Utilizzando piccoli organi epatici ingegnerizzati derivati da cellule umane di donatori, i ricercatori hanno scoperto che molti geni coinvolti nel metabolismo dei farmaci sono sotto controllo circadiano. Queste fluttuazioni circadiane influenzano la quantità di un farmaco disponibile e l’efficacia con cui l’organismo può scomporlo. Per esempio, hanno scoperto che gli enzimi che scompongono il Tylenol e altri farmaci sono più abbondanti in determinate ore del giorno. La somministrazione di farmaci in momenti diversi della giornata potrebbe avere un impatto significativo sul modo in cui vengono metabolizzati nel fegato. In totale, i ricercatori hanno identificato più di 300 geni epatici che seguono un orologio circadiano, tra cui molti coinvolti nel metabolismo dei farmaci e in altre funzioni come l’infiammazione.
L’analisi di questi ritmi potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare programmi di dosaggio migliori per i farmaci esistenti. Una delle prime applicazioni di questo metodo potrebbe essere la messa a punto di farmaci già approvati per massimizzarne l’efficacia e minimizzarne la tossicità. Lo studio ha anche dimostrato che il fegato è più suscettibile alle infezioni, come la malaria, in determinati momenti del ciclo circadiano, quando vengono prodotte meno proteine infiammatorie. Bhatia è l’autore principale del nuovo studio, pubblicato su Science Advances. L’autore principale dello studio è Sandra March, ricercatrice associata presso l’IMES.
Come i cicli circadiani influenzano la funzione epatica
Si stima che circa il 50% dei geni umani segua un ciclo circadiano e molti di questi geni sono attivi nel fegato. Tuttavia, studiare gli effetti di questi cicli sulla funzione epatica è stato difficile perché molti di questi geni non sono identici nei topi e negli esseri umani, quindi non è possibile utilizzare modelli murini per studiarli. Il laboratorio di Bhatia ha già sviluppato un metodo per far crescere fegati miniaturizzati da cellule epatiche (epatociti) di donatori umani. In questo studio, lei e i suoi colleghi volevano verificare se questi fegati prodotti artificialmente avessero un proprio orologio di 24 ore.
In collaborazione con il gruppo di Charles Rice della Rockefeller University, hanno identificato le condizioni di coltura che promuovono l’espressione circadiana di un gene orologio chiamato Bmal1. Questo gene, che controlla l’espressione ciclica di una serie di geni, ha permesso alle cellule epatiche di sviluppare oscillazioni circadiane sincronizzate. I ricercatori hanno poi misurato l’espressione genica in queste cellule ogni tre ore per 48 ore e sono riusciti a identificare più di 300 geni che venivano espressi a ondate.
La maggior parte di questi geni si è raggruppata in due gruppi: circa il 70% dei geni ha raggiunto il picco insieme, mentre il restante 30% ha raggiunto il picco quando gli altri hanno raggiunto il picco. Si trattava di geni coinvolti in una serie di funzioni, tra cui il metabolismo dei farmaci, il metabolismo del glucosio e dei grassi e vari processi immunitari. Una volta che i fegati ingegnerizzati hanno stabilito questi cicli circadiani, i ricercatori hanno potuto usarli per studiare come i cicli circadiani influenzano la funzione epatica. In primo luogo, hanno esaminato come l’ora del giorno influisce sul metabolismo dei farmaci studiando due diversi farmaci: l’acetaminofene (Tylenol) e l’atorvastatina, un farmaco usato per trattare il colesterolo alto.
Quando il Tylenol viene scomposto nel fegato, una piccola quantità del farmaco viene convertita in un sottoprodotto tossico noto come NAPQI. I ricercatori hanno scoperto che la quantità di NAPQI prodotta può variare fino al 50% a seconda dell’ora del giorno in cui viene somministrato il farmaco. Hanno anche scoperto che l’atorvastatina presenta una maggiore tossicità in determinate ore del giorno. Entrambi i farmaci sono metabolizzati in parte da un enzima chiamato CYP3A4, che ha un ciclo circadiano. Il CYP3A4 è coinvolto nell’elaborazione di circa il 50% di tutti i farmaci, per cui i ricercatori intendono ora testare altri farmaci con i loro modelli epatici.
I ricercatori del MIT stanno ora collaborando con i colleghi per analizzare un farmaco antitumorale che sospettano sia influenzato dai cicli circadiani e sperano di verificare se lo stesso vale per i farmaci usati per il trattamento del dolore.
Suscettibilità alle infezioni
Molti dei geni epatici che presentano un comportamento circadiano sono coinvolti nelle risposte immunitarie come l’infiammazione, quindi i ricercatori si sono chiesti se questa variazione potesse influenzare la suscettibilità alle infezioni. Per rispondere a questa domanda, hanno esposto i fegati manipolati al Plasmodium falciparum, un parassita che causa la malaria, in diversi momenti del ciclo circadiano. Questi studi hanno dimostrato che i fegati avevano maggiori probabilità di essere infettati dopo l’esposizione in diversi momenti della giornata. Ciò è dovuto a differenze nell’espressione di geni chiamati geni stimolati dall’interferone, che contribuiscono alla soppressione delle infezioni.
I ricercatori ipotizzano che queste fluttuazioni cicliche siano dovute al fatto che il fegato smorza la sua risposta agli agenti patogeni dopo i pasti, quando normalmente è esposto a un afflusso di microrganismi che potrebbero scatenare l’infiammazione, anche se non sono effettivamente dannosi. Il laboratorio di Bhatia sta ora sfruttando questi cicli per studiare infezioni che normalmente sono difficili da stabilire in fegati ingegnerizzati, tra cui le infezioni da malaria causate da parassiti diversi dal Plasmodium falciparum.
Questo è molto importante per la ricerca, perché semplicemente impostando il sistema e scegliendo il momento giusto per l’infezione, gli esperti possono aumentare il tasso di infezione della loro coltura del 25% e quindi consentire studi farmacologici che altrimenti non sarebbero fattibili.
