Temperatura i dotyk

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny trafiła w ręce dwóch amerykańskich naukowców za odkrycie receptorów, za pomocą których odczuwamy temperaturę i dotyk. Jakie implikacje kliniczne może to mieć w przyszłości? – pyta Lidia Sulikowska.

Zgromadzenie Noblowskie działające przy Królewskim Karolińskim Instytucie Medyczno-Chirurgicznym w Sztokholmie znów ukłoniło się w kierunku nauk podstawowych. Podobnie jak dwa lata temu, kiedy to medycznego Nobla otrzymało trzech naukowców (William G. Kaelin Jr., sir Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza), których wyróżniono za odkrycie mechanizmów adaptujących komórki do zmian poziomu dostępności tlenu, dzięki czemu organizm może przetrwać i się rozwijać.

W tym roku noblistami zostali David Julius i Ardem Patapoutian, których badania naukowe dały w końcu odpowiedź na pytanie, w jaki sposób inicjowane są sygnały w naszym systemie nerwowym, pozwalające nam odczuwać ciepło, zimno, dotyk czy ucisk. To podstawowe procesy ludzkiej fizjologii, pozwalające przetrwać w otaczającym nas świecie i adaptujące nas do zmian w środowisku, w którym żyjemy. Ich istnienie jest tak oczywiste, że na co dzień ich nawet nie zauważamy, a jednak na tyle skomplikowane, że na długo pozostawały tajemnicą dla nauki i medycyny.

Czuję, że żyję

Skąd mamy umiejętność precyzyjnego określania położenia poszczególnych kończyn w przestrzeni, nawet jeśli ich nie widzimy? W jaki sposób możliwe jest odczuwanie narządów wewnętrznych? Dlaczego doskonale orientujemy się, że nasz pęcherz jest pełny, a płuca napełnione powietrzem? Jak to się dzieje, że jeden dotyk jest dla nas przyjemny, a inny sprawia cierpienie? Wszystko to opiera się na mechanizmie odbierania przez system nerwowy mechanicznych impulsów dotyku i ucisku.

Ardem Patapoutian wraz ze swoim zespołem zidentyfikował specyficzne receptory, które są w stanie rozpoznać te mechaniczne bodźce czuciowe i przekształcić je w impulsy nerwowe, które docierają do mózgu. To kanały jonowe Piezo1 i Piezo2 – wyspecjalizowane cząsteczki białek zlokalizowane w niektórych komórkach, zdolne do przekazywania sygnałów w odpowiedzi na bodźce mechaniczne w tym, dotyk/nacisk.

Kanały te są aktywowane przez wywieranie ucisku na błony komórkowe, i to nie tylko poprzez skórę, taki sam proces zachodzi w organach wewnętrznych. Są więc niezbędne przy odczuwaniu dotyku, propriocepcji, interocepcji, regulują ważne procesy fizjologiczne, w tym napięcie ścian naczyń krwionośnych (regulacja ciśnienia krwi), oddech i kontrolę pęcherza moczowego, a także napięcie mięśniowe.

Ciepło, zimno, ból

Drugi z laureatów tegorocznego medycznego Nobla, David Julius z Uniwersytetu Kalifornijskiego (USA), odkrył z kolei receptor, który reaguje na ciepło odczuwane jako bolesne. Do identyfikacji kanału jonowego TRPV1 użył kapsaicyny. Odkrycie to utorowało drogę do zidentyfikowania także innych receptorów temperatury (Julius i Patapoutian odkryli, niezależnie od siebie, receptor TRPM8, aktywujący się pod wpływem zimna). To dzięki tym receptorom inicjowane są impulsy nerwowe, a nasz mózg może je właściwie zinterpretować.

– Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii/medycyny za rok 2021 ponownie rzuciła światło na starą jak świat neuronaukę, czyli receptory, impulsy i sygnalizację. Odkrycia dotyczące tego, w jaki sposób specyficzne receptory przekształcają bodźce mechaniczne i cieplne w impulsy elektryczne, są nie tylko postępowe pod względem koncepcyjnym, ale także wyjaśniają „babciną” radę, o której wszyscy słyszeliśmy – o masażu i paście chili leczących bóle stawów – komentuje dr Ali Jawaid z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN.

Przełożenie kliniczne

W jaki sposób odkrycia Davida Juliusa i Ardema Patapoutiana mogą przysłużyć się medycynie klinicznej? Możliwości jest wiele, jak np. leczenie zaburzeń dotyku lub czucia narządów wewnętrznych, a także terapie nie tylko bólu ostrego, ale również przewlekłego.

– Na pewno poznanie tych receptorów, mechanizmu działania doznania temperatury i dotyku, będzie bardzo ważnym narzędziem w walce z czymś, co staje się coraz większym wyzwaniem dla współczesnej medycyny – chorób, które wiążą się z zaburzeniami czucia. Chociażby, nazywana już współcześnie epidemią, neuropatia cukrzycowa – podkreśla prof. Anna Kostera-Pruszczyk z Katedry i Kliniki Neurologii CSK UCK WUM.

Co więcej, jak zauważa prof. Grzegorz Basak z Katedry z Kliniki Hematologii, Transplantologii i Chorób Wewnętrznych CSK UCK WUM, tego typu odkrycia są często reakcją spustową dla kolejnych. – Początkowe odkrycie wymaga odpowiedniego dobrania metodyki, a zrozumienie danego mechanizmu najczęściej powoduje falę odkryć, na przykład innych receptorów, dzięki zastosowaniu podobnej metodyki, ale dotyczącej innych zjawisk – komentuje prof. Grzegorz Basak.

Lidia Sulikowska

Źródło: Nobelprize.org, „Scientific American”, WUM, PAN

Komentuje prof. Tomasz Brzozowski, kierownik Katedry Fizjologii UJ CM

Po raz kolejny doceniono odkrycia w zakresie nauk przedklinicznych. Bardzo się z tego cieszę. Na tym etapie prowadzone są żmudne, trwające wiele lat badania, które niezbyt często prowadzą do sukcesu. Tegoroczni nobliści i ich zespoły naukowe włożyli mnóstwo pracy w dokonanie swoich odkryć.

Teoretycznie proces termoregulacji i odczuwania mamy dobrze rozpoznany, a jednak pozostawało pytanie, gdzie ta droga się zaczyna. Jak temperatura i dotyk przekładają się na impuls nerwowy? Czy są specyficzne receptory aktywujące się pod wpływem różnych temperatur czy ucisku?

Dzięki Davidowi Juliusowi i Ardemowi Patapoutianowi wiemy, że tak jest. David Julius wykorzystał ekstrakt z papryki – kapsaicynę do odkrycia kanału jonowego, który otwiera się pod wpływem ciepła odczuwalnego jako ból. To dzięki niemu impulsy nerwowe otrzymują sygnał, który biegnie do mózgu, i odpowiednio nas o tym informuje. Z kolei Patapoutian zidentyfikował receptory aktywujące się pod wpływem dotyku.

Co więcej, późniejsze badania in vivo przeprowadzane na myszach, które pozbawiono genów dla tych receptorów, potwierdziły to, co obserwowano podczas testów in vitro. Gryzonie nie odczuwały prawidłowo wrażeń dotykowych, miały napady bólowe, traciły orientację w przestrzeni, przestały odczuwać wibracje.

Odkrycia kalifornijskich badaczy mogą mieć konkretne implikacje kliniczne. Mam tu na myśli np. zrozumienie mechanizmów powstawania bólu przewlekłego w danych jednostkach chorobowych, a co za tym idzie – w przyszłości skuteczniejsze leczenie tego bólu. Być może otworzą się nowe możliwości terapeutyczne, odmienne od dziś stosowanych. To także ogromna szansa dla rozwoju neurologii. Oczywiście trzeba pamiętać, że to dopiero początek drogi. Uchylono rąbek tajemnicy, ale jednak fundamentalny, który na pewno doprowadzi do kolejnych, istotnych dla medycyny odkryć.

Przy okazji jest mi miło wspomnieć, że w naszej Katedrze Fizjologii UJ CM również pracowaliśmy z kapsaicyną, dzięki której udowadnialiśmy, że poprzez aferentne nerwy czuciowe i uwalniane z nich neuropeptydy możemy wpływać na funkcje ochronne niektórych hormonów i leków w rozwoju schorzeń indukowanych doświadczalnie w określonych narządach trzewnych.

W skrócie

David Julius urodził się w 1955 r. w Nowym Jorku. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco (USA) pracuje od 1989 r. Ardem Patapoutian (ur. 1967 r.) ma pochodzenie ormiańskie. Urodził się i dorastał w Bejrucie (Liban). Kiedy miał 18 lat, z kraju targanego wojną domową wyjechał do USA. Od 2000 r. pracuje w Scripps Research w La Jolla w Kalifornii (USA). Od 2014 r. jest także badaczem Instytutu Medycznego Howard Hughes.

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznaje się wyłącznie za konkretne osiągnięcia, a nie za całokształt działalności badawczej. Wyróżnienie jest wręczane od początku trwania konkursu, czyli od 1901 r. Dotychczas tym wyróżnieniem uhonorowano ponad 200 osób, w tym jednak zaledwie 12 kobiet. Najmłodszy nagrodzony miał 32 lata (Frederick G. Banting w 1923 r.).