August Krogh: Scopritore del Meccanismo di Regolazione dei Moti Capacitari e Pioniere della Fisiologia della Microcircolazione (1920)

Carta Informativa Nobel

• Anno del Premio: 1920
• Settore: Fisiologia o Medicina
• Motivazione del premio: Per la scoperta del meccanismo di regolazione motoria capillare.
• Nascita: 15 novembre 1874, Grenaa, Danimarca
• Morte: 13 settembre 1949, Copenaghen, Danimarca
• Nazionalità: Danese
• Istituzione: Università di Copenaghen

Vita e Istruzione

Schack August Steenberg Krogh nacque il 15 novembre 1874 nella piccola città di Grenaa, sulla penisola dello Jutland in Danimarca. Suo padre, Viggo Krogh, era un costruttore navale, mentre sua madre, Marie Drechmann, era figlia di un birraio. Cresciuto in questa città costiera con una forte tradizione marittima e artigianale, Krogh sviluppò fin da giovane una profonda fascinazione per la natura e gli animali. Le ore trascorse al mare instillarono in lui l'abitudine all'osservazione naturale che avrebbe poi influenzato la sua direzione verso la fisiologia comparata.

Dopo aver completato gli studi superiori ad Aarhus, Krogh si iscrisse all'Università di Copenaghen nel 1893. Inizialmente intendeva studiare fisica e matematica, ma fu attratto dalla biologia sotto l'influenza del professore di zoologia William Sørensen. Nel 1897 entrò nel laboratorio di Christian Bohr (padre del celebre fisico Niels Bohr), allora professore di fisiologia all'università. Questo incontro influenzò profondamente la carriera scientifica di Krogh. Bohr stava conducendo importanti ricerche in fisiologia respiratoria e formò Krogh in questo campo.

Nel 1903 Krogh conseguì il dottorato presso l'Università di Copenaghen con una tesi sul meccanismo della respirazione cutanea nei rospi. Questo lavoro rappresentò un esempio precoce dell'approccio alla fisiologia comparata e fu la prima dimostrazione del rigore metodologico che avrebbe caratterizzato l'intera carriera di Krogh. Nel 1916 fu nominato professore di zoofisiologia all'Università di Copenaghen, carica che mantenne fino alla fine della sua vita.

La vita personale di Krogh fu intrecciata con la sua carriera scientifica. Sposò Marie Jorgensen nel 1905. Marie era una scienziata di successo a pieno titolo e partecipò attivamente a molti dei progetti di ricerca di Krogh. Collaborarono specialmente su studi nei campi del metabolismo e della fisiologia nutrizionale. Questa partnership scientifica è considerata uno degli sforzi congiunti più produttivi nella storia della scienza. La coppia ebbe quattro figli.

Lavoro scientifico

La carriera scientifica di August Krogh è caratterizzata da un'eccezionalmente ampia gamma di indagini fisiologiche. Ha svolto un lavoro pionieristico nella fisiologia respiratoria, nello scambio gassoso, nella circolazione capillare, nella fisiologia comparata, nella fisiologia degli insetti e nel metabolismo. Una caratteristica distintiva dell'approccio di Krogh era la scelta dell'organismo sperimentale più adatto per ogni questione fisiologica che intendeva studiare. Questo principio sarebbe stato successivamente formulato come il principio di Krogh: per ogni problema biologico esiste un organismo ottimale su cui può essere studiato più comodamente.

I primi lavori di Krogh si concentrarono sulla fisiologia respiratoria. Il suo mentore, Christian Bohr, sosteneva che lo scambio gassoso nei polmoni avvenisse tramite un meccanismo di secrezione attiva. Krogh testò questa ipotesi con meticolosi esperimenti e alla fine dimostrò che il suo mentore aveva torto: lo scambio gassoso nei polmoni avviene per diffusione passiva, non per secrezione attiva. Questa audace conclusione scientifica fu una forte evidenza dell'indipendenza intellettuale e della rigorosità sperimentale di Krogh. Smentire la teoria del suo mentore non fu una decisione facile, ma Krogh considerava seguire i dati più importante della lealtà personale.

Sviluppando il concetto di costante di diffusione, Krogh rese possibile la modellazione matematica dello scambio gassoso nei polmoni. Misurò i tassi di diffusione di ossigeno e anidride carbonica attraverso la membrana polmonare e dimostrò che questi valori erano sufficienti a soddisfare le esigenze metaboliche. Questo lavoro gettò le basi della fisiologia respiratoria.

A partire dagli anni '10 del Novecento, la ricerca di Krogh si spostò gradualmente sulla circolazione capillare. Il fattore scatenante di questo cambiamento fu il suo sforzo per comprendere come i tessuti soddisfano la loro domanda di ossigeno. Se l'ossigeno è trasportato per diffusione, allora la distribuzione dell'ossigeno all'interno dei tessuti dipende direttamente dalla struttura e dalla funzione della rete capillare. Per indagare su questo argomento, Krogh utilizzò tessuti trasparenti come il mesenterio della rana, dove la rete capillare poteva essere osservata direttamente al microscopio.

La Scoperta che ha Portato al Premio Nobel

La scoperta per cui Krogh ha ricevuto il Premio Nobel è stata la dimostrazione che la circolazione capillare possiede un meccanismo di regolazione attivo. All'inizio del XX secolo, l'opinione prevalente era che i vasi capillari fossero semplici tubi elastici passivi e che il flusso sanguigno fosse regolato esclusivamente da variazioni di pressione nelle arteriole. Si pensava che i capillari stessi non avessero alcuna capacità di regolare il flusso sanguigno.

Osservando direttamente le reti capillari sotto il microscopio nei muscoli e nel mesenterio della rana, Krogh fece una scoperta rivoluzionaria. Notò che nei tessuti a riposo la maggior parte dei capillari erano chiusi o non presentavano flusso sanguigno. Quando il tessuto veniva attivato (per esempio durante la contrazione di un muscolo), i capillari precedentemente chiusi si aprivano e il flusso sanguigno aumentava drasticamente. Questa osservazione dimostrò che il flusso sanguigno capillare non è un processo passivo, ma un meccanismo regolato attivamente.

Krogh ha esaminato approfonditamente il meccanismo di regolazione capillare. Ha dimostrato che l'apertura e la chiusura dei capillari erano controllate dalla contrazione e dal rilassamento delle cellule muscolari lisce nelle pareti dei capillari o degli sfinteri precapillari. Un aumento del metabolismo tissutale portava al rilascio di fattori chimici locali (metaboliti), che innescavano l'apertura dei capillari. Questo meccanismo garantiva che le esigenze di ossigeno dei tessuti aumentate fossero soddisfatte con precisione.

Krogh ha anche rivelato l'aspetto quantitativo della regolazione capillare. Ha dimostrato che il numero di capillari attivi in un muscolo a riposo è solo una piccola frazione del numero totale di capillari. Durante l'attività muscolare, il numero di capillari attivi aumenta drasticamente, riducendo la distanza di diffusione e ottimizzando la distribuzione dell'ossigeno. Modellando matematicamente questo processo, Krogh ha sviluppato il concetto di cilindro di Krogh: ogni capillare fornisce ossigeno a un definito volume tissutale circostante, e man mano che più capillari si aprono, questo volume si riduce e migliora l'ossigenazione.

La scoperta della regolazione capillare da parte di Krogh ha avuto implicazioni di vasta portata in campi come la fisiologia dell'esercizio, la fisiopatologia dello shock e la perfusione tissutale. Come il flusso sanguigno aumenta nei muscoli durante l'esercizio, perché la microcircolazione collassa nello shock e perché l'ossigenazione dei tessuti può essere insufficiente nelle malattie croniche sono diventati comprensibili alla luce della scoperta di Krogh.

Il Premio e le sue Conseguenze

Nel 1920 il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina fu assegnato ad August Krogh per la scoperta del meccanismo di regolazione dei vasi capillari. Krogh ricevette il premio di persona durante la cerimonia a Stoccolma. Nella sua lezione Nobel illustrò dettagliatamente la fisiologia della circolazione capillare e il suo approccio sperimentale, sottolineando l'importanza di scegliere il giusto modello sperimentale nella ricerca fisiologica.

Dopo il Premio Nobel, Krogh ampliò le sue ricerche. Condusse studi approfonditi sulla fisiologia degli insetti, tra cui indagini pionieristiche sul sistema respiratorio degli insetti (il sistema tracheale), l'osmoregolazione e il metabolismo. Il suo libro del 1924, Comparative Respiratory Physiology, divenne il riferimento standard nel campo.

Una delle significative contribuzioni di Krogh negli anni '20 fu lo sviluppo della tecnica per tracciare i processi metabolici utilizzando l'acqua pesante (ossido di deuterio). Fu pioniere nell'uso di tecniche di tracciamento isotopico nella ricerca fisiologica. Questo approccio avrebbe poi costituito la base per la medicina nucleare e l'imaging metabolico.

Nel 1922, durante una visita in Canada, Krogh venne a conoscenza della scoperta dell'insulina da parte di Frederick Banting e Charles Best. Il fatto che sua moglie Marie fosse diabetica gli diede un interesse personale particolare nell'argomento. Al suo ritorno in Danimarca, fondò insieme a Hans Christian Hagedorn il Nordisk Insulinlaboratorium, il primo istituto europeo a produrre insulina su scala industriale e che in seguito divenne la base dell'azienda Novo Nordisk. Oggi, Novo Nordisk è uno dei più grandi produttori al mondo di farmaci per il diabete.

Krogh fu profondamente colpito dagli effetti della Seconda Guerra Mondiale sulla Danimarca. Durante l'occupazione tedesca (1940-1945), le opportunità di ricerca erano limitate. Krogh morì il 13 settembre 1949, all'età di settantacinque anni, a Copenaghen.

Eredità e Impatto Oggi

Il lascito scientifico di August Krogh ha lasciato profonde impronte in molti sottocampi della fisiologia. La scoperta della regolazione dei moti capillari costituisce la base della fisiologia della microcircolazione. Oggi, i disturbi della microcircolazione svolgono un ruolo centrale nella patofisiologia di varie condizioni cliniche come il diabete, l'ipertensione, la sepsi e le ferite croniche.

Il modello cilindrico di Krogh è ancora ampiamente utilizzato per l'analisi matematica dell'ossigenazione dei tessuti. In biologia tumorale, il modello di diffusione capillare di Krogh continua a essere un riferimento fondamentale per comprendere l'angiogenesi e le regioni ipossiche. Le strategie anti-angiogeniche nel trattamento del cancro si basano sulla conoscenza della regolazione della rete capillare.

Il principio di Krogh è considerato un principio metodologico fondamentale nei campi della fisiologia comparata e della biologia sperimentale. Il principio di selezionare un organismo sperimentale in base alla domanda di ricerca forma la base del concetto di organismo modello.

Il ruolo fondante di Novo Nordisk riflette la visione di Krogh per la trasformazione delle scoperte scientifiche in applicazioni industriali. Oggi, Novo Nordisk fornisce insulina e altri trattamenti per il diabete a milioni di persone in tutto il mondo.

Fatti meno noti

• Krogh ha sperimentalmente confutato la teoria delle secrezioni polmonari del suo mentore Christian Bohr, dimostrando che l'onestà scientifica deve prevalere sulla lealtà personale. Questo coraggio è considerato un importante esempio di etica scientifica.
• La moglie di Krogh, Marie, fu una collaboratrice attiva in molte delle sue ricerche. Insieme condussero studi sul metabolismo e sulla fisiologia nutrizionale.
• Krogh utilizzò parte del denaro del suo Premio Nobel per contribuire alla creazione di un impianto di produzione dell'insulina. Questo investimento divenne il fondamento di Novo Nordisk.
• Il principio di Krogh è un precetto metodologico ben noto e ancora applicato tra i biologi. Consiglia di scegliere l'organismo modello più adatto per ogni domanda biologica.
• Krogh ha svolto anche un lavoro pionieristico nella fisiologia degli insetti. Le sue ricerche sul sistema respiratorio tracheale e sui meccanismi osmoregolatori degli insetti hanno contribuito a gettare le basi dell'entomologia.
• Christian Bohr era il padre del famoso fisico Niels Bohr. In quanto mentore di Krogh, è indirettamente legato alla storia di due famiglie vincitrici del Premio Nobel.
• Krogh era un eccezionale costruttore di strumenti. Progettava e costruiva molti dei suoi strumenti sperimentali con le sue stesse mani; questo talento pratico gli dava un grande vantaggio nello sviluppo dei suoi approcci sperimentali originali.