Eukaryote mà dựa vào các tiêu chuẩn đặc trưng riêng để phân loại.

5.1.2. Phân loại vi khuẩn (Classification) Phân loại vi khuẩn là sắp xếp những chủng vi khuẩn vào một số nhóm nhất định. Không có những tiêu chuẩn cố định về phân loại vi khuẩn mà cách phân loại có thể thay đổi theo từng giai đoạn và trình độ khoa học khác nhau.

5.1.3. Xác định, định loại vi khuẩn (Identification) Định loại vi khuẩn là sử dụng các tiêu chuẩn phân loại để xác định vi khuẩn và phân biệt chúng với những loài khác. Bao gồm:

- Phân lập vi khuẩn, xác định đây là căn nguyên gây bệnh.

- Xác định chủng vi khuẩn phân lập được bởi một phản ứng đặc hiệu hoặc nhiều xét nghiệm quan trọng khác.

5.1.4. Danh pháp vi khuẩn (Nomenclature) Danh pháp (tên vi khuẩn) được định nghĩa bởi những đặc điểm của loài và đôi khi có liên quan đến người đầu tiên phân lập (ví dụ: vi khuẩn dịch hạch - Yersinia petis do Yersinia tìm ra). Tên của một loài vi khuẩn nên có sự thống nhất chung đối với các nhà vi sinh, tuy nhiên trong một số trường hợp thì có thể một số vi khuẩn có tên khác nhau ở các quốc gia. Ví dụ: ở Mỹ vi khuẩn hoại thư được gọi là Clostridium perfringens, nhưng ở Anh thì gọi là Clostridium welchii.

5.1.5. Loài vi khuẩn (Species) Loài vi khuẩn là bao gồm các vi khuẩn có đặc điểm đặc trưng giống nhau hoặc nhóm vi khuẩn có các đặc điểm quan trọng giống nhau. Trước đây, có rất ít quan điểm đồng tình về những tiêu chuẩn cũng như số lượng những tiêu chuẩn cần thiết dùng cho phân loại vi khuẩn. Các loài vi khuẩn thường được định nghĩa duy nhất bởi những tiêu chuẩn như: loại vật chủ kí sinh, khả năng gây bệnh, hoặc khả năng sinh hơi trong quá trình lên men một số đường nào đó. Hiện nay, phương pháp xác định loài vi khuẩn thường không nhất thiết cần sự nhất trí của cả cộng đồng, mà các tiêu chuẩn sử dụng trong phân loại chỉ cần phải phản ánh được những đặc điểm quan trọng mà các nhà nghiên cứu đưa ra khi họ đánh giá một loài vi khuẩn cụ thể.

5.2. Những phương pháp phân loại

5.2.1. Phân loại theo số học (Numerical) Phương pháp phân loại số học (hay còn gọi là phân loại theo máy tính hoặc theo biểu hiện kiểu hình) thì những đặc điểm sinh hóa, hình thái, và nuôi cấy cũng như mức độ nhạy cảm với kháng sinh hay những chất vô cơ được sử dụng để xác định mức độ tương đồng (degree of similarity) giữa các vi khuẩn. Trong nghiên cứu phân loại số học, những nhà nghiên cứu thường tính hệ số tương đồng (coeffecient of similarity) hay tỷ lệ tương đồng (percentage of similarity) giữa các chủng vi khuẩn phân lập được từ bệnh phẩm. Thông thường các chủng vi khuẩn được xếp chung vào một loài có mức độ tương đồng 90%, những chủng được xếp chung vào một giống có mức độ tương đồng ở 70% và các giống vi khuẩn khác nhau thì mức độ tương đồng ở 50% hoặc thấp hơn

5.2.2. Phân loại theo phương pháp phân tử Phương pháp này dựa trên sự so sánh các thông tin di truyền chứa đựng trong các ADN của các nhóm vi khuẩn khác nhau. Vì vậy, người ta sử dụng cách đo lường mức độ tương đồng của các đoạn ADN của nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau để xác định mối tương quan về ADN giữa chúng, từ đó đưa ra phân loại vi khuẩn.

5.3. Các mức độ phân loại trên và dưới loài

5.3.1. Phân loại dưới loài:

- Định nghĩa: Phân loại dưới loài, đó là những chủng vi khuẩn cùng loài được sắp xếp vào các nhóm hoặc týp khác nhau dựa trên cơ sở các phản ứng huyết thanh hoặc sinh hoá, ly giải bởi phage, nhậy cảm với kháng sinh, đặc điểm gây bệnh hay dựa trên các đặc điểm khác.

- Cách phân loại dưới loài:

+ Về dịch tễ học: Các nhà vi sinh lâm sàng thường phân loại các chủng vi khuẩn trong cùng một loài vào một số nhóm khác nhau dựa trên các đặc điểm cụ thể. Ví dụ: týp huyết thanh O157-H7 của E. coli được xác định từ phân bởi vì nó có liên quan đến khả năng gây tiêu chảy - phân có máu và theo sau là hội chứng ure huyết do tan máu.

+ Một số phương pháp phân loại dưới loài được chấp nhận và sử dụng rộng rãi hiện nay, như: định týp huyết thanh, định týp sinh học, định týp bằng phage đặc hiệu, định týp sinh học-huyết thanh (týp này bao gồm những vi khuẩn cùng loài và có các đặc điểm chung về sinh học và huyết thanh học), và phân loại theo đặc điểm gây bệnh (ví dụ: loại Clostridium difficile gây bệnh bằng độc tố, loại E. coli gây bệnh bằng cách xâm nhập).

5.3.2. Phân loại trên loài Ngoài phân loại dưới loài thì các nhà vi sinh lâm sàng thường sắp xếp các loài vi khuẩn vào các giống (genera) hoặc họ (family) tuỳ theo mức độ giống nhau. Một giống hoặc họ lý tưởng là được xác định dựa trên cả hai đặc điểm về kiểu hình (phenotype) và kiểu gen (genotype). Tuy nhiên, khi không thể đồng thời sử dụng được cả hai phương pháp này để phân loại thì người ta có thể dùng một trong hai đặc điểm này để phân loại.

Ví dụ:

- Phân loại các giống theo đặc điểm ADN: Citrobacter, Yersinia và Serratia.

- Phân loại dựa theo đặc điểm kiểu hình (phenotype): Bacillus, Clostridium và Legionella.

5.4. Đơn vị phân loại: Đơn vị phân loại của vi khuẩn cũng nằm trong hệ thống phân loại sinh vật, bao gồm:

1) Giới (kingdom): Ví dụ giới động vật, giới thực vật. Tên gọi của giới dựa trên đặc điểm chính của giới bằng tên Latinh.

2) Ngành (division): Dưới ngành (subdivision)

3) Lớp (class), Dưới lớp (subclass)

4) Bộ (order): Tên gọi lấy họ chính và tận cùng bằng chữ -ales. Ví dụ: Pseudomanadales. Bộ phụ (suborder) hay dưới bộ, tận cùng bằng chữ -ineae. Ví dụ: Rhobaterineae.

5) Họ (family): Tận cùng bằng -aceae. Ví dụ: Enterobacteriaceae. Dưới họ (subfamily): Tận cùng bằng -oideae.

6) Tộc (tribe): Tận cùng bằng chữ -eae. Ví dụ: Escherichieae. Dưới tộc (subtribe) tận cùng bằng -inae.

7) Giống (genus hoặc genera): Ví dụ Samonella, Proteus, Streptoccocus.

8) Loài (species): Đây là đơn vị cơ bản nhất, tên khoa học của loài thường đặt kép, tên giống trước và tên loài sau. Ví dụ: Pseudomonas aeruginosa.

9) Thứ (variety): Chỉ một nhóm nhất định trong loài. Ví dụ: Mycobacterium tuberculosis var. hominis - vi khuẩn lao người.

10) Dạng (Type), thường được gọi Việt hoá là týp để chỉ những nhóm nhỏ dưới thứ. Ví dụ: Streptoccocus pneumoniae týp 14.

11) Chủng (strain): Chỉ một chủng vi khuẩn của một loài mới được phân lập. Nó mang theo ký hiệu của giống loài và mã chủng. Ví dụ: Staphylococcus aureus ATCC 1259. Nói chung, trong vi sinh y học chủ yếu dùng các đơn vị phân loại: họ, tộc, loài, týp và chủng.