文章專區

1980 ～ 1990 年代，科學家發現有一群痛覺神經對「辣椒素」特別敏感，令我們能產生熱、痛等感覺。而這個被稱為「辣椒素受體」的分子，開啟了痛覺分子生物學研究的序幕。美國生理學家朱里雅斯透過功能性分子選殖方法，成功找出感受熱的辣椒素受體真實身分——TRPV1 離子通道；美籍亞美尼亞裔神經科學家帕塔普蒂安，則發現了機械力離子通道Piezo 1 及Piezo2。

今（2021）年的諾貝爾生理醫學獎可說是史上最「有感」的獎了！由美國生理學家朱里雅斯（David Julius）發現辣椒素受體（capsaicin receptor），為TRPV1（transient receptor potential vanilloid 1）離子通道〔註〕開啟了後續一系列的研究，解開人體各種體感覺如何運作的分子機制之謎。體感覺包含溫度，例如冷、熱，以及觸覺、本體感覺、痠、痛、癢等，而本次諾貝爾生理學與醫學獎的另外一半獎項，則頒發給發現機械力離子通道Piezo1、Piezo2，解開了機械力如何被體感覺神經，以及生物體內各種細胞「感覺」的美籍亞美尼亞裔生物學與神經科學家帕塔普蒂安（Ardem Patapoutian）。

►諾貝爾生理醫學獎得獎者►

註：TRPV1 為一種離子通道蛋白，能傳遞熱覺、痛覺等訊號。

痛覺研究的第一步，尋找「辣椒素受體」分子

神經科學家對「體感覺受體」的研究，一直具有高度興趣，特別是那些能對痛及傷害性刺激有反應的受體。在1980 ～ 1990 年代，對於痛覺神經生理的研究有些初步進展，科學家發現體感覺神經中，有一群痛覺神經（nociceptor）對熱、酸、機械力這3 種刺激都有反應。而這群多樣性痛覺神經（polymodal nociceptors）還有另外一個特性，就是都對「辣椒素」（capsaicin） 特別敏感。因此，「辣椒素受體」被認為是痛覺受體的代名詞，為了找尋辣椒素受體分子，開啟了痛覺分子生物學（molecular nociception）研究的序幕。

1990年初期，以英國為首的幾個研究群，分別以不同角度切入，試圖用分子選殖的方法找尋辣椒素受體。主要代表研究學者為英國倫敦大學學院（University College London, UCL）的伍德（John Wood），他嘗試以差異性分子選殖方法（difference cloning），找出痛覺神經所有的受體分子。而伍德也是痛覺分子生物學的開山祖師，在他主導的研究中，發現許多參與痛覺的重要離子通道，例如ASIC1b、P2X3、Nav1.8，但他卻沒找到辣椒素受體。

而在美國舊金山大學（University of San Francisco,USF）進行研究的朱里雅斯，則是以功能性分子選殖（functional cloning）的方法，針對辣椒素受體分子可通透鈣離子（Ca²⁺）的特性，利用鈣離子影像技術，率先找出辣椒素受體分子的真實身份——TRPV1，一個已經被發現，但卻尚未知其功能的離子通道。

成功找出辣椒素受體的「功能性分子選殖方法」

朱里雅斯研究生涯早期， 在美國哥倫比亞大學（Columbia University in the City of New York）做研究，師承美國神經科學大師艾克謝爾（Richard Axel）與英國生物學家傑瑟（Tom Jessell）探索血清素（serotonin）受體，並成功以細胞電生理的方法，做為功能性分子選殖的基礎，發現許多血清素受體分子。1990 年後，朱里雅斯在舊金山大學任教，以相同的研究方法再發現血清素的5 －HT3 受體，與三磷酸腺苷（ATP）的P2X 離子通道。他進入痛覺領域較晚，而之所以會研究辣椒素受體，或許是因為他與伍德是非常熟識的朋友有關。

功能性分子選殖的方法，首先需要針對標的組織，例如背根神經節（spinal ganglion），建構一個至少含有50 萬個互補DNA 的基因文庫（cDNA library），以涵蓋大約2 萬個基因種類。再將所有的互補DNA（complementary DNA , cDNA）分為約20 等分，並分批次全數引入異源性表達系統的宿主細胞中。傳統上是以細胞電生理（cellular electrophysiology）方法或配體結合試驗（ligand binding assay）等方法進行。若是在其中一等分的cDNA 裡，發現細胞對刺激物（辣椒素）會產生訊號，則再將cDNA 池（cDNA pool）分為20 等分，重複這項實驗，直到我們能挑選出單一的cDNA 為止。

因為某些未知的原因，這個方法在辣椒素的分子選殖上未能成功。後來朱里雅斯改用鈣離子影像（calcium imaging）來進行功能性分子選殖，才成功發現辣椒素受體，是一個名為「TRPV1」的陽離子通道。雖然鈣離子影像技術相較於細胞電生理技術，產生的訊號非常不敏感，但卻可同時篩檢幾千個細胞，因此加速了分子選殖的進度。

TRPV1 的發現，驗證了它同時是辣椒素、傷害性熱刺激（＞ 43℃）、酸（pH＜ 5.9）的受體，非常符合多樣性痛覺神經的概念，是可以反應各種傷害性刺激的重要分子，但卻唯獨與傷害性的機械力刺激無關。而TRPV1 是溫度受體的概念，隨即開啟了後續一系列對溫度受體分子的研究，讓我們清楚了解，體感覺神經系統有一套完整的溫度感受器。此外，各個溫度級距也都至少有一個TRP 家族的離子通道相對應（表一），TRPV1的發現，讓我們更清楚熱覺、痛覺的分子機制，進一步理解發炎性疼痛、神經痛等相關疾病的生理機制，對新一代止痛藥的開發，提供了重要的分子標靶。

表一／不同溫度級距與TRP家族的離子通道對應表

與溫度感覺不同，為什麼我們會感受到「痛」？

由於辣椒素受體本身並不是機械力受體，因此找尋傷害性機械力受體就變成痛覺分子生物學的下一個重點研究方向。機械力受體的分子選殖相對於其他的離子通道來說更加困難，主要是因為在方法學上，要量測機械力受體的反應非常困難。在2000 年左右，神經生物學家發展出一套機械力夾（mechanical clamp）的方法刺激神經細胞，得以結合全細胞膜鉗制（wholecell patch clamp）的電生理方法，穩定地量測機械壓力對細胞所誘發的微小電流（pico amp）。因此，開始有人思考機械力受體（離子通道）的功能性分子選殖是否可行。……【更多內容請閱讀科學月刊第624期】