I recettori delle famiglie TRP e PIEZO sono coinvolti nella percezione di diversi stimoli somatosensoriali (Immagine: nobelprize.org)
Come percepiamo il mondo?
La nostra sopravvivenza in un determinato ambiente dipende dalla nostra capacità di percepire e interpretare correttamente gli stimoli a cui siamo esposti. Gli stimoli visivi e acustici sono forse i primi che ci vengono in mente quando dobbiamo immaginare di prendere contatto con un ambiente nuovo e capire se siamo esposti a rischi. Sebbene in modo meno esplicito, anche gli stimoli somatosensoriali (tattili, propriocettivi, termici e dolorifici) sono indispensabili per comprendere e adattarci alle continue variazioni del mondo esterno. Per rendercene conto, basta immaginare che cosa accadrebbe se non fossimo più in grado di distinguere tra una superficie incandescente e una fredda, oppure tra una carezza e un colpo violento. Se l’importanza della percezione somatosensoriale non è in discussione, molto più complesso è comprendere il meccanismo che ne è alla base. «Come percepiamo il mondo?» è una domanda su cui, prima ancora dei neurofisiologi, si sono arrovellati per secoli numerosi filosofi. Nel diciassettesimo secolo, René Descartes immaginò che le diverse parti della superficie del corpo fossero collegate al cervello da fili sottilissimi, grazie ai quali possiamo riconoscere quando tocchiamo qualcosa di troppo caldo come una fiamma. Questa intuizione ha dovuto però attendere secoli per essere confermata dagli studi di ricercatori come Joseph Erlanger e Herbert Gasser, scopritori delle fibre nervose che ci permettono di distinguere, per esempio, tra sensibilità tattile dolorosa e piacevole. Erlanger e Gasser, a loro volta vincitori del Nobel per la Medicina nel 1944 per le loro scoperte sulla sensibilità somatosensoriale, passano oggi il testimone a David Julius e Ardem Patapoutian, a cui si deve l’aggiunta di un altro importante tassello: la comprensione dei meccanismi molecolari che regolano la percezione termica e tattile.Come vengono convertiti gli stimoli termici in impulsi elettrici del sistema nervoso?
Le scoperte di David Julius risalgono alla fine degli anni Novanta del secolo scorso, quando il suo gruppo di ricerca presso l’Università della California ha iniziato a studiare gli effetti della capsaicina, il composto responsabile della sensazione di bruciore che avvertiamo quando mangiamo o ci strofiniamo con il peperoncino. Per capire il meccanismo d’azione a livello molecolare, Julius ha raccolto una libreria di frammenti di cDNA corrispondenti ai geni espressi nei neuroni sensoriali che reagiscono alle sensazioni di dolore, calore e stimolazione meccanica. L’ipotesi che lo guidava era che, tra i milioni di frammenti contenuti nella libreria, almeno uno corrispondesse al frammento di DNA che codifica per il recettore per la capsaicina. Per testare questa ipotesi, i frammenti di DNA sono stati espressi all’interno di cellule in coltura che, normalmente, non reagiscono alla stimolazione con capsaicina. Dopo molti tentativi, la comparsa di cellule divenute sensibili confermò a Julius che era stato identificato il gene che codificava per il recettore della capsaicina. Questo ha rappresentato il primo passo di una lunga serie di esperimenti: negli anni successivi questo recettore, battezzato in seguito TRPV1, è stato identificato come un canale ionico di membrana, importante per percepire le temperature dolorose e potenzialmente dannose: questo recettore viene infatti attivato anche dal calore che si sprigiona durante l’infiammazione dei tessuti. Dopo TRPV1, altri recettori termici sono stati identificati. In progetti di studio indipendenti, sia David Julius sia Ardem Patapoutian hanno identificato, grazie a esperimenti condotti con il mentolo, il recettore TRPM8, un canale ionico attivato dalle temperature fredde. Questo ha aperto in seguito la strada alla scoperta di altri recettori della famiglia TRP, che insieme codificano la sensibilità a diversi intervalli di temperature.
La scoperta di TRPV1: la libreria a cDNA è stata costruita a partire dai geni espressi in neuroni sensoriali (Immagine: nobelprize.org)
Come vengono captati e trasmessi gli stimoli meccanici?
Come gli stimoli termici, anche quelli tattili e meccanici hanno rappresentato a un lungo un grattacapo per i neurofisiologi. Una pressione più o meno forte sulla pelle, la consistenza di un tessuto strofinato tra le mani, la sensazione di un materiale poroso o liscio: come fa il nostro corpo a convertire queste informazioni così complesse in un segnale nervoso interpretabile dal cervello? Ardem Patapoutian, dello Scripps Research di La Jolla, in California, si è dedicato all’identificazione dei recettori attivati dagli stimoli meccanici a partire dai primi anni del ventunesimo secolo. Il primo indizio risale a un esperimento in cui, punzecchiando la superficie di cellule in coltura con una micropipetta, i ricercatori riuscirono a evidenziare un segnale elettrico misurabile. Per identificare il recettore responsabile di questa risposta, sono stati inattivati numerosi geni che codificano per canali ionici, fino a indentificare quello che, una volta silenziato, impediva alle cellule di rispondere alla “punzecchiatura”. Si trattava di un nuovo recettore mai identificato prima, battezzato Piezo1 in omaggio alla parola greca piézein, «premere». Studi successivi hanno permesso di identificare un recettore simile, Piezo2, che è un canale ionico attivato dalla pressione esercitata sulle membrane cellulari ed è quindi fondamentale per il senso del tatto. Piezo2 è inoltre importante per la propriocezione, cioè la capacità che il nostro corpo ha di percepire la propria posizione nello spazio e integrare i movimenti delle singole parti.
La scoperta dei recettori Piezo per gli stimoli meccanici, tattili e propriocettivi (Immagine: nobelprize.org)
Quali ricadute cliniche possono avere queste scoperte?
L’alterazione della percezione somatosensoriale ha importanti ricadute sulla salute, come confermato da studi condotti in pazienti con mutazioni genetiche nei canali ionici delle famiglie recettoriali TRP e PIEZO. Per esempio, persone con mutazioni nel gene Piezo2 hanno un’alterata sensibilità al tatto, alle vibrazioni e agli stimoli propriocettivi. Numerosi studi hanno inoltre confermato un ruolo di questi recettori anche nella percezione di stimoli interni coinvolti in molti processi fisiologici: Piezo1 e Piezo2, per esempio, controllano la corretta percezione di stimoli pressori associati alla regolazione della pressione sanguigna, alla respirazione e al controllo della vescica urinaria. Questi studi aprono nuove possibilità di ricerca soprattutto in ambito farmacologico, in cui da anni si cercano soluzioni efficaci per i pazienti che, a causa di patologie di varia natura, devono convivere con situazioni di dolore cronico.
Se desideri approfondire le ricerche dei premi Nobel David Julius e Ardem Patapoutian puoi consultare questo documento condiviso dal sito ufficiale del Nobel Prize.
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