Nuestra capacidad para sentir el calor, el frío y el tacto es esencial para la supervivencia sustentando nuestra interacción con el mundo que nos rodea. En nuestra vida diaria damos por sentadas estas sensaciones, pero, ¿cómo inician los impulsos nerviosos para podamos percibir la temperatura y la presión? Esta cuestión ha sido resuelta por los premios Nobel de este año.   

Premios Nobel de Medicina 2021: David Julius y Ardem Patapoutian. Créditos: Nobel Foundation,
 

David Julius utilizó capsaicina, un compuesto picante de los chiles que induce una sensación de ardor, para identificar un sensor en las terminaciones nerviosas de la piel que responde a calor. Ardem Patapoutian utilizó células sensibles a la presión para descubrir una nueva clase de sensores que responden a estímulos mecánicos en la piel y órganos internos. Estos descubrimientos pusieron en marcha intensas actividades de investigación que condujeron a un rápido aumento de nuestra comprensión de cómo nuestro sistema nervioso percibe el calor, el frío y los estímulos mecánicos. Los galardonados identificaron los eslabones faltantes críticos en nuestra comprensión de la compleja interacción entre nuestros sentidos y el medio ambiente.

¿Cómo percibimos el mundo?   

Uno de los grandes misterios que enfrentaba la humanidad era la cuestión sobre cómo percibimos el medio ambiente. Los mecanismos subyacentes a nuestros sentidos han provocado nuestra curiosidad por miles de años, por ejemplo, cómo los ojos detectan la luz, cómo afectan las ondas sonoras nuestros oídos internos, cómo los diferentes compuestos químicos interactúan con los receptores en nuestra nariz y boca que identifican olor y sabor. También tenemos otras formas de percibir el mundo a nuestro alrededor. Imaginemos caminar descalzo por el césped en un caluroso día de verano, podemos sentir el calor del sol, la caricia del viento y la sensación del pasto debajo de los pies. Estas impresiones de temperatura, tacto y movimiento son esenciales para nuestro adaptación al entorno en constante cambio.   

En el siglo XVII, el filósofo René Descartes imaginó hilos que conectaban diferentes partes de la piel con el cerebro. De esta manera, cuando un pie tocaba una llama abierta enviaría un señal mecánica al cerebro. Los descubrimientos posteriores revelaron la existencia de neuronas sensoriales especializadas que registran cambios en nuestro entorno. Joseph Erlanger y  Herbert Gasser recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1944 por el descubrimiento de diferentes tipos de fibras nerviosas sensoriales que reaccionan a distintos estímulos, por ejemplo, en las respuestas al tacto doloroso y no doloroso. Desde entonces, se ha demostrado que las células nerviosas están altamente especializadas para detectar y reaccionar a diferentes tipos de  estímulos, permitiendo una percepción matizada de nuestro entorno; por ejemplo, nuestra capacidad de sentir diferencias en la textura de las superficies a través de las yemas de los dedos, o nuestra capacidad para discernir una temperatura agradable de una dolorosa. Antes de los descubrimientos de David Julius y Ardem Patapoutian, nuestra comprensión de cómo el sistema nervioso percibe e interpreta nuestro entorno todavía contenía un elemento fundamental sin resolver: ¿cómo se convierte la temperatura y los estímulos mecánicos en eléctricos impulsos en el sistema nervioso? 

¡La ciencia aparece!   

En los últimos años de la década de 1990, David Julius de la Universidad de San Francisco, California, EUA, vio la posibilidad de grandes avances al analizar cómo el compuesto químico capsaicina causa la sensación de ardor que sentimos cuando entramos en contacto con comida picante. Ya se sabía que la capsaicina activaba las células nerviosas causando sensaciones de dolor, pero cómo este químico ejercía realmente esta función era un acertijo sin resolver. Julius y su equipo crearon una biblioteca de millones de fragmentos de ADN correspondientes a genes que son expresado en las neuronas sensoriales que pueden reaccionar al dolor, temperatura y al tacto. Julius y  colegas plantearon la hipótesis de que la biblioteca incluyera un fragmento de ADN que codifica la proteína capaz de reaccionar con la capsaicina para después expresar genes individuales de este colección en células cultivadas que normalmente no reaccionan a la capsaicina. Después de una laboriosa búsqueda, se identificó un solo gen que podía hacer que las células fueran sensibles a la capsaicina ¡Se había encontrado el gen para la detección de capsaicina! Experimentos posteriores revelaron que el gen codifica una nueva proteína de canal iónico y este receptor de capsaicina recién descubierto Más tarde se llamó TRPV1. Cuando Julius investigó la capacidad de la proteína para responder al calor, se dio cuenta de que había descubierto un receptor sensible al calor que se activa a temperaturas percibida como doloroso.

El descubrimiento de TRPV1 fue un gran avance que abrió el camino para desentrañar receptores adicionales de detección de temperatura. Independientemente el uno del otro, ambos David Julius y Ardem Patapoutian utilizaron la sustancia química mentol para identificar TRPM8, un receptor que se activa con bajas temperaturas. Canales iónicos adicionales relacionados con TRPV1 y TRPM8 se identificaron y se descubrieron activándose mediante un rango de temperaturas diferentes. Muchos laboratorios llevaron a cabo programas de investigación para investigar las funciones de estos canales en sensaciones térmicas mediante el uso de ratones manipulados genéticamente que carecían de estos nuevos genes descubiertos. El descubrimiento de David Julius de TRPV1 fue el gran avance que nos permitió comprender cómo las diferencias de temperatura pueden inducir señales eléctricas en el sistema nervioso sistema.

¡Investigación bajo presión!  

Mientras se estudiaban los mecanismos para la sensación de temperatura, no estaba claro cómo los estímulos mecánicos podían convertirse en nuestros sentidos del tacto y la presión. Investigadores habían encontrado previamente sensores mecánicos en bacterias, pero los mecanismos subyacentes al tacto en vertebrados permanecía desconocido. Ardem Patapoutian, trabajando en Scripps Research en La Jolla, California, EUA, enfocó su investigación en estos receptores activados por estímulos mecánicos.    

Patapoutian y sus colaboradores identificaron así una línea celular que emitía un señal eléctrica cuando se pinchaban células individuales con una micropipeta. Supusieron que el receptor activado por fuerza mecánica era un canal de iones y en un siguiente paso identificaron genes candidatos que codificaban posibles receptores. Estos genes fueron inactivados uno por uno para descubrir el gen responsable de la mecanosensibilidad en el células estudiadas. Después de una ardua búsqueda, Patapoutian y su equipo lograron identificar un solo gen cuyo silenciamiento hizo que las células fueran insensibles a pinchar con ela micropipeta. Un canal de iones mecanosensibles nuevo y completamente desconocido había sido descubrió y se le dio el nombre Piezo1, como la palabra griega para presión (píesh; píesi). A través de su similitud con Piezo1, se descubrió un segundo gen y se denominó Piezo2. Se encontró que las neuronas sensoriales expresan altos niveles de Piezo2 y estudios adicionales establecieron que Piezo1 y Piezo2 son canales iónicos que se activan directamente por el ejercicio de presión sobre las membranas celulares.  

El avance de Patapoutian llevó a una serie de estudios de su equipo y de otros, demostrando que el canal de iones Piezo2 es esencial para el sentido del tacto. Es más,  se demostró que Piezo2 juega un papel clave en la detección de la posición del cuerpo y movimiento, conocido como propiocepción. En trabajos posteriores, se ha demostrado que los canales Piezo1 y Piezo2 regulan procesos fisiológicos importantes adicionales, incluida la presión arterial, control de la respiración y de la vejiga urinaria.

¡Todo tiene sentido!    

Los descubrimientos revolucionarios de los canales TRPV1, TRPM8 y Piezo de este año nos han permitido comprender cómo la temperatura y la fuerza mecánica pueden iniciar impulsos nerviosos que nos permiten percibir y adaptarnos al mundo que nos rodea. Los canales TRP son fundamentales para nuestra capacidad de percibir la temperatura. El canal Piezo2 nos dota del sentido del tacto y la capacidad de sentir la posición y el movimiento de nuestro partes del cuerpo. Los canales TRP y Piezo también contribuyen a numerosas funciones fisiológicas adicionales, funciones que dependen de la detección de temperatura o estímulos mecánicos. La investigación derivada de los descubrimientos galardonados con el Premio Nobel de este año se centra en dilucidar sus funciones en una variedad de procesos fisiológicos. Este conocimiento está siendo utilizado para desarrollar tratamientos para una amplia gama de enfermedades, incluido el dolor crónico.

Créditos: Nobel Foundation.