W czasach średniowiecza nie wypadało chorować. Wiele nieprawidłowości, których objawy powodowały zmiany w wyglądzie i zachowaniu odbiegające od przyjętych norm, budziło strach i odrazę. Chorym przypisywano kontakty z diabłem i często wykluczano ze społeczeństwa. Jednym z takich schorzeń była pląsawica, objawiająca się mimowolnymi ruchami ciała przypominającymi nieporadny taniec oraz często towarzyszącymi zaburzeniami psychicznymi. Stan ten nazwano klątwą tańca świętego Wita, który pozostał patronem osób obarczonych pląsawicą. Na szczęście wraz z rozwojem nauki poziom tolerancji dla tego co inne wzrósł. Wreszcie osoby dotknięte klątwą zaczęto diagnozować i rozpoznano wiele jednostek chorobowych, których objawem była pląsawica.

Niezwyciężony smok

Jedną z takich chorób jest choroba Huntingtona, którą porównuję do mitycznego smoka. Porywa on przypadkowych nieszczęśników i skazuje na dożywotni pobyt w swojej jaskini z dala od reszty społeczeństwa. Pacjenci w zaawansowanym stadium choroby również żyją w izolacji psychicznej od otaczającego świata. Ale o tym za chwilę. Każdego dnia naukowcy stosują nowe sztuczki, by smoka unicestwić, jednak bilans walk jest nierówny i chorobowy smok pozostaje niezwyciężony. Po każdej przegranej batalii najmężniejsi rycerze uzbrajają się w nową porcję sił i wracają na pole walki, by ujarzmić bestię, a chorym przywrócić normalne życie.

Przejdźmy do bardziej naukowych faktów. W przypadku choroby Huntingtona całe zamieszanie spowodowane jest przez pomyłkę genetyczną, czyli mutację, powstałą w ściśle określonym fragmencie DNA chorych, a dokładniej w genie IT15, zwanym również genem HD lub HTT. Brzmi zagadkowo, ale już spieszę ze stosownym wyjaśnieniem.

DNA tworzone jest przez łańcuszek występujących po sobie cegiełek, zwanych w biologii nukleotydami. Cała informacja genetyczna zapisana jest w postaci kodu tworzonego przez trzy występujące po sobie nukleotydy. Każda trójka nukleotydowa odpowiada za powstanie ściśle określonego aminokwasu. Aminokwasy natomiast są składnikami bardziej złożonych struktur – białek, które w komórce pełnią ściśle określone funkcje. Zmiana w sekwencji nukleotydów może powodować zmiany w budowie białek i upośledzać prawidłowe ich funkcjonowanie.

W chorobie Huntingtona mutacja zachodzi w genie odpowiadającym za powstanie białka zwanego huntingtyną. Rezultatem jest zwiększona liczba powtórzeń trójki nukleotydowej CAG – cytozyny (C), adeniny (A) oraz guaniny (G), która koduje aminokwas zwany glutaminą. Białko kodowane przez wadliwy gen posiada zbyt długi trakt poliglutaminowy i tworzy strukturę odbiegającą od normy. W normalnych warunkach białka po wypełnieniu swoich zadań w komórce są przez nią usuwane, jednak nieprawidłowo zbudowana huntingtyna nie może ulec degradacji i akumuluje się we wnętrzu komórki, tworząc agregaty. Ich powstanie uznaje się za główny powód obumierania komórek nerwowych (neuronów) w miejscu objętym przez chorobę, czyli w mózgu.

Jasna strona szarej strefy

Choroba Huntingtona jest dziedziczna. Jeżeli jedno z rodziców choruje, każde z jego potomstwa ma 50% szans na zdrowe życie. Smok zazwyczaj czeka w uśpieniu, by zaatakować i wywołać pierwsze objawy dopiero w wieku średnim lub starczym. Już od 1993 roku dostępny jest test genetyczny, któremu mogą się poddać osoby zagrożone ryzykiem wystąpienia choroby, dlatego diagnozę można postawić jeszcze przed wystąpieniem objawów. Test polega na określeniu liczby powtórzeń CAG występujących w nieprawidłowym genie. Osoby zdrowe w obrębie genu HD mają maksymalnie 26 powtórzeń CAG. Niestety mutacja polegająca na zwielokrotnieniu liczby tych powtórzeń do 40 lub więcej powoduje rozwój pełnoobjawowej choroby Huntingtona. Co z osobami, które mają więcej niż 26, ale mniej niż 40 powtórzeń? Otóż należą do tzw. szarej strefy. Jakkolwiek złowrogo by to nie brzmiało, tym osobom trudniej przewidzieć przyszłość, jednak nadzieja na zdrowe życie jest większa. Pomiędzy 27 a 35 powtórzeniami CAG występują allele pośrednie, co oznacza, że osoba badana nie zachoruje, ale może przekazać potomstwu gen z większą liczbą powtórzeń, warunkujący pełnoobjawową chorobę. Niepełna penetracja genu u osób, które mają od 36 do 39 powtórzeń oznacza natomiast, że ryzyko zachorowania jest wysokie, jednak u niektórych osób choroba nie rozwinie się za ich życia nawet w podeszłym wieku.

Postępująca utrata neuronów związana jest z początkiem występowania i pogłębianiem objawów. Oprócz wspomnianej wcześniej pląsawicy, objawami towarzyszącymi są problemy emocjonalne oraz poznawcze prowadzące do otępienia i stopniowej utraty niezależności, przez co chorzy wymagają stałej opieki. U każdego choroba może przebiegać w inny sposób, z innym natężeniem i kolejnością występowania objawów.

Wiemy już, że osoby chore mutację posiadają od urodzenia, ale zaczynają chorować w późniejszym wieku. Jak oszacować, kiedy wystąpią pierwsze objawy? Im więcej powtórzeń CAG w zmutowanym genie, tym wyższe prawdopodobieństwo, że choroba ujawni się wcześniej. Jeżeli powtórzeń jest ponad 70, możliwe jest wystąpienie choroby już w wieku dziecięcym. Jednak nawet w obrębie jednej rodziny u osób z taką samą liczbą powtórzeń CAG wiek zachorowania może być różny. Dlatego tak ważne jest poszukiwanie nowych biomarkerów choroby, czyli wskaźników, które pomagałyby w szacowaniu rozwoju i przebiegu choroby oraz testowania skuteczności nowych terapii.

Walka ramię w ramię

Chorobowy smok wciąż pozostaje żywy i do tej pory nie ma żadnej terapii służącej leczeniu choroby. Najlepszą dostępną strategią jest minimalizowanie objawów. Niestety raz utraconych neuronów nie można odzyskać, ponieważ komórki nerwowe nie podlegają regeneracji. Dlatego tak ważnym celem poszukiwania terapii jest działanie zanim uszkodzenia w mózgu wywołają nieodwracalne zmiany. Najbardziej pożądanym rozwiązaniem wydaje się być naprawa nieprawidłowego genu i całkowite wyleczenie choroby zaraz po diagnozie, ale spowolnienie rozwoju choroby na jej najwcześniejszych etapach również chwilowo usatysfakcjonuje naukowców.

Obecnie jednym z najbardziej obiecujących podejść terapeutycznych jest zastosowanie krótkiego, ściśle zdefiniowanego fragmentu DNA, tzw. oligonukleotydu antysensownego, którego zadaniem jest wyciszenie ekspresji zmutowanego genu warunkującego powstanie nieprawidłowej huntingtyny, czyli zaprzestania produkcji tego białka. Perspektywa jest bardzo ciekawa, badania kliniczne dotarły już do pierwszego etapu – oceny działania leku u ludzi. Musimy jednak pamiętać, że od momentu opracowania terapii w warunkach laboratoryjnych, na hodowlach komórkowych czy zwierzętach do powszechnego stosowania u ludzi jest bardzo daleka droga. Po zakończeniu analiz laboratoryjnych i pozytywnej oceny bezpieczeństwa leku ewentualną terapię czekają jeszcze dwa kolejne, długotrwałe etapy badań klinicznych, a ryzyko, że nie zostaną zaliczone, jest bardzo duże. Tak ważne jest więc prowadzenie wielu badań i podejmowanie dalszych poszukiwań skutecznego leczenia. Zwiększa to szansę na pozytywny wynik.

Ja również chcę się przyłączyć do rycerskiej walki z chorobowym smokiem. Moje badania bezpośrednio nie zadadzą śmiercionośnego ciosu, jednak wierzę, że pomogą w poszukiwaniu słabego punktu choroby i przyczynią się do jej pokonania. Po obmyśleniu strategii przygotowałam plan działania i dzięki uzyskanemu grantowi mogę bez przeszkód zaangażować się w poszukiwanie odpowiedzi na nurtujące mnie pytania.

Co ma piernik do wiatraka

Przejdźmy więc do kolejnej porcji naukowych informacji. Każda komórka jest dynamicznym układem, w którym wciąż zachodzą ważne procesy życiowe, a każde działanie wymaga dostarczenia układowi energii. Silnikiem energetycznym komórki są niewielkie struktury (organella), mitochondria, które oprócz dostarczania wymaganej porcji energii pełnią również wiele innych funkcji warunkujących prawidłowe funkcjonowanie komórki. Tempo przebiegających w niej przemian warunkuje jej zapotrzebowanie energetyczne. Komórki atakowane przez chorobę Huntingtona, neurony, są wyjątkowo pracowite, wymagają więc większej porcji paliwa i w związku z tym mają więcej mitochondriów. Dlatego też są wyjątkowo wrażliwe na wszelkie nieprawidłowości w ich funkcjonowaniu. Nic więc dziwnego, że te niewielkie struktury stały się niezwykle interesujące dla badaczy zajmujących się chorobami układu nerwowego. Hipotezę, że dysfunkcje mitochondrialne przyczyniają się do postępującej degradacji komórek nerwowych, wspiera również odkrycie, że nieprawidłowo zbudowana huntingtyna ma z nimi bezpośredni kontakt.

Podstawą moich badań jest praca na materiale pobranym bezpośrednio od chorych. Na każde tego typu działanie trzeba uzyskać zgodę komisji bioetycznej, która ocenia zasadność prowadzenia badań. Trudno sobie wyobrazić analizę komórek pobieranych bezpośrednio z mózgu pacjenta, ponieważ zagrażałoby to jego życiu i zdrowiu. W takim wypadku jednym z rozwiązań jest praca na innym materiale, który mógłby służyć jako model choroby. W moich badaniach są to fibroblasty, czyli komórki skóry pobrane w wyniku niewielkiego ukłucia przedramienia. W fibroblastach pobranych od chorych obserwuje się wiele dysfunkcji obecnych również w komórkach nerwowych, można pobrać je od pacjentów w dość łatwy sposób i hodować w warunkach laboratoryjnych.

Ukryte znaczenie niewielkich zmian

Moim celem jest opisanie nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondriów w pozyskanych komórkach. Interesuje mnie nie tylko stan bioenergetyczny komórek, ale również ewentualne zmiany genetyczne oraz morfologia mitochondriów, dzięki czemu badania zapewnią wielowymiarową analizę funkcjonowania mitochondriów w fibroblastach chorych. Jednym z ważnych założeń jest pobranie komórek od wielu pacjentów będących na różnych etapach choroby, włączając pacjentów ze zdiagnozowaną mutacją, jednak niemających jeszcze objawów choroby. Jest to niezwykle ważne w świetle wcześniej przedstawianych faktów, a więc poszukiwania nieprawidłowości, jakie moglibyśmy naprawić już na najwcześniejszych etapach choroby oraz w perspektywie poszukiwania biomarkera choroby. Istotne jest również analizowanie zaobserwowanych zmian w szerokiej perspektywie. Wyobraźmy sobie, że nie czujemy się najlepiej i mamy wiele objawów o niskiej intensywności, takich jak ból głowy , lekka gorączka czy katar. Na pojedynczy objaw pewnie nie zwrócilibyśmy większej uwagi, jednak współwystępowanie wielu może nas zmartwić i skierować na wizytę lekarską. Podobnie niewielkie nieprawidłowości w funkcjonowaniu mitochondriów w analizowanych przeze mnie parametrach mogą nie budzić niepokoju, jednak analiza wszystkich jednocześnie być może pozwoli dostrzec ukryte znaczenie niewielkich zmian. Po zbadaniu poszczególnych parametrów na komórkach pozyskanych od chorych porównam wyniki z analizami przeprowadzonymi na materiale kontrolnym oraz pomiędzy pacjentami na różnych etapach choroby.

Takie podejście umożliwi całościową ocenę wszystkich aspektów działania mitochondriów i zgrupowanie chorych na różnych etapach choroby w zależności od wyników przeprowadzonych doświadczeń. Dzięki temu się dowiem, jakimi parametrami utworzone grupy różnią się między sobą, co pozwoli ocenić pełen profil opisanych zmian i być może przyczyni się do lepszego prognozowania przebiegu choroby.

Dotychczasowe wyniki są obiecujące, ale staram się trzymać sceptycznego optymizmu i z ostatecznymi wnioskami poczekam do całkowitego zakończenia projektu. Pozwalam sobie jednak na głęboką wiarę, że uzyskane podczas mojej pracy informacje będą miały bezpośrednie przełożenie na praktyczne ich wykorzystanie w poszukiwaniu kolejnych podejść terapeutycznych. To przekonanie jest moją największą motywacją w borykaniu się z codziennymi trudami pracy młodego naukowca, o których być może będę miała jeszcze okazję napisać.

Mutacja genetyczna powodująca rozwój choroby Huntingtona. Źródło: https://ghr.nlm.nih.gov/condition/huntington-disease#genes (zmodyfkowane)

Hodowla fbroblastów (obraz z mikroskopu świetlnego)

Autorka w laboratorium