動物模型、實驗醫學與諾貝爾獎系列科普
1895年，瑞典化學家阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Bernhard Nobel）創立諾貝爾生理學或醫學獎（Nobel Prize in Physiology or Medicine），旨在表彰在生理學或醫學領域作出重要發現或發明的人。該獎項在1901年首次頒發，1901至2021年，已累計頒發112次，共產生224位諾獎得主。
一百餘年來，諾貝爾生理學或醫學獎解答了有關生命和健康的諸多重要問題，是人類認識自己和認識世界的偉大探索。而在諾貝爾獎成果的研究過程中，醫學實驗動物和相關動物模型是不可或缺的極其重要的一環。中國實驗動物學會將透過一系列科普文章介紹諾貝爾獎研究探索歷程中的動物模型與實驗醫學。
動物模型、實驗醫學與諾貝爾獎系列科普（1）
2021年諾貝爾生理學或醫學獎：溫度與觸覺的動物模型與實驗醫學研究
溫度覺和觸覺是人們感知客觀世界的重要途徑，與視覺、嗅覺、味覺共同構成了我們對客觀世界的認識。
2021年10月4日，諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，本次獎項共同授予美國加州大學舊金山分校的戴維·朱利葉斯（David Julius）教授和美國加州斯克裡普斯研究所、霍華德休斯醫學研究所的阿德姆·帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）教授，以表彰他們“發現了溫度和觸覺受體”。瑞典卡羅林斯卡學院的諾貝爾委員會表示，他們解開了大自然的奧秘，解析了感知熱、冷和機械力的分子機制。這是我們感知世界、與內外環境互動的基礎，也是人類認識環境、適應環境的重要生理基礎。其實早在幾年前，這二位教授就曾“因為他們革命性地發現了溫度和壓力的受體”同時獲得過2019年第49屆羅森斯特爾獎（Rosenstiel Award）、2020年卡弗裡神經科學獎（Kavli Prize in neuroscience）和BBVA基金會“知識前沿獎”（Frontiers of Knowledge Award）。
圖片來源：諾貝爾獎官網
人類對溫度感知的探索由來已久。在東方傳統的中醫理論中，早在公元2世紀東漢張仲景在《傷寒雜病論》中系統性地將外感熱病的所有症狀歸納為“六經”（太陽、少陽、陽明、太陰、少陰、厥陰）和“八綱”（陰陽、表裡、寒熱、虛實），並由此確立了有關寒、熱的中醫辨證論治的基本法則。相應的，不同中藥藥材也具有溫、熱、寒、涼不同藥性，根據疾病的寒、熱選擇相應的中醫治療。而對於非藥物治療，經典針灸的“灸”法，同樣以“熱”為治療原理。在西方世界，17世紀法國著名哲學家笛卡爾在他的論著《論人》中提出，“熱”的資訊可以傳遞至大腦產生反應。直到幾個世紀以後的1944年，約瑟夫·厄爾蘭格（Joseph Erlanger）和赫伯特·斯潘塞·加塞（Herbert Spencer Gasser）“因為發現單神經纖維高度分化的功能”共同獲得了諾貝爾生理學或醫學獎，他們把神經纖維分為不同亞型，分別對神經電訊號具有不同的功能和傳導速度。也就是，神經電訊號的“高速路”已經揭曉，但是仍有一個問題沒有解開：外界的冷熱、壓力等資訊是如何轉化成神經電訊號呢？這也就是今年諾貝爾生理學或醫學獎的答案。目前我們已經知道，溫度感受器TRPV1、壓力感受器PIEZO1和PIEZO2等受體可以將溫度或壓力資訊轉化為神經訊號並傳遞至神經中樞，多年以來，科學家們是如何利用實驗動物研究解開有關溫度覺和觸覺的奧秘呢？
■ 從辣椒到溫度感受器TRPV1
這個故事要從“辣椒”講起，我們都知道辣椒會給人“熱辣辣”的感覺，這種感覺如何產生？上世紀九十年代末，朱利葉斯和同事嘗試篩選感覺神經元內對辣椒素髮生反應的一系列基因DNA，試圖尋找辣椒素的“受體”，辣椒素和受體的關係就好像一把鑰匙開啟一把鎖。
第一步：找到鑰匙和鎖。經過建立一系列基因DNA庫並進行篩選，他們最終鑑定出了一種非選擇性的陽離子通道TRPV1，同時發現它也對傷害性高溫（＞43℃）有反應——這把“鎖”，既可以被辣椒素開啟，也可以被高溫開啟，辣椒熱辣辣的感覺也就由此而來。
第二步：利用動物模型認識“鎖”的分佈。在實驗大鼠上，他們發現諸多感覺神經節細胞內都可以找到這種“鎖”，即存在TRPV1的表達，它可以表達在背根神經節和三叉神經節（主要集中在小直徑的神經元胞體，在大直徑的神經元胞體上較少）、脊髓和腦內尾狀核等區域。實驗大鼠幫助人們初步獲得了有關TRPV1分佈的認識。
第三步：建立轉基因動物模型研究其功能。隨後，研究人員創制了敲除TRPV1基因的轉基因小鼠模型，發現這種小鼠對高溫的熱痛反應幾乎消失，而機械力的痛覺反應正常，也就提示TRPV1對於溫度（高溫）傳導具有不可或缺的作用。近年來對TRPV1的研究仍然集中在他的溫度傳導機制，特別是傷害性高溫傳導。在炎症性疼痛過程中，機體的“紅、腫、熱、痛”也離不開TRPV1的參與。
■ 從薄荷到冷覺感受器TRPM8
和辣椒相對應，薄荷給人帶來的冰涼感覺從何而來？帕塔普蒂安和同事在2002年鑑定出了傳導冷覺的受體TRPM8，它是TRPV1的親戚，同屬於TRP受體家族。類似的，他們發現TRPM8可以同時對低溫和薄荷產生反應，這些“鎖”也主要分佈在傳導感覺的背根神經節。近年來，利用基因編輯技術、在體鈣成像等新技術，研究人員利用齧齒類動物模型、基因的時間、空間選擇性表達模型，對TRP家族的溫度感受機制進行了深入探索，不同的溫度範圍可以開啟相應的“鎖”。外周的冷、熱刺激透過啟用這一家族裡相應的溫度覺受體，透過相應的TRPV1陽性或TRPM8陽性的背根神經節傳導感覺資訊，在脊髓產生明顯的鈣啟用過程，系統完善了溫度的感覺傳導機制。
■ 從細胞戳戳樂到壓力感受器PIEZO1和PIEZO2
與溫度感受的機制類似，機械力刺激如何轉化為神經電訊號？帕塔普蒂安和同事選擇了一種對機械力有反應的細胞Neuro2A，一邊戳戳細胞，一邊從細胞中篩選出對壓力有反應的候選基因，最終一個機械敏感的離子通道脫穎而出，他們用希臘語的壓力“piesi”一詞命名它為PIEZO1。後續又鑑定出了PIEZO2，並發現它在背根神經節感覺神經元內有大量表達。研究發現PIEZO1和PIEZO2均可以被細胞膜表面的機械力直接啟用產生反應。2014年，帕塔普蒂安和同事共同創制了在DRG感覺神經元內敲除PIEZO2的轉基因小鼠模型PIEZO2CKO小鼠。在沒有PIEZO2的情況下，小鼠的觸覺反應消失，進一步驗證了它在觸覺感受中的重要功能。隨著研究的逐步深入，PIEZO的功能也逐步擴充套件到更多的壓力感受相關功能，如觸覺、疼痛、血壓、呼吸和膀胱功能等。
溫度、壓力等外界資訊透過TRP或PIEZO等受體轉化為神經電訊號，透過傳入神經抵達神經中樞並沿產出神經調節效應器，形成反射弧，對外環境產生反應和適應。紅色虛線內為2021年諾貝爾生理學或醫學獎的相關內容。
回顧多年來人類對溫度覺和觸覺的研究過程，透過細胞、動物模型、人類疾病等多層次的實驗醫學研究，外界溫度和壓力的“鑰匙”如何開啟對應“鎖”的問題已經逐步解開。隨著基因編輯技術和實驗檢測方法的發展，不斷湧現出更好的實驗動物研究模型，對TRP家族和PIEZO的更多功能的認識也在日漸加深。外界資訊由此轉化為神經電訊號、形成神經反射，實現了生物體對外界環境的反應和適應。多年來研究人員利用實驗動物模型進行的研究幫助我們更好的認識世界，也認識了自己。
（作者：中國醫學科學院醫學實驗動物研究所 張鈺）
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