Organoidy mózgu odkrywają neuropsychiatryczne działania montelukastu

Czy model organoidów ujawnia neuropsychiatryczne ryzyko MTK?

Badanie przeprowadzone z wykorzystaniem ludzkich organoidów mózgu przedniego (hFOs) dostarcza nowego wglądu w mechanizmy neuropsychiatrycznych działań niepożądanych montelukastu (MTK) – antagonisty receptora cysteinyloleukotrienowego 1 (CysLT1) stosowanego w leczeniu astmy i alergicznego nieżytu nosa. Pomimo udokumentowanej skuteczności terapeutycznej, od 2007 roku FDA ostrzega o potencjalnym ryzyku neuropsychiatrycznym związanym ze stosowaniem MTK, szczególnie u dzieci.

Badacze wykorzystali zaawansowany model organoidów mózgu ludzkiego wygenerowanych z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (hiPSC), aby zbadać wpływ MTK na ekspresję genów i funkcje neuronalne. Eksperymenty przeprowadzono przy dwóch stężeniach leku: 20 ng/ml (odpowiadającym dawce terapeutycznej w płynie mózgowo-rdzeniowym) oraz 400 ng/ml (dawka supraterapeutyczna). Organoidy eksponowano na MTK przez 7 dni, co odpowiada okresowi, w którym najczęściej obserwuje się neuropsychiatryczne działania niepożądane u pacjentów.

Populacja badana obejmowała organoidy mózgu wygenerowane z linii hiPSC pochodzących od dwóch zdrowych dawców (jednej kobiety oznaczonej jako U2F i jednego mężczyzny oznaczonego jako U1M). Badacze zastosowali kompleksowe podejście metodologiczne, łącząc analizę sekwencjonowania RNA (RNA-seq), badania cytotoksyczności (test LDH), pomiary aktywności neuronalnej za pomocą wieloelektrodowych matryc (MEA), obrazowanie wapnia oraz analizę złożoności dendrytycznej.

Jak MTK zakłóca funkcje neuronalne?

Kluczowym odkryciem było to, że ekspozycja na MTK w dawce terapeutycznej nie powodowała cytotoksyczności ani nie wpływała na żywotność komórek, ale istotnie modyfikowała ekspresję genów w organoidach mózgu. Analiza różnicowej ekspresji genów wykazała 653 genów o zmienionej ekspresji po ekspozycji na 20 ng/ml MTK, z czego 384 geny były obniżone. Geny te były istotnie wzbogacone w funkcje neuronalne, w tym regulację sygnalizacji transsynaptycznej, poziomy neuroprzekaźników oraz szlaki sygnalizacyjne cAMP i wapnia. Co ważne, obniżone geny wykazywały znaczące pokrywanie się z genami związanymi z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, takimi jak schizofrenia, choroba afektywna dwubiegunowa, depresja i autyzm.

Funkcjonalnie, ekspozycja na MTK prowadziła do defektów dojrzewania neuronalnego i zmniejszonej pobudliwości neuronów. Badania na bezpośrednio indukowanych neuronach wykazały zmniejszoną złożoność dendrytyczną po ekspozycji na MTK, co objawiało się krótszymi dendrytami i mniejszą liczbą rozgałęzień. Pomiary elektrofizjologiczne za pomocą MEA ujawniły zmniejszoną liczbę impulsów neuronalnych i obniżony indeks synchronizacji sieci neuronalnej, co potwierdzono również przez zmniejszone transjenty wapniowe w analizie obrazowania wapnia.

Badacze zidentyfikowali adenylate cyclase 1 (ADCY1) jako kluczowy mediator neuropsychiatrycznych efektów MTK. ADCY1, enzym specyficzny dla mózgu katalizujący tworzenie cAMP z ATP, był znacząco obniżony po ekspozycji na MTK. Co istotne, ADCY1 jest powiązany z zaburzeniami psychicznymi, a jego niedobór u myszy powoduje upośledzenie długotrwałego potencjału móżdżkowego oraz deficyty uczenia się przestrzennego i pamięci. Badacze wykazali, że zarówno MTK, jak i specyficzny inhibitor ADCY1 (ST034307) obniżały poziomy cAMP i glutaminianu w organoidach, prowadząc do zmniejszonej aktywności neuronalnej. Nadekspresja ADCY1 częściowo ratowała te fenotypy, potwierdzając centralną rolę tego enzymu w pośredniczeniu efektów MTK.

Analiza dokowania molekularnego sugerowała, że MTK może funkcjonować poprzez wiązanie się z receptorami sprzężonymi z białkiem G (GPCR), które hamują aktywność ADCY1. Cztery receptory GPCR (ADRA2C, CHRM1, CHRM3 i DRD3) wykazywały silne powinowactwo wiązania do MTK (energia wiązania < -7 kcal/mol), co sugeruje potencjalny mechanizm, przez który MTK reguluje ekspresję ADCY1 w organoidach mózgu. Warto zauważyć, że MTK jest znanym antagonistą CysLTR1 i GPR17, jednak ekspresja tych receptorów nie została wykryta w danych RNA-seq z badanych organoidów, co wskazuje, że MTK może działać poprzez wiązanie z innymi receptorami w hFOs.

Jak wyniki badań przekładają się na praktykę kliniczną?

Wyniki te mają istotne implikacje kliniczne, wyjaśniając mechanizm molekularny, przez który MTK może powodować neuropsychiatryczne działania niepożądane. Badanie wskazuje na szlak sygnalizacyjny ADCY1-cAMP jako potencjalny cel interwencji terapeutycznych mających na celu łagodzenie tych efektów. Interesująco, badacze zaobserwowali również, że wyższa dawka MTK (400 ng/ml) podwyższała ekspresję genów związanych z chorobami neurodegeneracyjnymi i fosforylacją oksydacyjną, sugerując potencjalną rolę ochronną przeciwko neurodegeneracji poprzez podniesienie szlaku metabolizmu energetycznego.

Oprócz wpływu na poziom glutaminianu, badacze stwierdzili, że ekspozycja na MTK zmniejszała również poziom GABA (kwasu gamma-aminomasłowego) w organoidach mózgu. Jednak w przeciwieństwie do glutaminianu, obniżone poziomy GABA nie mogły być przywrócone przez nadekspresję ADCY1, co sugeruje, że ADCY1 uczestniczy w metabolizmie glutaminianu, ale nie GABA. To odkrycie dostarcza dodatkowych informacji na temat selektywnego wpływu MTK na różne neuroprzekaźniki w mózgu.

Ograniczenia badania obejmują fakt, że nie wszyscy pacjenci przyjmujący MTK rozwijają objawy neuropsychiatryczne, co sugeruje zmienność odpowiedzi na lek między osobnikami. Mimo że kluczowe odkrycia zostały zwalidowane w dwóch liniach hiPSC, potrzebne są badania na większej liczbie linii komórkowych pochodzących od dawców, którzy klinicznie rozwinęli lub nie rozwinęli objawów neuropsychiatrycznych po terapii MTK. Ponadto, chociaż analizy dokowania molekularnego sugerowały kilka GPCR jako potencjalne cele wiązania MTK, konieczne są dalsze eksperymenty walidacyjne, aby potwierdzić te interakcje.

Podsumowując, badanie to dostarcza mechanistycznego wyjaśnienia neuropsychiatrycznych działań niepożądanych MTK, podkreślając hamowanie szlaku sygnalizacyjnego ADCY1-cAMP jako kluczowy mediator. Odkrycia te mogą pomóc w identyfikacji pacjentów o podwyższonym ryzyku neuropsychiatrycznych działań niepożądanych MTK oraz w opracowaniu strategii ich łagodzenia. Badanie podkreśla również dwustronny efekt MTK – potencjalnie szkodliwy wpływ na ryzyko neuropsychiatryczne przy jednoczesnej ochronnej roli przeciwko chorobom neurodegeneracyjnym, co ma istotne znaczenie dla praktyki klinicznej.

Podsumowanie

Badanie przeprowadzone na ludzkich organoidach mózgu przedniego wykazało, że montelukast (MTK) – lek stosowany w leczeniu astmy i alergii – może powodować działania niepożądane poprzez wpływ na funkcje neuronalne. Ekspozycja na dawkę terapeutyczną MTK (20 ng/ml) znacząco modyfikowała ekspresję 653 genów, szczególnie tych związanych z funkcjami neuronalnymi i zaburzeniami psychicznymi. Kluczowym odkryciem było zidentyfikowanie enzymu ADCY1 jako głównego mediatora efektów neuropsychiatrycznych MTK. Lek prowadził do defektów dojrzewania neuronalnego, zmniejszonej pobudliwości neuronów i obniżonych poziomów neuroprzekaźników. Wyższe dawki MTK (400 ng/ml) wykazywały potencjalne działanie ochronne przeciwko neurodegeneracji. Badanie dostarcza mechanistycznego wyjaśnienia działań niepożądanych MTK i może pomóc w identyfikacji pacjentów z podwyższonym ryzykiem wystąpienia efektów neuropsychiatrycznych.