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Medizin-Nobelpreis für Hitze- und Druck-Sensoren

Die beiden Preisträger fanden heraus, wie unsere Haut Hitze und Berührung wahrnimmt

Hitze- und Berührungsrezeptoren
Der Medizin-Nobelpreis 2021 geht an die Entdecker der Rezeptoren für Hitzeschmerz und Druckreize. © Nobelprize.org

Der diesjährige Nobelpreis für Medizin geht an zwei Forscher, die grundlegende Aspekte unserer Sinneswahrnehmung entschlüsselt haben: das Erspüren von Hitze und Berührung. Der US-Forscher David Julius identifizierte mithilfe des Chili-Inhaltsstoffs Capsaicin und Millionen DNA-Schnipseln den Hitzeschmerz-Rezeptor TRPV1. Der im Libanon geborene und in den USA forschende Wissenschaftler Ardem Patapoutian entdeckte zwei einzigartig konstruierte Mechanorezeptoren, die in unserer Haut auf Tastreize reagieren.

Unsere Haut ist unser größtes Sinnesorgan. Sie ist dicht gespickt mit Sensoren, die verschiedenste Reize registrieren – von Kälte bis Hitze, vom leichten Windhauch oder Streicheln bis zum schmerzhaften Stich einer Nadel. Diese Wahrnehmung verdanken wir Rezeptoren, winzigen Sensoren in den Membranen spezieller Hautzellen, die auf jeweils ganz spezifische Reize reagieren und diesen Reiz in elektrische Nervensignale umwandeln.

Welche Sensoren jedoch welche Reize erspüren und wie sie aussehen, haben Wissenschaftler erst nach und nach herausgefunden – unter ihnen sind auch die beiden diesjährigen Nobelpreisträger.

Hitzeschmerz
Sowohl Capsaicin als auch Hitze aktivieren den TRPV1-Rezeptor und lösen so das Nervensignal für Hitzeschmerz aus. © Nobelprize.org

David Julius: Dem Hitzeschmerz auf der Spur

David Julius von der University of California in San Francisco begann in den 1990er Jahren mit seiner Suche nach dem Sensor für die Hitzeschmerz-Wahrnehmung. Dieser reagiert, wenn wir beispielsweise auf eine heiße Herdplatte fassen, aber auch, wenn unsere Haut oder Schleimhäute in Kontakt mit dem Chili-Inhaltsstoff Capsaicin kommen. Letzteres nahm Julius zu Hilfe, um dem Rezeptor auf die Spur zu kommen.

Zunächst erstellten Julius und seine Kollegen eine Bibliothek aller Gene, die bei Nagetieren aktiv werden, wenn diese auf äußere Reize reagieren. Diese Gene fügten sie jeweils einzeln in das Erbgut von kultivierten Zellen ein und prüften dann, ob diese auf Capsaicin reagierten. Nach zeitraubender Suche wurden sie schließlich fündig: Sie entdeckten ein Gen, durch das zuvor für Capsaicin unsensible Zellen plötzlich auf den Reiz reagierten.

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Weitere Analysen enthüllten, dass dieses Gen die Bauanleitung für einen zuvor unerkannten Ionenkanal in der Zellmembran beinhaltet – TRPV1. Kommt dieser Sensor in Kontakt mit Capsaicin, öffnet er sich und das daraus resultierende Ionenungleichgewicht löst den elektrischen Nervenreiz aus, der dem Gehirn einen Hitzeschmerz signalisiert. Der gleiche Effekt tritt ein, wenn TRPV1 auf mehr als 40 Grad aufgeheizt wird.

Damit war bestätigt: Hitze und Capsaicin lösen nicht nur subjektiv ein ganz ähnliches Schmerzempfinden aus, sie gehen auch physiologisch auf denselben Rezeptor zurück. Ausgehend von dieser Entdeckung entdeckten Julius und unabhängig von ihm auch der zweite Preisträger Ardem Patapoutian kurze Zeit später einen weiteren Ionenkanal, TRPM8, der für unsere Kältewahrnehmung zuständig ist. Zudem zeigte sich, dass es noch einige weitere Rezeptoren gibt, die bei jeweils unterschiedlichen Temperaturbereichen anspringen.

DRuckrezeptor
Mechanischer Druck verändert die Form der dreiteiligen Mechanorezeptoren Piezo1 und Piezi2 und löst so den Nervenreiz aus. © Nobelprize.org

Ardem Patapoutian: Ein einzigartiger Drucksensor

Der zweite Preisträger, der in Beirut geborene Ardem Patapoutian, forschte während dieser Zeit am Scripps Research Institute in La Jolla. Dort konzentrierte er sich auf die Suche nach dem Sensor, mit dem wir Berührungen und andere mechanische Reizen erspüren. Zwar hatte man bei Bakterien schon Mechanosensoren identifiziert, bei Wirbeltieren und dem Menschen stand dies jedoch noch aus.

Um den gesuchten Rezeptor zu finden, isolierten Patapoutian und seine Kollegen zunächst einzelne Zellen aus der Haut von Nagern und suchten die Zellen, die beim Anstupsen mit einer Pipette messbare elektrische Signale erzeugten. Nachdem diese gefunden waren, wählte auch dieses Team den genetischen Ansatz: Sie schalteten in den Zellen jeweils eines von 72 Kandidatengenen aus und testeten, ob sie dann immer noch auf mechanische Reize reagierten. Ein Gen erwies sich auch hier als entscheidend.

Es zeigte sich: Der gesuchte Mechanorezeptor ist ein in der Zellmembran sitzendes Protein namens Piezo1 – ein mit 2.500 Aminosäuren sehr großer und einzigartig geformter Ionenkanal. Dieser besteht aus einer zentralen Pore, die von drei großen, propellerartigen Blättern umrahmt wird. Wirkt mechanischer Druck auf diese in Ruhe gebogenen Sensorblätter ein, flachen sie ab und öffnen dadurch die Kernpore des Rezeptors. Dies löst das druckspezifische Nervensignal aus.

„Die bahnbrechenden Entdeckungen von TRPV1, TRPM8 und den Piezo-Kanälen durch die diesjährigen Nobelpreisträger haben uns verstehen lassen, wie Hitze, Kälte und mechanische Kräfte die Nervensignale auslösen, durch die wir die Welt um uns herum wahrnehmen“, heißt es in der Laudatio des Nobelpreiskomitees.

Quelle: Nobelprize.org

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