Nobel 2021 z medycyny. Doceniono badania nad receptorami dotyku i temperatury

Naukowcy David Julius i Ardem Patapoutian, którzy przeprowadzali przełomowe badania nad narządami zmysłów, dołączyli do grona laureatów Nagrody Nobla z medycyny i fizjologii. Ich odkrycie może być pomocne w leczeniu przewlekłego i ostrego bólu związanego z wieloma chorobami i urazami.

Dwóch uczonych David Julius z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco i Ardem Patapoutian ze Scripps Research w La Jolla w Kalifornii zawdzięczają Nagrodę Nobla za odkrycie receptorów temperatury ciepła i dotyku. Otrzymają zatem 10 mln koron szwedzkich, czyli ok. 980 tys. euro.  

Nagrodzone badanie naukowe polegało na wyjaśnieniu funkcji receptorów w różnych procesach fizjologicznych. Według uczonych ciepło, zimno oraz impulsy mechaniczne inicjują impulsy nerwowe, które pozwalają nam odczuwać otaczający świat i się do niego dostosowywać. Dzięki temu wybitnemu odkryciu będzie można opracować metody leczenia wielu stanów chorobowych, w tym przewlekłego bólu.

Inspiracja do podjęcia badań naukowych

Nie było wiadomo, w jaki sposób temperatura i bodźce mechaniczne są przekształcane w impulsy elektryczne w układzie nerwowym. Tym zagadnieniem zajął się w drugiej połowie lat. 90 David Julius, a dokładniej badał, w jaki sposób kapsaicyjna (tzw. związek chemiczny odpowiedzialny za piekący i niezwykle ostry smak papryczki chili) wywołuje uczucie pieczenia.

Naukowiec wraz ze swoim zespołem stworzyli bibliotekę milionów fragmentów DNA odpowiadającym genom, które ulegają ekspresji w neuronach czuciowych, mogących reagować na ból, ciepło i dotyk. Wspólnie postawili hipotezę, że ten zbór będzie zawierać fragment DNA, kodujący białko zdolne do reagowania na kapsaicyjnę. Uaktywnili pojedyncze geny z tej kolekcji w hodowanych komórkach, które normalnie nie reagują na kapsaicyjnę, aż trafili na taki, pod wpływem, którego zaczęły na nią reagować.

Na tym badacze nie zakończyli swojej analizy. Z dalszych analiz wywnioskowali, że zidentyfikowany gen kodował nowe białko kanału jonowego, czyli receptor kapsaicyjny nazywany później TRPV1. Podczas badania zdolności białka do reagowania na ciepło, Julius odkrył receptor wyczuwający ciepło, który jest aktywowany w temperaturach postrzeganych jako powodujące ból.

Odkrycie TRPV1 dało możliwości zidentyfikowana kolejnych receptorów wykrywających temperaturę. Prace nad tym zagadnieniem rozpoczęli niezależnie od siebie zarówno David Julius, jak i Ardem Patapoutian. Podczas badania wykorzystali mentol, który wywołuje odczucie chłodu do zidentyfikowania receptora TRPM8. Udało się też rozpoznać dodatkowe kanały jonowe związane z TRPV1 i TRPM8. Według uczonych są one aktywowane przez szereg różnych temperatur.

Identyfikacja nieuchwytnych receptorów

Naukowcy chcieli też rozwiązać zagadkę, w jaki sposób bodźce mechaniczne mogą zostać przekształcone w odczucia dotyku i nacisku. W związku z tym Ardem Patapoutian podjął się identyfikacji nieuchwytnych receptorów, które są aktywowane przez bodźce mechaniczne.

Wraz ze swoimi współpracownikami rozpoznał linię komórkową emitującą mierzalny sygnał elektryczny, gdy pojedyncze komórki zostały nakłute mikropipetą. Założono, że receptor aktywowany siłą mechaniczną jest kanałem jonowym i w kolejnym etapie badań zidentyfikowano 72 geny kodujące możliwe receptory. Geny te inaktywowano jeden po drugim w celu odkrycia odpowiedzialnego za mechanowrażliwość badanych komórek. Prace nad tym nie należały do najłatwiejszych, ale mimo to udało się zidentyfikować pojedynczy gen, którego wyciszenie, sprawiło, że komórki stały się niewrażliwe na poszturchiwanie mikropipetą.

Badacze dowiedli, że chodzi o nowy, wcześniej nieznany mechnowrażliwy kanał jonowy o nazwie Piezo1 (od gr słowa oznaczającego ciśnienie). Dzięki podobieństwu do Piezo1 odkryto drugi gen i określano go Piezo2. Co się okazało? To, że neurony czuciowe wyrażają wysoki poziom Piezo2. Natomiast dalsze badania wykazały, że Piezo1 i Piezo2 są kanałami jonowymi, które są bezpośrednio aktywowane przez wywieranie nacisku na błony komórkowe.

Według naukowców kanał jonowy Piezo2 jest niezbędny dla zmysłu dotyku i odgrywa kluczową rolę w wykrywaniu pozycji i ruchów cała (znanym jako propriocepcja). Poza tym kanały Piezo1 i Piezo2 regulują też ważne procesy fizjologiczne, w tym oddychanie, ciśnienie krwi i kontrolę pęcherza moczowego.  

Anna Tłustochowicz