Jak wynika z nowego badania przeprowadzonego przez MIT, podawanie leków o różnych porach dnia może znacząco wpłynąć na sposób ich metabolizowania w wątrobie.

Korzystając z małych, zmodyfikowanych wątróbek pochodzących z komórek ludzkich dawców, naukowcy odkryli, że wiele genów biorących udział w metabolizmie leków znajduje się pod kontrolą okołodobową. Te zmiany okołodobowe wpływają na ilość dostępnego leku i skuteczność jego rozkładu przez organizm. Odkryli na przykład, że enzymy rozkładające Tylenol i inne leki występują w większej ilości o określonych porach dnia.

W sumie badacze zidentyfikowali ponad 300 genów wątroby, które regulują zegar dobowy, w tym wiele z nich zaangażowanych w metabolizm leków, a także inne funkcje, takie jak stan zapalny. Analiza tych rytmów może pomóc badaczom w opracowaniu lepszych schematów dawkowania istniejących leków.

„Jednym z najwcześniejszych zastosowań tej metody mogłoby być dopracowanie schematów leczenia już zatwierdzonych leków, aby zmaksymalizować ich skuteczność i zminimalizować ich toksyczność” – mówi Sangeeta Bhatia, profesor nauk i technologii o zdrowiu oraz elektrotechniki im. Johna i Dorothy Wilsonów Informatyki na MIT oraz członek Instytutu Kocha dla Integracyjnych Badań nad Rakiem oraz Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauki (IMES).

Badanie wykazało również, że wątroba jest bardziej podatna na infekcje, takie jak malaria, w pewnych momentach cyklu dobowego, kiedy wytwarzana jest mniejsza ilość białek zapalnych.

Bhatia jest głównym autorem nowego badania, które ukazuje się dzisiaj w: Postęp nauki. Główną autorką artykułu jest Sandra March, pracownik naukowy w IMES.

Cykle metaboliczne

Szacuje się, że około 50 procent ludzkich genów podlega cyklowi dobowemu, a wiele z tych genów jest aktywnych w wątrobie. Jednakże badanie wpływu cykli dobowych na czynność wątroby było trudne, ponieważ wiele z tych genów nie jest identycznych u myszy i ludzi, dlatego do ich badania nie można używać modeli mysich.

Laboratorium Bhatii opracowało już metodę hodowli zminiaturyzowanych wątrób przy użyciu komórek wątroby zwanych hepatocytami, pochodzących od ludzkich dawców. W tym badaniu ona i jej współpracownicy postanowili sprawdzić, czy te zmodyfikowane wątroby mają własne zegary dobowe.

Współpracując z grupą Charlesa Rice’a na Uniwersytecie Rockefellera, zidentyfikowali warunki kulturowe, które wspierają okołodobową ekspresję genu zegara zwanego Bmal1. Gen ten, który reguluje cykliczną ekspresję szerokiego zakresu genów, umożliwił komórkom wątroby rozwój zsynchronizowanych oscylacji okołodobowych. Następnie badacze mierzyli ekspresję genów w tych komórkach co trzy godziny przez 48 godzin, co umożliwiło im identyfikację ponad 300 genów ulegających ekspresji falowej.

Większość tych genów skupiła się w dwóch grupach — około 70 procent genów osiągnęło szczyt razem, podczas gdy pozostałe 30 procent znajdowało się w najniższym punkcie, gdy pozostałe osiągnęły szczyt. Obejmowały one geny zaangażowane w różnorodne funkcje, w tym metabolizm leków, metabolizm glukozy i lipidów oraz kilka procesów immunologicznych.

Gdy zmodyfikowane wątroby ustaliły te cykle dobowe, badacze będą mogli wykorzystać je do zbadania, w jaki sposób cykle dobowe wpływają na czynność wątroby. Najpierw postanowili zbadać, jak pora dnia wpływa na metabolizm leków, przyglądając się dwóm różnym lekom — acetaminofenowi (tylenolowi) i atorwastatynie, lekowi stosowanemu w leczeniu wysokiego poziomu cholesterolu.

Kiedy Tylenol ulega rozkładowi w wątrobie, niewielka część leku przekształca się w toksyczny produkt uboczny znany jako NAPQI. Naukowcy odkryli, że ilość wytwarzanego NAPQI może różnić się nawet o 50 procent, w zależności od pory dnia, w której podaje się lek. Odkryli również, że atorwastatyna powoduje większą toksyczność w określonych porach dnia.

Oba te leki są częściowo metabolizowane przez enzym zwany CYP3A4, który ma cykl dobowy. CYP3A4 bierze udział w przetwarzaniu około 50 procent wszystkich leków, dlatego badacze planują teraz przetestować więcej tych leków przy użyciu modeli wątroby.

„W przypadku tego zestawu leków pomocne będzie określenie pory dnia, w której należy podać lek, aby osiągnąć jego najwyższą skuteczność i zminimalizować skutki uboczne” – mówi March.

Naukowcy z MIT współpracują obecnie ze współpracownikami nad analizą leku przeciwnowotworowego, na który, jak podejrzewają, może wpływać cykl dobowy, i mają nadzieję zbadać, czy może to dotyczyć również leków stosowanych w leczeniu bólu.

Podatność na infekcję

Wiele genów wątroby odpowiedzialnych za zachowanie okołodobowe bierze udział w odpowiedziach immunologicznych, takich jak zapalenie, dlatego naukowcy zastanawiali się, czy ta zmienność może wpływać na podatność na infekcje. Aby odpowiedzieć na to pytanie, poddali działaniu zmodyfikowanych wątrób Plasmodium falciparumpasożyt wywołujący malarię, w różnych momentach cyklu dobowego.

Badania te wykazały, że ryzyko zakażenia wątroby było większe w przypadku ekspozycji o różnych porach dnia. Dzieje się tak na skutek różnic w ekspresji genów zwanych genami stymulowanymi interferonem, które pomagają hamować infekcje.

„Sygnały stanu zapalnego są znacznie silniejsze w niektórych porach dnia niż w innych” – mówi Bhatia. „Oznacza to, że wirus taki jak zapalenie wątroby lub pasożyt wywołujący malarię może lepiej zasiedlać wątrobę w określonych porach dnia”.

Naukowcy uważają, że ta cykliczna zmienność może wystąpić, ponieważ wątroba tłumi swoją reakcję na patogeny po posiłkach, kiedy jest zazwyczaj narażona na napływ mikroorganizmów, które mogą wywołać stan zapalny, nawet jeśli w rzeczywistości nie są one szkodliwe.

Laboratorium Bhatii wykorzystuje obecnie te cykle do badania infekcji, które zwykle są trudne do ustalenia w zmodyfikowanych wątrobach, w tym infekcji malarią wywołanych przez pasożyty inne niż Plasmodium falciparum.

„Jest to dość ważne w tej dziedzinie, ponieważ samo skonfigurowanie systemu i wybranie odpowiedniego czasu infekcji możemy zwiększyć wskaźnik infekcji naszej kultury o 25 procent, umożliwiając badania przesiewowe narkotyków, które w innym przypadku byłyby niepraktyczne” – mówi March.

Badania zostały sfinansowane w ramach programu MIT International Science and Technology Initiatives MIT-France, grantu wsparcia Instytutu Kocha (podstawowego) od amerykańskiego Narodowego Instytutu Raka, Narodowego Instytutu Zdrowia i Badań Medycznych Francji oraz francuskiej Narodowej Agencji Badań.