Pomocí miniaturních umělých jaterních orgánů vytvořených z buněk lidských dárců vědci zjistili, že mnoho genů podílejících se na metabolismu léků podléhá cirkadiánní regulaci. Tyto cirkadiánní výkyvy ovlivňují, kolik léčiva je k dispozici a jak efektivně ho tělo dokáže odbourat. Zjistili například, že enzymy, které odbourávají Tylenol a další léky, se vyskytují v větším množství v určitých denních dobách. Podávání léků v různých denních dobách by mohlo mít významný vliv na to, jak jsou v játrech metabolizovány. Celkem vědci identifikovali více než 300 jaterních genů, které se řídí cirkadiánním rytmem, včetně mnoha genů zapojených do metabolismu léků i dalších funkcí, jako je zánět.

Analýza těchto rytmů by mohla výzkumníkům pomoci vyvinout lepší dávkovací schémata pro stávající léky. Jedním z prvních využití této metody by mohlo být doladění již schválených léků s cílem maximalizovat jejich účinnost a minimalizovat jejich toxicitu. Studie také ukázala, že játra jsou v určitých fázích cirkadiánního cyklu, kdy se produkuje méně zánětlivých proteinů, náchylnější k infekcím, jako je například malárie. Bhatia je hlavním autorem nové studie, která byla publikována v časopise *Science Advances*. Hlavní autorkou studie je Sandra March, výzkumná pracovnice v IMES.

Jak cirkadiánní cykly ovlivňují funkci jater

Odhaduje se, že přibližně 50 procent lidských genů se řídí cirkadiánním cyklem a mnoho z těchto genů je aktivních v játrech. Studium vlivu těchto cyklů na funkci jater však bylo dosud obtížné, protože mnoho z těchto genů není u myší a lidí identických, a proto nelze k jejich studiu použít myší modely. Bhatiaova laboratoř již vyvinula metodu pěstování miniaturizovaných jater z jaterních buněk (hepatocytů) od lidských dárců. V této studii se ona a její kolegové chtěli zabývat tím, zda mají tato uměle vytvořená játra vlastní 24hodinové biologické hodiny.

Ve spolupráci se skupinou Charlese Ricea z Rockefellerovy univerzity identifikovali kultivační podmínky, které podporují cirkadiánní expresi hodinového genu zvaného Bmal1. Tento gen, který řídí cyklickou expresi řady genů, umožnil jaterním buňkám vyvinout synchronizované cirkadiánní oscilace. Vědci poté měřili expresi genů v těchto buňkách každé tři hodiny po dobu 48 hodin a podařilo se jim identifikovat více než 300 genů, jejichž exprese probíhala ve vlnách.

Většina z těchto genů se seskupila do dvou skupin – asi 70 procent genů dosáhlo vrcholu současně, zatímco zbývajících 30 procent dosáhlo vrcholu v době, kdy vrchol dosáhly ostatní. Mezi nimi byly geny podílející se na celé řadě funkcí, včetně metabolismu léků, metabolismu glukózy a tuků a různých imunitních procesů. Jakmile si uměle vytvořená játra tyto cirkadiánní cykly osvojila, mohli je vědci využít ke studiu toho, jak cirkadiánní cykly ovlivňují funkci jater. Nejprve zkoumali, jak denní doba ovlivňuje metabolismus léčiv, a to na příkladu dvou různých léků – paracetamolu (Tylenol) a atorvastatinu, léku používaného k léčbě vysokého cholesterolu.

Při odbourávání Tylenolu v játrech se malé množství léku přeměňuje na toxický vedlejší produkt známý jako NAPQI. Vědci zjistili, že množství vyprodukovaného NAPQI se může lišit až o 50 procent v závislosti na denní době, kdy je lék podán. Zjistili také, že atorvastatin vykazuje vyšší toxicitu v určitých denních dobách. Oba léky jsou částečně metabolizovány enzymem zvaným CYP3A4, který má cirkadiánní cyklus. CYP3A4 se podílí na metabolismu přibližně 50 procent všech léků, a proto vědci nyní plánují otestovat další z těchto léků pomocí svých jaterních modelů.

Výzkumníci z MIT nyní ve spolupráci s kolegy analyzují lék na rakovinu, u kterého mají podezření, že je ovlivněn cirkadiánními cykly, a doufají, že se jim podaří zjistit, zda totéž platí i pro léky používané k léčbě bolesti.

Náchylnost k infekcím

Mnoho jaterních genů, které vykazují cirkadiánní chování, se podílí na imunitních reakcích, jako je zánět, a proto se vědci zajímali, zda by tato variabilita mohla ovlivnit náchylnost k infekcím. Aby na tuto otázku odpověděli, vystavili upravená játra parazitu Plasmodium falciparum, který způsobuje malárii, v různých fázích cirkadiánního cyklu. Tyto studie ukázaly, že jaterní tkáně byly náchylnější k infekci po expozici v různých denních dobách. Je to způsobeno rozdíly v expresi genů zvaných geny stimulované interferonem, které přispívají k potlačení infekcí.

Vědci předpokládají, že tyto cyklické výkyvy jsou způsobeny tím, že játra po jídle tlumí svou reakci na patogeny, když jsou obvykle vystavena přílivu mikroorganismů, které by mohly vyvolat zánět, i když ve skutečnosti nejsou škodlivé. Bhatiaova laboratoř nyní využívá těchto cyklů ke studiu infekcí, které se v umělých játrech obvykle obtížně vyvolávají, včetně malárie způsobené jinými parazity než Plasmodium falciparum.

To je pro výzkum velmi důležité, protože pouhým nastavením systému a výběrem správného času infekce mohou odborníci zvýšit míru infekce ve své kultuře o 25 procent a umožnit tak studium léčiv, které by jinak nebylo proveditelné.