Sinh lý co cơ và biến đổi của cơ sau tập luyện, chấn thương

1. TỔNG QUAN MÔ CƠ VÀ CƠ XƯƠNG

Mô cơ là một trong bốn loại mô trong cơ thể người, bên cạnh biểu mô, mô thần kinh, mô liên kết. Mô cơ góp phần vào chức năng di chuyển của cơ thể cũng như sự vận động của các cơ quan (sự co bóp của tim, nhu động ruột, sự co giãn mạch,…).

Về mô học, mô cơ được chia làm hai loại, là cơ vân (striated muscle) và cơ trơn (smooth muscle). Dưới kính hiển vi, ngược lại với cơ trơn cho hình ảnh trơn lán, cơ vân cho thấy hình ảnh của các đường vân là những dải sáng tối cấu tạo từ những protein actin-myosin được sắp xếp chồng lắp, xen kẽ nhau trong các sợi tơ cơ (myofibrils). Về mặt giải phẫu, mô cơ được chia thành cơ xương, cơ tim và cơ trơn (Hình 2.1). Cơ tim đảm nhiệm chức năng co bóp của tim. Cơ trơn tạo thành lớp giữa của những cơ quan hình ống (ống tiêu hóa, mạch máu, tử cung,…) cũng như cơ tròn và cơ tia của đồng tử, đảm nhiệm nhu động ruột, sự co giãn mạch máu và phản xạ đồng tử. Những hoạt động này diễn ra tự động dưới sự kiểm soát của hệ thần kinh giao cảm và phó giao cảm. Cơ xương (skeletal muscle) là một loại cơ vân (Hình 2.1), có nguyên ủy và bám tận tại xương, qua đó tạo nên những cử động cơ khớp của cơ thể và giúp giữ thăng bằng tư thế. Sự co cơ xương có tính tự chủ và được chi phối bởi hệ thần kinh bản thể.

Hình 2.1. Phân loại mô cơ theo giải phẫu bao gồm (a) Cơ xương với những sợi cơ (hoặc tế bào cơ) dài, không phân nhánh, với nhân ngoại biên và những sợi vân cơ vuông góc với chều dài sợi cơ. Các dải vân tối thực chất là những vị trí mà nhiều protein actin và myosin chồng lắp xen kẽ lẫn nhau và ngược lại, các dải vân sáng là nơi có sự chồng lắp ít hơn. (b) Cơ tim được cấu tạo bởi những sợi cơ phân nhánh nhưng nổi bật bởi những đĩa đệm xen kẽ giữa những tế bào cơ tim hỗ trợ việc dẫn truyền điện thế khử. Cơ tim cũng có những sợi tơ cơ chứa actin và myosin chồng lắp lẫn nhau và tạo thành những sợi vân cơ như cơ xương. (c) Cơ trơn khác biệt vì không có hiện diện của các vân cơ và tế bào cơ trơn là những tế bào hình thoi, thuôn dẹt hai đầu với nhân trung tâm, sắp xếp liền kề nhau tạo nên hình ảnh trơn láng so với cơ vân [1]

Về cấu trúc, một đơn vị cơ xương (ví dụ cơ nhị đầu) được cấu thành bởi nhiều bó cơ nằm chung trong một bao cơ (Hình 2.2). Mỗi bó cơ bao gồm nhiều sợi cơ (tế bào cơ) trong một bao bó cơ. Mỗi tế bào cơ được bao quanh bởi bao sợi cơ và chứa từ vài trăm đến vài ngàn sợi tơ cơ cấu tạo từ những protein actin và myosin. Những protein này được sắp xếp xen kẽ nhau thành những đơn vị co cơ (sarcomere). Những bao liên kết kể trên nối liên tục với nhau tại gân cơ cùng với lớp mạc sâu, giúp bám khối cơ vào xương. Như vậy, việc co (hoặc giãn) một cơ xương bắt đầu từ việc rút ngắn (hoặc kéo dài) từng đơn vị co cơ. Quá trình này khởi đầu nhờ một điện thế động trên màng tế bào cơ khi một tín hiệu thần kinh được dẫn truyền tại synapse thần kinh cơ (neuromuscular junction).

2. CẤU TẠO CỦA MỘT TẾ BÀO CƠ

Lớp màng tế bào của sợi cơ cũng là một lớp đôi phospholipid, tuy nhiên có chia thành những rãnh – ống T hay ống ngang (transverse tubule) – chạy sâu vào bên trong tế bào cơ và vuông góc với các sợi tơ cơ (Hình 2.3). Chính những rãnh này hình thành sự tương tác giữa dịch ngoại bào và lưới nội bào của tế bào cơ. Khi có một điện thế động được khởi đầu tại đầu mút thần kinh cơ, nó sẽ được lan tỏa đến các ống T và kích thích hoạt động của lưới nội chất cho sự co cơ.

Ngoài những sợi tơ cơ, lưới nội chất của tế bào cơ là nơi chứa calcium nội bào và đóng vai trò quan trọng trong quá trình co cơ. Lượng calcium cần thiết để thúc đẩy hoạt động của hai protein actin và myosin được cung cấp từ lưới nội chất và sau đó, các ion Ca²⁺ được tái hấp thụ vào lưới nội chất, cụ thể là vùng cisternae tận cùng kế cạnh các ống ngang, nhằm dự trữ cho lần co cơ tiếp theo.

Hình 2.3. Cấu trúc của tế bào cơ bên ngoài, bao gồm màng tế bào với những lỗ mở vào trong các ống ngang. Các ống này chạy vuông góc với chiều dài sợi cơ và kế cạnh vùng cisternae tận cùng của các lưới nội chất và đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn truyền tin hiệu khử cực làm tăng calcium nội bào [2]

Một đơn vị co cơ được tính từ hai vạch “Z” liên tiếp chứa các sợi mảnh actin và các sợi dày myosin. Các sợi protein này được sắp xếp xen kẽ và trượt lên nhau để tạo ra sự co cơ, có sử dụng năng lượng ATP từ quá trình hô hấp hiếu khí chậm hoặc đường phân kỵ khí nhanh. Các sợi mảnh gắn kết đầu ngoài với đĩa Z, trong khi đầu phía trong được tự do ở trạng thái nghỉ (giãn cơ). Các sợi dày phân bố ở trung tâm đơn vị co cơ, xen kẽ với các sợi mảnh và được nối với đĩa Z nhờ titin, một protein khác trong hệ thống sợi tơ cơ. Khi cơ co, các sợi dày gắn được vào các sợi mảnh và kéo các sợi mảnh vào trong, làm cho các đĩa Z gần lại (mỗi đơn vị co cơ ngắn lại). Khi cơ giãn, đầu trong của sợi mảnh lại được thả tự do và đĩa Z hai bên trở lại về vị trí cũ (Hình 2.4).

Hình 2.4. (a) Một tế bào cơ chứa nhiều sợi tơ cơ. Mỗi sợi tơ cơ chứa nhiều protein actin và myosin (hay còn gọi là sợi mảnh và sợi dày). Dải A là vùng bao gồm sợi dày và sợi mảnh chống lấp xen kẽ nhau tạo ra những sợi vân tối màu trên phiên bản mô học. Dải I là những vùng ít chồng lấp hơn, chỉ bao gồm những sợi mảnh và sợi titin xen kẽ nhau. (b) Mặt cắt ngang tại từng vị trí tương ứng với các vùng và các dải trên sợi tơ cơ. (c) Một đơn vị co cơ được giới hạn bởi hai đường Z hai bên [1]. (d) Việc một cơ co hoặc giãn thực chất là sự rút ngắn hoặc về vị trí ban đầu (hay có thể kéo giãn) của một đơn vị co cơ [3]

3. SINH LÝ CO CƠ

Như đã đề cập, sự co cơ xương là quá trình có chủ ý dưới sự chi phối của hệ thần kinh bản thể. Tín hiệu thần kinh được dẫn truyền từ hệ thần kinh trung ương theo dây thần kinh hướng tâm từ sừng trước tủy sống đến khớp thần kinh cơ. Một cơ xương (ví dụ cơ nhị đầu) được sắp xếp thành những đơn vị vận động, với mỗi đơn vị bao gồm một sợi thần kinh vận động và tất cả các sợi cơ mà thần kinh đó chi phối (Hình 2.5). Như vậy, một sợi thần kinh vận động có thể dẫn truyền đến nhiều tế bào cơ, nhưng một tế bào cơ chỉ được điều khiển bởi một sợi thần kinh vận động. Số lượng đơn vị vận động, cũng như số lượng tế bào cơ, được kích thích càng nhiều thì lực co cơ càng mạnh. Tín hiệu thần kinh từ hệ thần kinh trung ương càng mạnh, càng nhiều đơn vị vận động được kích thích. Đối với những cơ xương thực hiện vận động tinh, một đơn vị vận động chứa ít tế bào cơ, trong khi ở những cơ xương thực hiện vận động thô hoặc những vận động mạnh (cơ nhị đầu, tam đầu, tứ đầu đùi,…), một đơn vị vận động có thể bao gồm cả trăm cả ngàn tế bào cơ. Như vậy, sự sắp xếp các đơn vị vận động và mức độ tín hiệu thần kinh điều hòa lực cần thiết khác nhau trong những hoạt động khác nhau.

Hình 2.5. Sơ đồ thể hiện sự chi phối của thần kinh bản thể bắt đầu từ sừng trước tủy sống và kết thúc tại synapse thần kinh cơ trên các tế bào cơ. Mỗi neuron vận động và các sợi cơ được nó chi phối tạo thành một đơn vị vận động (trong hình bao gồm 2 đơn vị vận động) [3]

Dẫn truyền hóa học tại synapse thần kinh cơ, qua chất dẫn truyền thần kinh acetylcholin, mở kênh Na làm Na ngoại bào tràn vào trong và gây khử cực tế bào cơ, tạo một điện thế động giúp kích thích cơ co (Hình 2.6a). Điện thế động của tế bào cơ được tạo thành khi sự khử cực đạt ngưỡng –40 mV và điều này phụ thuộc vào nồng độ của acetylcholin trong khe sau synapse. Ngoài ra, điện thế động còn được lan tỏa vào sâu bên trong tế bào cơ, đến những vùng kế cạnh lưới nội chất và sợi tơ cơ, qua những ống T. Tại đây, sự khử cực màng của ống T hoạt hóa thụ thể dihydropyridine (DHP receptor), một protein có liên kết với một kênh thả calcium trên màng của lưới nội chất (hay còn có tên khác là thụ thể Ryanodine), qua đó mở kênh này và làm tăng calcium nội bào (Hình 2.6b). 

Hình 2.6. (a) Khớp nối thần kinh cơ và chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine sau khi được phóng thích vào khe synapse từ các bóng synapse tại đầu mút thần kinh [4]. (b) Sự khử cực màng tại các ống T kích hoạt thụ thể Ryanodyin giải phóng ion calcium từ lưới nội chất làm tăng calcium nội bào giúp co cơ [3]

Sự liên kết của ion calcium với protein troponin trên sợi mảnh làm dịch chuyển protein tropomyosin, bộc lộ vùng gắn kết với myosin trên protein actin (Hình 2.7a). Nhờ đó, một cầu nối được thiết lập giữa sợi dày và sợi mảnh, tạo tiền đề cho quá trình co cơ. Nồng độ của calcium nội bào càng cao, lực co cơ càng mạnh. Tuy nhiên, khi nồng độ này đạt tới ngưỡng bão hòa (~10^–5M), lực co cơ đạt tối đa. Với mỗi một điện thế động chỉ có một đợt giải phóng calcium từ lưới nội chất. Diễn ra song song với quá trình này là sự tái hấp thụ calcium nội bào vào trong lưới nội chất qua bơm calsequestrin sử dụng ATP.

Ban đầu khi cơ đang nghỉ, đầu myosin còn được gắn kết với ADP và một nhóm phosphate (Pi) (Hình 2.7b). Khi myosin nối được với actin (trong môi trường giàu calcium), ái lực với của myosin với ADP và Pi giảm, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của myosin và giúp kéo actin trượt vào trong. Lúc này, cầu nối vẫn còn được giữ vững và tình trạng co cơ vẫn diễn ra. Khi ATP bám vào đầu myosin, actin được giải phóng, trong khi phân tử ATP bị thủy phân tạo thành ADP và Pi (trạng thái ban đầu của đầu myosin). Khi tín hiệu thần kinh tiếp tục, lượng calcium nội bào vẫn cao và giới hạn co ngắn của cơ vẫn chưa đạt được, thì một chu kỳ mới tiếp tục, myosin lại bám vào actin, ly giải ADP và Pi và kéo sợi actin trượt vào trong, rồi giải phóng actin nhờ ATP. Như vậy, ATP đóng vai trò trong quá trình giãn cơ bằng cách (1) giải phóng actin khỏi đầu myosin, (2) hoạt hóa bơm calsequestrin giúp tái hấp thu calcium nội bào vào lưới nội chất và (3) hoạt động của bơm Na/K ATPase trên màng tế bào cơ để giúp thiết lập điện thế nghỉ.

4. BIẾN ĐỔI CỦA CƠ SAU TẬP LUYỆN

Những sợi cơ trong các cơ xương được chia thành hai loại, bao gồm cơ co rút chậm và cơ co rút nhanh. Đặc điểm của hai nhóm này được trình bày trong (Bảng 2.1). Bất kỳ cơ xương nào cũng có đủ cả hai nhóm sợi cơ này, với tỉ lệ biểu hiện khác nhau tùy vào nhóm cơ (Bảng 2.2), chức năng chúng thực hiện, cũng như quá trình tập luyện (Bảng 2.3).

Bảng 2.1. Phân biệt cơ co rút chậm và cơ co rút nhanh [3]

Bảng 2.2. Tỉ lệ biểu hiện cơ co rút chậm ở một số cơ xương [5]

Bảng 2.3. Tỉ lệ biểu hiện nhóm sợi cơ theo loại hình thể thao [3]

Trong luyện tập sức bền (endurance training), bài tập với kháng lực nhẹ trong khoảng thời gian dài, cơ xương thích ứng bằng cách tăng hoạt động của ti thể (và có thể số lượng ti thể) và tăng mật độ tưới máu để đảm bảo đủ nguồn oxy cho chuyển hóa hiếu khí, tạo đủ ATP để duy trì sức bền trong một thời gian dài. Những bài tập sức bền sử dụng những nhóm cơ lớn với nhịp điệu nhịp nhàng, đều đặn ít nhất 30 phút (đi bộ nhanh, chạy bộ, đạp xe đạp, bơi lội,…).

Tập luyện với kháng lực (strength training hoặc high – resistance training) giúp tăng sức cơ bằng việc thay đổi đáp ứng thần kinh cơ và phì đại cơ. Hiện tượng này xảy ra trong khoảng 2 – 3 tháng luyện tập. Khi đó, tín hiệu thần kinh sẽ huy động nhiều đơn vị vận động hơn giúp làm tăng sức cơ. Các bài tập chuyển hóa yếm khí là những bài có cường độ cao diễn ra trong khoảng thời gian ngắn, ví dụ như chạy nước rút, cử tạ,… Như vậy, kiểu hình cơ cũng sẽ bị thay đổi sao cho phù hợp với loại vận động, trong trường hợp này, cơ co rút nhanh sẽ được biểu hiện nhiều hơn [6].

Phì đại cơ (muscle hypertrophy) là sự tăng khối lượng cơ, tức là tăng số lượng protein actin và myosin trong tế bào cơ đáp ứng với mức độ sử dụng cao hoặc co cơ với tải trọng nặng (ví dụ như nâng tạ). Cơ phì đại còn tăng tổng hợp số lượng men chuyển hóa cho quá trình đường phân, giúp tạo năng lượng nhanh trong quá trình co cơ ngắn hạn.

Cơ cũng có thể thay đổi chiều dài để đáp ứng với sự kéo giãn hoặc co rút. Đây cũng được coi là phì đại cơ, vì khi cơ bị kéo giãn hơn mức giới hạn, đơn vị co cơ mới sẽ được tạo thành và thêm vào hai bên của sợi tơ cơ. Ngược lại, khi cơ bị co rút, các đơn vị hoạt động ở hai đầu của sợi tơ cơ sẽ bị tiêu biến mất. Những quá trình này xảy ra để tái cấu trúc cơ một cách phù hợp cho hoạt động mà cơ đáp ứng.

Sự tăng số lượng sợi cơ (fibers hyperplasia) cũng có thể xảy ra trong những trường hợp vận động khắc nghiệt. Bản chất của quá trình này là sự tách đôi của những sợi cơ đã phì đại. Tuy nhiên, hiện tượng này hiếm xảy ra và dù có, số lượng tế bào cơ cũng chỉ tăng thêm vài phần trăm [3].

5. BIẾN ĐỔI CỦA CƠ SAU CHẤN THƯƠNG

Sự đáp ứng của cơ sau tổn thương bao gồm ba giai đoạn [7]. Trong vòng vài ngày sau chấn thương, giai đoạn 1 là hậu quả của thương tổn lên mô cơ, làm hoại tử và thoái biến cơ 

Song song với đó là phản ứng viêm và sự thâm nhập của những tế bào miễn dịch. Đáp ứng viêm sau khoảng 2 – 4 ngày sẽ được thuyên giảm nhờ những đại thực bào loại II, hỗ trợ quá trình lành cơ và tạo sẹo sau này. Trong lúc này, mục tiêu của vật lý trị liệu là hỗ trợ sự kháng viêm và quá trình lành cho vết thương. Việc nghỉ ngơi và tránh vận động nặng nhằm không làm tổn thương thêm mô cơ và các mô mềm xung quanh [5]. Một tác động cơ học được nhắc đến có lợi trong giai đoạn này là liệu pháp massage, cho thấy khả năng kháng viêm và tạo ti thể giúp tế bào tổn thương lành nhanh hơn [8].

Trong vòng 5 ngày đến 2 tuần sau chấn thương, giai đoạn 2 là quá trình phục hồi và tái cấu trúc mô cơ mới. Những tế bào vệ tinh (satellite cells) là những tế bào gốc ở người trưởng thành, tăng sinh và biệt hóa thành những sợi cơ mới. Ngoài ra, những cấu trúc mô sợi cũng được hình thành nhằm thay thế những mô tổn thương, tuy nhiên vẫn còn mỏng manh và yếu. Đây là lúc vận động trị liệu có thể được áp dụng để sớm giúp bệnh nhân phục hồi những chức năng vận động; nhưng các bài tập cần được thiết kế ở mức độ chịu đựng của người bệnh, không gây đau và được giám sát nhằm tránh tổn hại lên những cấu trúc mô mới còn yếu [5]. Ngoài ra, thí nghiệm in vitro cũng cho thấy vai trò của việc kéo giãn cơ học lên sự hoạt hóa của các tế bào vệ tinh [9].

Giai đoạn cuối cùng là sự tái cấu trúc mô cơ, cụ thể là sự trưởng thành của những tế bào cơ mới biệt hóa, sự phục hồi của hệ thần kinh và mạng lưới mạch máu. Sự xơ hóa cũng diễn ra nhiều hơn và mô sợi tạo thành có sức căng cũng như khả năng chịu lực tốt hơn trong thời gian này. Những yếu tố tăng trưởng (growth factor), ví dụ như IGF-1, HGF, VEGF, FGF, TGF-β1, PDGF, đóng vai trò quan trọng trong khoảng thời gian này. Việc gia tăng độ nặng của các bài tập ở giai đoạn này là cần thiết để giúp bệnh nhân tối ưu sự phục hồi chức năng.

Teo cơ (muscle atrophy) là hiện tượng giảm khối lượng cơ hoặc giảm số lượng protein actin và myosin khi cơ không được sử dụng trong khoảng thời gian dài (vài tuần), ví dụ: khi cơ bị mất chi phối thần kinh hoặc khi người bệnh bị bất động vì bất kỳ lý do nào. Ngoài ra, hiện tượng teo cơ còn được thấy ở người cao tuổi (sarcopenia). Tuy nhiên, quá trình này vẫn còn tùy thuộc vào mức độ vận động của từng cá thể và không xảy ra đồng đều cho tất cả các nhóm cơ [10]. Nhiều nghiên cứu cho thấy sự teo cơ do bất động ảnh hưởng đến loại cơ co rút chậm nhiều hơn cơ co rút nhanh, cũng như nhóm cơ duỗi nhiều hơn nhóm cơ khép [11]. Các protein này bị phân hủy bởi con đường ubiquitin-proteosome và các tế bào cơ thoái hóa được thay thế bởi mô sợi hoặc mô mỡ ở giai đoạn muộn. Như vậy, chức năng co giãn của cơ xương trước đây không thể thực hiện được. Hơn nữa, mô xơ trong những “khối cơ teo” có xu hướng rút ngắn và phương pháp kéo giãn cơ trong vật lý trị liệu cần được sử dụng để tránh tình trạng co rút cơ (contracture) [3].

6. NGUYÊN TẮC TẬP LUYỆN AN TOÀN VÀ HIỆU QUẢ

Việc thiết kế các bài tập vận động trị liệu và hoạt động rèn luyện nói chung cần đảm bảo phù hợp với từng cá nhân vì mỗi người có sức chịu đựng và mức đáp ứng khác nhau. Các yếu tố về tuổi tác, giới tính, hình thể cũng như những tiền căn chấn thương cần được xem xét nhằm thiết kế các bài tập với độ khó và tính chất phù hợp cho từng bệnh nhân.

Độ khó của các bài tập cần cao hơn ngưỡng quen thuộc của người tập để thúc đẩy quá trình đáp ứng của cơ và các mô mềm với vận động trị liệu. Tuy nhiên, sự vượt ngưỡng này cần được thực hiện vào đúng giai đoạn khi tổn thương đủ lành và đủ khả năng chịu đựng sức tải của bài tập và có thể đạt được qua việc gia tăng cường độ, thời gian hay tần suất luyện tập một cách dần dần. Một số cách tiếp cận khác có thể bao gồm tăng độ khó, giảm số lượng nghỉ giữa giờ, tăng sự lặp lại, tăng sức cản.

Cụ thể, giai đoạn ngay sau chấn thương, khi các mô bị tổn thương và quá trình viêm diễn ra tối đa, thì việc nghỉ ngơi cũng như ứng dụng các tác nhân vật lý trị liệu (xem chương Các tác nhân vật lý dùng trong trị liệu) để giảm đau, kháng viêm, tăng giãn mạch, hỗ trợ chuyển hóa và thúc đẩy quá trình lành cần được chú trọng. Sau đó, khi vùng tổn thương được thay thế bằng những mô cơ và mô sợi mới biệt hóa, những bài tập vận động trị liệu có thể được áp dụng nhằm sớm phục hồi vận động và tránh tình trạng co rút hoặc cứng khớp, nhưng cần đảm bảo mức độ vừa phải, không gây đau và đúng ngưỡng chịu đựng của bệnh nhân, nhằm tránh tác động lên những mô mới còn yếu. Việc tăng tiến dần dần cường độ, số lượng hoặc mức độ bài tập có thể được thực hiện trong giai đoạn tiếp theo khi các mô cơ trưởng thành dần và mô sợi có khả năng chịu lực cao hơn. Làm nóng và giữ cường độ phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc phòng ngừa tổn thương thứ phát hoặc đau cơ do luyện tập.

Dựa vào đáp ứng sinh lý của cơ với các loại hình bài tập, có thể thấy phần trăm biểu hiện của cơ co rút chậm sẽ cao hơn sau các bài tập rèn luyện sức bền (sức cản thấp, độ lặp lại cao, thời gian dài và nhắm vào hô hấp hiếu khí). Ngược lại, các bài tập rèn luyện sức cơ (tập với lực cản lớn, thời gian ngắn) sẽ thúc đẩy biểu hiện của các sợi cơ co rút nhanh.