Οι ερευνητές του MIT διαπιστώνουν ότι οι διακυμάνσεις του κιρκάρδιου ρυθμού (βιολογικό ρολόι) επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο διασπώνται τα φάρμακα στο ήπαρ. Χρησιμοποιώντας μικρογραφίες ήπατος που προέρχονται από ανθρώπινα ηπατοκύτταρα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι πολλά γονίδια που εμπλέκονται στον μεταβολισμό των φαρμάκων βρίσκονται υπό κιρκάδιο έλεγχο. Αυτές οι κιρκάδιες εναλλαγές επηρεάζουν την διαθεσιμότητα ενός φαρμάκου αλλά και το πόσο αποτελεσματικά μπορεί να το διασπάσει ο οργανισμός. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα ένζυμα που διασπούν το Tylenol (ένα συνθετικό φάρμακο με αναλγητική, αντιπυρετική και ασθενή αντιφλεγμονώδη δράση) και άλλα φάρμακα είναι πιο άφθονα σε συγκεκριμένες ώρες της ημέρας.
Συνολικά, οι ερευνητές εντόπισαν περισσότερα από 300 γονίδια του ήπατος που ακολουθούν το βιολογικό ρολόι, συμπεριλαμβανομένων πολλών που εμπλέκονται στον μεταβολισμό των φαρμάκων, καθώς και σε άλλες λειτουργίες όπως στη φλεγμονή. Η ανάλυση αυτών των ρυθμών θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να προτείνουν καλύτερα σχήματα δοσολογίας για τα υπάρχοντα φάρμακα.
«Μία από τις πρώτες εφαρμογές αυτής της μεθόδου θα μπορούσε να είναι η ρύθμιση των φαρμακευτικών σχημάτων ήδη εγκεκριμένων φαρμάκων για τη μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητάς τους και την ελαχιστοποίηση της τοξικότητάς τους», λέει η ανώτερη συγγραφέας της μελέτης Sangeeta Bhatia, καθηγήτρια στο MIT.
Η μελέτη η οποία εμφανίζεται στο Science Advances, αποκάλυψε επίσης ότι το ήπαρ, σε ορισμένα στάδια του κιρκάρδιου κύκλου, όπου παράγονται λιγότερες αντιφλεγμονώδεις πρωτεΐνες, είναι πιο ευαίσθητο σε λοιμώξεις όπως η ελονοσία σε
Μεταβολικοί κύκλοι
Η λέξη «κιρκάδιος» προέρχεται από τις λατινικές λέξεις «circa», που σημαίνει «περίπου», και «diem», που σημαίνει «μέρα». Το ανθρώπινο σώμα λειτουργεί διαφορετικά κατά τη διάρκεια της ημέρας από ό, τι της νύχτας – όπως συμβαίνει σε πολλούς οργανισμούς.
Το φαινόμενο αυτό, που αναφέρεται ως κιρκάδιος ρυθμός, είναι μια προσαρμογή στις δραστικές αλλαγές του περιβάλλοντος κατά τη διάρκεια του 24ωρου κύκλου της περιστροφής της Γης γύρω από τον δικό της άξονα, και οφείλεται σε μια πολύπλοκη αλυσίδα μοριακών αντιδράσεων μέσα στα κύτταρα που διασφαλίζει ότι ορισμένες πρωτεΐνες συσσωρεύονται σε υψηλά επίπεδα τη νύχτα και υποβαθμίζονται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Αυτό σημαίνει ότι ορισμένα γονίδια εκφράζονται περισσότερο τη νύχτα παρά τη μέρα.
Υπολογίζεται ότι περίπου το 50% των ανθρώπινων γονιδίων ακολουθούν έναν κιρκάδιο κύκλο και πολλά από αυτά τα γονίδια είναι ενεργά στο ήπαρ. Ωστόσο, η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι κιρκάδιοι κύκλοι επηρεάζουν τη λειτουργία του ήπατος είναι δύσκολη, επειδή πολλά από αυτά τα γονίδια δεν είναι πανομοιότυπα σε ποντίκια και ανθρώπους, επομένως τα ζωικά μοντέλα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη τους.
Το εργαστήριο της Bhatia χρησιμοποιεί από παλιά έναν τρόπο για την ανάπτυξη μικροσκοπικών συκωτιών χρησιμοποιώντας ηπατοκύτταρα από ανθρώπινους δότες. Σε αυτή τη μελέτη, αυτή και οι συνάδελφοί της ξεκίνησαν να διερευνήσουν εάν αυτά εργαστηριακά αναπτυγμένα συκώτια έχουν τα δικά τους κιρκάδια ρολόγια.
Σε συνεργασία με την ομάδα του Τσαρλς Ράις στο Πανεπιστήμιο Ροκφέλερ, κατάφεραν να εφαρμόσουν συνθήκες καλλιέργειας που υποστηρίζουν την κιρκαδική έκφραση ενός γονιδίου που ονομάζεται Bmal1. Αυτό το γονίδιο, το οποίο ρυθμίζει την κυκλική έκφραση ενός ευρέος φάσματος άλλων γονιδίων, επέτρεψε στα ηπατικά κύτταρα να αναπτύξουν συγχρονισμένες κιρκαδικές ταλαντώσεις. Στη συνέχεια, οι ερευνητές μέτρησαν την γονιδιακή έκφραση σε αυτά τα κύτταρα ανά τρίωρο για 48 ώρες και αναγνώρισαν περισσότερα από 300 γονίδια που εκφράστηκαν ανά κύματα.
Τα περισσότερα από αυτά τα γονίδια συγκεντρώθηκαν σε δύο ομάδες - περίπου το 70% αυτών ολοκλήρωσαν την έκφρασή τους ταυτόχρονα, ενώ στο υπόλοιπο 30% των γονιδίων η έκφραση ήταν στο χαμηλότερο σημείο της όταν τα άλλα ολοκληρώθηκαν. Σε αυτές ομάδες περιλαμβάνονταν γονίδια που εμπλέκονται σε μια ποικιλία λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένου του μεταβολισμού των φαρμάκων, της γλυκόζης και των λιπιδίων και αρκετές ανοσολογικές διεργασίες.
Μόλις τα εργαστηριακά αναπτυγμένα συκώτια συγχρονίστηκαν με τους κιρκάδιους κύκλους, οι ερευνητές τα χρησιμοποίησαν για να διερευνήσουν πώς αυτοί επηρεάζουν τη λειτουργία του ήπατος. Αρχικά, ξεκίνησαν να μελετούν πώς η κάθε ώρα της ημέρας επηρεάζει τον μεταβολισμό των φαρμάκων, εξετάζοντας δύο διαφορετικά φάρμακα, την ακεταμινοφαίνη (Tylenol) και την ατορβαστατίνη (Lipitor), ένα φάρμακο που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία της υψηλής χοληστερόλης.
Όταν το Tylenol διασπάται στο ήπαρ, ένα μικρό κλάσμα του φαρμάκου μετατρέπεται σε ένα τοξικό υποπροϊόν γνωστό ως NAPQI. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ποσότητα του παραγόμενου NAPQI μπορεί να ποικίλλει έως και 50%, ανάλογα με την ώρα της ημέρας που χορηγείται το φάρμακο. Διαπίστωσαν επίσης ότι η ατορβαστατίνη προκαλεί υψηλότερη τοξικότητα σε συγκεκριμένες ώρες της ημέρας.
Και τα δύο αυτά φάρμακα μεταβολίζονται εν μέρει από ένα ένζυμο που ονομάζεται CYP3A4, το οποίο έχει κιρκάδιο κύκλο και που εμπλέκεται στην επεξεργασία περίπου του 50% όλων των φαρμάκων, επομένως οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να δοκιμάσουν περισσότερα από αυτά τα φάρμακα χρησιμοποιώντας τα ηπατικά μοντέλα τους.
«Σε αυτό το σύνολο φαρμάκων θα είναι χρήσιμο να προσδιοριστεί η ώρα της ημέρας για τη χορήγηση του φαρμάκου έτσι ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη αποτελεσματικότητα του φαρμάκου και να ελαχιστοποιηθούν οι ανεπιθύμητες ενέργειες», λέει η επικεφαλής της μελέτης Sandra March.
Οι ερευνητές του MIT συνεργάζονται τώρα με άλλους ερευνητές για να αναλύσουν ένα καρκινικό φάρμακο το οποίο υποπτεύονται ότι μπορεί να επηρεάζεται από τους κιρκάδιους κύκλους και ελπίζουν να διερευνήσουν εάν αυτό μπορεί να ισχύει και για φάρμακα που χρησιμοποιούνται για τη διαχείριση του πόνου.
Ευαισθησία στη μόλυνση
Πολλά από τα γονίδια του ήπατος που παρουσιάζουν κιρκαδική συμπεριφορά εμπλέκονται σε ανοσολογικές αποκρίσεις όπως η φλεγμονή, έτσι οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν οι εναλλαγές του κιρκάρδιου ρυθμού μπορούν να επηρεάσουν και την ευαισθησία του οργάνου στη μόλυνση. Για να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση, εξέθεσαν τα ηπατικά μοντέλα τους στο Plasmodium falciparum (ένα παράσιτο που προκαλεί ελονοσία), σε διαφορετικά στάδια του κιρκάδιου κύκλου και διαπίστωσαν ότι όντως, τα συκώτια ήταν πιο πιθανό να μολυνθούν σε διαφορετικές ώρες της ημέρας. Αυτό οφείλεται σε παραλλαγές στην έκφραση κάποιων γονιδίων που ονομάζονται διεγερμένα από ιντερφερόνη γονίδια, τα οποία βοηθούν στην καταστολή των λοιμώξεων.
«Τα φλεγμονώδη σήματα είναι πολύ ισχυρότερα σε συγκεκριμένες ώρες της μέρας απ’ ότι σε άλλες», λέει η Bhatia. «Αυτό σημαίνει ότι ένας ιός όπως η ηπατίτιδα ή ένα παράσιτο όπως αυτό που προκαλεί ελονοσία μπορεί να τύχει πιο “ευνοϊκής” μεταχείρισης από το συκώτι μας ορισμένες ώρες της ημέρας».
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η κυκλικότητα παρατηρείται επειδή το συκώτι μειώνει την ανταπόκρισή του στα παθογόνα μετά τα γεύματα, όπου συνήθως εκτίθεται σε εισροή μικροοργανισμών που μπορεί να προκαλέσουν φλεγμονή ακόμα κι αν δεν είναι πραγματικά επιβλαβείς.
Το εργαστήριο της Bhatia εκμεταλλεύεται τώρα αυτούς τους κύκλους για να μελετήσει λοιμώξεις που είναι συνήθως δύσκολο να ανιχνευτούν σε τεχνητό ήπαρ, συμπεριλαμβανομένων των λοιμώξεων από ελονοσία που προκαλούνται από παράσιτα εκτός από το Plasmodium falciparum.
«Αυτό είναι πολύ σημαντικό, γιατί ρυθμίζοντας απλώς το σύστημα και επιλέγοντας τη σωστή στιγμή επιμόλυνσης, μπορούμε να αυξήσουμε το ποσοστό μόλυνσης του συκωτιού κατά 25%, επιτρέποντας την εξέταση φαρμάκων που αλλιώς δεν ήταν εύκολο πρακτικά», λέει η March.
Πηγή: ΜΙΤ
