Согласно новому исследованию, опубликованному в Science Advances, которое проводилось на экспериментальных образцах человеческой печени, клетки органов повреждаются сильнее всего токсичными продуктами, образующимися в печени в процессе метаболизации препаратов, принимаемых в высоких дозировках. Это происходит во время наибольшей активности генов биологических часов.

Гены биологических часов обеспечивают работу циркадных ритмов, т.е. 24-часовых циклов. Новое исследование фокусирует внимание на молекулярных путях, посредством которых гены часов регулируют метаболизм препаратов в гепатоцитах и иммунные реакции.

Хизер Флеминг, иммунолог и директор по научно-исследовательским работам в Лаборатории многомасштабных регенерационных технологий (Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies, LMRT), сообщает, что понимание активности гепатоцитов, их взаимодействия с лекарствами и их реакции на инфекции, даст возможность разработать новые препараты для влияния на молекулярные пути, лежащие в основе этих взаимодействий. Пожалуй, наиболее впечатляет возможность улучшить механизмы действия уже существующих препаратов. Ученые изучают оптимальное время приема препарата для достижения наибольшего эффекта и минимизации побочных эффектов.

В фокусе работы исследователей оказались обезболивающее ацетаминофен и гиполипидемическое средство аторвастатин. Оба препарата в процессе метаболизации распадаются на соединения, способные вызвать печеночную недостаточность (при приеме в высоких концентрациях). В центре внимания работы ученых оказался ген биологических часов CYP3A4. Наблюдается корреляция: когда активность экспрессии гена максимальна, токсичность лекарственных средств повышается. Понимание того, как циркадные ритмы активности гена CYP3A4 влияют на метаболизм препаратов, и как это приводит к повышению токсичности продуктов распада, откроет возможность укрепления профилей безопасности и эффективности препаратов, а также позволит разработать рекомендации по оптимизации времени приема лекарств.

Как объясняет Сандра Марш, первый и ответственный автор статьи, а также специалист по патофизиологии печени из LMRT, такой подход существенно влияет на ситуацию. Если говорить о препаратах, которые в ходе своей метаболизации в печени становятся опасными для организма, то появляется возможность планировать прием этого лекарства тогда, когда печеночная ткань менее активна. Это позволяет снизить риски развития побочных эффектов.

Более того, Марш с соавт. обнаружили, что реакции иммунной системы печени на инвазию бактерий и малярийных плазмодиев аналогичным образом зависимы от активности генов биологических часов.

Марш поясняет, что конкретная фаза циркадного цикла способна влиять на то, как печень индивида противостоит паразитарной инвазии (например, возбудителю малярии). У клеток организма имеются внутренние защитные механизмы, однако, как обнаружили ученые, и они зависят от времени суток.

На страже

Обычно люди рассуждают о циркадных ритмах лишь в контексте сна-бодрствования и нарушений сна. Десинхроноз (синдром смены часовых поясов) — классический пример нарушения циркадных ритмов, во время которого организм вынужден быстро настроиться на новый режим чередования дня и ночи и в течение нескольких дней синхронизировать циклы сна и бодрствования. Однако циркадные ритмы существуют и на клеточном и молекулярном уровнях.

Во всех клетках нашего организма имеются собственные биологические часы. Это влияет на множество аспектов жизнедеятельности, например, на эффективность лекарственных средств и вакцин. Об этом сообщает Сангита Бхатия, ответственный автор статьи, директор LMRT и профессор в Массачусетском Технологическом институте (MIT).

Гены биологических часов контролируют работу клеток с помощью синтеза белков, которые следят за осуществлением зависимых от времени суток функций. Например, белок — продукт гена Bmal1 — BMAL1 связывается с другим белком CLOCK. У млекопитающих белковый комплекс BMAL1-CLOCK участвует в контроле 24-часовых паттернов экспрессии порядка 50 % генов.

Как отмечает Флеминг, многие из этих изменчивых генов активны в печени человека и контролируют такие важные функции, как выработка организмом энергии, борьба иммунной системы с инфекциями, а также метаболизация лекарственных препаратов.

Товарищи по времени

Для понимания взаимосвязи между геном Bmal1, усиливающим циркадные влияния на метаболизм, и другим геном биологических часов — CYP3A4 — который способствует метаболизации препаратов в печени, ученые воспользовались разработанной ими методикой с использованием культур клеток печени человека.

По словам Бхатии, печень человека — довольно трудный объект для исследований в условиях лаборатории, по причине того, что ее клетки крайне трудно выращивать вне тела. Команде исследователей удалось разработать метод по выращиванию клеток человеческой печени в чашках Петри, и он продемонстрировал, что клетки сохраняют множество своих функций в течение недель.

Когда был произведен генетический нокаут экспрессии гена Bmal1 в клетках печени, авторы обнаружили, что активность гена CYP3A4 снизилась. Эти данные подтвердили роль CYP3A4 как гена биологических часов и раскрыли суть зависимости от уже известного своей циркадной функцией гена Bmal1.

После определения взаимосвязи между генами Bmal1 и CYP3A4 , команда ученых установила профиль экспрессии гена CYP3A4 в клеточных культурах (в 16 точках за 48 часов, т.е. за два 24-часовых цикла). В то же самое время авторы поэтапно увеличивали дозировки введения ацетаминофена и аторвастатина в клеточные культуры. Было обнаружено, что активность фермента CYP3A4 коррелирует с токсичностью препаратов. Например, в момент максимальной экспрессии гена (в точке 36 часов) наблюдался пик токсичности препарата, введенного в высокой дозе.

Поскольку существует как минимум 189 других лекарств, метаболизируемых посредством фермента CYP3A4, определение оптимального времени для приема этих препаратов поможет обеспечить профиль их безопасности.

Как сообщает Бхатия, обнаружив, что токсичность известных лекарств варьируется в течение дня в соответствии со схемой, коррелирующей с активностью CYP3A4, можно составить более точные рекомендации по времени приема одобренных препаратов или наоборот, когда этого делать не следует (эти препараты, как известно, несут определенный риск побочных эффектов).

Поворот в другую плоскость

Изучив взаимосвязь между токсичностью лекарств и экспрессией генов биологических часов, Бхатия с соавт. исследовали, как эти гены влияют на иммунитет в печени.

По словам Марш, если удастся лучше разобраться в том, как организм приобретает бОльшую естественную устойчивость к инфекции, и какие молекулярные пути в этом задействованы, получится и применить эти данные для разработки более широкого арсенала средств борьбы с инфекциями (либо уменьшить количество инфицированных клеток, либо ограничить распространение инфекции).

В своем анализе авторы определили множество генов, активно вовлеченных в иммунную защиту и действующих по молекулярным путям циркадных ритмов, связанным с Bmal1. Затем клетки печени были подвергнуты воздействию липида бактериальной клеточной стенки, который обычно используется для стимуляции иммунных реакций в лабораторных экспериментах. Этот липид вводился в клетки печени в точках 24, 36 или 48 часов. Авторы зафиксировали, что в точке 36 часов наблюдался наиболее устойчивый иммунный ответ.

Когда клетки печени были заражены паразитом-возбудителем малярии Plasmodium falciparum в точках 24 и 36 часов, иммунитет вновь оказался наиболее выраженным в 36 часов. Эти результаты подтвердили идею о том, что внутриклеточные паттерны биологических ритмов определяют иммунитет печени.

В дальнейшем группа планирует использовать свой метод, чтобы выяснить, как гены биологических часов могут влиять на метаболизацию препаратов, используемых для терапии опухолей и купирования болевого синдрома.

Как отмечает Марш, эта информация будет крайне ценной при планировании клинических исследований. Могут появиться новые лекарства с недостаточной эффективностью или с большим количеством побочных эффектов, что будет препятствовать их одобрению регулирующими инстанциями. Однако если давать их пациентам в разное время суток, возможно, они смогут пройти клинические испытания, что увеличит арсенал, находящийся в распоряжении врачей.