Środowisko

Węsząca nerka

Numer 6/2018
Nerka. Nerka. crystal light / Shutterstock
Receptory węchu znajdują się nie tylko w nosie, ale i np. w mięśniach, nerkach i na plemnikach. Okazuje się, że zapach da się zobaczyć, a dzięki komórkom węchowym można odzyskać władzę w nogach.
Opuszka ­węchowa to ­niewielka struktura w ­płacie czołowym ­mózgu ­odpowiedzialna za ­wstępne przetwarzanie informacji zapachowych z nabłonka węchowego.Designua/Shutterstock Opuszka ­węchowa to ­niewielka struktura w ­płacie czołowym ­mózgu ­odpowiedzialna za ­wstępne przetwarzanie informacji zapachowych z nabłonka węchowego.
Regeneracja włókien nerwowych ­dzięki ­węchowym komórkom glejowym.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Regeneracja włókien nerwowych ­dzięki ­węchowym komórkom glejowym.
Receptory węchowe w organizmie człowieka.Sebastian Kaulitzki/Shutterstock Receptory węchowe w organizmie człowieka.
Receptory węchowe w naszej skórze reagują na zapach ­kwiatu sandałowca (na zdj.).Vinayaraj/Wikipedia Receptory węchowe w naszej skórze reagują na zapach ­kwiatu sandałowca (na zdj.).
Czy psich ratowników zastąpią wkrótce wrażliwe na zapach roboty?deepspace/Shutterstock Czy psich ratowników zastąpią wkrótce wrażliwe na zapach roboty?

Do tej pory uważano, że nasz węch nie należy do szczególnie rozwiniętych zmysłów. W porównaniu ze zdolnościami zwierząt wypadał raczej blado. Jednak ostatnie badania rzucają nowe światło na ludzki nos i ujawniają skrywane przez niego supermoce. Okazuje się bowiem, że jest on w stanie rozpoznać ponad trylion różnych związków. Za odczucie zapachu odpowiadają odoranty – czyli lotne cząsteczki zapachowe docierające do naszego nosa z otoczenia. Pobudzają one receptory zlokalizowane w nabłonku węchowym i kreują zapachy – przyjemne i nie tylko.

Stwierdzono, że receptory węchowe (RW) kodowane są mniej więcej przez 2% genów zapisanych w DNA. To bardzo dużo, zwłaszcza że elementy odpowiadające za skomplikowany układ immunologiczny zapisane są w mniejszej ilości DNA. Rodzina genów RW należy do największych w ludzkim genomie. W jej skład wchodzi 636 genów, z czego 339 jest aktywnych, a pozostałe w toku ewolucji utraciły swoją aktywność. Oznacza to, że to od naszych genów zależy, jaki konkretnie zapach wyczujemy. Co ciekawe, receptorów węchowych jest znacznie więcej niż receptorów innych bodźców. Np. 100 razy więcej niż receptorów wzrokowych, czyli czopków siatkówki.

Rejestracja zapachu

Cząsteczki zapachowe trafiają do nosa wraz z powietrzem z każdym naszym wdechem. Wnętrze jamy nosowej w 95% wyścielone jest nabłonkiem migawkowym. Jego komórki posiadają rzęski wyłapujące zanieczyszczenia, kurz i bakterie. Dodatkowo wydzielany przez komórki kubkowe śluz znacznie ułatwia złapanie i usunięcie na zewnątrz mikroorganizmów. Dzięki odruchowi kichania wszystko, co szkodliwe, zostaje wyrzucone poza ustrój. Takie czyste, odfiltrowane powietrze trafia kolejno do płuc, a następnie tkanek.

W tylnej ścianie jamy nosowej znajduje się obszar zwany nabłonkiem węchowym – niewielki i niepozorny, aczkolwiek niezmiernie istotny fragment wnętrza naszego nosa. Zajmuje łącznie mniej więcej 5 cm2 i zawiera ok. 40 mln komórek receptorowych. Są one neuronami wyspecjalizowanymi w odbieraniu zapachu, podobnie jak kubki smakowe na języku dostosowały się do rozpoznawania smaków. Co ciekawe, ludzki nabłonek węchowy jest zabarwiony (ma kolory od bladożółtego do ciemnobrązowego), a naukowcy ciągle nie potrafią wytłumaczyć dlaczego. Dodatkowo neurony węchowe jako jedyne w organizmie są regularnie wymieniane, średnio co 4–8 tyg.

Cząsteczki zapachowe wewnątrz nosa natrafiają na pokrywającą nabłonek węchowy warstwę śluzu. W nim się rozpuszczają, a następnie wiążą z receptorami. Cząsteczka odorantu bądź jej fragment aktywuje kilka lub kilkanaście komórek z grupy 40 mln neuronów. W ten sposób powstaje olbrzymia liczba kombinacji, pozwalająca odróżniać szerokie spektrum zapachów. Impuls nerwowy trafia do opuszki węchowej (struktura ta mieści się w płacie czołowym), gdzie jest wstępnie analizowany i przekazywany dalej. Aktywowane są wyższe ośrodki węchowe w mózgu, takie jak ciało migdałowate, wzgórze i kora mózgowa. W skrócie oznacza to, że przekaz informacji zapachowej z receptorów do mózgu jest ekspresowy i bezpośredni. Inaczej niż w przypadku wzroku czy słuchu; tu sygnał nerwowy dociera do centrum przekazywania informacji między półkulami mózgowymi i dopiero stąd do pozostałych obszarów mózgu.

Węch jako niezwykle istotny rozwinął się szybciej niż reszta zmysłów i dlatego sygnał trafia bezpośrednio do konkretnych obszarów mózgu, bez wcześniejszej analizy w „punkcie kontrolnym”. Stanowi to ewolucyjne przystosowanie, umożliwiające szybką reakcję i w razie potrzeby podjęcie ucieczki lub walki, co często dzieje się bez udziału naszej świadomości. Gdy mózg zarejestruje na podstawie zapachu, że spożywany przez nas właśnie posiłek nie należy do najświeższych, może wysłać informację do żołądka, że treść pokarmową należy natychmiast usunąć. Wtedy pojawiają się odruch wymiotny, obfite wydzielanie śliny czy po prostu utrata apetytu. Podczas intensywnej pracy receptory węchowe mogą się „zapychać” i dlatego wyczuwamy tylko kilka zapachów z rzędu. W takiej sytuacji wystarczy kilka razy odetchnąć świeżym powietrzem, aby receptory oczyścić.

Opuszka naprawia rdzeń

Okazuje się, że opuszka węchowa nie tylko bierze udział w przekazywaniu informacji o zapachu, ale może posłużyć również jako niebywałe narzędzie do przywrócenia zdolności ruchu sparaliżowanemu pacjentowi. Za ideą wykorzystania komórek glejowych do regeneracji uszkodzonych włókien nerwowych stoi prof. Geoffrey Raisman z Institute of Neurology University College London. Komórki te m.in. odżywiają neurony w mózgu i współtworzą barierę krew-mózg. Okazało się, że występują one także w błonie śluzowej nosa, gdzie odpowiadają za regenerację nabłonka węchowego, który niekiedy ulega uszkodzeniu na skutek podrażnienia dróg oddechowych przez uporczywy katar czy wdychanie toksycznych substancji. Dzięki tym niesamowitym komórkom nie musimy martwić się o utratę węchu. Niestety, takich właściwości nie mają komórki siatkówki ani nerwy rdzenia kręgowego. Dlatego wraz z ich uszkodzeniem wzrok i zdolność ruchu tracimy zazwyczaj na stałe.

Pierwsze badania nad regeneracją rdzenia kręgowego za pomocą węchowych komórek glejowych przeprowadzono na szczurach. Jego uszkodzenie sprawia, że zwierzęta nie są w stanie poruszać tylnymi kończynami. Wyniki eksperymentu były zdumiewające. Gdy podano komórki węchowe, między włóknami łączącymi kończyny z mózgiem zaistniała komunikacja, a zwierzę odzyskało zdolność ruchu.

Odkrycie Raismana zwróciło uwagę naukowców z Wrocławia, którzy od dłuższego czasu poszukiwali skutecznej metody regeneracji włókien nerwowych. Polscy badacze postanowili więc nawiązać współpracę ze słynnym profesorem i zastosować komórki glejowe w leczeniu sparaliżowanego mężczyzny, którego rdzeń kręgowy został przerwany po ataku nożem. Jak okazało się później, lekarze nie mogli wykorzystać w tym procesie komórek glejowych z nosa pacjenta, bo cierpiał on na przewlekłe zapalenie zatok, a przez to potencjał terapeutyczny takich komórek był znacznie ograniczony. Dlatego posłużyli się wspomnianą wcześniej opuszką węchową, w której znajduje się o wiele więcej komórek o lepszych właściwościach od tych izolowanych z nosa. Niestety, sama procedura ich pobrania jest bardziej inwazyjna, bo wymaga otwarcia mózgoczaszki. Komórki wyizolowano z opuszki i hodowano w laboratorium, a następnie – wraz z fragmentami nerwów obwodowych – wszczepiono pacjentowi powyżej i poniżej miejsca uszkodzenia rdzenia. Sparaliżowanemu od pasa w dół mężczyźnie wróciło czucie w stopie oraz w podudziu, a po 24 miesiącach mógł już poruszać się za pomocą chodzika!

Jak wącha nerka?

Wiadomo już, że receptory węchowe występują w jamie nosowej, gdzie inicjują reakcję na odoranty. Ten fakt wydaje się raczej oczywisty. Najnowsze badania przewracają jednak do góry nogami nasz pogląd na biologię i funkcję tych niesamowitych białek. Okazuje się, że produkowane są również w tkankach takich jak mięśnie, naczynia krwionośne, płuca i nerki. Nasze wewnętrzne czucie to jeden z mechanizmów kluczowych dla zachowania zdrowia.

Receptory węchowe w innych niż jama nosowa miejscach działają na podobnej zasadzie – reagują na bodźce chemiczne. Nie oznacza to jednak, że nasza wątroba potrafi wyczuć zapach smażonego kurczaka. Może natomiast zareagować na zmianę składu i stężenia związków chemicznych krążących we krwi. Podobnie rejestrowane są zmiany stężenia metabolitów, hormonów i szeregu innych substancji. Po wykonaniu fluorescencyjnego barwienia na obecność receptorów węchowych fragmenty wątroby obserwowane w mikroskopie konfokalnym świeciły niczym bożonarodzeniowe drzewko.

Do jednego z pierwszych odkryć dotyczących nietypowej lokalizacji tych receptorów doszło w 2003 r. Wówczas okazało się, że na powierzchni plemników obecne są receptory węchowe zdolne do przyłączania konkretnej substancji. Ich zadaniem jest pomoc plemnikom w odnalezieniu drogi do komórki jajowej. Najprawdopodobniej więc wydziela ona czynnik wiążący się z receptorami. Plemnik „wyczuwa” go i, zwabiony sygnałem, kieruje się w jego stronę. Możemy więc w dużym uproszczeniu powiedzieć, że plemnik „wącha” otoczenie w poszukiwaniu komórki jajowej.

Nerki filtrujące krew stanowią jeden z naszych ważniejszych organów odpowiedzialnych za utrzymanie homeostazy organizmu. W ich obrębie potwierdzono obecność receptora węchowego numer 78 (Olfr78), szczególnie istotnego dla utrzymania prawidłowego ciśnienia krwi. Aby zbadać funkcję tego receptora, naukowcy postanowili wyłączyć jego działanie. Do tego celu wykorzystali genetycznie modyfikowane myszy, których organizmy nie produkowały Olfr78. U zwierząt pojawiły się problemy z prawidłowym funkcjonowaniem nerek oraz syntezą reniny, hormonu odpowiedzialnego za wzrost ciśnienia krwi. Następnie zaczęto poszukiwania cząsteczek zdolnych do aktywacji receptora Olfr78. Rezultat okazał się zdumiewający. Za ich produkcję odpowiadał mikrobiom.

Wnętrze naszego organizmu, głównie mowa tu o jelitach, stanowi rezydencję dla tysięcy bakteryjnych pasażerów, niezwykle nam potrzebnych – pomagają bowiem trawić pokarm, syntetyzują witaminy, ograniczają wzrost chorobotwórczych szczepów, zapobiegają alergiom i współpracują z układem immunologicznym. Zaburzenia w składzie naszego mikrobiomu niosą ze sobą nieprzyjemne dla zdrowia konsekwencje, związane z rozwojem takich chorób jak cukrzyca czy depresja. Z przeprowadzonych przez Jennifer Pluznick badań wynika, że z receptorem Olfr78 łączą się krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (KKT) produkowane przez bakterie po spożyciu przez nas pokarmu pochodzenia roślinnego. Tak więc skład bakteryjny naszych jelit w dużej mierze wpływa na ciśnienie krwi. A wszystko to, co paradoksalne, dzięki receptorom węchowym. Kolejne badania ujawniły obecność Olfr78 w naczyniach krwionośnych, skórze, sercu i mięśniach.

Tematem receptorów węchowych w skórze zajmują się eksperci z Ruhr-Universität Bochum w Niemczech. Według nich 15 z receptorów występujących w jamie nosowej znajduje się również w komórkach skóry. Aktywacja jednego z nich (OR2AT4) zapachem sandałowca białego przyspiesza proces gojenia ran o 30%! Badania te niosą cenne dane szczególnie dla przemysłu kosmetycznego i farmaceutycznego – wzbogacanie wyrobów zapachem tego drzewa może okazać się innowacyjnym podejściem w produkcji substancji leczniczych.

Ukryte supermoce

Zmysł węchu jest nieocenionym narzędziem, umożliwiającym nam komunikację ze światem. Do tej pory wrażliwość powonienia ssaków określano na podstawie wielkości nabłonka węchowego lub wielkości opuszki węchowej. I tak u psa byłoby ono mniej więcej 20 razy czulsze niż u człowieka (pies ok. 100 cm2 nabłonka, człowiek 5 cm2). Okazuje się jednak, że te proste kalkulacje są mylące, a pod względem zdolności do rozróżniania zapachów nie ustępujemy ani psom, ani gryzoniom. Co ciekawe, ludzie mogą wyczuwać jedynie wonie unoszące się w powietrzu. Psy natomiast potrafią identyfikować je również w cieczy. Dlatego często moczą nos w różnych rzeczach, włączając w to nasze posiłki.

Neurolog John McGann z amerykańskiego Rutgers University poszukiwał doniesień historycznych i naukowych na temat związku rozmiaru opuszki węchowej z wrażliwością na zapachy. Danych takich jednak nie odnalazł. Dlatego wysunął tezę, że to nie wielkość opuszki, ale raczej liczba budujących ją neuronów ma kluczowe znaczenie dla powonienia. I tak kobiety posiadają w opuszce o prawie 50% więcej neuronów niż mężczyźni. Dlatego mogą pochwalić się znacznie czulszym i bardziej wyrafinowanym zmysłem węchu. Nie potrafimy jednak odróżnić zapachu wszystkich związków chemicznych, tak jak słyszymy dźwięk poszczególnych instrumentów w utworze muzycznym. I choć np. na zapach kawy składa się 150 substancji, my czujemy po prostu jej aromat jako całość. Nasz zmysł węchu rzeczywiście różni się od zwierzęcego, ale nie tak drastycznie, jak uważano dotychczas.

Gdy nos zawodzi

Węch pełni w naszym życiu bardzo ważną funkcję – pozwala wyczuć zapach porannej kawy czy pysznego obiadu, przywołuje wspomnienia, a nawet decyduje o wyborze partnera. Zdolność ta wydaje się czymś naturalnym i przyjemnym, ale stanowi również oznakę zdrowia. Co dzieje się, gdy nos zawodzi?

Badania przeprowadzone na Columbia University dowiodły, że problemy z powonieniem są silnie związane z rozwojem chorób neurodegeneracyjnych, w tym alzheimera i parkinsona. Naukowcy uważają więc, że badanie prawidłowości funkcjonowania węchu powinno być integralną częścią diagnozy wspomnianych chorób. Sam test jest prosty i niedrogi. Próbki zapachowe umieszczone są w podłużnych pojemnikach przypominających flamaster. Podczas badania pacjent dostaje je do powąchania po kolei. Na podstawie takiego testu określony zostaje próg węchu, a więc najniższe stężenie odorantu, które pacjent jest w stanie wyczuć. Ocenie poddawana jest także zdolność odróżniania i identyfikacji konkretnych zapachów.

W badaniach przeprowadzonych na myszach potwierdzono, że osłabienie węchu można traktować jako wczesny objaw alzheimera. Okazało się, że blaszki chorobotwórczego amyloidu odkładały się najpierw w częściach mózgu odpowiadających za odróżnianie zapachów. Podobne obserwacje poczyniono u ludzi. Sekcje zwłok chorych pacjentów ujawniły, że amyloid gromadzi się u nas w tych samych rejonach mózgu.

Zobaczyć zapach

Choć unoszą się wokół nas niewidoczne, zawsze czujemy ich obecność. Czy zapach można zobaczyć? Jak prezentuje się aromat kawy? Na te pytania postanowili odpowiedzieć naukowcy z University of Colorado Boulder, którzy opracowali innowacyjną metodę obrazowania zapachu za pomocą wody i lasera. Do zbiornika zawierającego niespełna 2 tys. l wody dodali specjalny barwnik chemiczny, który posłużył jako nośnik zapachu. Następnie w stronę zbiornika skierowano światło laserów. Pod jego wpływem barwnik zaczął świecić na zielono, umożliwiając obrazowanie aromatów i ich zachowanie się oraz poruszanie w przestrzeni. Zapach unoszący się w wodzie przypominał zmieniającą kształt zieloną mgłę lub dym. Ale w eksperymentach tych nie chodzi tylko o ciekawostkę. Do tej pory do poszukiwania ofiar trzęsień ziemi czy śladów substancji wybuchowych wykorzystywaliśmy umiejętności psich przyjaciół. Dalekosiężnym celem przeprowadzonego przez naukowców badania ma być zastąpienie zwierząt robotami. Najpierw jednak należy nauczyć je, jak wąchać i rozpoznawać zapachy. Dzięki obrazowaniu możemy odkryć, jak zmieniają się właściwości odorantu podczas wdychania i wydychania powietrza. Ten krok jest niezbędny, aby dobrze zaprojektować robota.

Innym sposobem obrazowania zapachu jest zastosowanie chromatografii gazowej w połączeniu z olfaktometrią. Jest to szczególnie ważny proces w przemyśle spożywczym i perfumeryjnym, gdyż pozwala na identyfikację związków istotnych dla tworzenia aromatu danego produktu. Np. zapach wina składa się z ok. 800 nut. Chromatografia gazowa pozwala rozdzielić tę mieszaninę na pojedyncze aromaty dzięki określeniu, jak długo dany element reaguje z konkretnym rozpuszczalnikiem. W ten sposób wyznacza się czas retencji, czyli czas, po którym związek chemiczny oddzieli się od rozpuszczalnika. Parametr ten jest specyficzny dla poszczególnych substancji, dlatego umożliwia ich identyfikację. Analiza zapachu wina wykazała, że na 100 wykrytych aromatów ludzki nos rozpoznaje ok. 50 z nich. Wytypowano też 28 nut, które w największym stopniu odpowiadają za kreowanie bukietu danego wina. Niestety, próby sztucznej rekonstrukcji aromatu wina się nie powiodły.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Biologii Eksperymentalnej

***

Zapach knura

Androstenon to związek chemiczny występujący w pocie i moczu ssaków. Co ciekawe, dla niektórych pachnie nie jak mocz, ale jak wanilia! Za percepcję androstenonu odpowiada receptor OR7D4, którego aktywność jest inna u każdego człowieka. Zapach ten można wyczuć także w wieprzowinie, dlatego chcąc uniknąć takiej sytuacji, producenci mięsa kastrują samce, aby te nie produkowały androstenonu.

***

Miłość w powietrzu

Zakochanie zmienia w naszym życiu wiele, w tym nasz zmysł powonienia. Okazuje się, że miłość nie następuje od pierwszego wejrzenia, ale raczej od pierwszego powonienia! Marilyn Jones-Gotman z McGill University w Montrealu przeprowadziła ciekawy eksperyment. Biorący udział w badaniu mężczyźni przez tydzień spali w koszulkach absorbujących pot. Następnie na podstawie zapachu ich partnerki miały określić, która z koszulek należy do ich wybranka, znajomego i kompletnie obcej osoby. Okazało się, że kobiety zakochane nie potrafiły odróżnić koszulki przyjaciela od nieznajomego. Za przyczynę tego faktu uważa się wystąpienie zjawiska wyparcia, według którego zakochane osoby zdają się ignorować przedstawicieli płci przeciwnej na poziomie receptorów komórkowych! Molekularny mechanizm zauroczenia zostaje wyciszony.

01.06.2018 Numer 6/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną