Wszystko dlatego, że zidentyfikowana dokładnie dwadzieścia lat temu cząsteczka NO, nadal jest w centrum zainteresowania. Jej atrakcyjność pod względem badawczym już dobrych kilkanaście lat temu dostrzegli również polscy uczeni. Czy niebawem będziemy świętować kolejny sukces z tlenkiem azotu w roli głównej?

– Jesteśmy na etapie wykazania znaczenia tlenku azotu w procesie starzenia mózgu, w zaburzeniach pamięci i w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Sporo jeszcze przed nami tajemnic do rozwikłania, a liczy się przecież efekt. Zagadnienie nie jest proste – z pewną ostrożnością przyznaje prof. Joanna Strosznajder kierująca Zakładem Komórkowej Transdukcji Sygnału w Instytucie Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN.

Z tlenkiem azotu sprawa rzeczywiście nie jest prosta. Ta mała, biologicznie aktywna cząsteczka gazu, przy tym niestabilna – ulega rozpadowi po zaledwie pięciu sekundach – bierze udział w niezliczonej ilości procesów fizjologicznych. Bez niej funkcjonowanie ośrodkowego układu nerwowego, immunologicznego, krwionośnego, byłoby nie tylko poważnie zakłócone, ale wręcz niemożliwe. Jest odpowiedzialna za przepływ krwi, a tym samym reguluje np. dostarczanie tlenu, glukozy i aminokwasów. Znajduje się dosłownie w każdej komórce ludzkiego organizmu: w płucach, wątrobie, nerkach, żołądku, jelitach... Odpowiada też w dużym stopniu za zjawisko erekcji, a u kobiet uczestniczy w mechanizmie pobudzenia seksualnego. Nic dziwnego, że tak wszechstronny związek chemiczny został uznany przez prestiżowy tygodnik „Science” za Cząsteczkę Roku 1992.

IMPULS OD NO...BLISTY

Istotną rolę tlenek azotu odgrywa również w mózgu. Tym tropem podążyli polscy naukowcy przed laty, a impulsem do dalszych badań stała się tegoroczna wizyta w Polsce Louisa J. Ignarro z University of California w Los Angeles, jednego z trójki noblistów uhonorowanych osiem lat temu za badania nad NO.

– Zajęliśmy się procesem starzenia mózgu. Starzenie to najważniejszy czynnik ryzyka chorób neurodegeneracyjnych. Badaliśmy, jaki jest udział tej molekuły w procesie starzenia się mózgu. Nasze prace z drugiej połowy lat 90. wzbudziły duże zainteresowanie w świecie. Jako pierwsi wykazaliśmy wtedy zaburzenia ważnych zjawisk na szlaku przekaźnictwa informacji zależnego od NO – wspomina prof. Strosznajder.

Zaobserwowano, że w mózgach starszych dochodzi do wzrostu poziomu tlenku azotu. Ten nadmiar jest szkodliwy dla komórek. Dwuatomowa cząsteczka, która odpowiada za tak wiele funkcji w organizmie, okazała się zdradliwa. Najbardziej u ludzi cierpiących na chorobę Alzheimera. Postanowiono więc bliżej przyjrzeć się temu zagadnieniu. Do współpracy Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej zaprosił naukowców z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie nad Menem. W sumie w przedsięwzięciu uczestniczyło 15 osób. Trzyletni projekt właśnie dobiegł końca.

– Już teraz mogę powiedzieć, że był to niezwykle owocny grant. Dał nam możliwość szerszego spojrzenia, zrozumienia wielu zjawisk, które zachodzą w komórce. Przyczyny nadmiaru tlenku azotu i skutki jego działania badaliśmy na liniach komórkowych i zwierzętach modyfikowanych genetycznie oraz na materiale biologicznym, pochodzącym od pacjentów z chorobą Alzheimera – wyjaśnia prof. Joanna Strosznajder.

Choroba ta dotyka głównie ludzi starszych. Ryzyko jej wystąpienia rośnie wraz z wiekiem. Pierwsze objawy pojawiają się u sześćdziesięciolatków. Po 85. roku życia zapada na nią prawie połowa populacji. Na świecie jest już kilkanaście milionów ludzi dotkniętych tym schorzeniem. W Polsce – ponad 250 tysięcy. Uważa się, że częściej na chorobę zapadają kobiety. Ale to prawdopodobnie złudzenie, wynikające z prostego faktu – po prostu kobiety żyją dłużej od mężczyzn i w związku z tym częściej można stwierdzić u nich tę chorobę.

– Pojawiają się tu i ówdzie takie sugestie, że terapia hormonalna może jakoś przed nią chronić. Ale dokładne badania w dużych populacjach tego nie potwierdzają. Udało się za to potwierdzić, że około 5−10 procent przypadków jest uwarunkowanych genetycznie. Ostatnio w badaniach przeprowadzonych w naszym instytucie okazało się, że istnieje związek pomiędzy zmianami polimorfizmu genu endotelialnej syntazy NO a chorobą Alzheimera w populacji polskich pacjentów. Ta izoforma syntazy bierze udział w regulacji krążenia i mechanizmie uczenia się i pamięci.

ŚMIERTELNY AMYLOID

Choroba Alzheimera zaczyna się całkiem niewinnie. Od zapominania, w którym miejscu leżą okulary, gdzie gazeta, co się stało z położonymi na stół kluczami. Z czasem objawy przybierają na sile: pojawiają się trudności z odnalezieniem właściwej drogi do domu, człowiek zaczyna się bać, staje się agresywny. Pierwszy przypadek zdiagnozowano w 1907 roku i od tamtej pory nieustannie trwają poszukiwania skutecznego lekarstwa. Na razie bez skutku. Ale za to wiedza na temat choroby znacznie się poszerzyła. I to daje już pewną nadzieję. Wiadomo, że za rozwój schorzenia odpowiedzialny jest amyloid beta – peptyd, który odkłada się w komórkach mózgu, doprowadzając stopniowo do ich śmierci. Uszkodzeniu ulegają w tym procesie także połączenia międzykomórkowe, co w bezpośredni sposób prowadzi do zaburzeń i utraty pamięci. Stąd właśnie ten objaw najczęściej kojarzony jest z chorobą Alzheimera. Polscy naukowcy dostrzegli w przebiegu schorzenia jeszcze jedno ciekawe zjawisko – znaczący wzrost poziomu tlenku azotu.

– Spróbowaliśmy zbadać, jaki jest wpływ amyloidu beta na aktywność enzymu wytwarzającego NO. I udało nam się wykazać, iż zwiększa tę aktywność, a co za tym idzie – również podnosi poziom NO. Tlenek azotu, który sam jest wolnym rodnikiem, w wyniku interakcji z innym wolnym rodnikiem staje się molekułą toksyczną i uwalnia z kolei białka, które biorą udział w obumieraniu komórki.

Ale należy pamiętać, że sama cząsteczka NO, produkowana nawet w dużych ilościach, nie jest niebezpieczna. Dopiero gdy wejdzie w reakcję z rodnikiem ponadtlenkowym, powstaje toksyczny związek, który powoduje tzw. kaskadę wolnorodnikową. Uszkadza ona struktury wewnątrzkomórkowe. A najpoważniejszą konsekwencją jest uszkodzenie DNA, struktury będącej nośnikiem informacji genetycznej.

– DNA jest uszkadzane w każdej sekundzie naszego życia przez różne czynniki, jak choćby dym tytoniowy. Komórka stale uruchamia jednak mechanizmy naprawcze. W przypadku masywnego uszkodzenia DNA mamy do czynienia z nadmierną aktywacją enzymu, co doprowadza do bardzo niekorzystnych zmian w komórce – tłumaczy prof. Strosznajder i opisowo przedstawia sekwencje zdarzeń prowadzących do śmierci komórek w wyniku zabójczego działania NO.

– Tlenek azotu niczym „duch” przenika przez ściany komórkowe i, co ciekawe, nie działa w komórkach, w których jest syntetyzowany, lecz w sąsiednich. I to dla nich jest toksyczny. W następnym etapie badań spróbujemy dokładnie zbadać właśnie ten enzym, który ostatecznie decyduje o przeżyciu bądź śmierci komórki – dodaje.

Z chorobą Alzheimera wiąże się również inny wynik badań. Okazało się, iż strukturą mózgową najbardziej narażoną na działanie tlenku azotu jest hipokamp, odpowiedzialny za pamięć i uczenie się. To właśnie tam, a nie np. w korze mózgowej nowej, zaobserwowano najwięcej zmian w wyniku działania NO. Czyżby więc miało się okazać, że to właśnie jest retrograde messenger, poszukiwany od dawna klucz do rozwiązania zagadki mechanizmu zapamiętywania? Być może najważniejszą funkcją tej niewielkiej molekuły w układzie nerwowym jest właśnie rola tzw. przekaźnika zwrotnego, przesyłającego informację z części postsynaptycznej do presynaptycznej. Oznacza to, że bierze ona udział w długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym, czyli wzmocnieniu informacji, dzięki czemu jest ona zapamiętywana i utrwalana. To niezwykle ważna funkcja NO, bo dzięki niej nie musimy każdego lata od nowa „uczyć się” choćby zapachu świeżych pomarańczy. Raz zakodowany sygnał zostaje w odpowiednim momencie uruchomiony ponownie.

– Po okresie bardzo ostrych starć naukowych wyklarowało się dominujące obecnie spojrzenie na patomechanizm choroby Alzheimera. Związane jest ono właśnie ze zwiększonym uwalnianiem amyloidu beta, który wywołuje wszelkie zmiany towarzyszące chorobie. Z zaburzeniem tym związane są wszystkie znane obecnie mutacje genetyczne. W ostatnich latach dokonał się ogromny postęp w badaniach w tym zakresie. Wiemy już na przykład, jakie enzymy odpowiedzialne są za uwalnianie i degradację tego peptydu.

DOBRY, LEPSZY, REWELACYJNY

Zatrzymanie procesu nadmiernego uwalniania NO mogłoby się przyczynić w dużym stopniu do zapobiegania chorobie Alzheimera. Ale nie będzie to takie łatwe. Tlenek azotu syntetyzowany jest z występującego naturalnie w ludzkim organizmie aminokwasu L−argininy przez enzym – syntazę tlenku azotu. Najwięcej kłopotów sprawiają naukowcom pewne formy tego enzymu: indukowana i neuronalna, odpowiadające za nadprodukcję tlenku azotu, oraz endotelialna, nadzorująca w hipokampie prawidłowe funkcjonowanie mechanizmów uczenia się i pamięci. Opracowując lek, należałoby więc specyficznie zahamować syntazę indukowaną i neuronalną, ale nie naruszyć endotelialnej, a być może nawet jeszcze bardziej ją aktywować. Niestety, to zadanie skomplikowane. Dlatego też na razie leki, które są na rynku, jedynie spowalniają i łagodzą objawy choroby. Opóźnić jej rozwój, ale niecałkowicie wyeliminować, mogą wszelkie czynności intelektualne, takie jak rozwiązywanie krzyżówek, gra w szachy. Z drugiej strony należy pamiętać, że w batalii tej tlenek azotu nie jest jedynym przeciwnikiem.

– Choroba Alzheimera to patologia wieloczynnikowa i byłabym ostrożna jeśli chodzi o „faworyzowanie” któregokolwiek elementu. Trudno powiedzieć, czy tlenek azotu odgrywa jakąś rolę w etiologii tej choroby, ale na pewno w patomechanizmie ma istotne znaczenie – podsumowuje wnioski z międzynarodowego grantu prof. Strosznajder.

I podkreśla, że poszukiwania skuteczniejszych związków prowadzone są również w kierowanym przez nią zakładzie. Przy współpracy z Politechniką Warszawską próbowano udoskonalić związki, usuwając rodnik ponadtlenkowy. To w znacznej mierze obniżyłoby toksyczność tlenku azotu, który sam nie stwarzałby już zagrożenia. I rzeczywiście, okazało się to dobrym posunięciem. Ale... tylko dobrym.

– Żeby zachęcić duże koncerny, potrzebny byłby wynik nie trochę lepszy, ale wręcz rewelacyjny. Musi być naprawdę atrakcyjny, żeby ktoś zdecydował się zainwestować ogromne pieniądze. Ale nie poddajemy się i nadal walczymy, tym bardziej że wyniki naszych wcześniejszych badań rozbudziły spore nadzieje.

Coraz lepiej, również dzięki polskim naukowcom, rozumiemy genezę i patomechanizm choroby Alzheimera. Na końcowy sukces trzeba będzie jednak poczekać. Ale warto, nawet za cenę nieudanego eksperymentu, przecierać nowe szlaki. W końcu, jak przyznał w maju tego roku w Warszawie prof. Louis J. Ignarro, „Nagroda Nobla nigdy nie trafi do osoby, która całymi latami jedynie pogłębia obecną wiedzę”.