Wykorzystując miniaturowe, stworzone w laboratorium modele wątroby pochodzące z komórek ludzkich dawców, naukowcy odkryli, że wiele genów biorących udział w metabolizmie leków podlega kontroli rytmu dobowego. Te wahania dobowe wpływają na to, jaka ilość leku jest dostępna oraz jak skutecznie organizm potrafi go rozkładać. Na przykład odkryli, że enzymy rozkładające Tylenol i inne leki występują w większej ilości o określonych porach dnia. Podawanie leków o różnych porach dnia może mieć znaczący wpływ na sposób ich metabolizowania w wątrobie. Łącznie naukowcy zidentyfikowali ponad 300 genów wątroby, które podlegają rytmowi dobowemu, w tym wiele genów związanych z metabolizmem leków, a także z innymi funkcjami, takimi jak stan zapalny.

Analiza tych rytmów może pomóc naukowcom w opracowaniu lepszych schematów dawkowania istniejących leków. Jednym z pierwszych zastosowań tej metody mogłoby być precyzyjne dostosowanie już zatwierdzonych leków w celu maksymalizacji ich skuteczności i zminimalizowania toksyczności. Badanie wykazało również, że wątroba jest bardziej podatna na infekcje, takie jak malaria, w określonych momentach cyklu dobowego, kiedy wytwarzanych jest mniej białek zapalnych. Bhatia jest głównym autorem nowego badania, które zostało opublikowane w czasopiśmie „Science Advances”. Głównym autorem badania jest Sandra March, pracownik naukowy w IMES.

Wpływ cykli dobowych na funkcjonowanie wątroby

Szacuje się, że około 50 procent ludzkich genów podlega cyklowi dobowemu, a wiele z tych genów jest aktywnych w wątrobie. Jednak badanie wpływu tych cykli na funkcjonowanie wątroby było dotychczas utrudnione, ponieważ wiele z tych genów nie jest identycznych u myszy i ludzi, więc nie można wykorzystać modeli mysich do ich badania. Laboratorium Bhatia opracowało już metodę hodowli zminiaturyzowanych wątroby z komórek wątroby (hepatocytów) pochodzących od ludzkich dawców. W ramach niniejszego badania ona i jej współpracownicy chcieli zbadać, czy te sztucznie wyhodowane wątroby posiadają własne zegary 24-godzinne.

We współpracy z zespołem Charlesa Rice’a z Uniwersytetu Rockefellera zidentyfikowali warunki hodowli sprzyjające okołodobowej ekspresji genu zegara zwanego Bmal1. Gen ten, który kontroluje cykliczną ekspresję wielu różnych genów, umożliwił komórkom wątroby wykształcenie zsynchronizowanych oscylacji okołodobowych. Następnie naukowcy mierzyli ekspresję genów w tych komórkach co trzy godziny przez 48 godzin i zdołali zidentyfikować ponad 300 genów, których ekspresja przebiegała falowo.

Większość z tych genów skupiała się w dwóch grupach – około 70 procent genów osiągało szczyt ekspresji jednocześnie, podczas gdy pozostałe 30 procent osiągało szczyt w momencie, gdy szczyt osiągały pozostałe. Należały do nich geny zaangażowane w różnorodne funkcje, w tym metabolizm leków, metabolizm glukozy i tłuszczów oraz różne procesy immunologiczne. Gdy zmodyfikowane wątroby ustaliły te cykle dobowe, naukowcy mogli wykorzystać je do zbadania, w jaki sposób cykle dobowe wpływają na funkcjonowanie wątroby. Najpierw zbadali, jak pora dnia wpływa na metabolizm leków, analizując dwa różne leki – paracetamol (Tylenol) oraz atorwastatynę, lek stosowany w leczeniu wysokiego poziomu cholesterolu.

Kiedy Tylenol jest rozkładany w wątrobie, niewielka ilość leku przekształca się w toksyczny produkt uboczny znany jako NAPQI. Naukowcy odkryli, że ilość wytworzonego NAPQI może się różnić nawet o 50 procent w zależności od pory dnia, w której lek jest podawany. Stwierdzili również, że atorwastatyna wykazuje wyższą toksyczność o określonych porach dnia. Oba leki są częściowo metabolizowane przez enzym o nazwie CYP3A4, który charakteryzuje się cyklem dobowym. CYP3A4 bierze udział w przetwarzaniu około 50 procent wszystkich leków, dlatego naukowcy planują teraz przetestować więcej takich leków przy użyciu swoich modeli wątroby.

Naukowcy z MIT współpracują obecnie z kolegami nad analizą leku przeciwnowotworowego, co do którego podejrzewają, że podlega wpływowi cykli dobowych, i mają nadzieję zbadać, czy to samo dotyczy leków stosowanych w leczeniu bólu.

Podatność na infekcje

Wiele genów wątroby wykazujących zachowania okołodobowe bierze udział w reakcjach immunologicznych, takich jak stan zapalny, dlatego naukowcy zastanawiali się, czy ta zmienność może wpływać na podatność na infekcje. Aby odpowiedzieć na to pytanie, poddali zmodyfikowane wątroby działaniu Plasmodium falciparum – pasożyta wywołującego malarię – w różnych momentach cyklu dobowego. Badania te wykazały, że wątroby były bardziej podatne na zakażenie po ekspozycji w różnych porach dnia. Wynika to z różnic w ekspresji genów zwanych genami stymulowanymi przez interferon, które przyczyniają się do tłumienia infekcji.

Naukowcy stawiają hipotezę, że te cykliczne wahania wynikają z tego, że wątroba osłabia swoją reakcję na patogeny po posiłkach, kiedy to jest zwykle narażona na napływ mikroorganizmów, które mogłyby wywołać stan zapalny, nawet jeśli w rzeczywistości nie są one szkodliwe. Laboratorium Bhatia wykorzystuje obecnie te cykle do badania infekcji, które zazwyczaj trudno wywołać w hodowlach wątroby, w tym infekcji malarycznych wywoływanych przez pasożyty inne niż Plasmodium falciparum.

Ma to ogromne znaczenie dla badań, ponieważ już poprzez odpowiednie skonfigurowanie systemu i wybór właściwego momentu zakażenia eksperci mogą zwiększyć wskaźnik zakażeń w hodowli o 25 procent, umożliwiając w ten sposób badania leków, które w innym przypadku nie byłyby możliwe.