Pomocou miniatúrnych umelých pečeňových orgánov vytvorených z buniek ľudských darcov vedci zistili, že mnohé gény podieľajúce sa na metabolizme liekov podliehajú cirkadiánnej regulácii. Tieto cirkadiánne výkyvy ovplyvňujú, aké množstvo lieku je k dispozícii a ako efektívne ho telo dokáže rozložiť. Zistili napríklad, že enzýmy, ktoré rozkladajú Tylenol a iné lieky, sú v určitých časoch dňa prítomné vo väčšom množstve. Podávanie liekov v rôznych časoch dňa by mohlo mať významný vplyv na to, ako sa metabolizujú v pečeni. Celkovo vedci identifikovali viac ako 300 génov pečene, ktoré sa riadia cirkadiánnymi hodinami, vrátane mnohých, ktoré sa podieľajú na metabolizme liekov, ako aj na iných funkciách, ako je napríklad zápal.

Analýza týchto rytmov by mohla pomôcť výskumníkom vyvinúť lepšie schémy dávkovania existujúcich liekov. Jedným z prvých uplatnení tejto metódy by mohlo byť jemné doladenie už schválených liekov s cieľom maximalizovať ich účinnosť a minimalizovať ich toxicitu. Štúdia tiež ukázala, že pečeň je náchylnejšia na infekcie, ako je napríklad malária, v určitých fázach cirkadiánneho cyklu, keď sa produkuje menej zápalových proteínov. Bhatia je hlavným autorom novej štúdie, ktorá bola uverejnená v časopise Science Advances. Hlavnou autorkou štúdie je Sandra March, vedecká pracovníčka v IMES.

Ako cirkadiánne cykly ovplyvňujú funkciu pečene

Odhaduje sa, že približne 50 percent ľudských génov podlieha cirkadiánnemu cyklu a mnohé z týchto génov sú aktívne v pečeni. Štúdium vplyvu týchto cyklov na funkciu pečene však bolo doteraz náročné, pretože mnohé z týchto génov nie sú u myší a ľudí identické, a preto na ich štúdium nemožno použiť myšie modely. Laboratórium Bhatiaovej už vyvinulo metódu na vypestovanie miniaturizovaných pečienok z pečeňových buniek (hepatocytov) od ľudských darcov. V tejto štúdii chcela spolu so svojimi kolegami preskúmať, či tieto umelo vytvorené pečeňové tkanivá majú svoje vlastné 24-hodinové biologické hodiny.

V spolupráci so skupinou Charlesa Ricea z Rockefellerovej univerzity identifikovali kultivačné podmienky, ktoré podporujú cirkadiánnu expresiu génu biologických hodín nazývaného Bmal1. Tento gén, ktorý riadi cyklickú expresiu rôznych génov, umožnil pečeňovým bunkám vyvinúť synchronizované cirkadiánne oscilácie. Výskumníci následne počas 48 hodín každé tri hodiny merali génovú expresiu v týchto bunkách a podarilo sa im identifikovať viac ako 300 génov, ktorých expresia prebiehala vo vlnách.

Väčšina týchto génov sa zoskupila do dvoch skupín – približne 70 percent génov dosiahlo vrchol súčasne, zatiaľ čo zostávajúcich 30 percent dosiahlo vrchol v čase, keď vrchol dosiahli ostatné. Medzi nimi boli gény podieľajúce sa na rôznych funkciách, vrátane metabolizmu liekov, metabolizmu glukózy a tukov a rôznych imunitných procesov. Akonáhle umelé pečene nadobudli tieto cirkadiánne cykly, vedci ich mohli využiť na štúdium vplyvu cirkadiánnych cyklov na funkciu pečene. Najskôr skúmali, ako denná doba ovplyvňuje metabolizmus liekov, a to na príklade dvoch rôznych liekov – acetaminofénu (Tylenol) a atorvastatínu, lieku používaného na liečbu vysokej hladiny cholesterolu.

Keď sa Tylenol rozkladá v pečeni, malé množstvo lieku sa premieňa na toxický vedľajší produkt známy ako NAPQI. Výskumníci zistili, že množstvo vyprodukovaného NAPQI sa môže líšiť až o 50 percent v závislosti od dennej doby, kedy je liek podaný. Zistili tiež, že atorvastatín má vyššiu toxicitu v určitých časoch dňa. Oba lieky sa čiastočne metabolizujú prostredníctvom enzýmu nazývaného CYP3A4, ktorý má cirkadiánny cyklus. CYP3A4 sa podieľa na metabolizme približne 50 percent všetkých liekov, preto vedci teraz plánujú otestovať viac týchto liekov pomocou svojich modelov pečene.

Výskumníci z MIT teraz spolupracujú s kolegami na analýze lieku proti rakovine, u ktorého majú podozrenie, že naň vplývajú cirkadiánne cykly, a dúfajú, že zistia, či to platí aj pre lieky používané na liečbu bolesti.

Náchylnosť k infekciám

Mnohé z pečeňových génov, ktoré vykazujú cirkadiánne správanie, sa podieľajú na imunitných reakciách, ako je zápal, a preto sa vedci zamýšľali nad tým, či by táto variabilita mohla ovplyvňovať náchylnosť k infekciám. Aby našli odpoveď na túto otázku, vystavili modifikované pečeňové vzorky parazitovi Plasmodium falciparum, ktorý spôsobuje maláriu, v rôznych fázach cirkadiánneho cyklu. Tieto štúdie ukázali, že pečeň bola náchylnejšia na infekciu po vystavení parazitovi v rôznych časoch dňa. Je to spôsobené rozdielmi v expresii génov nazývaných gény stimulované interferónom, ktoré prispievajú k potláčaniu infekcií.

Výskumníci predpokladajú, že tieto cyklické kolísania sú spôsobené tým, že pečeň po jedle utlmí svoju reakciu na patogény, keď je bežne vystavená prílivu mikroorganizmov, ktoré by mohli vyvolať zápal, aj keď v skutočnosti nie sú škodlivé. Bhatiaho laboratórium teraz využíva tieto cykly na štúdium infekcií, ktoré sa v umelých pečeňach zvyčajne ťažko vyvolávajú, vrátane maláriových infekcií spôsobených inými parazitmi ako Plasmodium falciparum.

Toto je pre výskum veľmi dôležité, pretože jednoduchým nastavením systému a výberom správneho času infekcie môžu odborníci zvýšiť mieru infekcie vo svojej kultúre o 25 percent a tým umožniť štúdie liekov, ktoré by inak neboli realizovateľné.