Две составляющие осязания
Вот мы. А вот – окружающий мир, который на нас непрерывно воздействует (мы на него – тоже, но не факт, что он это замечает). Как наш организм воспринимает внешние раздражители и кодирует их, превращая в понятные мозгу сигналы? Или, по выражению молекулярного биолога Ирины Якутенко, «как температура или давление – абстрактные физические показатели – транслируются в нечто, имеющее смысл»?
Над этим вопросом давно бьются ученые: физиологи – для того, чтобы понять, как работает человеческий мозг в комплекте со всем остальным телом, медики – чтобы успешней избавлять это самое тело от боли, а мозг – от психических недугов. Есть еще философы, которые просто хотят понять, как устроен мир, но речь сейчас не о них.
«До открытий Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна наше понимание того, как нервная система воспринимает и интерпретирует окружающую среду, все еще содержало фундаментальный нерешенный вопрос: как температура и механические стимулы преобразуются в электрические импульсы в нервной системе?<…> Революционные открытия каналов TRPV1, TRPM8 и Piezo лауреатами Нобелевской премии этого года позволили нам понять, как тепло, холод и механическая сила могут инициировать нервные импульсы, которые позволяют нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему», – говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета.
Несколько научных работ, описывающих механизмы работы человеческого зрения, слуха, обоняния уже получили свои «нобелевки». Следующая ступенька в изучении наших органов чувств – работы, посвященные двум составляющим осязания, где впервые прослежена вся цепочка – от физического воздействия на кожу до формирования ощущений.
RedHotChiliPepper на службе медицины
До сих пор в упомянутой цепочке было неясное место. Сообщение от вашего организма о том, что вы обожглись о горячую плиту или злоупотребили острым перцем – поступает в нейрон, нервную клетку, ответственную за обработку и передачу информации с помощью электрического сигнала.
Для того чтобы нейрон передал сигнал по назначению, должен открыться ионный канал, образованный специфическим рецептором – чувствительным белком. Но что это за рецептор и как его найти?
Если с механизмами зрения, слуха, обоняния и вкуса к концу ХХ века ученые более или менее разобрались, то с терморецепцией, осязанием – и тесно связанным с ними чувством боли – все оставалось непонятно.
Во второй половине 1990-х годов Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско экспериментировал с перцем чили. Собственно, его интересовал не весь перец, а содержащееся в нем жгучее вещество капсаицин. Джулиус предположил, что капсаицин активирует некий специфический белок – тот же, что и высокая температура.
В поисках нужного рецептора из всего многообразия генов он выбрал последовательности-кандидаты и последовательно вшивал их в ДНК клеток-мишеней, изначально нечувствительные к капсаицину. Клетки обрабатывали специальным веществом – маркером, который начинал светиться в присутствии ионов кальция. И после этого капали туда капсаицин.
Наконец появилось долгожданное свечение – свидетельство открытия ионного канала и передачи электрического импульса в мозг.
Джулиус исследовал способность белка, кодируемого этим геном, реагировать на тепло и выяснил, что это рецептор, который активируется при температурах, которые человеческое тело воспринимает как болезненные. Рецептор, отвечающий за восприятие высокой температуры, жгучего вкуса, а также, что особенно важно, за восприятие боли, получил названиеTRPV1.
Через некоторое время у него появился собрат – TRPM8, рецептор, реагирующий на холод. Джулиус и Патапутян получили его независимо друг от друга – каждый в своей лаборатории. А для его идентификации использовали ментол – вещество, вызывающее ощущение прохлады.
Механические стимулы
Пока коллега Джулиус экспериментировал с приправами (васаби тоже пригодился – с его помощью он выделил белок TRPA1, также связанный с реакцией организма на остроту и тепло), Ардем Патапутян, работающий в Scripps Research в Ла-Хойя(Калифорния, США), искал рецепторы, которые активируются механическими стимулами. Но решил пойти от обратного.
Сначала Патапутян взял культуру клеток, отвечающих на механическое раздражение (точечный укол в мембрану с помощью микропипетки) электрическим сигналом. А затем поочередно отключал гены, ожидая, когда клетка перестанет реагировать на механическое воздействие.
Если верить слухам, то искомый ген оказался последним – 72-м. Видимо, по закону подлости.
Позже исследователи нашли еще один аналогичный ген и соответствующий ему рецептор. И назвали их Piezo1 и Piezo2. В дальнейшем выяснилось, что ионные каналы Piezo1 и Piezo2 регулируют в частности артериальное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря.
Больно не будет
«Данные по идентификации дополнительных связанных ионных каналов, полученные нобелевскими лауреатами, позволили ученым понять, как разные температуры вызывают электрические сигналы в нервной системе. Они могут иметь практическое применение в области реабилитационной медицины, восстановительной терапии при постинсультных состояниях, в гериатрии (при профилактике и лечении возрастных заболеваний)», – сообщила РИА Новости Дарима Максарова, доцент Инженерно-физического института биомедицины Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.
По ее мнению, результаты исследования могут использоваться в области адаптационной медицины, например, при работе в Арктике, Антарктике или в космосе, при разработке новых лекарств – анестетиков и спазмолитических препаратов, а также при разработке нейробионических протезов конечностей.
По словам доктора медицинских наук, президента Ассоциации специалистов научно-практической медицины в поликлинической службе врача-невролога Рафиза Шихкеримова, основная ценность открытия Дэвида Джулиуса состоит в перспективе разработок новых средств для купирования болевого синдрома.
«В мире уже существуют препараты, созданные на основе действия на рецепторы, связанные с капсаицином. Например, капсаицин-содержащие обезболивающие пластыри. Открытие новых рецепторов либо нового класса рецепторов открывает новые возможности для синтеза препаратов для обезболивания, и в том числе для борьбы схроническим болевым синдромом», – рассказал он корреспонденту «МК».
Александр Полевщиков, доктор биологических наук, профессор Института экспериментальной медицины в интервью «Фонтанке» отметил:
«Ардем Патапутян нашел рецепторы, отвечающие за то, что мозг получает представление – круглый предмет или угловатый, толстый или тонкий, только через осязание, а также через силу соприкосновения с ним.
При этом ученые выяснили, как механорецепторы, которые позволяют нам понимать форму – отличить на ощупь иголку от молотка, участвуют, например, в регуляции артериального давления: то есть мы получили представление о том, как формируется сигнал, который передает стенка кровеносного сосуда при разной силе артериального давления. Мы не отдаем себе отчета о прохождении этого сигнала в организме, но мозг получает информацию о нем.
Открытие рецепторов температуры, осязания и боли – очень серьезное достижение в области фундаментальной физиологии. <…> Подозреваю, что на основании результатов, удостоенных Нобелевской премии по физиологии или медицине 2021 года, скоро появятся фармпрепараты с принципиально новыми механизмами действия».
