Od lat naukowcy zgłębiają tajemnice funkcjonowania ludzkiego mózgu. Chcą wiedzieć, co powoduje, że myślimy, odczuwamy czy zapamiętujemy duże partie materiału, np. przed egzaminem.

Wiadomo, że podstawową jednostką strukturalną w mózgu jest synapsa, czyli połączenie dwóch komórek nerwowych. Aktywność naszego mózgu i efektywność jego pracy zależy od zmian w przewodnictwie w tych właśnie synapsach, krótko mówiąc od ich sprawności. Niektóre z nich, jeżeli uczymy się czegoś nowego, ulegają tzw. wzmocnieniu. Określane jest to jako ślad pamięciowy, a cały proces to plastyczność synaptyczna. Naukowców interesuje, jakie są mechanizmy tego procesu i to na poziomie molekularnym – mówi dr Grzegorz Wilczyński, kierownik Pracowni Neuromorfologii w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN im. M. Nenckiego. Ta wiedza, którą cały czas zgłębiają badacze, już czeka na aplikacje medyczne w postaci nowych dróg w terapiach chorób neurodegeneracyjnych.

Wiemy, że synapsy, miejsca dla komórki newralgiczne, zmieniają się. A mechanizmów tych zmian jest kilka. Głównie dotyczy to zmian w receptorach tzw. neurotransmiterów oraz w białkach stanowiących element cytoszkieletu, odpowiadających za ruchy synapsy. Receptory neurotrasmiterów znajdują się w błonie plazmatycznej synapsy i pośredniczą w przepływie impulsów elektrycznych. Podczas zmian przewodnictwa synapsy powiększają się, co wymaga zaangażowania białek kurczliwych. To są te samie białka, które występują w mięśniach i odpowiadają za ich skurcze. Istniała też koncepcja, że po to, aby synapsa mogła się zmieniać, musi dojść do zmiany jej otoczenia. Pewnie dlatego synapsy w tkance nerwowej bardzo silnie do siebie przylegają, co daje w efekcie dosyć sztywną jej strukturę. Naukowcy, obserwując je w czasie wnikliwych badań, zastanawiali się, jak to możliwe, że np. jedna z synaps, która ma się zmienić, nagle powiększa się, rozsuwając przy tym otoczenie. Stąd, na podstawie doświadczeń, zrodził się pomysł, który postanowiono przekuć w tezę do udowodnienia, że być może, wydzielają one jakąś substancję, która trawi i niszczy połączenia ograniczające jej ruch i możliwość powiększania się. Takim naturalnym czynnikiem, który mógłby działać w ten sposób, są enzymy proteolityczne, czyli trawiące inne białka. Najbardziej znanymi są te wydzielane w przewodzie pokarmowym. Gdyby spojrzeć na wszystkie geny człowieka, to największa ich grupa koduje właśnie enzymy proteolityczne. Jest to bardzo ważny mechanizm, którego do tej pory nie brano pod uwagę w badaniach mózgu i synaps. Odkryli to polscy naukowcy i jako pierwsi postanowili zbadać, a także udowodnić zasadność tej koncepcji.

MMP-9

– Wspólnie z zespołem prof. Leszka Kaczmarka zbadaliśmy, że enzym zwany metaloproteinazą macierzy zewnątrzkomórkowej 9 (MP9) jest syntetyzowany przez komórkę nerwową – mówi dr Grzegorz Wilczyński. – Jest on transportowany do tej synapsy, gdzie w odpowiedzi na stymulację jest wydzielany. Warto przypomnieć, że wypustka synaptyczna komórki nerwowej może leżeć w dużej odległości (nawet do 1 metra!) poza ciałem komórki i jest z nią połączona. Enzym więc musi zostać wysłany w pierwszej kolejności w formie mRNA dla zakodowania informacji o tym enzymie, następnie, gdy kwas dotrze do synapsy, jest tam odczytywany. Dalej enzym tworzony w tej synapsie ulega wydzieleniu po stymulacji. I ten mechanizm grupa z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN zbadała oraz sprawdziła.

MMP−9 to pierwszy enzym z grupy metaloproteinaz, tak dokładnie i bezpośrednio pokazany w synapsach.

Aby pokazać, że enzym jest w synapsie, naukowcy z Instytutu Biologii Doświadczalnej PAN musieli użyć specjalnych znaczników. Są to przeciwciała, które można uwidocznić pod mikroskopem przy dużym powiększeniu i to zarówno w mikroskopie świetlnym, jak i w elektronowym, wykorzystywanym do badania małych struktur.

Żeby wykazać, że ten enzym ma związek z plastycznością synaps, wykorzystano zwierzęta transgeniczne uzyskane od badaczy amerykańskich. Myszy zostały pozbawione genu kodującego MMP−9. Badania wykazały, że zmiany plastyczne takiego zwierzęcia bez MMP−9 są wyraźnie osłabione. Innym zwierzęciem był szczur, stworzony w laboratorium prof. Kaczmarka. Zwierzę to ma więcej tego enzymu i tu zmiany plastyczne były nasilone. Tak więc założenie naukowców zostało przebadane na różnych płaszczyznach.

To były dwa momenty – jeden techniczny, gdy nie można było znaleźć odpowiedniego znacznika, który pokazałby obecność tego enzymu w synapsie (a dostępne znaczniki okazywały się niespecyficzne). Drugi moment nastąpił wtedy, gdy wszystkie badania zostały zakończone i pracę wysłano do redakcji. Grupa badawcza wpadła w pułapkę braku zaufania ze strony świata naukowego, zwłaszcza z zagranicy. Nie wierzono, że enzym proteolityczny z grupy metaloproteinazy MMP−9 jest obecny w synapsach i pełni ważną rolę, umożliwiając ich plastyczność.

Droga daleka

Dlaczego poznanie mechanizmu plastyczności jest tak ważne?

Synapsa może się rozciągać albo kurczyć i to leży u podstaw procesów nabywania przez nasz mózg wiedzy, pamięci, uczenia się, a także w chorobach, np. padaczce.

Wiadomo, że wiele chorób neurologicznych, psychicznych ma podłoże synaptyczne. U ich źródła leżą właśnie nieprawidłowości w działaniu synaps, a najbardziej jest to wyraźne, gdy chodzi o padaczkę, czyli epilepsję, zwaną kiedyś również chorobą św. Walentego. Padaczka jest chorobą plastyczności synaptycznej. Zmiany powstające w czasie uczenia się są zwielokrotnione podczas rozwoju padaczki i dlatego wydawało się najbardziej naturalne, żeby to, co sprawdzono w czasie zmian zachodzących w organizmie prawidłowym, sprawdzić w padaczce. Oczywiście jest to padaczka eksperymentalna u zwierząt i nie wiadomo, czy tak samo jest u człowieka. W tej chwili badania trwają.

Prof. Leszek Kaczmarek we współpracy z psychiatrami polskimi zbiera dane, które wskazują na udział tego enzymu i jego patologii w synapsie w innych chorobach psychicznych, jak uzależnienia, a także depresja czy schizofrenia.

Istnieje szansa interwencji w chorobach neurodegeneracyjnych przez podawanie inhibitorów metaloproteinazy MMP−9, co skutkowałoby tym, że nadmierna aktywność zostałaby zmniejszona i nie doszłoby do patologicznych procesów, którymi ona steruje. – Moglibyśmy na samym początku nieprawidłowego procesu – mówi dr Wilczyński – hamować rozwój choroby. Sądzimy, że po uszkodzeniu mózgu, po udarze czy po zapaleniu może dochodzić do nadmiernej produkcji enzymu MMP−9 w synapsach. Sądzimy, że na początkowym etapie enzym jest najpotrzebniejszy. Stąd koncepcja, że po uszkodzeniu mózgu należy spróbować podawać wybranej grupie pacjentów – i to po badaniach genetycznych – inhibitora tego enzymu. Jeśli to, co wykryliśmy u gryzoni, potwierdzi się u człowieka, to droga do opracowania specyfiku poszerzającego możliwości lecznicze jest ogromna.

Teraz naukowcy badają wycinki mózgowia od ludzi, którzy chorowali na epilepsję i zmarli, a także tych, którzy chorują i muszą być operowani z tego powodu. Naukowcy sprawdzają, czy w tkance nerwowej tych osób jest więcej enzymu. Preparaty pozyskuje się z klinik, które jako formę terapii stosują w tych chorobach resekcję chorej tkanki. Trzeba jednak zaznaczyć, że każdy taki pomysł musi być skrupulatnie i drobiazgowo przebadany, a droga do ewentualnego leku jest jeszcze daleka. Jest to jednak dowód na to, że badania podstawowe, m.in. w medycynie, to drzwi otwierające drogę aplikacjom klinicznym.