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.

Plastyczność synaps

Artur Wolski

Dr Grzegorz Wilczyński

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

Obraz synapsy w mikroskopie elektronowym. Czarne ziarna pokazują lokalizację MMP-9. Strzałki wskazują zarysy pęcherzyków zawierających neurotransmiter. Skala: 100 nm.

– 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.