Nagroda Nobla 2021 w dziedzinie fizjologii lub medycyny trafiła do Davida Juliusa i Ardema Patapoutiana za odkrycie receptorów temperatury i dotyku. O komentarz do decyzji Instytutu Karolińskiego poprosiliśmy prof. Tomasza Brzozowskiego z Zakładu Fizjologii Doświadczalnej UJ CM oraz prof. Agatę Ptak-Belowską z Pracowni Genetyki i Biologii Molekularnej UJ CM.

Prof. Tomasz Brzozowski (Zakład Fizjologii Doświadczalnej UJ CM)

Dziś została przyznana Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Laureatami tej nagrody zostali David Julius pracujący na co dzień w Uniwersytecie w San Francisco oraz Ardem Patapoutian, Ormianin przebywający w USA i pracujący na co dzień w ośrodku badawczym w La Jolla w Stanach Zjednoczonych,  za odkrycie receptorów temperatury i dotyku.  Przyznana nagroda poprzedziły długoletnie badania tych autorów sięgające połowy lat 90-tych ub. stulecia, nad rolą przekaźnictwo nerwowego pozwalającego człowiekowi odczuwać temperaturę i ból.

Dla medycyny zrozumienie tych zjawisk jest bezcenne, gdyż wiedza odkryta przez tych naukowców dotyczy to nie tylko wystąpienia bólu ostrego, lecz również uchyla rąbka tajemnicy na temat patogenezy bólu przewlekłego i możliwości terapeutycznego zapobiegania wystąpienia tego bólu. 

Pierwszy z nagrodzonych Prof. David Julius wykorzystał związek kapsaicynę, który jest ekstraktem z papryki (opowiada m.in. za ostry i gorzki smak papryki chili), wywołując przy spożywaniu uczucie pieczenia, a jednocześnie dostarcza informacji czuciowej z powłok skórnych w odpowiedzi na ciepło. Kapsaicyna w niewielkich ilościach pobudza włókna czuciowe aferentne, natomiast w dużych dawkach blokuje te neurony, stanowiąc jednoczenie doskonałe narzędzie doświadczalne do prześledzenia drogi bólowej termoregulując jednocześnie pracę mózgu. Grupa badawcza Prof. Juliusa odkryła receptor wanilloidowy TRPV1, wrażliwy na kapsaicynę, ciepło i prostaglandyny, co stanowi wielki przełom w naszej wiedzy dotyczącej przekaźnictwo nerwowego. Badania tych autorów prowadzone m.in. na myszach pozbawionych genów kodujących te receptory, doprowadziły do odkrycia kolejnych receptorów mogących uczestniczyć w odbieraniu impulsów termicznych, nie tyko odbierających normalną zmienność temperatury ale również ostrzegających nasz ustrój bólem, związanym np. z przegrzaniem. Ponadto badania tych autorów doprowadziły do zidentyfikowania również innych kanałów jonowych, w tym kanałów TRPM8, które aktywowane są przez różnego rodzaju zmiany w temperaturze. 

Badania Prof. Ardema Patapoutiana dotyczą  zrozumienia funkcji komórek wrażliwych na ucisk które stanowią podwaliny pod zrozumienie reakcji ustrojowej na bodźce mechaniczne w skórze i narządach wewnętrznych. Z kolei to odkrycie doprowadziło do poszerzenia naszej wiedzy na temat sposobów komunikacji osi receptor - nerwowa droga przewodzenia – mózg, wiodącej impulsy bólowe i termiczne do kory czuciowej mózgu. Dla medycyny zrozumienie tych zjawisk jest bezcenne, gdyż wiedza odkryta przez tych naukowców dotyczy to nie tylko wystąpienia bólu ostrego, lecz również uchyla rąbka tajemnicy na temat patogenezy bólu przewlekłego i możliwości terapeutycznego zapobiegania wystąpienia tego bólu.

Prof. Agata Ptak-Belowska (Pracowni Genetyki i Biologii Molekularnej UJ CM)

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii trafiła do rąk profesorów: Davida Juliusa i Ardema Patapoutiana za „odkrycie receptorów temperatury i dotyku”. W uzasadnieniu Komitet Instytutu Karolinska podkreślił, że obaj naukowcy wyjaśnili związek pomiędzy temperaturą oraz uciskiem a przekaźnictwem sygnałów w układzie nerwowym. „Nasza zdolność do odczuwania ciepła, zimna i dotyku jest kluczowa dla przeżycia oraz stanowi podstawę naszych interakcji z otoczeniem” – oznajmił Komitet Noblowski w uzasadnieniu swojej decyzji.

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii jest ukłonem w stronę nauk podstawowych – jej zdobycie byłoby niemożliwe bez zastosowania technik badawczych stosowanych w fizjologii doświadczalnej wraz z narzędziami, w jakie naukowców wyposażyła genetyka.

Naukowcy – poprzez zidentyfikowanie specyficznych kanałów jonowych – otworzyli drogę do zrozumienia istoty kolejnych procesów fizjologicznych oraz stanów chorobowych, np. związanych z odczuwaniem przewlekłego bólu.

Historycznie badacze od zawsze dążyli do zrozumienia mechanizmów działania zmysłu wzroku, słuchu, smaku, zapachu oraz dotyku. Pionierskie badania na ten temat prowadził w XVII wieku Kartezjusz, który opisywał hipotetyczne połączenia mózgu z różnymi rejonami skóry. W roku 1944 Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii otrzymali Joseph Erlanger oraz Herbert Spencer Gasser za badania nad funkcjami różnych typów włókien nerwowych. Rozróżnili oni m.in. włókna nerwowe odpowiadające za przewodzenie czucia dotyku oraz czucia bólu.

Jednakże dopiero tegoroczni laureaci wyjaśnili mechanizm konwersji bodźców termicznych oraz dotykowych na powstawanie potencjałów czynnościowych oraz przewodnictwo impulsów we włóknach nerwowych.

David Julius (ur. 1955 r.), profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, zasłynął badaniami dotyczącymi molekularnych podstaw odczuwania bólu. W drugiej połowie lat 90. XX wieku zidentyfikował i opisał receptor TRPV1 będący kanałem jonowym reagującym na kapsaicynę (substancję występującą m.in. w papryce chili). Kapsaicyna, wywołująca uczucie pieczenia, pozwoliła mu zidentyfikować zakończenie nerwowe odpowiadające za to odczucie.

Ardem Patapoutian (ur. 1967 r.), profesor Scripps Research Institute w La Jolla w Kalifornii, prowadził badania nad receptorami aktywowanymi zmianami temperatury, naciskiem oraz zmianą objętości. Naukowcy pod kierunkiem Patapoutiana zidentyfikowali 72 geny, które aktywują te odczucia. Każdy z nich po kolei wyciszano i badano wrażliwość komórek na bodźce mechaniczne Wreszcie wytypowano jeden z nich – PIEZ0 – i opisano nową klasę receptorów reagujących na badane bodźce, nazywając je receptorami dotyku PIEZ0 (PIEZ01 oraz PIEZ02). Ponadto Patapoutian potwierdził także rolę nowo odkrytych receptorów w kontroli napięcia ścian naczyń krwionośnych (regulacji ciśnienia krwi), oddychania, utrzymaniu napięcia mięśniowego czy czułości pęcherza moczowego.

Obaj tegoroczni laureaci Nagrody Nobla, niezależnie od siebie, w czasie prowadzonych badań zidentyfikowali receptor TRPM8 ulegający aktywacji pod wpływem zimna.

Odkrycie Juliusa i  Patapoutiana bez wątpienia pomogło zrozumieć molekularne podstawy odczuwania dotyku oraz bólu. Ponadto odegrało znaczącą rolę w opracowaniu terapii bólu przewlekłego oraz leczeniu chorób związanych z zaburzeniami czucia, np. neuropatii cukrzycowej.

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii jest ukłonem w stronę nauk podstawowych – jej zdobycie byłoby niemożliwe bez zastosowania technik badawczych stosowanych w fizjologii doświadczalnej wraz z narzędziami, w jakie naukowców wyposażyła genetyka.