maandag 18 oktober 2021

webMagazine over stad, cultuur
en wereld

Het lijkt zo vanzelfsprekend. Bld. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén

Nobelprijs geneeskunde 2021 voor werking tastzin

5 oktober 2021 (een van onze medewerkers)

De Nobelprijs 2021 voor fysiologie of geneeskunde gaat gezamenlijk naar David Julius en Ardem Patapoutian voor hun ontdekkingen van receptoren voor temperatuur en aanraking. Dat maakte het Nobelprijs committée maandag bekend.

Vanaf seconde één essentieel voor overleving

Ons vermogen om warmte, kou en aanraking te voelen is essentieel om te overleven en ondersteunt onze interactie met de wereld om ons heen. In ons dagelijks leven nemen we deze sensaties als vanzelfsprekend aan, maar hoe worden zenuwimpulsen geïnitieerd zodat temperatuur en druk kunnen worden waargenomen? Deze vraag is opgelost door de Nobelprijswinnaars van dit jaar.

Chilipepers

David Julius gebruikte capsaïcine, een penetrante verbinding uit chilipepers die een branderig gevoel veroorzaakt, om een ​​sensor in de zenuwuiteinden van de huid te identificeren die op warmte reageert. Ardem Patapoutian gebruikte drukgevoelige cellen om een ​​nieuwe klasse sensoren te ontdekken die reageren op mechanische prikkels in de huid en inwendige organen. Deze baanbrekende ontdekkingen legden de basis voor nieuwe intensieve onderzoeksactiviteiten die leidden tot een snelle toename van ons begrip van hoe ons zenuwstelsel warmte, kou en mechanische prikkels waarneemt. De laureaten identificeerden cruciale ontbrekende schakels in ons begrip van de complexe wisselwerking tussen onze zintuigen en de omgeving.

Hoe nemen we de wereld waar?

Een van de grote mysteries waarmee de mensheid wordt geconfronteerd, is de vraag hoe we onze omgeving waarnemen. De mechanismen die ten grondslag liggen aan onze zintuigen hebben onze nieuwsgierigheid al duizenden jaren getriggerd, bijvoorbeeld hoe licht we licht kunnen waarnemen door de ogen, hoe geluidsgolven onze binnenoren beïnvloeden en hoe verschillende chemische verbindingen interageren met receptoren in onze neus en mond, waardoor geur en smaak ontstaan. We hebben ook andere manieren om de wereld om ons heen waar te nemen. Stel je voor dat je op een hete zomerdag op blote voeten over een gazon loopt. Je voelt de hitte van de zon, de streling van de wind en de afzonderlijke grassprieten onder je voeten. Deze indrukken van temperatuur, aanraking en beweging zijn essentieel voor onze aanpassing aan de steeds veranderende omgeving.

  Illustratie bij Descartes die laat zien hoe de filosoof zich voorstelde hoe warmte mechanische signalen naar de hersenen stuurt.

In de 17e eeuw stelde filosoof René Descartes zich voor dat draden  verschillende delen van de huid met de hersenen verbinden. Op deze manier zou een voet die een open vlam aanraakt een mechanisch signaal naar de hersenen sturen (Bovenstaande figuur. Latere ontdekkingen onthulden het bestaan ​​van gespecialiseerde sensorische neuronen die veranderingen in onze omgeving registreren. Joseph Erlanger en Herbert Gasser ontvingen in 1944 de Nobelprijs voor geneeskunde voor hun ontdekking van verschillende soorten sensorische zenuwvezels die reageren op verschillende stimuli, bijvoorbeeld in de reacties op pijnlijke en niet-pijnlijke aanraking. Sindsdien is aangetoond dat er zeer gespecialiseerde zenuwcellen zijn bij het detecteren en transduceren van verschillende soorten stimuli. Daardoor is een precieze perceptie van onze omgeving mogelijk; bijvoorbeeld ons vermogen om met onze vingertoppen verschillen in de textuur van oppervlakken te voelen, of ons vermogen om zowel aangename als pijnlijke warmte te onderscheiden.

Ontbrekende schakel

In de tweede helft van de jaren negentig zag David Julius van de Universiteit van Californië, San Francisco, VS, de mogelijkheid voor grote vooruitgang door te analyseren hoe de chemische verbinding capsaïcine het brandende gevoel veroorzaakt dat we voelen wanneer we in contact komen met chilipepers. Van capsaïcine was al bekend dat het zenuwcellen activeerde en pijnsensaties veroorzaakte, maar hoe deze chemische stof deze functie daadwerkelijk uitoefende, was een onopgelost raadsel.
Julius en zijn medewerkers creëerden een bibliotheek van miljoenen DNA-fragmenten die overeenkomen met genen die tot expressie worden gebracht in de sensorische neuronen die kunnen reageren op pijn, warmte en aanraking. Julius en collega's veronderstelden dat de bibliotheek een DNA-fragment zou bevatten dat codeert voor het eiwit dat in staat is om te reageren op capsaïcine. Ze brachten individuele genen uit deze collectie tot expressie in gekweekte cellen die normaal niet reageren op capsaïcine. Na een moeizame zoektocht werd een enkel gen geïdentificeerd dat cellen capsaïcinegevoelig kon maken (Figuur hieronder). Het gen voor capsaïcine sensing was gevonden! Verdere experimenten onthulden dat het geïdentificeerde gen codeerde voor een nieuw ionenkanaaleiwit en deze nieuw ontdekte capsaïcinereceptor werd later TRPV1 genoemd. Toen Julius het vermogen van het eiwit om op warmte te reageren onderzocht, realiseerde hij zich dat hij een warmtegevoelige receptor had ontdekt die wordt geactiveerd bij temperaturen die als pijnlijk worden ervaren (hieronder).

 David Julius gebruikte capsaïcine uit chilipepers om TRPV1 te identificeren, een ionkanaal dat wordt geactiveerd door pijnlijke hitte. Er werden bijkomende gerelateerde ionkanalen geïdentificeerd en we begrijpen nu hoe verschillende temperaturen elektrische signalen in het zenuwstelsel op kunnen wekken.  Afb.NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021

Hoe hitte elektriciteit in een cel opwekt

De ontdekking van TRPV1 was een belangrijke doorbraak die de weg leidde naar het ontrafelen van extra temperatuurgevoelige receptoren. Onafhankelijk van elkaar gebruikten zowel David Julius als Ardem Patapoutian de chemische stof menthol om TRPM8 te identificeren, een receptor waarvan is aangetoond dat deze door kou wordt geactiveerd. Extra ionkanalen gerelateerd aan TRPV1 en TRPM8 werden geïdentificeerd en geactiveerd door een reeks verschillende temperaturen. Veel laboratoria voerden onderzoeksprogramma's uit om de rol van deze kanalen in thermische sensaties te onderzoeken door genetisch gemanipuleerde muizen te gebruiken die deze nieuw ontdekte genen niet hadden. De ontdekking van TRPV1 door David Julius was de doorbraak die ons in staat stelde te begrijpen hoe temperatuurverschillen elektrische signalen in het zenuwstelsel kunnen triggeren.

Van druk naar elektrisch signaal

Terwijl de mechanismen voor temperatuursensatie zich ontvouwden, bleef het onduidelijk hoe mechanische stimuli konden worden omgezet in onze zintuigen van aanraking en druk. Onderzoekers hadden eerder mechanische sensoren in bacteriën gevonden, maar de mechanismen die ten grondslag liggen aan aanraking bij gewervelde dieren bleven onbekend. Ardem Patapoutian, werkzaam bij Scripps Research in La Jolla, Californië, VS, wilde de ongrijpbare receptoren identificeren die worden geactiveerd door mechanische stimuli.

Patapoutian en zijn medewerkers identificeerden eerst een cellijn die een meetbaar elektrisch signaal afgaf wanneer individuele cellen met een micropipet werden geprikt. Er werd aangenomen dat de door mechanische kracht geactiveerde receptor een ionenkanaal is en in een volgende stap werden 72 kandidaatgenen geïdentificeerd die coderen voor mogelijke receptoren. Deze genen werden één voor één geïnactiveerd om het gen te ontdekken dat verantwoordelijk is voor mechanosensitiviteit in de bestudeerde cellen. Na een moeizame zoektocht slaagden Patapoutian en zijn collega's erin een enkel gen te identificeren waarvan de silencing de cellen ongevoelig maakte voor prikken met de micropipet. Er was een nieuw en geheel onbekend mechanisch gevoelig ionenkanaal ontdekt dat de naam Piezo1 kreeg, naar het Griekse woord voor druk (í; píesi). Door zijn gelijkenis met Piezo1 werd een tweede gen ontdekt dat Piezo2 werd genoemd. Sensorische neuronen bleken hoge niveaus van Piezo2 tot expressie te brengen en verdere studies hebben stevig vastgesteld dat Piezo1 en Piezo2 ionenkanalen zijn die direct worden geactiveerd door het uitoefenen van druk op celmembranen (Figuur hieronder). 

Patapoutian gebruikte gekweekte mechanosensitieve cellen om een ion te identificeren kanaal geactiveerd door mechanische kracht. Na moeizaam werk was Piezo1 geïdentificeerd. Op basis van de gelijkenis met Piezo1 werd een tweede ionkanaal gevonden (Piezo2). Afb.NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021

'Piezo2' en zelfwaarneming

De doorbraak van Patapoutian leidde tot een reeks artikelen van zijn en andere groepen, die aantoonden dat het Piezo2-ionkanaal essentieel is voor de tastzin. Bovendien bleek Piezo2 een sleutelrol te spelen in de uiterst belangrijke detectie van lichaamspositie en beweging, bekend als proprioceptie. In verder werk is aangetoond dat Piezo1- en Piezo2-kanalen aanvullende belangrijke fysiologische processen reguleren, waaronder bloeddruk, ademhaling en urineblaascontrole.

Logisch!

De baanbrekende ontdekkingen van de TRPV1-, TRPM8- en piëzo-kanalen door de Nobelprijswinnaars van dit jaar hebben ons in staat gesteld te begrijpen hoe warmte, koude en mechanische kracht de zenuwimpulsen kunnen initiëren die ons in staat stellen de wereld om ons heen waar te nemen en ons aan te passen. De TRP-kanalen staan ​​centraal voor ons vermogen om temperatuur waar te nemen. Het Piezo2-kanaal geeft ons de tastzin en het vermogen om de positie en beweging van onze lichaamsdelen te voelen. TRP- en piëzo-kanalen dragen ook bij aan tal van aanvullende fysiologische functies die afhankelijk zijn van het waarnemen van temperatuur of mechanische stimuli. Intensief lopend onderzoek dat voortkomt uit de ontdekkingen die dit jaar met de Nobelprijs zijn bekroond, richt zich op het ophelderen van hun functies in verschillende fysiologische processen. Deze kennis wordt gebruikt om behandelingen te ontwikkelen voor een breed scala aan ziekten, waaronder chronische pijn (Figuur hieronder).

De baanbrekende ontdekkingen van de Nobelprijswinnaars van dit jaar verklaren  hoe warmte, kou en aanraking signalen in ons zenuwstelsel kunnen initiëren. De geïdentificeerde ionkanalen zijn belangrijk voor veel fysiologische processen en ziektetoestanden. Afb.NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2021

Reacties: contact@vandaagenmorgen.nl 

 

 

 

 

Zie ook:

Deel dit bericht met je vrienden!