Ved hjælp af små, kunstigt fremstillede leverorganer baseret på celler fra menneskelige donorer fandt forskerne, at mange gener, der er involveret i lægemiddelmetabolismen, er underlagt døgnrytmen. Disse døgnrytmeudsving påvirker, hvor meget af et lægemiddel der er tilgængeligt, og hvor effektivt kroppen kan nedbryde det. De fandt for eksempel, at enzymer, der nedbryder Tylenol og andre lægemidler, er mere talrige på bestemte tidspunkter af døgnet. Indgivelse af lægemidler på forskellige tidspunkter af døgnet kan have en betydelig indflydelse på, hvordan de metaboliseres i leveren. I alt identificerede forskerne mere end 300 levergener, der følger et døgnrytmeur, herunder mange, der er involveret i lægemiddelmetabolismen samt andre funktioner såsom betændelse.

En analyse af disse rytmer kan hjælpe forskerne med at udvikle bedre doseringsplaner for eksisterende lægemidler. En af de første anvendelser af denne metode kunne være finjustering af allerede godkendte lægemidler for at maksimere deres virkning og minimere deres toksicitet. Undersøgelsen viste også, at leveren er mere modtagelig for infektioner såsom malaria på bestemte tidspunkter i døgnrytmen, hvor der produceres færre inflammatoriske proteiner. Bhatia er hovedforfatter til den nye undersøgelse, som blev offentliggjort i Science Advances. Hovedforfatteren til undersøgelsen er Sandra March, forskningsassistent ved IMES.

Hvordan døgnrytmer påvirker leverfunktionen

Det anslås, at omkring 50 procent af de menneskelige gener følger en døgnrytme, og mange af disse gener er aktive i leveren. Det har imidlertid været vanskeligt at undersøge disse cyklers indvirkning på leverfunktionen, da mange af disse gener ikke er identiske hos mus og mennesker, og musemodeller derfor ikke kan anvendes til at studere dem. Bhatia’s laboratorium har allerede udviklet en metode til at dyrke miniaturiserede levere ud fra leverceller (hepatocytter) fra menneskelige donorer. I denne undersøgelse ønskede hun og hendes kolleger at undersøge, om disse kunstigt fremstillede levere har deres egne 24-timers ure.

I samarbejde med Charles Rices gruppe ved Rockefeller University identificerede de dyrkningsbetingelser, der fremmer den cirkadiske ekspression af et urgen kaldet Bmal1. Dette gen, som styrer den cykliske ekspression af en række forskellige gener, gjorde det muligt for levercellerne at udvikle synkroniserede cirkadiske svingninger. Forskerne målte derefter genekspressionen i disse celler hver tredje time i 48 timer og kunne identificere mere end 300 gener, der blev udtrykt i bølger.

De fleste af disse gener kunne inddeles i to grupper – omkring 70 procent af generne nåede deres højdepunkt samtidigt, mens de resterende 30 procent nåede deres højdepunkt, når de andre gjorde det. Blandt disse var gener, der er involveret i en række funktioner, herunder lægemiddelmetabolisme, glukose- og fedtstofskifte samt forskellige immunprocesser. Da de manipulerede levere havde etableret disse døgnrytmer, kunne forskerne bruge dem til at undersøge, hvordan døgnrytmer påvirker leverfunktionen. Først undersøgte de, hvordan tidspunktet på døgnet påvirker lægemiddelmetabolismen ved at studere to forskellige lægemidler – acetaminophen (Tylenol) og atorvastatin, et lægemiddel, der bruges til behandling af forhøjet kolesterol.

Når Tylenol nedbrydes i leveren, omdannes en lille mængde af lægemidlet til et giftigt biprodukt kendt som NAPQI. Forskerne fandt, at den producerede mængde NAPQI kan variere med op til 50 procent afhængigt af, på hvilket tidspunkt af døgnet lægemidlet indgives. De fandt også, at atorvastatin har højere toksicitet på bestemte tidspunkter af døgnet. Begge lægemidler metaboliseres delvist af et enzym kaldet CYP3A4, som har en døgnrytme. CYP3A4 er involveret i nedbrydningen af omkring 50 procent af alle lægemidler, så forskerne planlægger nu at teste flere af disse lægemidler med deres levermodeller.

Forskerne fra MIT arbejder nu sammen med kolleger på at analysere et kræftlægemiddel, som de formoder er påvirket af døgnrytmer, og de håber at kunne undersøge, om det samme gælder for lægemidler, der bruges til smertebehandling.

Modtagelighed for infektioner

Mange af de levergener, der udviser døgnrytmeadfærd, er involveret i immunresponser såsom betændelse, så forskerne undrede sig over, om denne variation kunne påvirke modtageligheden for infektioner. For at besvare dette spørgsmål udsatte de de manipulerede levere for Plasmodium falciparum, en parasit, der forårsager malaria, på forskellige tidspunkter i døgnrytmen. Disse undersøgelser viste, at leverne havde større sandsynlighed for at blive inficeret efter eksponering på forskellige tidspunkter af døgnet. Dette skyldes forskelle i ekspressionen af gener kaldet interferon-stimulerede gener, som bidrager til at undertrykke infektioner.

Forskerne fremsætter den hypotese, at disse cykliske udsving skyldes, at leveren dæmper sin reaktion på patogener efter måltider, hvor den normalt udsættes for en tilstrømning af mikroorganismer , der kan udløse betændelse, selvom de ikke nødvendigvis er skadelige. Bhatia’s laboratorium udnytter nu disse cyklusser til at undersøge infektioner, der normalt er vanskelige at fremkalde i kunstige levere, herunder malariainfektioner forårsaget af andre parasitter end Plasmodium falciparum.

Dette er meget vigtigt for forskningen, for blot ved at opsætte systemet og vælge det rette tidspunkt for infektionen kan eksperterne øge infektionsraten i deres kultur med 25 procent og dermed muliggøre lægemiddelundersøgelser, der ellers ikke ville være gennemførlige.