16.03.2022

Uczeni z AGH badają, jak chemizm mózgu zmienia się pod wpływem narkotyków


Zdjęcie przedstawia dwie kobiety oraz mężczyznę, którzy stoją obok siebie w rzędzie w laboratorium

Stoją od lewej: dr hab. Anna Drabik, dr hab. Anna Bodzoń-Kułakowska, prof. AGH oraz prof. Piotr Suder, Fot. Marianna Cielecka

Z okazji Światowego Tygodnia Mózgu składamy wizytę naukowcom z Zespołu Biochemii i Neurobiologii AGH. Uczeni badają m.in., jakie procesy zachodzą w mózgu, kiedy poddamy go działaniu opioidów i innych substancji psychoaktywnych. Ich ustalenia w przyszłości mogą pomóc osobom uzależnionym, a także tworzyć terapie leczenia bólu, które nie będą powodować szkodliwych skutków ubocznych.

Z prof. dr. hab. Piotrem Suderem, dr hab. Anną Bodzoń-Kułakowską, prof. AGH oraz dr hab. Anną Drabik rozmawiamy, siedząc w jednym z pomieszczeń Zespołu Biochemii i Neurobiologii AGH. Oglądamy zawieszone na ścianach liczne ramki ze zdjęciami, które dokumentują zagraniczne kontakty krakowskich naukowców. Zwraca m.in. uwagę fotografia zrobiona na szczycie wulkanu Etna. To pamiątka po współpracy z prof. Giuseppe Grasso z Uniwersytetu w Katanii, z którym pracownicy AGH m.in. wspólnie opublikowali książkę „Mass Spectrometry: An Applied Approach”. Udanych kooperacji z uczonymi z kraju i ze świata mają na koncie znacznie więcej.

Historia działalności Zespołu, który wchodzi obecnie w skład Katedry Chemii Analitycznej i Biochemii na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, sięga na AGH do 2009 roku. Faktycznie jest jednak znacznie dłuższa, bo osoby tworzące jego trzon pracowały wcześniej na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Grupie przewodził wówczas prof. Jerzy Silberring, wcześniej związany z Karolinska Insitutet. Badania prowadził tam pod okiem prof. Larsa Tereniusa, rozsławionego w świecie nauki ze względu na odkrycie naturalnie wytwarzanych w ludzkim organizmie peptydów, które działają na odpowiednie receptory w mózgu analogicznie do opioidów. To odkrycie pozwoliło lepiej zrozumieć działanie tych ostatnich oraz opartych na nich farmaceutyków. – W obszarze naszego zainteresowania zawsze był system chemiczny mózgu – wspominana prace prowadzone na UJ prof. Suder, który obecnie kieruje Zespołem w AGH.

Od leczenia uzależnień po nowe leki przeciwbólowe

Choć aktualnie nie jest to jedyny obszar badawczy, na którym skupiają się uczeni, starają się nadal rozwijać swoje wcześniejsze zainteresowania. Koncentrują się w tym względzie na wspomnianych opioidach, a także innych substancjach psychoaktywnych. Chcą lepiej zrozumieć, w jaki sposób wpływają one na procesy biochemiczne, które zachodzą w mózgu przyjmującej je osoby. Ich lepsze poznanie może w przyszłości pomóc lekarzom. Opiaty, takie jak morfina, są od dawna stosowane przez ludzi w wielu różnych celach: od starożytnych obrzędów i terapii po efekty narkotyzujące. Są również powszechnie używane w leczeniu bólu. Mogą jednak powodować efekt tolerancji, wskutek czego konieczne jest przyjmowanie coraz większych dawek specyfiku w celu uzyskania zadowalającego efektu. Co więcej, ich przyjmowanie może prowadzić do uzależnienia organizmu. – Chcemy zrozumieć, dlaczego tak się dzieje i ewentualnie znaleźć sposoby stosowania leków przeciwbólowych, które nie uzależniałyby i nie dawały efektu tolerancji – mówi prof. Bodzoń-Kułakowska.

Dr hab. Drabik dodaje też potrzebę pomocy osobom już uzależnionym od narkotyków, takich jak heroina, która również jest jednym z opioidów. Pracownica AGH wskazuje także na jeszcze jeden istotny aspekt prowadzonych prac: – Obecnie odchodzi się od syntetycznie wytwarzanych leków, poszukując substancji naturalnie wytwarzanych przez ludzki organizm, które potrafią modulować pracę mózgu. Szukamy dróg ich podania, żeby zapobiegać rożnego rodzaju schorzeniom.

Prof. Suder tłumaczy, że rozpatrując reakcję biochemiczną mózgu na podanie opioidów, należy uwzględnić skomplikowaną sieć powiązanych ze sobą neuroprzekaźników i neuromodulatorów, które odgrywają istotną rolę w procesach zachodzących w układzie limbicznym. Oprócz tego w grę wchodzi również co najmniej kilka czynników, które wpływają na aktywność genów po dłuższym czasie narażenia organizmu na substancje psychoaktywne, nawet po zaprzestaniu ich stosowania.

– Nauka dobrze zna główne mechanizmy działania opioidów oraz ich receptorów, a także potrafi opisać odpowiedź chemiczną centralnego układu nerwowego na podstawowym poziomie. Całość procesów zachodzących w układzie nagrody jest jednak na tyle skomplikowana, iż w gruncie rzeczy wiemy bardzo niewiele. Dlatego mnóstwo zespołów badawczych na świecie, w tym my, zajmuje się problemem uzależnień – wyjaśnia uczony.

Badania nad białkami, lipidami i peptydami

Rozwój nauki to stawianie wielu małych kroków, które rozszerzają dostępną nam wiedzę. Stawiając je, pracownicy AGH posługują się m.in. metodami proteomicznymi, sprawdzając, jak zmieniają się stężenia białek w tkance mózgowej. Analizując wybrane z nich, np. enzymy wytwarzane w wybranych strukturach centralnego układu nerwowego, które zaangażowane są w procesy metaboliczne w komórce, wykazali np., że przyjmowanie morfiny może zaburzać funkcjonowanie szlaków przemian energetycznych, co stanowi punkt wyjścia do kolejnych badań.

– Gdyby udało nam się wskazać szlak, który w przypadku uzależnienia od narkotyków nie działa prawidłowo i udałoby się go zmodyfikować w ten sposób, aby przywrócić jego prawidłowe funkcjonowanie, mogłoby się okazać, że odkryliśmy obiecującą substancję, będącą lekiem przeciwdziałającym uzależnieniu od narkotyków, albo hamującym objawy abstynencji – tłumaczy prof. Bodzoń-Kułakowska.

Zaskakujące było również odkrycie, że pod wpływem zażywania morfiny, amfetaminy i kokainy zmienia się w mózgu stężenie lipidów – niewiązanych dotąd powszechnie z procesem uzależnienia od substancji psychoaktywnych. – Publikowaliśmy w tym samym okresie, co koledzy ze Stanów Zjednoczonych, którzy napisali bardzo podobny artykuł. Nie było jednak żadnych kontrowersji co do pierwszeństwa publikacji, ponieważ badania były prowadzone całkowicie bez wiedzy, że inny zespół pracuje nad tym samym problemem. To było bardzo ciekawe doniesienie literaturowe – mówi prof. Suder.

Zdjęcie przedstawia front urządzenia, gdzie widoczne są podłączone kable i pokrętła

Źródło jonów typu electrospray do spektrometru Exploris 240 z chromatografem Ultimate 3000, fot. Marianna Cielecka

Badacze z AGH zaprezentowali też nowatorskie podejście do obrazowania tkanek metodą spektrometrii mas (MALDI-MSI), które umożliwia wykrywanie cholesterolu i lipidów w tkance mózgowej z większą niż dotychczas dokładnością. Jedne z ostatnich badań koncentrowały się natomiast na hemorfinach, naturalnie wytwarzanych przez mózg peptydach opioidowych i ich roli w procesie uzależnienia od alkoholu. – Podanie hemorfiny mogłoby mieć zastosowanie terapeutyczne. Co więcej, ma ona również działanie przeciwbólowe – referuje dr hab. Drabik.

Zwierzęta w badaniach: czym mózg szczura różni się od ludzkiego?

Krakowscy naukowcy swoje ustalenia poczynili, nie badając ludzi, lecz szczury. Zwierzęta najpierw były poddawane działaniu substancji psychoaktywnych, a następnie wykorzystywano ich mózgi do badań. Eksperymenty prowadzone są w zgodzie z polskim i europejskim prawem oraz zatwierdzone przez odpowiednią Komisję Bioetyczną. Naukowcy, projektując badania z udziałem zwierząt, ściśle stosują tzw. zasadę „3R” (ang. refinement, reduction, replacement). Zaleca ona planowanie badania w taki sposób, aby maksymalnie ograniczać stres i cierpienie zwierząt (refinement). Ponadto, nakłada obowiązek zredukowania ich liczby w eksperymencie do niezbędnego minimum (reduction) oraz, jeśli to możliwe, zastępowanie badań na zwierzętach innymi metodami (replacement).

Pytamy wobec tego, dlaczego badania na zwierzętach nie mają alternatywy oraz w jakim stopniu ustalenia poczynione w oparciu o analizę szczurzych organów można odnosić do ludzi.

– Model szczurzy bardzo dobrze odzwierciedla, co dzieje się w mózgu człowieka na poziomie chemicznym – wyjaśnia prof. Suder. – W związku z tym możemy sprawdzić, co zmienia się po podaniu narkotyków czy innych substancji uzależniających i wywodzić na podstawie tego, co stanie się w podobnej sytuacji z mózgiem ludzkim. Co prawda istnieją również inne modele, które w ograniczony sposób potrafią nam również pokazać to, na czym nam zależy. Możemy hodować np. linie komórkowe czy używać modelowania komputerowego, badając zachowanie poszczególnych receptorów w kontekście działania określonych substancji. Nie daje nam to jednak kompletnej wiedzy o badanym procesie. Pewnych badań nie możemy prowadzić inaczej, niż obserwując to, w jaki sposób zachowuje się zwierzę w ściśle kontrolowanych warunkach eksperymentów.

Zdjęcie przedstawia kobietę i mężczyznę, którzy wyciągają podłużny element z dużego naczynia

Naczynie Dewara, w którym przechowywane są pobrane tkanki, fot. Marianna Cielecka

Dr hab. Drabik wyjaśnia, że naukowcy starają się robić wszystko, aby „życie danego zwierzęcia nie zostało zmarnowane”: – Nie pobieramy tylko mózgu, ale też inne organy. Wszystkie pozyskane tkanki przechowujemy w dewarach i wykorzystujemy do innych badań. Całość uzyskanego materiału biologicznego jest bankowana i szczegółowo opisywana na wypadek, gdyby zaszła konieczność powtórzenia określonych analiz. Podobnie dzieje się w przypadku materiału ludzkiego, który jest magazynowany zgodnie z odpowiednimi procedurami i szczegółowo dokumentowany, łącznie ze zanonimizowaną kartą pacjenta.

Narkotyki w badaniach naukowych

Naukowcy, żeby zakupić w sposób legalny substancje psychoaktywne, muszą posiadać zgodę Głównego Inspektoratu Farmaceutycznego. Bezpośredni nadzór nad laboratorium sprawuje natomiast Wojewódzki Inspektorat Farmaceutyczny. Zakupione w ten sposób substancje są przechowywane, a następnie utylizowane z zachowaniem ściśle określonych procedur. Za ich nieprzestrzeganie grożą surowe kary ze strony państwowych regulatorów.

– Substancje odurzające i psychoaktywne można zakupić w ilościach gramowych, ściśle zgodnie z udzielonym pozwoleniem, które opiewa na określoną ilość substancji. W eksperymentach musimy posługiwać się czystymi substancjami, bo w przeciwnym razie wyniki naszych analiz nie będą spójne, np. z wynikami innych grup badawczych. Czyste substancje wykorzystywane w naszych analizach mają się nijak do tego, co spotyka się na ulicach ze względu na kontrolę produkcji, oczyszczanie i sposób dostawy. Dlatego są niewiarygodnie drogie, płacimy tysiące złotych za jeden gram – opowiada kierownik zespołu.

Czy to adekwatna cena postępu naukowego?

– Mamy coraz doskonalsze metody badawcze. Technika, którą dysponujemy, jest coraz bardziej czuła. Obecnie możemy obserwować procesy, których nie można było badać jeszcze kilka lat temu – deklaruje prof. Bodzoń-Kułakowska. – Mamy nadzieję, że w przyszłości nasze badania przyczynią się do poprawy życia osób uzależnionych i ich bliskich w kontekście społecznym i ekonomicznym.

 

Piotr Włodarczyk, Centrum Komunikacji i Marketingu