Как рождается боль

Лауретами 2021 года стали физиолог Дэвид Джулиус и молекулярный биолог Ардем Патапутян «за открытие рецепторов температуры и осязания». Материалами для их открытия стали едкие вещества из жгучего перца и мяты.

Лауретами 2021 года стали физиолог Дэвид Джулиус и молекулярный биолог Ардем Патапутян

Фото: Reuters

Современные методы молекулярных исследований позволяют по-новому взглянуть на привычные вещи. Казалось бы, само собой разумеется чувствовать тепло или холод, нежное прикосновение или грубый толчок. Но только в конце 1997 года был обнаружен молекулярный механизм, позволяющий трансформировать физическое явление в нервный импульс.

Дэвид Джулиус использовал капсаицин, едкое соединение перца чили, которое вызывает ощущение жжения, чтобы идентифицировать рецептор в нервных окончаниях кожи, реагирующий на тепло. Ардем Патапутян использовал клетки, чувствительные к давлению, чтобы открыть новый класс рецепторов, которые реагируют на механические раздражители в коже и внутренних органах. Объединены эти открытия потому, что природа таких рецепторов оказалась общей — это ионные каналы, которые активируются в ответ на физическое воздействие — температуру или механическое натяжение мембраны.

Ранее были известны специализированные сенсорные нейроны, которые регистрируют изменения в нашей окружающей среде. Джозеф Эрлангер и Герберт Гассер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1944 году за открытие различных типов сенсорных нервных волокон, которые реагируют на различные стимулы, например в ответ на болезненное и безболезненное прикосновение. С тех пор было продемонстрировано, что нервные клетки передают сигналы, позволяя тонко воспринимать наше окружение.

До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна наше понимание того, как нервная система воспринимает и интерпретирует нашу окружающую среду, все еще содержало фундаментальный нерешенный вопрос, как температура и механические стимулы преобразуются в электрические импульсы в нервной системе.

Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) исследовал химическое соединение капсаицин, вызывающее ощущение жжения. Было уже известно, что капсаицин активирует нервные клетки, вызывая болевые ощущения, но, как это вещество на самом деле выполняет эту функцию, оставалось неразрешенной загадкой. Джулиус и его коллеги нашли ген, который позволяет клеткам «чувствовать жжение». Это оказался ген, который кодирует новый белок ионного канала TRPV1. Когда Джулиус исследовал способность белка реагировать на тепло, он понял, что обнаружил теплочувствительный рецептор, который активируется при температурах, воспринимаемых как болезненные.

Открытие TRPV1 стало крупным прорывом, ведущим к открытию дополнительных рецепторов, воспринимающих температуру. Независимо друг от друга Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян использовали химическое вещество ментол для идентификации TRPM8, рецептора, который, как было показано, активируется холодом. Были идентифицированы дополнительные ионные каналы, связанные с TRPV1 и TRPM8, которые активируются в диапазоне различных температур.

Ардем Патапутян, работающий в Scripps Research в Ла-Хойе, Калифорния (США), и его коллеги впервые идентифицировали клеточную линию, которая испускала измеримый электрический импульс, когда в отдельные клетки тыкали микропипеткой. Предполагалось, что рецептор, активируемый механической силой, является ионным каналом, и на следующем этапе было идентифицировано 72 гена-кандидата, кодирующие возможные рецепторы. Эти гены были инактивированы один за другим, чтобы обнаружить ген, ответственный за механочувствительность в изученных клетках.

После напряженных поисков Патапутяну и его коллегам удалось идентифицировать единственный ген, подавление которого делало клетки нечувствительными к прикосновению микропипетки. Был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, которому было дано название Piezo1, в честь греческого слова, обозначающего давление. Благодаря своему сходству с Piezo1 был обнаружен второй ген, названный Piezo2. Было обнаружено, что новые рецепторы являются ионными каналами, которые непосредственно активируются при воздействии давления на клеточные мембраны.

Значение этих открытий сложно переоценить — кроме фундаментального понимания молекулярной физиологии, речь в первую очередь идет о механизмах возникновения болевого синдрома и мишенях, на которые теперь можно нацеливать новые классы лекарственных средств.