גילוי קולטנים לטמפרטורה ומגע: אלו הזוכים בפרס נובל ברפואה

היכולת שלנו לזהות חום, קור ומגע היא קריטית להישרדות של בני אדם ובעלי חיים, ובסיסית לתקשורת שלנו עם העולם סביבנו. אבל איך מתורגמת תחושת החום או המגע לסימנים חשמליים שהמוח יכול לפענח? עבור הגילוי הזה הוענק פרס נובל לשנת 2021.

הסוד, מסתבר, היה בפלפל חריף. פרופ' דיוויד ג'וליוס מאוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו, היה הראשון לזהות את הקפיסאצין, חומר שמקורו בפלפל שיוצר תחושת צריבה בהיעדר חום של ממש, כדי לזהות את הקולטן בעצבי העור אשר מגיבים לחום. פרופ' ארדם פטפוטיאן ממכון סקריפס בקליפורניה (ובמקור מביירות, לבנון), השתמש בתאים רגישים ללחץ כדי לזהות קבוצה חדשה של חיישנים בעור ובאיברים הפנימיים, שמגיבים לגרוי מכאני. יחד, הם השלימו פערים קריטיים בהבנה שלנו לגבי הקשר בין החושים שלנו לסביבה.

איך הגירוי הופך לשדר חשמלי למוח?

בהודעה לעיתונות של ועדת פרס נובל מוסבר כי שאלת החישה הייתה מאז ומתמיד אחת התעלומות הגדולות של האנושות. כיצד העין מזהה אור והופכת אותו לתמונה המובנת למוח שלנו? כיצד אנחנו מבחינים בקולות באמצעות האוזן הפנימית וכיצד אינטראקציות מיוחדות של כימיקלים באף ובפה, יוצרים חוויה של טעם וריח. המנגנונים הללו זכו לרמות גבוהות של פענוח, אך מה לגבי אדם ההולך יחף על כר דשא ביום חם? הוא חש את חום השמש, את הרוח, את הדשא מתחת לכפות הרגליים, וכל אחת מן התחושות הללו היא שונה, וכל אחת מהווה רכיב מתוך החוויה של מה שאנחנו קוראים לו "חוג המישוש".

ב-1944 הוענק פרס נובל לרפואה או פיזיולוגיה עבור גילוי תאי עצב שונים שמגיבים אחרת למגע כואב או למגע שאיננו כואב. מאז הסתבר שתאי עצב הם מאוד ספציפיים לסוגים שונים של מגע, וכך נוצרת החוויה מלאת הניואנסים של הסביבה - מרקם, קשיחות, חום נעים, חום צורב. אולם, עדיין לא הבנו עד הגילויים של ג'וליוס ופטפוטיאן, איך בדיוק העצבים הספציפיים מקבלים מהסביבה, את הגירוי אותו יהפכו מאוחר יותר לשדר חשמלי למוח?

בשנות ה-1990, ג'וליוס וקולגות שלו באוניברסיטת קליפורניה בנו ספריה של מיליוני חלקיקי DNA התואמים את הגנים שבאים לידי ביטוי בתאי עצב תחושתיים. הם האמינו שאחד החלבונים שה-DNA הזה יקודד, יגיב לקפסיאצין. הם מיפו אל חלקי ה-DNA מספריית הגנים שלהם לתאים שלרוב אינם מגיבים לקפסיאצין. אחרי חיפוש ארוך ומפרך, הם מצאו גן יחיד שכאשר הוא בא לידי ביטוי, התא הופך רגיש לקפסיאצין. כעת ניתן היה לגלות כי אותו הגן, מקודד חלבון מסויים שהוא הקולטן לקפסיאצין בתא. הסתבר בהמשך, כי הקולטן הזה, אחראי לחוש את כל מה שאנחנו חווים כ"חם וכואב" (לעומת "חם ונעים").

הקשר לחוש השישי

זו הייתה פריצת דרך שהובילה באותה השיטה לאיתור של קולטני טמפרטורה נוספים. הסתבר שישנם רבים ושונים מהם, המגיבים לטמפרטורות שונות - זה אינו קולטן אחד שמגיב באופן הדרגתי. בלי לדעת זה על עבודתו של זה, גילו ג'וליון ופטפוטיאן רצפטור שמגיב לקור - וגם למנטול.

ומה לגבי מגע ולחץ? פטפוטיאן וצוותו גילו תאים שהגיבו בסיגנל חשמלי ברור כאשר לחצו עליהם עם מיקרו פיפטה במעבדה. 72 גנים אפשריים קודדו, ואחרי עוד חיפוש מפרך, התגלה הגן שכאשר פעילותו נוטרלה, התאים הפסיקו להיות רגישים למגע. מאוחר יותר נמצאו קולטנים נוספים כאלה. עוד הסתבר כי התאים הללו חשובים ל"חוש השישי", חוש המיקום שלנו בסביבה שלנו והתחושה של היכן האיברים שלנו ממוקמים (פרופריאוספציה). יש לקולטנים אלו תפקידים נוספים כמו ניהול לחץ הדם, הנשימה והלחץ בשלפוחית השתן.

הגילויים הללו משמשים בימים אלה לפיתוח תרופות למחלות שונות, למשל כאב כרוני.

דיוויד ג'וליוס, בן 65, נולד בברוקלין, ניו יורק. אביו היה מהנדס ואמו מורה ביסודי. כשהיה בתיכון, התקבל לבית הספר לתלמידים מצטיינים STUY בניו יורק, אך לאחר שנה העדיף להמשיך בבית הספר המקומי, "למרות שהחיים החברתיים והבידור טובים יותר במנהטן", כך אמר בעבר. כך או כך, הוא אמר, לא נהנה במיוחד בבית הספר, אם כי אהב את לימודי המדע.

בכל זאת התקבל ל-MIT, והמשיך ללימודי דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי ב-1984. הוא התמחה תחילה בחקר סרטן באוניברסיטת קולומביה, ומאז 1989 הוא משמש כפרופסור באוניברסיטת סן פרנסיסקו. שם התמחה בחקר גנטיקה אנושית באמצעות שמרים ועכברים, וגם מנגנוני איתות בין תאים, עם דגש על קולטן הסרוטונין. זאת עד שהחל את המחקר שהביא לו את הפרס הנוכחי (ופרסים רבים קודמים - אם כי הפעם לא את פרס וולף, אשר בדרך כלל מנבא את זוכי פרס הנובל). הוא נשוי לפרופ' הולי אינגרהם, גם היא פיזיולוגית מאותה האוניברסיטה.

הגילוי של קולטני כאב מיקד אותו לעבודה בתחום הזה, במחשבה על עזרה לחולים כרוניים, אשר לדבריו "החיים שלהם ממש מתהפכים על הראש". הוא מציין כי הגילוי שלו יכול לשמש לפיתוח של תרופה בתחום, אך זה אינו המסלול היחיד להתקדמות, אלא גם הבנת המסלול של האותות מהעצבים אל המוח. "איך נעשית אינטגרציה של כל המידע מן הגוף עד שהם מיתרגמים במוח לחוויה? ואיך המוח ממיין את הסיגנלים השונים?", זו שאלה שהוא הגדיר בעבר כמשמעותית עבורו.

מביירות ללוס אנג'לס

פרופ' ארדם פטפוטיאן בן 53, נולד כאמור בביירות. גם אמו הייתה מורה בבית ספר יסודי. אביו היה סופר ומנהל חשבונות. מלחמת האזרחים בלבנון פרצה כשהוא היה בן שמונה, וחייו אופיינו בהפסקות חשמל ועוצר. המשפחה שלו הייתה ארמנית במקור, כך שנתפסו לשמחתם כצדדים ניטראליים במלחמה, אך הקהילה הארמנית ובית הספר בו למד הלכו והצטמקו בעקבות גלי ההגירה מן המדינה. "בתיכון", הוא אומר, "היו בכיתה שלי רק חמישה תלמידים. אני הייתי בערך באמצע מבחינה לימודית, אבל הנמוך מכולם". המעבר לבית ספר בינלאומי גדול ותובעני היה קשוח, ובהתחלה הוא חווה כישלון, אך עם הזמן גילה את אהבתו למתמטיקה ומדע.

לימודי הקדם-רפואה באוניברסיטה האמריקאית בביירות החלו בתקווה גדולה, אבל יום אחד הוא נחטף על ידי חמושים, כחלק מן המלחמה שלא היה צד בה. כמה חודשים אחרי כן, ברח ללוס אנג'לס.

ההתחלה הייתה קשה. הוא התאמץ להתאים את עצמו והתפרנס מכתיבת הורוסקופים לעיתון מקומי. רק לאחר זמן מה התקבל לאוניברסיטת קליפורניה, והחל ללמוד ביולוגיה מולקולרית. הוא הצטרף למעבדה של פרופ' לואיס רייכרדט באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, שם חקר גנטיקה באמצעות זבובי פירות, תחום מאוד חם באותה התקופה ועד היום, ולמד, לדבריו, לנהל מעבדה "שבה עושים כיף עם שבט של חנונים מוזרים, סקרנים ובינלאומיים". מאז, הוא אומר, ניסה לשמר את האווירה הזו גם במעבדות שלו. פטפוטיאן נשוי לננסי א. הונג, משקיעת הון סיכון בתחום הביומד.