Aan de hand van minuscule, in het laboratorium gekweekte leverorganen, afgeleid van menselijke donorcellen, hebben onderzoekers ontdekt dat veel genen die betrokken zijn bij het metabolisme van geneesmiddelen onder invloed staan van het circadiane ritme. Deze circadiane schommelingen beïnvloeden hoeveel van een geneesmiddel beschikbaar is en hoe effectief het lichaam het kan afbreken. Zo ontdekten ze bijvoorbeeld dat enzymen die Tylenol en andere geneesmiddelen afbreken, op bepaalde momenten van de dag in grotere hoeveelheden aanwezig zijn. Het toedienen van geneesmiddelen op verschillende tijdstippen van de dag zou een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de manier waarop ze in de lever worden gemetaboliseerd. In totaal identificeerden de onderzoekers meer dan 300 levergenen die een circadiaans ritme volgen, waaronder veel genen die betrokken zijn bij het metabolisme van geneesmiddelen en bij andere functies, zoals ontstekingen.

Het analyseren van deze ritmes zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van betere doseringsschema’s voor bestaande geneesmiddelen. Een van de eerste toepassingen van deze methode zou het verfijnen van reeds goedgekeurde geneesmiddelen kunnen zijn, om hun werkzaamheid te maximaliseren en hun toxiciteit te minimaliseren. Uit het onderzoek bleek ook dat de lever op bepaalde momenten in de circadiane cyclus, wanneer er minder ontstekingsproteïnen worden aangemaakt, gevoeliger is voor infecties zoals malaria. Bhatia is de hoofdauteur van de nieuwe studie, die is gepubliceerd in Science Advances. De hoofdauteur van de studie is Sandra March, onderzoeksmedewerker bij IMES.

Hoe circadiane cycli de leverfunctie beïnvloeden

Naar schatting volgt ongeveer 50 procent van de menselijke genen een circadiane cyclus, en veel van deze genen zijn actief in de lever. Het bestuderen van de effecten van deze cycli op de leverfunctie is echter moeilijk geweest, omdat veel van deze genen bij muizen en mensen niet identiek zijn, waardoor muismodellen niet kunnen worden gebruikt om ze te onderzoeken. Het laboratorium van Bhatia heeft al een methode ontwikkeld om miniatuurlevers te kweken uit levercellen (hepatocyten) van menselijke donoren. In dit onderzoek wilden zij en haar collega’s onderzoeken of deze kunstmatig geproduceerde levers hun eigen 24-uursklok hebben.

In samenwerking met de groep van Charles Rice aan de Rockefeller University identificeerden zij kweekomstandigheden die de circadiane expressie bevorderen van een klokgen genaamd Bmal1. Dit gen, dat de cyclische expressie van diverse genen regelt, stelde de levercellen in staat om gesynchroniseerde circadiane oscillaties te ontwikkelen. Vervolgens hebben de onderzoekers gedurende 48 uur om de drie uur de genexpressie in deze cellen gemeten en konden ze meer dan 300 genen identificeren die in golven tot expressie kwamen.

De meeste van deze genen konden in twee groepen worden ingedeeld: ongeveer 70 procent van de genen bereikte samen een piek, terwijl de overige 30 procent een piek bereikte wanneer de andere genen dat deden. Hieronder bevonden zich genen die betrokken zijn bij diverse functies, waaronder het metabolisme van geneesmiddelen, het glucose- en vetmetabolisme en diverse immuunprocessen. Zodra de gemanipuleerde levers deze circadiane cycli hadden ontwikkeld, konden de onderzoekers ze gebruiken om te bestuderen hoe circadiane cycli de leverfunctie beïnvloeden. Eerst onderzochten ze hoe het tijdstip van de dag het geneesmiddelmetabolisme beïnvloedt door twee verschillende geneesmiddelen te bestuderen: paracetamol (Tylenol) en atorvastatine, een geneesmiddel dat wordt gebruikt om een hoog cholesterolgehalte te behandelen.

Wanneer paracetamol in de lever wordt afgebroken, wordt een kleine hoeveelheid van het geneesmiddel omgezet in een giftig bijproduct dat bekendstaat als NAPQI. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid geproduceerd NAPQI tot wel 50 procent kan variëren, afhankelijk van het tijdstip van de dag waarop het geneesmiddel wordt toegediend. Ze ontdekten ook dat atorvastatine op bepaalde momenten van de dag een hogere toxiciteit vertoont. Beide geneesmiddelen worden gedeeltelijk gemetaboliseerd door een enzym genaamd CYP3A4, dat een circadiane cyclus heeft. CYP3A4 is betrokken bij de afbraak van ongeveer 50 procent van alle geneesmiddelen, dus de onderzoekers zijn nu van plan om meer van deze geneesmiddelen te testen met hun levermodellen.

De MIT-onderzoekers werken nu samen met collega’s aan de analyse van een kankermedicijn waarvan ze vermoeden dat het door circadiane cycli wordt beïnvloed, en ze hopen te onderzoeken of hetzelfde geldt voor medicijnen die worden gebruikt om pijn te behandelen.

Gevoeligheid voor infecties

Veel van de levergenen die circadiaans gedrag vertonen, zijn betrokken bij immuunreacties zoals ontstekingen, dus vroegen de onderzoekers zich af of deze variatie de vatbaarheid voor infecties zou kunnen beïnvloeden. Om deze vraag te beantwoorden, stelden ze de gemanipuleerde levers op verschillende momenten in de circadiane cyclus bloot aan Plasmodium falciparum, een parasiet die malaria veroorzaakt. Uit deze onderzoeken bleek dat de levers vaker geïnfecteerd raakten na blootstelling op verschillende tijdstippen van de dag. Dit komt door verschillen in de expressie van zogenaamde interferon-gestimuleerde genen, die bijdragen aan de onderdrukking van infecties.

De onderzoekers veronderstellen dat deze cyclische schommelingen te wijten zijn aan het feit dat de lever zijn reactie op ziekteverwekkers afremt na de maaltijd, wanneer hij normaal gesproken wordt blootgesteld aan een toestroom van micro-organismen die ontstekingen zouden kunnen veroorzaken , zelfs als ze niet daadwerkelijk schadelijk zijn. Het laboratorium van Bhatia maakt nu gebruik van deze cycli om infecties te bestuderen die normaal gesproken moeilijk te veroorzaken zijn in gekweekte levers, waaronder malaria-infecties die worden veroorzaakt door andere parasieten dan Plasmodium falciparum.

Dit is van groot belang voor het onderzoek, omdat de deskundigen, simpelweg door het systeem op te zetten en het juiste tijdstip van infectie te kiezen, het infectiepercentage van hun kweek met 25 procent kunnen verhogen en zo geneesmiddelenonderzoeken mogelijk maken die anders niet haalbaar zouden zijn.