动物模型、实验医学与诺贝尔奖系列科普(1)——2021年诺贝尔生理学或医学奖:温度与触觉的动物模型与实验医学研究

发布时间:2021-11-17 11:28:03
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中国实验动物学会

1895年,瑞典化学家阿尔弗雷德·诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel)创立诺贝尔生理学或医学奖(Nobel Prize in Physiology or Medicine),旨在表彰在生理学或医学领域作出重要发现或发明的人。该奖项在1901年首次颁发,1901至2021年,已累计颁发112次,共产生224位诺奖得主。
 
一百余年来,诺贝尔生理学或医学奖解答了有关生命和健康的诸多重要问题,是人类认识自己和认识世界的伟大探索。而在诺贝尔奖成果的研究过程中,医学实验动物和相关动物模型是不可或缺的极其重要的一环。中国实验动物学会将通过一系列科普文章介绍诺贝尔奖研究探索历程中的动物模型与实验医学。


动物模型、实验医学与诺贝尔奖系列科普(1)
2021年诺贝尔生理学或医学奖:温度与触觉的动物模型与实验医学研究
温度觉和触觉是人们感知客观世界的重要途径,与视觉、嗅觉、味觉共同构成了我们对客观世界的认识。

2021年10月4日,诺贝尔生理学或医学奖揭晓,本次奖项共同授予美国加州大学旧金山分校的戴维·朱利叶斯(David Julius)教授和美国加州斯克里普斯研究所、霍华德休斯医学研究所的阿德姆·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)教授,以表彰他们“发现了温度和触觉受体”。瑞典卡罗林斯卡学院的诺贝尔委员会表示,他们解开了大自然的奥秘,解析了感知热、冷和机械力的分子机制。这是我们感知世界、与内外环境互动的基础,也是人类认识环境、适应环境的重要生理基础。其实早在几年前,这二位教授就曾“因为他们革命性地发现了温度和压力的受体”同时获得过2019年第49届罗森斯特尔奖(Rosenstiel Award)、2020年卡弗里神经科学奖(Kavli Prize in neuroscience)和BBVA基金会“知识前沿奖”(Frontiers of Knowledge Award)。

人类对温度感知的探索由来已久。在东方传统的中医理论中,早在公元2世纪东汉张仲景在《伤寒杂病论》中系统性地将外感热病的所有症状归纳为“六经”(太阳、少阳、阳明、太阴、少阴、厥阴)和“八纲”(阴阳、表里、寒热、虚实),并由此确立了有关寒、热的中医辨证论治的基本法则。相应的,不同中药药材也具有温、热、寒、凉不同药性,根据疾病的寒、热选择相应的中医治疗。而对于非药物治疗,经典针灸的“灸”法,同样以“热”为治疗原理。在西方世界,17世纪法国著名哲学家笛卡尔在他的论著《论人》中提出,“热”的信息可以传递至大脑产生反应。直到几个世纪以后的1944年,约瑟夫·厄尔兰格(Joseph Erlanger)和赫伯特·斯潘塞·加塞(Herbert Spencer Gasser)“因为发现单神经纤维高度分化的功能”共同获得了诺贝尔生理学或医学奖,他们把神经纤维分为不同亚型,分别对神经电信号具有不同的功能和传导速度。也就是,神经电信号的“高速路”已经揭晓,但是仍有一个问题没有解开:外界的冷热、压力等信息是如何转化成神经电信号呢?这也就是今年诺贝尔生理学或医学奖的答案。目前我们已经知道,温度感受器TRPV1、压力感受器PIEZO1和PIEZO2等受体可以将温度或压力信息转化为神经信号并传递至神经中枢,多年以来,科学家们是如何利用实验动物研究解开有关温度觉和触觉的奥秘呢?

从辣椒到温度感受器TRPV1
这个故事要从“辣椒”讲起,我们都知道辣椒会给人“热辣辣”的感觉,这种感觉如何产生?上世纪九十年代末,朱利叶斯和同事尝试筛选感觉神经元内对辣椒素发生反应的一系列基因DNA,试图寻找辣椒素的“受体”,辣椒素和受体的关系就好像一把钥匙打开一把锁。

第一步:找到钥匙和锁。经过建立一系列基因DNA库并进行筛选,他们最终鉴定出了一种非选择性的阳离子通道TRPV1,同时发现它也对伤害性高温(>43℃)有反应——这把“锁”,既可以被辣椒素打开,也可以被高温打开,辣椒热辣辣的感觉也就由此而来。
第二步:利用动物模型认识“锁”的分布。在实验大鼠上,他们发现诸多感觉神经节细胞内都可以找到这种“锁”,即存在TRPV1的表达,它可以表达在背根神经节和三叉神经节(主要集中在小直径的神经元胞体,在大直径的神经元胞体上较少)、脊髓和脑内尾状核等区域。实验大鼠帮助人们初步获得了有关TRPV1分布的认识。
第三步:建立转基因动物模型研究其功能。随后,研究人员创制了敲除TRPV1基因的转基因小鼠模型,发现这种小鼠对高温的热痛反应几乎消失,而机械力的痛觉反应正常,也就提示TRPV1对于温度(高温)传导具有不可或缺的作用。近年来对TRPV1的研究仍然集中在他的温度传导机制,特别是伤害性高温传导。在炎症性疼痛过程中,机体的“红、肿、热、痛”也离不开TRPV1的参与。

从薄荷到冷觉感受器TRPM8
和辣椒相对应,薄荷给人带来的冰凉感觉从何而来?帕塔普蒂安和同事在2002年鉴定出了传导冷觉的受体TRPM8,它是TRPV1的亲戚,同属于TRP受体家族。类似的,他们发现TRPM8可以同时对低温和薄荷产生反应,这些“锁”也主要分布在传导感觉的背根神经节。近年来,利用基因编辑技术、在体钙成像等新技术,研究人员利用啮齿类动物模型、基因的时间、空间选择性表达模型,对TRP家族的温度感受机制进行了深入探索,不同的温度范围可以打开相应的“锁”。外周的冷、热刺激通过激活这一家族里相应的温度觉受体,通过相应的TRPV1阳性或TRPM8阳性的背根神经节传导感觉信息,在脊髓产生明显的钙激活过程,系统完善了温度的感觉传导机制。

从细胞戳戳乐到压力感受器PIEZO1和PIEZO2
与温度感受的机制类似,机械力刺激如何转化为神经电信号?帕塔普蒂安和同事选择了一种对机械力有反应的细胞Neuro2A,一边戳戳细胞,一边从细胞中筛选出对压力有反应的候选基因,最终一个机械敏感的离子通道脱颖而出,他们用希腊语的压力“piesi”一词命名它为PIEZO1。后续又鉴定出了PIEZO2,并发现它在背根神经节感觉神经元内有大量表达。研究发现PIEZO1和PIEZO2均可以被细胞膜表面的机械力直接激活产生反应。2014年,帕塔普蒂安和同事共同创制了在DRG感觉神经元内敲除PIEZO2的转基因小鼠模型PIEZO2CKO小鼠。在没有PIEZO2的情况下,小鼠的触觉反应消失,进一步验证了它在触觉感受中的重要功能。随着研究的逐步深入,PIEZO的功能也逐步扩展到更多的压力感受相关功能,如触觉、疼痛、血压、呼吸和膀胱功能等。

温度、压力等外界信息通过TRP或PIEZO等受体转化为神经电信号,通过传入神经抵达神经中枢并沿产出神经调节效应器,形成反射弧,对外环境产生反应和适应。红色虚线内为2021年诺贝尔生理学或医学奖的相关内容。

回顾多年来人类对温度觉和触觉的研究过程,通过细胞、动物模型、人类疾病等多层次的实验医学研究,外界温度和压力的“钥匙”如何打开对应“锁”的问题已经逐步解开。随着基因编辑技术和实验检测方法的发展,不断涌现出更好的实验动物研究模型,对TRP家族和PIEZO的更多功能的认识也在日渐加深。外界信息由此转化为神经电信号、形成神经反射,实现了生物体对外界环境的反应和适应。多年来研究人员利用实验动物模型进行的研究帮助我们更好的认识世界,也认识了自己。

(张钰 供稿)


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