Клетки печени человека следуют своим собственным циркадным ритмам, которые регулируют метаболизм лекарственных препаратов.
Показатели здоровья у людей часто подвержены суточным колебаниям. Например, утренняя вакцинация может вызвать более эффективный иммунный ответ, чем прививка во второй половине дня. Точно так же люди более восприимчивы к инфекциям в определенное время суток. Такая изменчивость определяется циркадными часами, которые регулируют колебания в экспрессии генов. Эксперименты, проведенные на клетках и лабораторных животных, показали, что в печени, которая играет большую роль в реакции на вакцины и инфекции, присутствует большое количество таких циркадно-зависимых генов. Однако некоторые аспекты метаболизма лекарств и иммунных реакций уникальны для человека и трудноизучаемы из-за отсутствия экспериментальных систем.
«Мы знаем, что печень имеет свой собственный циркадный ритм, который не зависит от центральных часов в нашем мозге», - говорит Лилиана Мансио-Сильва, паразитолог из Института Пастера (Франция). «Нам хотелось узнать, сможем ли мы имитировать циркадные колебания печени in vitro». Мансио-Сильва совместно с инженером-биомедиком Санджитой Бхатиа из Массачусетского технологического института разработали модель печени человека in vitro, о которой они рассказали в журнале Science Advances. Характеризуя гепатоциты в своей системе, исследователи выявили гены, участвующие в метаболизме лекарств и восприимчивости к инфекциям, которые находятся под циркадным контролем. Модель, имитирующая циркадный ритм органа, предоставляет исследователям платформу для изучения влияния циркадных генов на функции печени человека и улучшения разработки лекарств.
Чтобы разработать новую систему, исследователи получили клетки печени от индивидуальных доноров и культивировали их вместе с фибробластами, которые обеспечивали структурную поддержку. Настроив условия культивирования на экспрессию гена циркадных часов BMAL1, который помогает организовать экспрессию нескольких других генов, они получили клетки печени с синхронизированными циркадными колебаниями, которые сохранялись в течение 10 недель. Вооружившись системой для изучения циклических колебаний в клетках печени, исследователи задались вопросом, как циркадные ритмы влияют на экспрессию генов. Они проанализировали транскриптомы этих клеток и обнаружили, что более 380 генов экспрессируются циклически, и большинство из них связаны с метаболизмом лекарств, воспалительными и иммунными реакциями.
Один из этих циклически экспрессирующихся генов, цитохром P450 3A4 (CYP3A4), кодирует фермент семейства цитохрома P450, метаболизирующий лекарства, который отвечает примерно за три четверти всех реакций метаболизма лекарств у человека. Они обнаружили, что ферментативная активность CYP3A4 происходит волнообразно, что позволяет предположить, что фармакокинетика лекарств может отличаться в зависимости от времени суток.
Чтобы проверить это, ученые обработали печеночные клетки липидопонижающим препаратом аторвастатин или нестероидным анальгетиком ацетаминофен. В высоких дозах эти препараты вредны для печени из-за метаболизма CYP3A4 и превращения их в токсичные побочные продукты. В обработанных клетках наблюдалось, что более высокий уровень CYP3A4 коррелировал с большей гибелью клеток, что позволяет предположить, что неблагоприятные эффекты лекарств могут быть сведены к минимуму путем оптимизации времени введения препарата.
«Эти результаты являются кульминацией прогнозов, которые делались в течение 20 лет», - считает Сатчидананда Панда, хронобиолог из Института биологических исследований Салка, который не принимал участия в исследовании. Он отметил, что ранее исследователи уже демонстрировали циклическую экспрессию генов, метаболизирующих лекарства, у мышей: «Но не было ни одного реального эксперимента, показывающего, циклична ли активность генов цитохрома P450 в печени человека». Он добавил: «Технологическим прорывом в этой работе стало поддержание жизнеспособности клеток печени человека в течение 10 недель», что позволило Мансио-Сильве и ее группе впервые доказать, что активность ферментов, метаболизирующих лекарства, у человека циклична.
Однако, как отметила Панда, одним из ограничений является то, что система постоянно находится в глюкозе, что не имитирует физиологический цикл «голодание-питание». Тем не менее, по его словам, это самое близкое приближение исследователей к воспроизведению циркадной системы печени человека. Он отметил, что в будущих исследованиях важно изучить циркадный контроль других генов метаболизма лекарств, помимо CYP3A4.
Затем Мансио-Сильва и ее коллеги перешли к использованию системы in vitro для изучения того, как циркадные гены влияют на иммунитет и инфекции в печени. Они обнаружили, что интерфероны, белки организма, борющиеся с патогенами, стимулируют целый ряд генов, экспрессия которых колеблется. Когда исследователи подвергли клетки печени воздействию паразита Plasmodium falciparum, вызывающего малярию, они заметили, что клетки были более восприимчивы к инфекции, когда гены, регулирующие иммунный ответ, были снижены. Это наблюдение не удивило Мансио-Сильву. «Мы знаем, что у малярии есть циркадный компонент", - говорит она. Малярийные комары кусают людей и доставляют паразитов ночью, когда иммунный ответ человека снижен.
Эти результаты не только подсказывают исследователям, как лучше применять противомалярийные препараты, но и подчеркивают, что биологи-экспериментаторы должны учитывать время как фактор при изучении печени. «Эти результаты также дают нам уверенность в правильности используемой модели печени», - отметила Мансио-Сильва. «Мы можем достоверно и точно воспроизвести работу печени человека».
