Alzheimerova choroba. Devastující nemoc, která narušuje část mozku a způsobuje pokles takzvaných kognitivních funkcí – myšlení a paměti. Bývá nejčastější příčinou demence, která vede postupně k závislosti nemocného na každodenní pomoci jiného člověka. V souvislosti se stárnutím obyvatelstva civilizovaných zemí se o Alzheimerově demenci hovoří jako o epidemii 21. století. Můžeme však Alzheimerově demenci předcházet či ji dokonce léčit? Ano, půjde to. Dvacetičlenný tým brněnských vědců z Přírodovědecké a Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Mezinárodního centra klinického výzkumu Fakultní nemocnice u sv. Anny a Lékařské fakulty Masarykovy univerzity a z Masarykova onkologického ústavu objevil molekulární podstatu toxické akumulace apolipoproteinu E, hrajícího klíčovou roli v rozvoji Alzheimerovy demence. Současně vědci popsali mechanismus potlačení toxické akumulace potenciálním léčivem, které je v pokročilé fázi klinického testování s předpokládaným schválením v roce 2025. Vědci věří, že výsledky výzkumu pomohou vyvinout další vysoce účinné léčivé látky pro tuto civilizační hrozbu 21. století.
Apolipoproteiny slouží jako klíčové přenašeče lipidů a cholesterolu, které zajišťují vazbu lipoproteinů na specifické buněčné receptory. Apolipoprotein E (ApoE) se syntetizuje především v játrech, ale vyskytuje se také v mozkové tkáni. ApoE v mozku hraje důležitou roli v reparaci neuronů, růstu dendritů, synaptické plasticitě a je též znám jeho protizánětlivý vliv. V lidské populaci jsou rozšířeny tři varianty ApoE2, ApoE3 a ApoE4. Zdědění varianty ApoE4 významně zvyšuje riziko Alzheimerovy demence. U pacientů se dvěma kopiemi genu pro ApoE4 dochází k většímu poškození paměti, snížení schopnosti běžné každodenní činnosti a k výraznější atrofii mozkové tkáně. Přítomnost varianty ApoE4 je tak klíčovým rizikovým faktorem pro vznik Alzheimerovy choroby.
Otázkou bylo, proč právě varianta ApoE4 je tak nebezpečná ve vztahu k rozvoji Alzheimerovy choroby, zatímco ostatní varianty jsou neutrální, či dokonce protektivní. O objasnění tohoto tajemství se vědci z celého světa pokoušejí již několik desetiletí, avšak až brněnští vědci nyní nahlédli pod pokličku této molekulární záhady. Ve svém výzkumu publikovaném v časopise Molecular Neurodegeneration vědci odhalili molekulární dominový efekt, který je spuštěn začleněním bodové mutace do aminokyselinového řetězce v pozici 112.
Molekulární biolog Martin Marek říká: „Vzrušující na tomto výzkumu bylo to, že toxická varianta ApoE4 se liší od svých netoxických protějšků jen jednou mutací, která má ovšem obrovské důsledky v chování proteinu a vztahu k rozvoji Alzheimerovy demence. Pomocí metody rentgenové krystalografie se nám podařilo zachytit struktury ApoE proteinů ve více krystalografických soustavách. Detailní analýzou těchto krystalových forem jsme poté našli strukturní rysy specifické pro toxickou variantu ApoE4. Postupným odhalováním molekulární kaskády složené z malých, snadno přehlédnutelných, strukturních změn v proteinu ApoE4 jsme se prostorově dostali až k místu samotné spouštěcí mutace C112R, což vedlo k formulaci tzv. dominové hypotézy.“
Vědcům se podařilo kombinací experimentálních a výpočetních experimentů detailně zmapovat strukturní změny v ApoE proteinu na atomární úrovni. Arginin v pozici 112 má velký a kladně nabitý postranní řetězec. Díky jeho přítomnosti dochází ke kaskádě malých strukturních přeuspořádání proteinového řetězce, které vedou k velkým biologickým důsledkům. Díky těmto strukturním změnám je varianta proteinu ApoE4 destabilizovaná, má vysokou tendenci k toxické akumulaci v mozkové tkáni, a ztrácí tak svojí primární úlohu v přenosu lipidů a cholesterolu.
Biochemička Lenka Hernychová doplňuje: „Dynamické změny ve strukturách ApoE3 a ApoE4 proteinů a jejich interakce s potenciálním léčivem (homotaurinem) jsme sledovali pomocí unikátní metody výměny vodíku za deuterium spojené s hmotnostní spektrometrií. Výsledky odhalily přestavbu struktury u ApoE4 způsobující agregaci, která však nebyla pozorována u APOE3. Naopak interakce s léčivem dokázala strukturu ApoE4 stabilizovat a tím potlačit její negativní vlastnosti.“
„Studie byla unikátní,“ říká biochemik Zdeněk Spáčil, „protože se klasické metody molekulární a buněčné biologie podařilo doplnit o data získaná technikou hmotnostní spektrometrie. Takto lze velmi citlivě a přesně sledovat změny v hladinách proteinů a lipidů a nahlédnout do mechanismu účinku potenciálních léčiv. Zároveň lze pomocí hmotnostní spektrometrie charakterizovat často heterogenní buněčné modelové systémy.“
Molekulární podstata toxické akumulace ApoE4 byla objevena. Ale co dál? Vědci si poté kladli otázku, jak tomuto nežádoucímu ukládání ApoE4 v mozkové tkání předcházet, a tak obnovit jeho důležité buněčné funkce. V navazujících biochemických experimentech prokázali, že látka homotaurin, derivát aminokyselin nacházející se v některých druzích mořských řas, potlačuje toxickou akumulaci a obnovuje původní funkce v ApoE4 proteinu. Mohl by tento „léčebný“ efekt být dosažen i v klinické praxi? Ano, mohl.
„Mozkové organoidy jsme v této studii použili pro testování účinku homotaurinu na rozvoj Alzheimery demence,“ říká buněčná bioložka Dáša Bohačiaková. „Naše výsledky potvrzují, že léčivo má selektivní efekt na organoidy s variantou ApoE4 a ukazuje se, že ovlivňuje nejen důležité signalizační dráhy, ale také metabolismus cholesterolu. V dalších studiích se chceme zaměřit na podrobné mapování změn, které homotaurin v lidském mozku způsobuje.“
Experimenty s laboratorně kultivovanými cerebrálními organoidy prokázaly pozitivní efekty aplikace homotaurinu a dávají naději, že jsme blíže k léčbě Alzheimerovy demence. Ve světě se již vědci zabývají tím, jak využít vlastnosti homotaurinu v prevenci či léčbě kognitivních onemocnění a objev brněnských vědců nyní posouvá tyto snahy blíže ke klinické praxi.
Kontakty:
- Martin Marek, RECETOX, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita a ICRC FNUSA a LF MU - martin.marek@recetox.muni.cz
- Lenka Hernychová, Masarykův onkologický ústav - lenka.hernychova@mou.cz
- Dáša Bohačiaková, Ústav histologie a embryologie, Lékařská fakulta, Masarykova univerzita - bohaciakova@med.muni.cz
- Zdeněk Spáčil, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita - spacil@recetox.muni.cz
Tento výzkum získal podporu Ministerstva školství a mládeže v rámci projektů ENOCH a INBIO. Finančně výzkum podpořila i Evropské unie v rámci programu Horizon Evropa granty TEAMING a ADITT-CE.
Masarykova univerzita se hlásí k cílům udržitelného rozvoje OSN, jejichž záměrem je do roku 2030 zlepšit podmínky a kvalitu života na naší planetě.
Masarykův onkologický ústav (MOÚ) a jeho výzkumné centrum RECAMO se specializují na rozvíjení nových diagnostických a terapeutických přístupů, zejména v oblasti onkologie, ale i dalších vážných onemocnění. MOÚ aktivně spolupracuje s dalšími onkologickými centry, vědeckými institucemi a organizacemi, jak v České republice, tak v zahraničí, s cílem sdílet informace, zkušenosti a výsledky výzkumu a posílit globální úsilí v boji proti rakovině a dalším vážným chorobám.
