Το λέμε εδώ και καιρό ότι η πανδημία στέρησε μία από τις πιο σημαντικές εκδηλώσεις του ανθρώπου: την ανάγκη μας να αγκαλιαζόμαστε. Αυτή η έλλειψη θερμότητας και ενέργειας ήταν πολύ ορατή ειδικά τον πρώτο χρόνο που ήταν όλα πολύ καινούρια και οι γνώσεις μας ελάχιστες, που δεν υπήρχε η ασπίδα του εμβολιασμού, που δεν ξέραμε ακριβώς τους τρόπους μετάδοσης. Παρόλα αυτά και σήμερα εξακολουθούμε να περιορίζουμε την ανθρώπινη επαφή, να πρέπει να τηρούμε αποστάσεις και να ερχόμαστε σε επαφή – εκτός ίσως από συγκεκριμένες εξαιρέσεις – με μάσκες.
“Η ικανότητά μας να αισθανόμαστε ζέστη, κρύο και άγγιγμα είναι απαραίτητη για την επιβίωση και υποστηρίζει την αλληλεπίδραση με τον κόσμο γύρω μας”, λέει το δελτίο τύπου της ακαδημίας Νόμπελ στον τομέα της ιατρικής. Στην καθημερινή μας ζωή θεωρούμε αυτές τις αισθήσεις δεδομένες, αλλά πώς ξεκινούν οι νευρικές ώσεις έτσι ώστε να γίνεται αντιληπτή η θερμοκρασία και η πίεση; Αυτή η ερώτηση λύθηκε από τους φετινούς βραβευμένους με Νόμπελ.
Ο David Julius και ο Ardem Patapoutian, από τις ΗΠΑ, μοιράστηκαν το βραβείο 2021 στην Ιατρική ή τη Φυσιολογία για τη δουλειά τους στην ανίχνευση αφής και θερμοκρασίας. Κατάφεραν να εξηγήσουν πώς το σώμα μας μετατρέπει τις φυσικές αισθήσεις σε ηλεκτρικά μηνύματα στο νευρικό σύστημα. Η ζέστη και το άγγιγμα είναι ζωτικής σημασίας για να βιώνουμε τον κόσμο γύρω μας και για τη δική μας επιβίωση. Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέους τρόπους αντιμετώπισης του πόνου και ειδικά του χρόνιου πόνου.
Φωτογραφία από το Πάρκο Μελέτης και Περισυλλογής Πούντα ντε Βάκας, στην Αργεντινή.
Διαβάστε ολόκληρο το δελτίο τύπου της ακαδημίας Νόμπελ Ιατρικής:
Ο David Julius χρησιμοποίησε την καψαϊκίνη, μια πικάντικη ένωση από πιπεριές τσίλι που προκαλεί αίσθηση καψίματος, για να εντοπίσει έναν αισθητήρα στις νευρικές απολήξεις του δέρματος που ανταποκρίνεται στη θερμότητα. Ο Ardem Patapoutian χρησιμοποίησε κύτταρα ευαίσθητα στην πίεση για να ανακαλύψει μια νέα κατηγορία αισθητήρων που ανταποκρίνονται σε μηχανικά ερεθίσματα στο δέρμα και τα εσωτερικά όργανα. Αυτές οι σημαντικές ανακαλύψεις ξεκίνησαν έντονες ερευνητικές δραστηριότητες που οδήγησαν σε μια ταχεία αύξηση της κατανόησής μας για το πώς το νευρικό μας σύστημα αισθάνεται τη θερμότητα, το κρύο και τα μηχανικά ερεθίσματα. Οι βραβευθέντες εντόπισαν κρίσιμους δεσμούς που λείπουν στην κατανόηση της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ των αισθήσεών μας και του περιβάλλοντος.
Πώς αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο;
Ένα από τα μεγάλα μυστήρια που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα είναι το ερώτημα πώς αισθανόμαστε το περιβάλλον μας. Οι μηχανισμοί που βρίσκονται κάτω από τις αισθήσεις μας έχουν προκαλέσει την περιέργειά μας για χιλιάδες χρόνια, για παράδειγμα, πώς ανιχνεύεται το φως από τα μάτια, πώς τα ηχητικά κύματα επηρεάζουν τα εσωτερικά μας αυτιά και πώς διαφορετικές χημικές ενώσεις αλληλεπιδρούν με υποδοχείς στη μύτη και το στόμα μας δημιουργώντας μυρωδιά και γεύση. Έχουμε επίσης κι άλλους τρόπους να αντιληφθούμε τον κόσμο γύρω μας. Φανταστείτε να περπατάτε ξυπόλητοι σε ένα γκαζόν μια ζεστή μέρα του καλοκαιριού. Μπορείτε να νιώσετε τη ζέστη του ήλιου, το χάδι του ανέμου και τις ξεχωριστές λεπίδες χόρτου κάτω από τα πόδια σας. Αυτές οι εντυπώσεις θερμοκρασίας, αφής και κίνησης είναι απαραίτητες για την προσαρμογή μας στο συνεχώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον.
Τον 17ο αιώνα, ο φιλόσοφος René Descartes οραματίστηκε νήματα που συνδέουν διαφορετικά μέρη του δέρματος με τον εγκέφαλο. Με αυτόν τον τρόπο, ένα πόδι που αγγίζει τη φλόγα θα έστελνε ένα μηχανικό σήμα στον εγκέφαλο. Οι ανακαλύψεις αποκάλυψαν αργότερα την ύπαρξη εξειδικευμένων αισθητηριακών νευρώνων που καταγράφουν αλλαγές στο περιβάλλον μας. Ο Joseph Erlanger και ο Herbert Gasser έλαβαν το Νόμπελ Ιατρικής το 1944 για την ανακάλυψη διαφορετικών τύπων αισθητικών νευρικών ινών, που αντιδρούν σε ξεχωριστά ερεθίσματα, για παράδειγμα, στις απαντήσεις σε οδυνηρό και μη επώδυνο άγγιγμα. Έκτοτε, έχει αποδειχθεί ότι τα νευρικά κύτταρα είναι εξαιρετικά εξειδικευμένα για την ανίχνευση και τη μετάδοση διαφορετικών τύπων ερεθισμάτων, επιτρέποντας μια λεπτή αντίληψη του περιβάλλοντός μας. Για παράδειγμα, η ικανότητά μας να νιώθουμε διαφορές στην υφή των επιφανειών μέσω των δακτύλων μας ή η ικανότητά μας να διακρίνουμε τόσο την ευχάριστη ζεστασιά όσο και την επώδυνη θερμότητα.
Πριν από τις ανακαλύψεις των David Julius και Ardem Patapoutian, η κατανόησή μας για το πώς το νευρικό σύστημα αισθάνεται και ερμηνεύει το περιβάλλον μας περιείχε ακόμη ένα θεμελιώδες άλυτο ερώτημα: πώς η θερμοκρασία και τα μηχανικά ερεθίσματα μετατρέπονται σε ηλεκτρικά ερεθίσματα στο νευρικό σύστημα;
Απεικόνιση που απεικονίζει πώς ο φιλόσοφος René Descartes φανταζόταν πώς η θερμότητα στέλνει μηχανικά σήματα στον εγκέφαλο.
Η επιστήμη θερμαίνεται!
Στο τελευταίο μέρος της δεκαετίας του 1990, ο David Julius στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, είδε τη δυνατότητα για μεγάλες προόδους αναλύοντας πώς η χημική ένωση καψαϊκίνη προκαλεί το κάψιμο που νιώθουμε όταν ερχόμαστε σε επαφή με πιπεριές τσίλι. Η καψαϊκίνη ήταν ήδη γνωστό ότι ενεργοποιούσε τα νευρικά κύτταρα προκαλώντας αισθήσεις πόνου, αλλά το πώς αυτή η χημική ουσία ασκούσε αυτή τη λειτουργία ήταν ένας άλυτος γρίφος. Ο Julius και οι συνεργάτες του δημιούργησαν μια βιβλιοθήκη εκατομμυρίων θραυσμάτων DNA που αντιστοιχούν σε γονίδια που εκφράζονται στους αισθητήριους νευρώνες που μπορούν να αντιδράσουν στον πόνο, τη θερμότητα και την αφή. Ο Julius και οι συνεργάτες του υπέθεσαν ότι η βιβλιοθήκη θα περιλαμβάνει ένα θραύσμα DNA που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη ικανή να αντιδράσει στην καψαϊκίνη. Εξέφρασαν μεμονωμένα γονίδια από αυτήν τη συλλογή σε καλλιεργημένα κύτταρα που κανονικά δεν αντιδρούν στην καψαϊκίνη. Μετά από μια επίπονη έρευνα, εντοπίστηκε ένα μόνο γονίδιο που μπόρεσε να κάνει τα κύτταρα ευαίσθητα στην καψαϊκίνη. Το γονίδιο για την ανίχνευση της καψαϊκίνης είχε βρεθεί! Περαιτέρω πειράματα αποκάλυψαν ότι το ταυτοποιημένο γονίδιο κωδικοποιούσε μια νέα πρωτεΐνη καναλιού ιόντων και αυτός ο πρόσφατα ανακαλυφθείς υποδοχέας καψαϊκίνης ονομάστηκε αργότερα TRPV1. Όταν ο Julius ερεύνησε την ικανότητα της πρωτεΐνης να ανταποκρίνεται στη θερμότητα, συνειδητοποίησε ότι είχε ανακαλύψει έναν υποδοχέα αίσθησης θερμότητας που ενεργοποιείται σε θερμοκρασίες που γίνονται αντιληπτές ως επώδυνες.
Ο David Julius χρησιμοποίησε καψαϊκίνη από πιπεριές τσίλι για να προσδιορίσει το TRPV1, ένα κανάλι ιόντων που ενεργοποιείται από την οδυνηρή θερμότητα. Προσδιορίστηκαν πρόσθετα σχετικά κανάλια ιόντων και τώρα καταλαβαίνουμε πώς διαφορετικές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν ηλεκτρικά σήματα στο νευρικό σύστημα.
Η ανακάλυψη του TRPV1 ήταν μια σημαντική ανακάλυψη που οδήγησε το δρόμο στην αποκάλυψη πρόσθετων υποδοχέων που ανιχνεύουν τη θερμοκρασία. Ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, τόσο ο David Julius όσο και ο Ardem Patapoutian χρησιμοποίησαν τη χημική ουσία μενθόλη για να προσδιορίσουν το TRPM8, έναν υποδοχέα που αποδείχθηκε ότι ενεργοποιείται από το κρύο. Πρόσθετα κανάλια ιόντων που σχετίζονται με τα TRPV1 και TRPM8 εντοπίστηκαν και βρέθηκαν να ενεργοποιούνται από μια σειρά διαφορετικών θερμοκρασιών. Πολλά εργαστήρια ακολούθησαν ερευνητικά προγράμματα για να διερευνήσουν τους ρόλους αυτών των καναλιών στη θερμική αίσθηση χρησιμοποιώντας γενετικά τροποποιημένα ποντίκια που δεν είχαν αυτά τα πρόσφατα ανακαλυφθέντα γονίδια. Η ανακάλυψη του TRPV1 από τον David Julius ήταν η ανακάλυψη που μας επέτρεψε να καταλάβουμε πώς οι διαφορές θερμοκρασίας μπορούν να προκαλέσουν ηλεκτρικά σήματα στο νευρικό σύστημα.
Έρευνα υπό πίεση!
Ενώ ξεδιπλώνονταν οι μηχανισμοί για την αίσθηση της θερμοκρασίας, παρέμενε ασαφές πώς τα μηχανικά ερεθίσματα μπορούν να μετατραπούν σε αισθήσεις αφής και πίεσης. Οι ερευνητές είχαν βρει προηγουμένως μηχανικούς αισθητήρες στα βακτήρια, αλλά οι μηχανισμοί που κρύβουν το άγγιγμα στα σπονδυλωτά παρέμειναν άγνωστοι. Ο Ardem Patapoutian, εργαζόμενος στην Scripps Research στη La Jolla της Καλιφόρνια, επιθυμούσε να εντοπίσει τους άπιαστους υποδοχείς που ενεργοποιούνται από μηχανικά ερεθίσματα.
Ο Patapoutian και οι συνεργάτες του εντόπισαν αρχικά μια κυτταρική σειρά που έδινε ένα μετρήσιμο ηλεκτρικό σήμα όταν μεμονωμένα κύτταρα τρυπήθηκαν με μια μικροπιπέτα. Θεωρήθηκε ότι ο υποδοχέας που ενεργοποιείται με μηχανική δύναμη είναι ένα κανάλι ιόντων και σε ένα επόμενο βήμα ταυτοποιήθηκαν 72 υποψήφια γονίδια που κωδικοποιούν πιθανούς υποδοχείς. Αυτά τα γονίδια αποκωδικοποιήθηκαν ένα προς ένα για να ανακαλύψουν τελικά το γονίδιο που ευθύνεται για τη μηχανική ευαισθησία στα κύτταρα που μελετήθηκαν. Μετά από μια επίπονη έρευνα, ο Patapoutian και οι συνεργάτες του πέτυχαν να εντοπίσουν ένα μόνο γονίδιο του οποίου η σίγαση καθιστούσε τα κύτταρα αναίσθητα στο χτύπημα με τη μικροπιπέτα. Ένα νέο και εντελώς άγνωστο κανάλι μη ευαισθησίας ιόντων είχε ανακαλυφθεί και του δόθηκε το όνομα Piezo1, μετά την ελληνική λέξη για πίεση. Μέσω της ομοιότητάς του με το Piezo1, ένα δεύτερο γονίδιο ανακαλύφθηκε και ονομάστηκε Piezo2. Βρέθηκε ότι οι αισθητήριοι νευρώνες εκφράζουν υψηλά επίπεδα Piezo2 και περαιτέρω μελέτες επιβεβαίωσαν σταθερά ότι το Piezo1 και το Piezo2 είναι κανάλια ιόντων που ενεργοποιούνται άμεσα από την άσκηση πίεσης στις κυτταρικές μεμβράνες.
Ο Patapoutian χρησιμοποίησε καλλιεργημένα μηχανικά ευαίσθητα κύτταρα για να προσδιορίσει ένα ιόν
κανάλι που ενεργοποιείται με μηχανική δύναμη. Μετά από επίπονη δουλειά, αναγνωρίστηκε το Piezo1. Με βάση την ομοιότητά του με το Piezo1, ανακαλύφθηκε και ένα δεύτερο κανάλι ιόντων, το Piezo2.
Η ανακάλυψη από τον Patapoutian οδήγησε σε μια σειρά εργασιών από αυτόν και άλλες ερευνητικές ομάδες, αποδεικνύοντας ότι το κανάλι ιόντων Piezo2 είναι απαραίτητο για την αίσθηση της αφής. Επιπλέον, το Piezo2 φάνηκε να παίζει βασικό ρόλο στην κρίσιμα σημαντική αίσθηση της θέσης και της κίνησης του σώματος, γνωστή ως ιδιοαντίληψη. Σε περαιτέρω εργασίες, τα κανάλια Piezo1 και Piezo2 έχουν αποδειχθεί ότι ρυθμίζουν επιπλέον σημαντικές φυσιολογικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της αρτηριακής πίεσης, της αναπνοής και του ελέγχου της ουροδόχου κύστης.
Όλα έχουν νόημα!
Οι πρωτοποριακές ανακαλύψεις των καναλιών TRPV1, TRPM8 και Piezo 1-2 από τους φετινούς βραβευθέντες με Νόμπελ μας επέτρεψαν να καταλάβουμε πώς η θερμότητα, το κρύο και η μηχανική δύναμη μπορούν να ενεργοποιήσουν τις νευρικές ώσεις που μας επιτρέπουν να αντιλαμβανόμαστε και να προσαρμοζόμαστε στον κόσμο γύρω μας. Τα κανάλια TRP είναι κεντρικά για την ικανότητά μας να αντιλαμβανόμαστε τη θερμοκρασία. Το κανάλι Piezo2 μας δίνει την αίσθηση της αφής και την ικανότητα να αισθανόμαστε τη θέση και την κίνηση των τμημάτων του σώματός μας. Τα κανάλια TRP και Piezo συμβάλλουν επίσης σε πολυάριθμες πρόσθετες φυσιολογικές λειτουργίες που εξαρτώνται από την ανίχνευση θερμοκρασίας ή μηχανικών ερεθισμάτων. Η εντατική εν εξελίξει έρευνα που προέρχεται από τους επιστήμονες που βραβεύτηκαν με το φετινό Νόμπελ επικεντρώνεται στην αποσαφήνιση των λειτουργιών των προαναφερθέντων καναλιών σε μια ποικιλία φυσιολογικών διεργασιών. Αυτή η γνώση χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη θεραπειών για ένα ευρύ φάσμα παθήσεων, συμπεριλαμβανομένου του χρόνιου πόνου.
