Grundlagenforschung zu Sinnesempfinden
Die Frage, durch was unsere Sinne zum Leben erweckt werden, fasziniert die Menschheit seit Jahrtausenden. Wie erleben wir unsere Umgebung? Warum hören wir, riechen wir, schmecken wir? Und schließlich: Warum fühlen wir? Die Empfindungen von Temperatur, Berührung und Bewegung sind lebenswichtig für unsere Anpassung an eine sich ständig verändernde Umgebung. Bewegen diese sich außerhalb eines Bereiches, der uns guttut, empfinden wir Schmerzen.
2021 ging der Nobelpreis für Medizin an die Forscher David Julius und Ardem Patapoutian, die mit ihrer Arbeit maßgeblich dazu beigetragen haben, zu verstehen, wie wir Temperatur und Berührung wahrnehmen. Das Nobelpreis-Komitee holt bei seiner Begründung für diese Entscheidung weit aus und macht einen Ausflug in die Entstehungsgeschichte der Menschheit. 1)
Unsere Wahrnehmung der Welt
Unsere Fähigkeit, Kälte und Wärme zu empfinden und Berührungen zu spüren, ist von zentraler Bedeutung für unser Überleben. Das galt in der Frühzeit unserer Zivilisation genauso wie heute, auch wenn wir in der Zwischenzeit viele Hilfsmittel entdeckt oder erfunden haben, die das Überleben wesentlich vereinfachen. In unserem Alltag halten wir diese Fähigkeiten zur Empfindung von Temperatur und Druck für selbstverständlich. Aber wie kommen sie eigentlich zustande? Was lässt uns frieren, wenn wir in Sommerbekleidung durch ein Schneegestöber laufen und was lässt uns die Hand zurückzucken, wenn sie in einer Tür eingeklemmt wird?
Alle diese Rätsel lassen sich in einer Frage zusammenfassen: Wie erleben wir die Welt? Diese Frage beschäftigt bis heute Philosophen und Naturwissenschaftler gleichermaßen. Im 17. Jahrhundert brachte der französische Philosoph René Descartes eine Vorstellung ins Spiel, die den physiologischen Gegebenheiten ein gutes Stück näher kam. Er zeichnete ein Bild von Fäden, die verschiedene Bereiche der Haut mit dem Gehirn verbinden. Auf diese Weise würde ein Fuß bei der Berührung mit einer offenen Flamme ein mechanisches Signal an das Gehirn senden.
Viele Entdeckungen später stellte man fest, dass es spezielle Sinnesneuronen gibt, die Veränderungen in unserer Umgebung feststellen. Joseph Erlanger und Herbert Ganser haben im Jahr 1944 den Nobelpreis für Medizin für ihre Entdeckung erhalten, dass die Sinnesnerven stark spezialisiert sind, beispielsweise in ihrer Reaktion auf schmerzhafte und nicht schmerzhafte Berührung.
Wie aber werden Temperatur und mechanische Reize in elektrische Impulse des Nervensystems umgewandelt? Vor den Entdeckungen von Julius und Patapoutian wies unser Wissen darüber große Lücken auf.
David Julius und die Wirkung von Capsaicin
In den späten Neunziger Jahren erkannte David Julius von der University of California in San Francisco das Potenzial für größere Fortschritte in der Schmerzforschung durch den Einsatz von Capsaicin, einem Bestandteil von Chili-Schoten, der im Wesentlichen für die brennende Schärfe in diesen Pflanzen verantwortlich ist. Mithilfe dieses Wirkstoffs gelang es Julius, einen Sensor in den Nervenenden auf der Haut zu entdecken, der auf Hitze reagiert. Er analysierte, wie Capsaicin den brennenden Schmerz verursacht, wenn er mit menschlicher Haut in Kontakt kommt.2) Dass Capsaicin Nervenzellen aktiviert und Schmerzempfinden auslöst, war bekannt aber die Abläufe auf der chemischen Ebene konnte man sich nicht erklären.
© S. Singha | shutterstock.com
Julius und sein Team legten ein Archiv mit Millionen von DNS-Fragmenten an. Diese Fragmente stehen mit Genen in Zusammenhang, die in den Sinnesneuronen lokalisiert sind, die auf Schmerz, Hitze und Druck reagieren. In dieser Sammlung suchten sie nach einem DNS-Fragment, das das Protein synthetisiert, das auf Capsaicin reagiert.3) Sie fügten einzelne Gene in Zellkulturen ein, die normalerweise nicht auf Capsaicin ansprechen. Schließlich wurde ein einzelnes Gen identifiziert, das die Fähigkeit besaß, die Zellen auf Capsaicin reagieren zu lassen.4) Das Gen war gefunden.
In weiteren Experimenten fanden sie heraus, dass das Gen einen neuen Ionen-Kanal erstellte. Der Ionen-Kanal wurde darauf untersucht, ob er auf Hitze reagiert und tatsächlich, er war auch ein hitzesensibler Rezeptor, der bei Temperaturen, die als schmerzvoll empfunden werden, aktiv wurde. Weitere Ionen-Kanäle wurden identifiziert, die bei unterschiedlichen Temperaturen aktiv werden.
David Julius’ Entdeckung war der Durchbruch, der es uns möglich macht zu verstehen, wie unser Körper Temperaturunterschiede in elektrische Signale umwandelt und ins Nervensystem weiterleitet.
Ardem Patapoutian und die Isolierung einzelner Gene
Die Mechanismen des Temperatur-Empfindens konnten nach und nach aufgedeckt werden, aber es blieb nach wie vor ein Rätsel, wie mechanische Reize in unsere Sinnesempfindungen von Berührung und Druck übersetzt werden. Man ging davon aus, dass auch dafür spezielle Rezeptoren existieren mussten. Ardem Patapoutian von Scripps Research in La Jolla, ebenfalls Kalifornien, begab sich auf die Suche nach diesen Rezeptoren, die bei mechanischer Stimulation aktiviert werden. Dabei konnte er nicht auf einen Wirkstoff zurückgreifen, der ähnlich wie bei der Erforschung der Temperaturwahrnehmung das gesuchte Gefühl, hier das Druckgefühl, auslöst. Was man bisher entdeckt hatte, waren mechanische Sensoren bei Bakterien, aber die Mechanismen, die durch Berührung bei Wirbeltieren ausgelöst wurden, waren unbekannt. Über die Isolierung von einzelnen Genen aus einer Gruppe von infrage kommenden Kandidaten gelang es Patapoutian und seinem Team schließlich, tatsächlich genau ein Gen zu identifizieren, das auf Druck reagiert.
© Designua | shutterstock.com
Dazu konnte Patapoutian mit seinem Team in einem ersten Schritt die Suche auf eine Zelllinie eingrenzen, die ein messbares elektrisches Signal sendete, wenn auf einzelne Zellen mit einer Micro-Pipette Druck ausgeübt wurde. Man hatte die Vermutung, dass der Rezeptor, der durch diese mechanische Kraft aktiviert wurde, auch ein Ionen-Kanal ist. In einem nächsten Schritt fand man heraus, dass nur 72 Gene übrig blieben, die für diese Reaktion zuständig sein könnten. Ein Gen nach dem anderen wurde inaktiviert, um das gesuchte Gen schließlich isolieren zu können. Tatsächlich stellte sich heraus, dass die Inaktivierung dieses einen Gens die Zellen unempfindlich machte auf die Einwirkung von Druck.
Ein neuer und vollkommen unbekannter mechano-sensitiver Ionen-Kanal wurde entdeckt. Dann wurde noch ein zweiter Rezeptor entdeckt, auf den sensorische Neuronen stark reagieren. Weitere Studien bestätigten, dass diese beiden Rezeptoren Ionen-Kanäle sind, die direkt durch das Aussetzen von Druck auf Zellmembranen aktiviert werden.5)
© fitzkes | shutterstock.com
Dieser zweite Ionen-Kanal ist sehr wichtig für die Sinnesempfindung von Berührung. Er spielt eine Schlüsselrolle bei der Wahrnehmung der eigenen Körperposition und der Körperbewegungen.6) 7) Es hat sich herausgestellt, dass beide Rezeptoren weitere wichtige physiologische Abläufe regulieren wie zum Beispiel Blutdruck, Atmung und Blasenkontrolle.
Ein Meilenstein für die Schmerzforschung
Intensive weiterführende Forschungen, die aus diesen mit dem Nobelpreis gekrönten Entdeckungen hervorgegangen sind, fokussieren sich auf die Aufklärung ihrer Funktion bei einer Vielzahl von psychologischen Prozessen. Dieses Wissen wird unter anderem dafür genutzt, die Entstehung von Schmerzen besser zu verstehen und Behandlungsmöglichkeiten für eine breite Palette von Krankheitssymptomen inklusive chronischer Schmerzen zu entwickeln.
Quellen & Studien
- ↑1 https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/press-medicineprize2021.pdf
- ↑2 Caterina, M. J., Schumacher, M. A., Tominaga, M., Rosen, T. A., Levine, J. D., & Julius, D. (1997). The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. Nature, 389(6653), 816–824.
- ↑3 Caterina, M. J., Leffler, A., Malmberg, A. B., Martin, W. J., Trafton, J., Petersen-Zeitz, K. R., Koltzenburg, M., Basbaum, A. I., & Julius, D. (2000). Impaired nociception and pain sensation in mice lacking the capsaicin receptor. Science (New York, N.Y.), 288(5464), 306–313.
- ↑4 Tominaga, M., Caterina, M. J., Malmberg, A. B., Rosen, T. A., Gilbert, H., Skinner, K., Raumann, B. E., Basbaum, A. I., & Julius, D. (1998). The cloned capsaicin receptor integrates multiple pain-producing stimuli. Neuron, 21(3), 531–543.
- ↑5 Coste, B., Mathur, J., Schmidt, M., Earley, T. J., Ranade, S., Petrus, M. J., Dubin, A. E., & Patapoutian, A. (2010). Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. Science (New York, N.Y.), 330(6000), 55–60.
- ↑6 Ranade, S. S., Woo, S. H., Dubin, A. E., Moshourab, R. A., Wetzel, C., Petrus, M., Mathur, J., Bégay, V., Coste, B., Mainquist, J., Wilson, A. J., Francisco, A. G., Reddy, K., Qiu, Z., Wood, J. N., Lewin, G. R., & Patapoutian, A. (2014). Piezo2 is the major transducer of mechanical forces for touch sensation in mice. Nature, 516(7529), 121–125.
- ↑7 Woo, S. H., Lukacs, V., de Nooij, J. C., Zaytseva, D., Criddle, C. R., Francisco, A., Jessell, T. M., Wilkinson, K. A., & Patapoutian, A. (2015). Piezo2 is the principal mechanotransduction channel for proprioception. Nature neuroscience, 18(12), 1756–1762.