“喷火的”辣椒，如何解开疼痛之谜？

我们的生活经历是由我们的感官所塑造的。我们观看、聆听、嗅闻，触摸和品尝周遭的事物，就是我们了解整个世界的途径。我的研究对象是受体，这是一种在细胞膜上存在的小型传感结构，它可以对来自环境或体内的刺激做出反应。在本文中，我提到的受体对热和疼痛的刺激敏感，所以它们会对高温和辛辣物质（例如辣椒）有所反应。我们相信，通过研究这些受体的结构以及了解它们的运作机理，我们将能够开发出更为安全的长效止痛药物。让我们通过此文，了解辣椒如何为人们打开揭示疼痛奥秘的大门，并为未来的疼痛治疗铺平道路。

【作为本文的背景资料，建议阅读两篇先前发表的有关膜片钳技术（patch clamp technique）和低温冷冻电子显微镜（cryogenic electron microscopy）的文章 。】

对于包括人类在内的所有动物来说，疼痛是一种非常重要的感觉。疼痛告诉我们何时受伤并需要照顾自己，以及何时应该停止可能有害的活动。

用科学术语来说，疼痛是体感的一部分，而体感即是我们感知触觉、温度、疼痛、身体姿势以及身体在周围空间中运动的能力。体感是由遍布全身的小型传感结构（我们称之为受体）执行的。位于神经细胞膜上的受体一旦受到环境刺激（例如碰到杯子里的热水），相关的大脑区域就会随之收到体感神经细胞发送来的信号，并对这些信号进行破译和处理（图1）

图 1：体感。(A) 温度和疼痛等刺激是由称为受体的微小结构感知的，这些结构位于特殊神经细胞的膜表面（在本例中位于我们的舌头上）。(B) 当这些受体感受到相关刺激时，它们会在神经细胞中产生电信号，然后发送到大脑。(C) 大脑中的特定区域解释这些信号——于是，女孩就知道她杯中的水是热的了。| 图源：David Julius

在本文中，我们将重点关注受体中的一种——离子通道受体。这些受体使用离子通道（细胞膜中存在的小“隧道”或“门”）来产生电信号以响应环境刺激。离子通道受体非常复杂，它是一个迷人的传感器，也是我们具有感知内部和外部环境能力的关键所在。

多年来，科学家们开发了先进的研究工具来探索离子通道受体的结构和功能。例如，我们可以使用一种被称为低温电子显微镜的特殊成像方法。在这里，我们让电子通过冷冻的样本，并给这些受体拍摄高度精细的图片，以构建它们的三维模型。我们还可以使用一种被称为膜片钳（patch clamp technique）的技术，去测量那些通过离子通道的流动电荷，从而使我们能够研究离子通道受体的电行为。

这些方法可以帮助我们解答人体如何感知疼痛这一基本科学问题，也有助于开发缓解疼痛的新药。当对疼痛敏感的离子通道受体正常工作时，它可以帮助人们保护自己免受伤害。然而，这种保护机制有时会出现问题，甚至失控。然后，人们就可能会经历慢性疼痛，也就是无法缓解的持续疼痛。到目前为止，传统的止痛药物（如阿司匹林），对于治疗急性疼痛非常有效，但对慢性疼痛却无效。此外，一些常见止痛药（如吗啡）还会使人上瘾，并可能产生包括头晕、恶心和呕吐在内的副作用。

过度使用成瘾性止痛药导致了所谓的阿片类药物危机，许多人因为止痛而染上药瘾，并损害了健康。 我们希望更好地了解疼痛受体，尤其是离子通道疼痛受体，以帮助我们开发更有效的治疗慢性疼痛的药物。此类新型止痛药可能会帮助我们解决阿片类药物危机。 在了解止痛新药之前，让我先介绍一些我和我同事发现的疼痛受体家族的信息。

我一直对感官的运作方式以及某些化学物质（尤其是天然产品）影响大脑和身体的方式非常好奇。在我的研究中，我将这两种好奇结合在起来，就能更好地理解体感如何发挥作用。其中，我特别想了解人类是如何通过“伤害感受”系统，察觉到可能对身体有害的刺激。

20 世纪 70 年代，科学家发现辣椒素（辣椒中引起灼烧感的成分）通过激活特定神经末梢的受体，可以引发大鼠眼部的疼痛感 [2]。之后10年，科学家又提出，辣椒素通过让离子（包括钙离子）流入参与痛觉感受的神经元来引起疼痛[3]。这些发现提示我们：感觉神经细胞中是否存在辣椒素的特定受体？ 如果是，那它具有怎样的结构？在感知可能对身体有害的刺激中发挥了怎样的作用？

为了回答这些问题，我和我的学生决定寻找编码辣椒素受体特定蛋白质的基因。因为当时科学家对该受体及相关基因还一无所知，所以我们只能借助很少的线索来寻找它们。

我们知道，根据分子生物学的中心法则，任何蛋白质（包括疼痛受体）的产生都涉及一种称为 mRNA 的分子，该分子携带着制造该蛋白质所需的 DNA 指令。 我们的策略是提取对疼痛做出反应的神经细胞（图 2A），分离编码疼痛受体的 mRNA（图 2B），然后将该 mRNA 转化回编码疼痛受体的 DNA 指令（基因） （图 2C）[4]。

图2：寻找辣椒素受体基因。(A) 受体神经元，称为伤害感受器，对辣椒素做出反应并最终将疼痛信息传输到大脑。(B) 我们从这些细胞中去除了可能与辣椒受体编码有关的 mRNA。(C) 然后，我们将筛选出的众多 mRNA 分子中的每一个分子转回到它们最初构成的 DNA（基因）。该DNA库中应包括一个或多个编码能够与辣椒素反应的蛋白质的DNA片段。(D) 将 DNA 片段引入通常对辣椒素没有反应的细胞中。(E) 如果这些细胞对辣椒素做出了反应，然后我们就知道引入的DNA片段中含有辣椒素基因。经过大量筛选，我们最终确定了编码辣椒素受体的单个基因。| 图源：David Julius

为了实现这一目标，我们创建了一个包含数百万个 DNA 片段的库，这些片段对应于对疼痛、热和触摸有反应的感觉神经元所表达的基因。为了寻找我们感兴趣的特定基因，我们必须筛选数十万条 DNA 片段，这些 DNA 片段是由痛觉神经细胞中收集的许多不同的 mRNA 产生的。通过这样费力而繁琐的过程，我们将创建的大量 DNA 片段分成越来越小的组，直到最终检测到我们感兴趣的确切基因。

为了验证我们是否找到了正确的基因，我们将怀疑是编码疼痛受体的 DNA 片段放入最初对辣椒素没有反应的细胞中（图 2D）。然后，我们使用已故诺贝尔奖获得者钱永健发明的方法，检查这些细胞是否对辣椒素敏感，通过该方法，每次钙离子进入细胞时，我都可以观察到细胞在发出闪光（图 2E）。 然后，我们使用膜片钳技术记录这些发光细胞中流经小片膜的电流，确认了它们确实能通过使离子流入细胞的方式对辣椒素做出反应。搞定！

实验结果告诉我们，辣椒素受体是存在的，并且它是离子通道型的受体。 我们将其命名为 TRPV1 受体（图 3A），因为它属于离子通道成员中被称为瞬时受体电位 (TRP)的一组。 后来，我们发现该受体不仅对辣椒素有反应（图 3B），而且对有害热量有反应，因为它在温度高于 43°C 时也会被激活（图 3C）[4]。

找到 TRPV1 受体后，我们发现 TRP 家族其他受体的过程就变得相对容易了。例如，对薄荷醇和低温做出反应的 TRPM8 [6]，对来自芥末和大蒜刺激性物质有反应的 TRPA1（有时称为芥末受体），以及对炎症分泌物和其他刺激物有反应的受体[7]。TRP 通道存在于许多感官组织中，包括眼睛、舌头和皮肤。 它们中许多用来感知与我们的感官相关的外部信号，其中也有一些是用来感知来自体内的信号（例如内部器官产生的信号）。我们对它们的结构和功能的理解已经有了长足的进步，但仍有一些谜团尚待解决。

我们仍在试图解决的主要谜团之一，是热和冷如何激活 TRP 受体。目前，我们还不了解 TRP 受体如何“感知”温度。我们认为，与辣椒素等化学物质相反，温度不会作用于 TRP 受体的某一特定部位，而是同时作用于多个部分。为了研究这一点，我们正在尝试使用低温电子显微镜，在受体对热或冷的温度做出反应时冷冻并拍摄它们的图像，以了解温度与受体的作用。

为了开发更好的治疗急性和慢性疼痛的药物，从而解决阿片类药物危机，我相信我们需要了解各种类型的疼痛，包括在每种类型中最相关的分子、细胞类型和机理。例如，我们知道，皮肤感知的疼痛（称为皮肤疼痛）与内脏器官产生的疼痛（称为内脏疼痛）有很大不同。因此，我认为我们无法使用相同的方法解决所有类型的疼痛，而是可能需要针对每种类型的疼痛制定特定的方法。我们还必须开发更好的方法来测量疼痛，因为每个人对疼痛的感受都不同。 准确的疼痛测量将使我们能够更好地评估新药的性能。

我也有兴趣深入研究 TRP 受体的分子结构。这将使我们更好地了解它们的工作机理，从而开发出仅针对这些受体的特定部分或机制的新药。目前使用的许多镇痛药会完全阻断疼痛受体，从而干扰受体警告人们免受伤害的能力。例如，一些 TRPV1 药物会削弱人们热引起疼痛的能力，这可能会让患者在接触热物体或喝热饮料时不知不觉地烫伤自己 [8]。

你可以开辟自己的道路并从中获得巨大的乐趣，但当你无法解释实验结果或不知所措的时候，也会有沮丧和焦虑。 如果你选择从事科学事业，你必须有好奇心和热情，希望了解事物工作的原理，并真正有动力去解决难题。通常你需要做的，就是不断前进，关注当下，享受在实验室做实验的时光。

我经常告诉我的学生，坚持就会有回报。你必须找到一种方法来不断朝着兴奋、有趣和重要的科学目标前进。在我的职业生涯中，我专注于长期没有答案的重大问题，解决这些问题将非常令人兴奋，并且可能为我的研究领域开辟新的方向。当工作进展不顺的时候，我试图找出原因并探索新的方法。只要我能想到新的尝试，我就有精力回到实验室，以不同的方式看待问题。这条路充满挑战，但我从自己的坚持中得到了回报。

最后，我想强调科学的另一个不同寻常且令人兴奋之处：科学家是国际社会的一部分（图4）。我结识来自世界各地的人，并且经常拜访他们。我认为这是非常独特的事情，它确实拓宽了我的视野，让我的生活变得更加有趣。

图4：科学家是国际社会的一部分。作为一名科学家，我喜欢将我视为由许多科学家组成的国际社区的一部分。 认识来自世界各地的人们使我的人生更加丰富，让我的生活更加有趣。| 图源：David Julius 

ALEXIA (13岁）, Gleeson College Stretch Program (13-15岁)

作者简介：

大卫·朱利叶斯 （David Julius），美国生理学家、加州大学旧金山分校教授。朱利叶斯在麻省理工学院 (MIT) 获得学士学位，期间在亚历山大·里奇（Alexander Rich ）教授的实验室工作，研究 tRNA。他在加州大学伯克利分校获得生物化学博士学位，与杰里米·索纳 (Jeremy Thorner) 和兰迪·谢克曼 (Randy Schekman) 教授（2013 年诺贝尔生理学或医学奖获得者）合作研究酵母中的激素加工和分泌。之后，朱利叶斯在纽约哥伦比亚大学理查德·阿克塞尔（Richard Axel）教授（2004 年诺贝尔生理学或医学奖获得者）的实验室进行博士后研究，研究受体基因。朱利叶斯加入了加州大学旧金山分校，在那里他开始研究离子通道受体。他和同事利用天然产物的化学特性发现了一系列称为 TRP 通道的疼痛和温度感应受体，其中包括对辣椒和热量做出反应的 TRPV1 受体。朱利叶斯目前正在研究 TRP 受体的分子结构，试图了解它们如何对温度做出反应并与炎症因子相互作用，这与开发治疗慢性疼痛的新药有关。朱利叶斯与旧金山加利福尼亚大学生理学教授霍莉·英格拉汉姆结婚，他们育有一子，名叫菲利普（Philip）。电子邮箱：[email protected]

[2]受体（RECEPTORS）：小型传感单元，通常是细胞膜中的蛋白质，可以对刺激（例如特定化学物质或温度）做出反应。

[3]离子通道受体（ION CHANNEL RECEPTORS）：通过允许离子（带电粒子）流入和流出神经细胞，而产生电信号来响应刺激的受体。

[4]慢性疼痛 （CHRONIC PAIN）：持续很长时间的疼痛（超过 12 周），即使最初诱发原因已经消失后。例如：慢性腹痛和慢性关节痛。

[5]急性疼痛（ACUTE PAIN）：持续相对较短时间的突然疼痛，当其原始原因消失后就会消失（例如，割伤手指时感到的疼痛）。

[6]伤害感受（NOCICEPTION）：感觉系统检测有害刺激的过程

[7]辣椒素 （CAPSAICIN）：辣椒中的辛辣物质，会引起灼烧感。