La Asamblea Nobel del Instituto Karolinska decidió galardonar con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2021 al estadounidenses David Julius, de la Universidad de California y al libanés Ardem Patapoutian, de Investigación Scripps, “por sus descubrimientos de los receptores para la temperatura y el tacto”, que contribuyeron dilucidar la manera en cómo percibimos el mundo físico a través de las sensaciones somáticas.
Los científicos galardonados identificaron los transductores moleculares responsables de detectar y convertir el calor, el frío y el tacto en impulsos nerviosos en el sistema nervioso sensorial. Nuestra capacidad para sentir el calor, el frío y el tacto es esencial para la supervivencia y sustenta nuestra interacción con el mundo que nos rodea.
Asimismo, las contribuciones de los laureados han permitido desarrollar fármacos para reducir el dolor crónico y agudo asociado a una serie de enfermedades, traumatismos y tratamientos. Al anunciar el fallo esta mañana, el comité Nobel indicó que los dos científicos ayudaron a responder a una de las preguntas más profundas sobre la condición humana: ¿Cómo percibimos nuestro entorno?
Investigaciones con chiles
En la década de los 90, David Julius utilizó el compuesto del picante de los chiles llamado capsaicina, que induce una sensación de ardor, para identificar un sensor en las terminaciones nerviosas de la piel que responde al calor. Ya se sabía que este compuesto activaba las células nerviosas causando sensaciones de dolor, pero la forma en que esta sustancia química ejercía esta función era un acertijo sin resolver.
Julius junto con sus colaboradores de la Universidad de California en San Francisco, crearon una biblioteca de millones de fragmentos de ADN correspondientes a los genes que se expresan en las neuronas sensoriales que pueden reaccionar al dolor, el calor y el tacto, entre ellos un fragmento del ADN que codifica la proteína capaz de reaccionar con el picante.
Para ello tuvo que expresar de manera individual cada uno de los genes de esa colección que cultivaron en células que normalmente no reaccionan al compuesto del chile. Después de una búsqueda laboriosa, se identificó un solo gen que podía hacer que las células fueran sensibles a la capsaicina que más tarde se llamó TRPV1.
Julius se percató que este gen codificaba una proteína que era un receptor sensible al calor que se activa a temperaturas que se perciben como dolorosas y no solo a la capsaicina de los chiles, esto abrió el camino para desentrañar otros receptores sensibles a la temperatura.
Sentir un abrazo
Por su parte, Ardem Patapoutian, en Investigación Scripps, utilizó células sensibles a la presión para descubrir una nueva clase de sensores que responden a estímulos mecánicos en la piel y los órganos internos.
Antes, otros científicos habían observado sensores mecánicos en bacterias, pero los mecanismos subyacentes al tacto en los vertebrados seguían siendo desconocidos. No se tenía claro cómo los estímulos mecánicos podrían convertirse en nuestros sentidos del tacto y la presión.
Patapoutian y sus colaboradores identificaron una línea celular que emitía una señal eléctrica cuando se pinchaban células individuales con una micropipeta. En ese momento se asumió que el receptor activado por la fuerza mecánica era un canal iónico pero posteriormente se determinó que había 72 genes que podrían ser los responsables de esta actividad. Para probarlo los inactivaron uno a uno para descubrir al responsable de la mecanosensibilidad en las células.
Después de una ardua búsqueda, Patapoutian identificó un solo gen que al desactivarse hizo que las células se volvieran insensibles a los pinchazos de la micropipeta. Se había descubierto un canal de iones mecanosensibles nuevo y completamente desconocido y se le dio el nombre de Piezo1, después se descubrió un segundo gen que se denominó Piezo2. Se encontró que las neuronas sensoriales expresan altos niveles de Piezo2 y estudios posteriores establecieron firmemente que Piezo1 y Piezo2 son canales iónicos que se activan directamente al ejercer presión sobre las membranas celulares. Este descubrimiento explica cómo trabajan los receptores del tacto y la propiocepción, sentidos utilizados, por ejemplo, en un abrazo.
Sentir el frío
Luego de estos avances, los dos investigadores por separado usaron la sustancia química mentol para identificar un receptor que se activó por el frío y que llamaron TRPM8. Adicionalmente, identificaron canales iónicos adicionales relacionados con TRPV1 y TRPM8 y se descubrió que se activan mediante un rango de temperaturas diferentes.
A partir de sus contribuciones a finales de la década de los 90 se llevaron a cabo intensas actividades de investigación en este campo que permitieron mejorar nuestra comprensión de cómo nuestro sistema nervioso percibe los estímulos mecánicos, fríos y calientes, los eslabones que faltaban para entender la compleja interacción entre nuestros sentidos y el mundo que nos rodea.
Campo del conocimiento laureado
Desde hace milenios la sensación somática ha fascinado a la humanidad y muchos científicos y pensadores buscaron su explicación, como René Descartes en el siglo XVII quien señaló que la forma en cómo reaccionamos al calor se debía a que las partículas de fuego tiraban de un hilo entre la piel y el cerebro. Más tarde, en 1880, se demostró que distintos puntos sensoriales de la piel reaccionaban a estímulos específicos, como el tacto, el calor o el frío, lo que indicaba que distintos estímulos activaban diferentes tipos de nervios.
Tres veces se ha reconocido con el Nobel de Fisiología o Medicina a los avances científicos sobre el sistema nervioso sensorial somático: En 1906, Camillo Golgi y Santiago Ramón y Cajal recibieron el Premio Nobel por su trabajo sobre la estructura del sistema nervioso, que incluía una descripción anatómica del sistema somatosensorial. Sir Charles Sherrington y Edgar Adrian fueron galardonados en 1932 por sus descubrimientos sobre la función de las neuronas, incluida la descripción de las neuronas somatosensoriales. Después, en 1944, Joseph Erlanger y Herbert Spencer Gasser fueron reconocidos por sus descubrimientos relacionados con las funciones diferenciadas de las fibras nerviosas somatosensoriales individuales. Estos descubrimientos establecieron importantes principios para la propagación de los potenciales de acción a lo largo de las fibras nerviosas sensoriales de la piel y los músculos.
El descubrimiento de diferentes tipos de fibras nerviosas con velocidades de conducción, umbrales de activación y períodos refractarios distintos, permitió vincular tipos específicos de fibras nerviosas a diferentes modalidades somatosensoriales, como la propiocepción (el sentido del movimiento y la posición de nuestro propio cuerpo en el espacio), el tacto y la sensación de temperatura. Sin embargo, había cuestiones fundamentales que seguían sin resolverse: ¿Cuál es la naturaleza y la identidad molecular de los receptores que pueden percibir la temperatura y el tacto y cómo pueden esos sensores convertir los estímulos en potenciales de acción dentro de las fibras nerviosas somatosensoriales? Las respuestas a estas preguntas han sido laureados con el Nobel de Fisiología o Medicina de 2021.
