Высшая научная награда в области физиологии или медицины в 2021 году присуждена за работы по объяснению механизмов восприятия таких факторов внешней среды, как температура и давление. Зачем это знать медикам? Давайте разбираться.

Передача информации

Как мы воспринимаем окружающий мир? На нас воздействуют различные его факторы, эти данные мы переводим в нервный импульс и анализируем с помощью головного мозга. Но это легко говорить из XXI века, а еще совсем недавно мы понятия не имели, как именно происходит преобразование сигнала из внешнего во внутренний. Есть ли специфические рецепторы под каждый вид воздействия или они универсальны? Какие молекулы в этом процессе задействованы? Можно ли на них влиять при помощи лекарств? Ответы на эти вопросы мы получали постепенно.

Лауреаты премии: Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян

Со светом разобрались, со звуком – тоже, но как мы реагируем на изменение температуры и механическое давление, долгое время оставалось загадкой. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии или медицине провели фундаментальные исследования в нейрофизио­логии, чтобы разложить все по полочкам: как, что, через какие рецепторы.

Песнь льда и пламени

Работы первого нобелиата – Дэвида Джулиуса – были посвящены изучению механизмов действия капсаицина на человека. Вещество, отвечающее за «жгучесть» различных видов перца, вызывало целый ряд ощущений, в том числе жара и боли. Может, так происходит из-за воздействия на определенную разновидность рецепторов? 

Джулиуса прежде всего интересовала болевая составляющая, поэтому вместе со своими коллегами он собрал библиотеку генов из спинальных ганглиев грызунов, куда включались и тела чувствительных нейронов. Вся система активировалась капсаицином. В ходе экспериментов был открыт ген, кодирующий белок-рецептор из семейства каналов с транзиторным рецепторным потенциалом. Он предназначен для пропуска положительно заряженных частиц, катионов.

Дэвид Джулиус – американский физиолог, родился 4 ноября 1955 года. Степень бакалавра получил в 1977 году в Массачусетском технологическом институте (MIT), в 1984-м – степень доктора философии в Калифорнийском университете в Беркли. С 1990 года бессменно работает в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.

Если обнаруженный ген пересаживали в другие клетки, они становились чувствительными к токсическому эффекту капсаицина, но одновременно и к теплу, рецептор активировался просто в ответ на изменение температуры, без каких-либо дополнительных факторов.

Именно это наблюдение натолкнуло Джулиуса на мысль, что вкусы перца или ментола не зря обладают дополнительной температурной характеристикой: один жжет, а второй охлаждает. Это связано с восприятием температуры как таковой. В ходе тщательно продуманных экспериментов выяснилось, что есть отдельные рецепторы под холод, отдельные – под тепло. Причем тепловые рецепторы работают только тогда, когда холодовые отключаются высокой температурой окружающей среды. Именно поэтому мы работаем как довольно точный термометр, ощущая колебания плюс-минус 1 градус Цельсия.

Второй нобелиат, Ардем Патапутян, изучал ту же тему и независимо от Джулиуса в 2002 году открыл тот же самый специфический «холодовой» рецептор. Позже выяснилось, что терморецепторы есть не только в коже, но и в головном мозге, точнее – в гипоталамусе, где они непрерывно мониторят температуру проходящей крови.

Ардем Патапутян – американский молекулярный нейробиолог, родился в армянской семье в Бейруте 2 октября 1967 года. В 1986-м эмигрировал в США. Окончил Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, в 1990 году получил степень бакалавра в области цитологии и биологии развития, а в 1996-м – степень доктора философии в Калифорнийском технологическом институте. Долгое время работал в Институте Скриппс, с 2014 года – в Медицинском институте Говарда Хьюза.

Под давлением

Однако основной темой работ Патапутяна было все-таки изучение рецепторов прикосновения и давления. Он также экспериментировал со специально сконструированными клеточными моделями, и схема исследования была примерно похожей: нашли гены-кандидаты, определили конкретный, выяснили, какие белки он кодирует, и идентифицировали в итоге специализированные рецепторы – PIEZO1 и PIEZO2. Если убрать из клеток PIEZO1, они теряли чувствительность к прикосновениям, если добавить их в нечувствительные ранее клетки, они обретали такую способность. Так было доказано, что в итоге нашли действительно то, что искали. Через некоторое время был обнаружен и рецептор PIEZO2, который участвует в регуляции артериального давления и контролирует растяжение мочевого пузыря.

Практический выход

Работы Джулиуса и Патапутяна помогли разобраться в этиологии и патогенезе некоторых наследственных заболеваний – например, некоторые мутации гена, кодирующего рецептор TRPV1, приводят к развитию семейного эпизодического болевого синдрома первого типа, когда холод, голод или стресс вызывают выраженные болевые ощущения в верхней части тела. Другие мутации становятся причиной нейропатической боли или ощущения жара при любой температуре окружающей среды.

Рецепторы PIEZO оказались критически важными в процессе дыхания, нарушение их работы приводит к дыхательной недостаточности и быстрой смерти. Также развивается редкое заболевание опорно-двигательного аппарата – артрогрипоз.

Эти открытия дали мощный толчок к развитию некоторых направлений медицины и разработке принципиально новых лекарств для состояний, с которыми раньше было невозможно справиться.

Алексей Водовозов

Журнал "Российские аптеки" №10, 2021

Для иллюстраций использованы официальные материалы Нобелевского комитета (https://www.nobelprize.org/)