W 1992 roku tlenek azotu został uznany za Cząsteczkę Roku. Sześć lat później badania nad nim ukoronowano Nagrodą Nobla. To jeszcze nie koniec zawrotnej kariery tego związku chemicznego.

NA TROPIE NO

Mariusz Karwowski

Wszystko dlatego, że zidentyfikowana dokładnie dwadzieścia lat temu cząsteczka NO, nadal jest w centrum zainteresowania. Jej atrakcyjność pod względem badawczym już dobrych kilkanaście lat temu dostrzegli również polscy uczeni. Czy niebawem będziemy świętować kolejny sukces z tlenkiem azotu w roli głównej?

– Jesteśmy na etapie wykazania znaczenia tlenku azotu w procesie starzenia mózgu, w zaburzeniach pamięci i w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona. Sporo jeszcze przed nami tajemnic do rozwikłania, a liczy się przecież efekt. Zagadnienie nie jest proste – z pewną ostrożnością przyznaje prof. Joanna Strosznajder kierująca Zakładem Komórkowej Transdukcji Sygnału w Instytucie Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN.

Z tlenkiem azotu sprawa rzeczywiście nie jest prosta. Ta mała, biologicznie aktywna cząsteczka gazu, przy tym niestabilna – ulega rozpadowi po zaledwie pięciu sekundach – bierze udział w niezliczonej ilości procesów fizjologicznych. Bez niej funkcjonowanie ośrodkowego układu nerwowego, immunologicznego, krwionośnego, byłoby nie tylko poważnie zakłócone, ale wręcz niemożliwe. Jest odpowiedzialna za przepływ krwi, a tym samym reguluje np. dostarczanie tlenu, glukozy i aminokwasów. Znajduje się dosłownie w każdej komórce ludzkiego organizmu: w płucach, wątrobie, nerkach, żołądku, jelitach... Odpowiada też w dużym stopniu za zjawisko erekcji, a u kobiet uczestniczy w mechanizmie pobudzenia seksualnego. Nic dziwnego, że tak wszechstronny związek chemiczny został uznany przez prestiżowy tygodnik „Science” za Cząsteczkę Roku 1992.

IMPULS OD NO...BLISTY

Istotną rolę tlenek azotu odgrywa również w mózgu. Tym tropem podążyli polscy naukowcy przed laty, a impulsem do dalszych badań stała się tegoroczna wizyta w Polsce Louisa J. Ignarro z University of California w Los Angeles, jednego z trójki noblistów uhonorowanych osiem lat temu za badania nad NO.

– Zajęliśmy się procesem starzenia mózgu. Starzenie to najważniejszy czynnik ryzyka chorób neurodegeneracyjnych. Badaliśmy, jaki jest udział tej molekuły w procesie starzenia się mózgu. Nasze prace z drugiej połowy lat 90. wzbudziły duże zainteresowanie w świecie. Jako pierwsi wykazaliśmy wtedy zaburzenia ważnych zjawisk na szlaku przekaźnictwa informacji zależnego od NO – wspomina prof. Strosznajder.

Zaobserwowano, że w mózgach starszych dochodzi do wzrostu poziomu tlenku azotu. Ten nadmiar jest szkodliwy dla komórek. Dwuatomowa cząsteczka, która odpowiada za tak wiele funkcji w organizmie, okazała się zdradliwa. Najbardziej u ludzi cierpiących na chorobę Alzheimera. Postanowiono więc bliżej przyjrzeć się temu zagadnieniu. Do współpracy Instytut Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej zaprosił naukowców z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie nad Menem. W sumie w przedsięwzięciu uczestniczyło 15 osób. Trzyletni projekt właśnie dobiegł końca.

– Już teraz mogę powiedzieć, że był to niezwykle owocny grant. Dał nam możliwość szerszego spojrzenia, zrozumienia wielu zjawisk, które zachodzą w komórce. Przyczyny nadmiaru tlenku azotu i skutki jego działania badaliśmy na liniach komórkowych i zwierzętach modyfikowanych genetycznie oraz na materiale biologicznym, pochodzącym od pacjentów z chorobą Alzheimera – wyjaśnia prof. Joanna Strosznajder.

Choroba ta dotyka głównie ludzi starszych. Ryzyko jej wystąpienia rośnie wraz z wiekiem. Pierwsze objawy pojawiają się u sześćdziesięciolatków. Po 85. roku życia zapada na nią prawie połowa populacji. Na świecie jest już kilkanaście milionów ludzi dotkniętych tym schorzeniem. W Polsce – ponad 250 tysięcy. Uważa się, że częściej na chorobę zapadają kobiety. Ale to prawdopodobnie złudzenie, wynikające z prostego faktu – po prostu kobiety żyją dłużej od mężczyzn i w związku z tym częściej można stwierdzić u nich tę chorobę.

– Pojawiają się tu i ówdzie takie sugestie, że terapia hormonalna może jakoś przed nią chronić. Ale dokładne badania w dużych populacjach tego nie potwierdzają. Udało się za to potwierdzić, że około 5−10 procent przypadków jest uwarunkowanych genetycznie. Ostatnio w badaniach przeprowadzonych w naszym instytucie okazało się, że istnieje związek pomiędzy zmianami polimorfizmu genu endotelialnej syntazy NO a chorobą Alzheimera w populacji polskich pacjentów. Ta izoforma syntazy bierze udział w regulacji krążenia i mechanizmie uczenia się i pamięci.

ŚMIERTELNY AMYLOID

Choroba Alzheimera zaczyna się całkiem niewinnie. Od zapominania, w którym miejscu leżą okulary, gdzie gazeta, co się stało z położonymi na stół kluczami. Z czasem objawy przybierają na sile: pojawiają się trudności z odnalezieniem właściwej drogi do domu, człowiek zaczyna się bać, staje się agresywny. Pierwszy przypadek zdiagnozowano w 1907 roku i od tamtej pory nieustannie trwają poszukiwania skutecznego lekarstwa. Na razie bez skutku. Ale za to wiedza na temat choroby znacznie się poszerzyła. I to daje już pewną nadzieję. Wiadomo, że za rozwój schorzenia odpowiedzialny jest amyloid beta – peptyd, który odkłada się w komórkach mózgu, doprowadzając stopniowo do ich śmierci. Uszkodzeniu ulegają w tym procesie także połączenia międzykomórkowe, co w bezpośredni sposób prowadzi do zaburzeń i utraty pamięci. Stąd właśnie ten objaw najczęściej kojarzony jest z chorobą Alzheimera. Polscy naukowcy dostrzegli w przebiegu schorzenia jeszcze jedno ciekawe zjawisko – znaczący wzrost poziomu tlenku azotu.

– Spróbowaliśmy zbadać, jaki jest wpływ amyloidu beta na aktywność enzymu wytwarzającego NO. I udało nam się wykazać, iż zwiększa tę aktywność, a co za tym idzie – również podnosi poziom NO. Tlenek azotu, który sam jest wolnym rodnikiem, w wyniku interakcji z innym wolnym rodnikiem staje się molekułą toksyczną i uwalnia z kolei białka, które biorą udział w obumieraniu komórki.

Ale należy pamiętać, że sama cząsteczka NO, produkowana nawet w dużych ilościach, nie jest niebezpieczna. Dopiero gdy wejdzie w reakcję z rodnikiem ponadtlenkowym, powstaje toksyczny związek, który powoduje tzw. kaskadę wolnorodnikową. Uszkadza ona struktury wewnątrzkomórkowe. A najpoważniejszą konsekwencją jest uszkodzenie DNA, struktury będącej nośnikiem informacji genetycznej.

– DNA jest uszkadzane w każdej sekundzie naszego życia przez różne czynniki, jak choćby dym tytoniowy. Komórka stale uruchamia jednak mechanizmy naprawcze. W przypadku masywnego uszkodzenia DNA mamy do czynienia z nadmierną aktywacją enzymu, co doprowadza do bardzo niekorzystnych zmian w komórce – tłumaczy prof. Strosznajder i opisowo przedstawia sekwencje zdarzeń prowadzących do śmierci komórek w wyniku zabójczego działania NO.

– Tlenek azotu niczym „duch” przenika przez ściany komórkowe i, co ciekawe, nie działa w komórkach, w których jest syntetyzowany, lecz w sąsiednich. I to dla nich jest toksyczny. W następnym etapie badań spróbujemy dokładnie zbadać właśnie ten enzym, który ostatecznie decyduje o przeżyciu bądź śmierci komórki – dodaje.

Z chorobą Alzheimera wiąże się również inny wynik badań. Okazało się, iż strukturą mózgową najbardziej narażoną na działanie tlenku azotu jest hipokamp, odpowiedzialny za pamięć i uczenie się. To właśnie tam, a nie np. w korze mózgowej nowej, zaobserwowano najwięcej zmian w wyniku działania NO. Czyżby więc miało się okazać, że to właśnie jest retrograde messenger, poszukiwany od dawna klucz do rozwiązania zagadki mechanizmu zapamiętywania? Być może najważniejszą funkcją tej niewielkiej molekuły w układzie nerwowym jest właśnie rola tzw. przekaźnika zwrotnego, przesyłającego informację z części postsynaptycznej do presynaptycznej. Oznacza to, że bierze ona udział w długotrwałym wzmocnieniu synaptycznym, czyli wzmocnieniu informacji, dzięki czemu jest ona zapamiętywana i utrwalana. To niezwykle ważna funkcja NO, bo dzięki niej nie musimy każdego lata od nowa „uczyć się” choćby zapachu świeżych pomarańczy. Raz zakodowany sygnał zostaje w odpowiednim momencie uruchomiony ponownie.

– Po okresie bardzo ostrych starć naukowych wyklarowało się dominujące obecnie spojrzenie na patomechanizm choroby Alzheimera. Związane jest ono właśnie ze zwiększonym uwalnianiem amyloidu beta, który wywołuje wszelkie zmiany towarzyszące chorobie. Z zaburzeniem tym związane są wszystkie znane obecnie mutacje genetyczne. W ostatnich latach dokonał się ogromny postęp w badaniach w tym zakresie. Wiemy już na przykład, jakie enzymy odpowiedzialne są za uwalnianie i degradację tego peptydu.

DOBRY, LEPSZY, REWELACYJNY

Zatrzymanie procesu nadmiernego uwalniania NO mogłoby się przyczynić w dużym stopniu do zapobiegania chorobie Alzheimera. Ale nie będzie to takie łatwe. Tlenek azotu syntetyzowany jest z występującego naturalnie w ludzkim organizmie aminokwasu L−argininy przez enzym – syntazę tlenku azotu. Najwięcej kłopotów sprawiają naukowcom pewne formy tego enzymu: indukowana i neuronalna, odpowiadające za nadprodukcję tlenku azotu, oraz endotelialna, nadzorująca w hipokampie prawidłowe funkcjonowanie mechanizmów uczenia się i pamięci. Opracowując lek, należałoby więc specyficznie zahamować syntazę indukowaną i neuronalną, ale nie naruszyć endotelialnej, a być może nawet jeszcze bardziej ją aktywować. Niestety, to zadanie skomplikowane. Dlatego też na razie leki, które są na rynku, jedynie spowalniają i łagodzą objawy choroby. Opóźnić jej rozwój, ale niecałkowicie wyeliminować, mogą wszelkie czynności intelektualne, takie jak rozwiązywanie krzyżówek, gra w szachy. Z drugiej strony należy pamiętać, że w batalii tej tlenek azotu nie jest jedynym przeciwnikiem.

– Choroba Alzheimera to patologia wieloczynnikowa i byłabym ostrożna jeśli chodzi o „faworyzowanie” któregokolwiek elementu. Trudno powiedzieć, czy tlenek azotu odgrywa jakąś rolę w etiologii tej choroby, ale na pewno w patomechanizmie ma istotne znaczenie – podsumowuje wnioski z międzynarodowego grantu prof. Strosznajder.

I podkreśla, że poszukiwania skuteczniejszych związków prowadzone są również w kierowanym przez nią zakładzie. Przy współpracy z Politechniką Warszawską próbowano udoskonalić związki, usuwając rodnik ponadtlenkowy. To w znacznej mierze obniżyłoby toksyczność tlenku azotu, który sam nie stwarzałby już zagrożenia. I rzeczywiście, okazało się to dobrym posunięciem. Ale... tylko dobrym.

– Żeby zachęcić duże koncerny, potrzebny byłby wynik nie trochę lepszy, ale wręcz rewelacyjny. Musi być naprawdę atrakcyjny, żeby ktoś zdecydował się zainwestować ogromne pieniądze. Ale nie poddajemy się i nadal walczymy, tym bardziej że wyniki naszych wcześniejszych badań rozbudziły spore nadzieje.

Coraz lepiej, również dzięki polskim naukowcom, rozumiemy genezę i patomechanizm choroby Alzheimera. Na końcowy sukces trzeba będzie jednak poczekać. Ale warto, nawet za cenę nieudanego eksperymentu, przecierać nowe szlaki. W końcu, jak przyznał w maju tego roku w Warszawie prof. Louis J. Ignarro, „Nagroda Nobla nigdy nie trafi do osoby, która całymi latami jedynie pogłębia obecną wiedzę”.