Utilizando pequeños órganos hepáticos creados a partir de células de donantes humanos, los investigadores descubrieron que muchos genes implicados en el metabolismo de los fárm acos están bajo control circadiano. Estas fluctuaciones circadianas afectan a la cantidad de fármaco disponible y a la eficacia con que el organismo puede descomponerlo. Por ejemplo, descubrieron que las enzimas que descomponen el Tylenol y otros fármacos son más abundantes a determinadas horas del día. La administración de fármacos a distintas horas del día podría influir significativamente en su metabolización hepática. En total, los investigadores identificaron más de 300 genes hepáticos que siguen un reloj circadiano, entre ellos muchos implicados en el metabolismo de fármacos, así como en otras funciones como la inflamación.
El análisis de estos ritmos podría ayudar a los investigadores a desarrollar mejores esquemas de dosificación para los fármacos existentes. Una de las primeras aplicaciones de este método podría ser el ajuste de fármacos ya aprobados para maximizar su eficacia y minimizar su toxicidad. El estudio también demostró que el hígado es más susceptible a infecciones como la malaria en determinados momentos del ciclo circadiano, cuando se producen menos proteínas inflamatorias. Bhatia es el autor principal del nuevo estudio, publicado en Science Advances. La autora principal del estudio es Sandra March, investigadora asociada del IMES.
Cómo afectan los ciclos circadianos a la función hepática
Se calcula que alrededor del 50 por ciento de los genes humanos siguen un ciclo circadiano, y muchos de estos genes están activos en el hígado. Sin embargo, estudiar los efectos de estos ciclos en la función hepática ha sido difícil porque muchos de estos genes no son idénticos en ratones y humanos, por lo que no se pueden utilizar modelos de ratón para estudiarlos. El laboratorio de Bhatia ya ha desarrollado un método para cultivar hígados miniaturizados a partir de células hepáticas (hepatocitos) de donantes humanos. En este estudio, ella y sus colegas querían investigar si estos hígados producidos artificialmente tienen sus propios relojes de 24 horas.
En colaboración con el grupo de Charles Rice de la Universidad Rockefeller, identificaron las condiciones de cultivo que favorecen la expresión circadiana de un gen reloj denominado Bmal1. Este gen, que controla la expresión cíclica de diversos genes, permitió a las células hepáticas desarrollar oscilaciones circadianas sincronizadas. A continuación, los investigadores midieron la expresión génica en estas células cada tres horas durante 48 horas y pudieron identificar más de 300 genes que se expresaban en oleadas.
La mayoría de estos genes se agruparon en dos grupos: alrededor del 70 por ciento de los genes alcanzaron su máximo juntos, mientras que el 30 por ciento restante lo hizo cuando los demás alcanzaron su máximo. Entre ellos había genes implicados en diversas funciones, como el metabolismo de los fármacos, la glucosa y las grasas y varios procesos inmunitarios. Una vez que los hígados manipulados habían establecido estos ciclos circadianos, los investigadores pudieron utilizarlos para estudiar cómo afectan los ciclos circadianos a la función hepática. En primer lugar, examinaron cómo afecta la hora del día al metabolismo de los fármacos estudiando dos fármacos diferentes: el paracetamol (Tylenol) y la atorvastatina, un medicamento utilizado para tratar el colesterol alto.
Cuando el Tylenol se descompone en el hígado, una pequeña cantidad del fármaco se convierte en un subproducto tóxico conocido como NAPQI. Los investigadores descubrieron que la cantidad de NAPQI producida puede variar hasta en un 50% dependiendo de la hora del día en que se administre el fármaco. También descubrieron que la atorvastatina tiene mayor toxicidad a determinadas horas del día. Ambos fármacos son metabolizados en parte por una enzima llamada CYP3A4, que tiene un ciclo circadiano. La CYP3A4 interviene en el procesamiento de aproximadamente el 50 por ciento de todos los fármacos, por lo que los investigadores planean ahora probar más de estos medicamentos con sus modelos hepáticos.
Los investigadores del MIT están trabajando ahora con otros colegas para analizar un fármaco contra el cáncer que sospechan que se ve afectado por los ciclos circadianos, y esperan investigar si ocurre lo mismo con los fármacos utilizados para tratar el dolor.
Susceptibilidad a las infecciones
Muchos de los genes hepáticos que muestran un comportamiento circadiano están implicados en respuestas inmunitarias como la inflamación, por lo que los investigadores se preguntaron si esta variación podría afectar a la susceptibilidad a las infecciones. Para responder a esta pregunta, expusieron los hígados manipulados a Plasmodium falciparum, un parásito que causa la malaria, en distintos momentos del ciclo circadiano. Estos estudios demostraron que los hígados tenían más probabilidades de infectarse tras la exposición en distintos momentos del día. Esto se debe a diferencias en la expresión de unos genes llamados genes estimulados por interferón, que contribuyen a la supresión de las infecciones.
Los investigadores plantean la hipótesis de que estas fluctuaciones cíclicas se deben a que el hígado amortigua su respuesta a los patógenos después de las comidas, cuando normalmente está expuesto a una afluencia de microorganismos que podrían desencadenar una inflamación, aunque no sean realmente dañinos. El laboratorio de Bhatia aprovecha ahora estos ciclos para estudiar infecciones que normalmente son difíciles de establecer en hígados diseñados, como las infecciones de malaria causadas por parásitos distintos del Plasmodium falciparum.
Esto es muy importante para la investigación, porque con sólo configurar el sistema y elegir el momento adecuado de la infección, los expertos pueden aumentar la tasa de infección de su cultivo en un 25 por ciento y permitir así estudios farmacológicos que de otro modo no serían factibles.
