Mitochondria jako mediator interakcji między upałami a działaniem leków

Czy mitochondria kontrolują skutki upałów i toksyczności leków?

Mitochondria jako kluczowy element interakcji między wysoką temperaturą a toksycznością leków – nowe spojrzenie na efekty venlafaksyny

Organizmy wodne stoją przed podwójnym wyzwaniem środowiskowym – coraz częstszymi falami upałów oraz rosnącym stężeniem farmaceutyków w wodach powierzchniowych. Naukowcy od dawna podejrzewali, że te dwa czynniki mogą wchodzić w interakcje, potencjalnie nasilając negatywne efekty każdego z nich. Nowe badanie rzuca światło na mechanizmy komórkowe tych interakcji, skupiając się na mitochondriach – organellach komórkowych odpowiedzialnych za produkcję energii, które mogą być kluczowym miejscem tych oddziaływań. Badanie to ma również istotne implikacje dla medycyny ludzkiej, ponieważ mechanizmy mitochondrialne są wysoce konserwatywne ewolucyjnie między gatunkami.

Mitochondria stanowią centralny element metabolizmu tlenowego. Zawierają kompleksy białkowe łańcucha oddechowego (I-V), które wykorzystują elektrony z NADH i FADH₂ do wytworzenia gradientu protonowego napędzającego syntezę ATP. Ze względu na kluczową rolę w metabolizmie komórkowym, zaburzenia funkcji mitochondriów mogą mieć daleko idące konsekwencje dla całego organizmu. Fosforylacja oksydacyjna, główny proces metabolizmu tlenowego, jest katalizowana przez wielopodjednostkowe enzymy (“kompleksy”) zlokalizowane wzdłuż mitochondrialnego łańcucha oddechowego. Kompleksy te są potencjalnym miejscem działania wielu leków i toksyn, w tym powszechnie stosowanych farmaceutyków.

Kompleks I (oksydoreduktaza NADH:ubichinon) pobiera elektrony bezpośrednio z NADH wytworzonego przez cykl kwasu cytrynowego (TCA) do pompowania protonów do przestrzeni międzybłonowej. Kompleks II (dehydrogenaza bursztynianowa) jest członkiem zarówno cyklu TCA, jak i systemu transportu elektronów, ale pełni podobną funkcję jak kompleks I, utleniając bursztynian i ostatecznie przyjmując elektrony z FADH₂. Elektrony pochodzące z tych reakcji zbiegają się w puli ubichinonu przed przejściem do kompleksu III, który również przyczynia się do gradientu protonowego, zanim przeniesie elektrony do cytochromu c. Elektrony są przekazywane z cytochromu c do końcowej pompy protonowej, kompleksu IV (oksydaza cytochromu c [COX]), zanim zareagują z O₂, końcowym akceptorem elektronów systemu.

Rola mitochondriów w wyznaczaniu granic termicznych organizmów zmiennocieplnych pozostaje nierozstrzygnięta. U ektotermów, górna tolerancja termiczna (odzwierciedlona przez krytyczne maksimum termiczne [CT_max]) ma wyraźne pozytywne związki zarówno z oddychaniem w stanie 3 (fosforylacja oksydacyjna [OXPHOS]), jak i ze sprzężeniem mitochondrialnym (współczynnik kontroli oddechowej [RCR]), dwoma kluczowymi wskaźnikami funkcjonalności systemu transportu elektronów. Jednak mitochondria in vitro często przewyższają szacunki termicznej tolerancji całego organizmu, utrzymując normalną funkcję w pobliżu i poza CT_max, co sugeruje, że zdolność oddechowa systemu transferu elektronów może nie być etapem ograniczającym szybkość w całkowitej tolerancji termicznej zwierząt.

Jak venlafaksyna oddziałuje na funkcje mitochondrialne?

Jednym z powszechnych zanieczyszczeń w ekosystemach wodnych jest venlafaksyna – selektywny inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny i noradrenaliny (SNRI), stosowany w leczeniu depresji i zaburzeń lękowych. Venlafaksyna regularnie wykrywana jest w środowisku wodnym, osiągając stężenia przekraczające 1 μg/L, szczególnie w pobliżu oczyszczalni ścieków, gdyż współczesne metody oczyszczania nie usuwają jej całkowicie. “Koncentracje venlafaksyny w środowisku mogą osiągać lub nawet przekraczać 1 μg/L w niektórych lokalizacjach, zwłaszcza poniżej oczyszczalni ścieków” – wskazują autorzy badania.

Dotychczasowe badania wykazały, że venlafaksyna może wpływać na rozwój, fizjologię i zachowanie ryb, w tym na oddychanie mitochondrialne i ekspresję mikroRNA w homogenatach mózgu, aktywność enzymatyczną skrzeli oraz rozwój układu nerwowego i endokrynnego. Jednak jej bezpośredni wpływ na funkcje mitochondriów pozostawał słabo poznany.

Specyficzne efekty venlafaksyny na funkcje mitochondrialne są mniej zrozumiałe niż efekty starszych leków przeciwdepresyjnych, takich jak fluoksetyna, ale istnieją pewne dowody, że venlafaksyna negatywnie wpływa na system transportu elektronów. Zaledwie 30-minutowa inkubacja z 500 μmol/L venlafaksyny prowadzi do spadku aktywności enzymatycznej kompleksu II i IV w mitochondriach izolowanych z mózgów świń. W przeciwieństwie do tego, przewlekłe podawanie venlafaksyny (10 mg/kg przez 15 dni), które jest bardziej reprezentatywne dla klinicznego stosowania, prowadzi do zwiększonej aktywności enzymatycznej kompleksu II i IV w korze przedczołowej, a także zwiększonej aktywności enzymatycznej kompleksu II w hipokampie i prążkowiu samców szczurów.

U ektotermów ogólnym oczekiwaniem jest, że procesy obsługi i detoksykacji zanieczyszczeń będą podlegać wpływowi środowiska termicznego, tak że wyższe temperatury zwiększą toksyczność większości zanieczyszczeń ze względu na zwiększony metabolizm i/lub zmienione profile metabolitów. Na przykład, młodociane meagre (Argyrosomus regius) narażone na venlafaksynę i ocieplenie wykazują zwiększony wychwyt venlafaksyny przez mózg, a także zarówno zmniejszony wychwyt, jak i upośledzoną eliminację w wątrobie, podkreślając nie tylko, że ocieplenie zmienia farmakokinetykę związku, ale że te zmiany są specyficzne dla tkanki.

Czy model tilapii nilowej odkrywa nowe mechanizmy?

Naukowcy postanowili zbadać ten problem, wykorzystując jako model tilapię nilową (Oreochromis niloticus), drugi najważniejszy gatunek ryb hodowlanych na świecie. Tilapia jest uznawana za gatunek stosunkowo odporny na zanieczyszczenia i wysokie temperatury, co czyni ją dobrym modelem do badania interakcji między ociepleniem a zanieczyszczeniami. Światowa produkcja tilapii przekroczyła 6 milionów ton w 2018 roku i wzrasta z roku na rok od lat 90. Zrozumienie, jak tilapia radzi sobie z wysokimi temperaturami i zanieczyszczeniami, które są pojawiającymi się problemami dla globalnej produkcji żywności, ma zatem duże znaczenie dla globalnej społeczności akwakultury.

W badaniu zastosowano mechanistyczne podejście, aby: (1) zbadać wpływ ostrych wzrostów temperatury na oddychanie, sprzężenie i maksymalną aktywność enzymatyczną mitochondriów izolowanych z wątroby dorosłych tilapii nilowych oraz (2) scharakteryzować, jak ekspozycja na venlafaksynę moduluje te efekty. Naukowcy przewidywali, że ostra ekspozycja na venlafaksynę pogorszy funkcje mitochondrialne, a efekty te będą najbardziej widoczne w wyższych temperaturach, gdy reakcje metaboliczne mitochondriów w tych temperaturach zbliżałyby się do swojej maksymalnej pojemności i dlatego byłyby bardziej wrażliwe na wszelkie zakłócenia w podstawowych procesach metabolicznych, które przyczyniają się do tej pojemności.

Mitochondria izolowano z wątroby – narządu bogatego w te organelle i ważnego w detoksykacji ksenobiotyków, w tym venlafaksyny. Oddychanie mitochondrialne mierzono za pomocą wysokorozdzielczej respirometrii w temperaturach 25°C, 35°C, 40°C lub 45°C, z rosnącymi stężeniami venlafaksyny (od 0,001 do 10 μg/L). Równolegle badano maksymalną aktywność kluczowych enzymów: dehydrogenazy bursztynianowej (SDH, kompleks II), oksydazy cytochromu c (COX, kompleks IV) oraz syntazy cytrynianowej (CS) – markera zawartości mitochondriów.

Jak interpretować wyniki badań i ich implikacje kliniczne?

Wyniki badania przyniosły kilka interesujących obserwacji. Jak można było oczekiwać, szybkość oddychania mitochondrialnego wzrastała wraz z temperaturą, ale z pewnymi subtelnościami. Oddychanie w stanie 4 (reprezentujące głównie rutynowe koszty kompensacji wycieku protonów) było bardziej wrażliwe na ocieplenie niż oddychanie w stanie 3 (pełna fosforylacja oksydacyjna), co odzwierciedlają wartości współczynnika Q₁₀ (5,72 vs 1,77). Współczynnik kontroli oddechowej (RCR), miara sprzężenia mitochondrialnego, gwałtownie spadał wraz ze wzrostem temperatury, przy czym większość spadku następowała między 25°C a 35°C.

Co ciekawe, chociaż efektywność mitochondrialna była tracona przy stosunkowo łagodnych temperaturach, mitochondria zachowywały zdolność do utrzymywania wysokich wskaźników oddychania nawet w temperaturach 40°C i 45°C. Sugeruje to, że procesy inne niż zdolność oddechowa łańcucha transportu elektronów mogą być zaangażowane w ustalanie górnych granic termicznych tilapii. Procesy te mogą obejmować homeostazę reaktywnych form tlenu (ROS), utratę integralności i/lub sprzężenia błony, zwiększoną płynność błony, utratę zdolności syntezy ATP oraz spadki zdolności enzymatycznej kompleksów mitochondrialnych lub enzymów cyklu TCA.

Venlafaksyna wykazywała ogólnie depresyjny wpływ na oddychanie i sprzężenie izolowanych mitochondriów wątroby, chociaż efekty te były łagodniejsze niż obserwowane wcześniej w homogenatach mózgu danio pręgowanego. Najważniejsze jest to, że depresyjne efekty venlafaksyny na oddychanie były najbardziej znaczące w mitochondriach jednocześnie narażonych na ocieplenie, co sugeruje, że związek ten jest bardziej toksyczny i/lub mitochondria są bardziej wrażliwe na niego, gdy jednocześnie narażone są na stres termiczny.

“Nasze dane pokazują wartość tego podejścia, ponieważ depresyjne efekty venlafaksyny na oddychanie były najbardziej znaczące w mitochondriach również narażonych na ocieplenie, co sugeruje, że związek ten jest bardziej toksyczny i/lub mitochondria są bardziej wrażliwe na niego, gdy jednocześnie narażone są na stres termiczny” – piszą autorzy badania.

Efekty te były szczególnie zauważalne w temperaturze 45°C, przekraczającej to, co uznano by za opłacalną temperaturę dla tego gatunku, ale efekty te nie były również całkowicie rozpraszane w bardziej rozsądnych temperaturach. Pasuje to do obaw, że narażenie na zanieczyszczenia może ograniczać zdolność gatunków i populacji do aklimatyzacji do zmienionych temperatur.

Możliwe jest również, że istnieją dodatkowe, jeszcze niescharakteryzowane mechanizmy, przez które ogólna toksyczność venlafaksyny jest zwiększana w wyższych temperaturach, jak oczekuje się, że wystąpi dla większości zanieczyszczeń. Na przykład, ocieplenie zmniejsza eliminację venlafaksyny w wątrobie ryb meagre (A. regius), co mogłoby przewidywalnie modulować efektywną dawkę venlafaksyny w różnych grupach temperaturowych. Na poziomie całego zwierzęcia, ekspozycja na venlafaksynę jest związana ze zmianami w metabolizmie węglowodanów i zdolnością do steroidogenezy, które mogłyby oddziaływać z jej potencjalnymi bezpośrednimi efektami na mitochondria, zakłócając koordynację odpowiedzi metabolicznej na ocieplenie lub zanieczyszczenie.

Badacze nie zaobserwowali istotnego wpływu venlafaksyny na aktywność COX i CS. Chociaż aktywność SDH wykazała statystycznie istotny wpływ stężenia venlafaksyny, efekty te były również bardzo łagodne i mało prawdopodobne, aby miały wpływ fizjologiczny. Dlatego depresyjne efekty venlafaksyny na oddychanie mitochondrialne są mało prawdopodobne, aby były spowodowane ograniczeniami lub spadkiem maksymalnej wydajności tych enzymów lub ich powiązanych kompleksów. Nie zgadza się to z wcześniejszymi pracami, które interesująco wykazały, że ekspozycja na venlafaksynę może albo zmniejszyć, albo zwiększyć aktywność enzymatyczną kompleksu II i/lub kompleksu IV w mózgu.

Kluczową innowacją tego badania jest bezpośrednie porównanie danych dotyczących oddychania mitochondrialnego i danych dotyczących wydajności enzymatycznej w celu oceny wpływu venlafaksyny na ryby narażone na ocieplenie. Wyniki wskazują na brak zgodności między aktywnością SDH i COX a ich najbardziej porównywalnym pomiarem oddychania mitochondrialnego. Związek, jeśli istnieje, między oddychaniem mitochondrialnym przez określone kompleksy ex vivo a metaboliczną zdolnością tych kompleksów in vitro był tylko sporadycznie badany, ale dostępne dane generalnie sugerują brak zgodności między danymi dotyczącymi oddychania a danymi dotyczącymi aktywności, chociaż wyjątki występują.

Jakie znaczenie mają te wyniki dla medycyny? Venlafaksyna jest powszechnie stosowanym lekiem przeciwdepresyjnym, a jej efekty mitochondrialne mogą być istotne dla zrozumienia zarówno działań terapeutycznych, jak i efektów ubocznych. Badanie to sugeruje, że efekty venlafaksyny na mitochondria mogą być nasilane przez inne czynniki stresowe, takie jak wysoka temperatura. Może to mieć implikacje dla pacjentów przyjmujących ten lek, szczególnie w kontekście chorób związanych z dysfunkcją mitochondrialną lub podczas narażenia na stres termiczny (np. podczas fal upałów).

Czy lekarze powinni obawiać się o swoich pacjentów przyjmujących venlafaksynę podczas upałów? Autorzy badania są ostrożni w ekstrapolacji wyników z badań in vitro na sytuacje in vivo. “Chociaż badania in vivo są być może najlepsze do określenia ekologicznie istotnych efektów, badania in vitro mogą zapewnić bardziej etyczną i ekonomicznie wykonalną alternatywę, ponieważ mniej ryb jest wymaganych do zaspokojenia eksperymentalnych wielkości próbek” – zauważają.

Jednocześnie badania redukcjonistyczne mogą prowadzić do “nadmiernego uproszczenia” systemu biologicznego, i należy zachować ostrożność przy stosowaniu ich wyników do całych zwierząt lub populacji. Na przykład, chroniczna ekspozycja in vivo na venlafaksynę i podwyższone temperatury ma zauważalne interaktywne i kumulatywne efekty dla fizjologii metabolicznej danio pręgowanego, a efekty te różniły się od tych obserwowanych w tym badaniu na poziomie mitochondriów.

In vivo, zwierzęta mogą bioakumulować, metabolizować i wydalać ksenobiotyki, wszystko to może zmienić dane zanieczyszczenie i potencjalnie jego efekty biologiczne. Na przykład, zarówno wychwyt, jak i eliminacja venlafaksyny są zmieniane przez ocieplenie, ale efekty te różnią się w zależności od tkanek (np. ocieplenie upośledza wychwyt i eliminację przez wątrobe, ale zwiększa wychwyt przez mózg). Dodatkowo, ze względu na kombinację jej szerokiego stosowania i niewystarczającego usuwania przez wiele oczyszczalni ścieków, zwierzęta wodne w naturze mają tendencję do chronicznej ekspozycji na venlafaksynę, w przeciwieństwie do ostrej ekspozycji zastosowanej w tym badaniu.

Podsumowując, badanie to koncentruje się na mitochondriach jako potencjalnym mediatorze interakcji między ciepłymi temperaturami a powszechnym modelowym zanieczyszczeniem. Wyniki wskazują, że sama venlafaksyna ma ogólnie łagodne efekty na mitochondria, ale również, że efekty te są wzmacniane przez jednoczesną ekspozycję na wysokie temperatury, podkreślając wartość eksperymentów z wieloma stresorami w dążeniu do bardziej holistycznego podejścia w przewidywaniu skutków zmian klimatu.

Ponieważ mitochondria są ewolucyjnie konserwatywne, efekty mierzone w tym badaniu mogą być przydatne w przewidywaniu mechanizmów mitochondrialnych związanych z odpowiedzią na ksenobiotyki i/lub wyzwania termiczne występujące u innych ryb narażonych na te stresory. Dodatkowo, jeśli zgłoszone efekty na oddychanie mitochondrialne występują również podczas ekspozycji in vivo, ryby mogą doświadczać zmian w ogólnym tempie metabolizmu i mieć niewystarczającą produkcję energii, aby odnieść sukces w warunkach środowiskowych.

Metody zastosowane w tym badaniu mogą służyć jako użyteczne narzędzie do oceny wpływu zanieczyszczeń na funkcję mitochondrialną u ryb i innych organizmów, dodając nowy wymiar do badań nad sposobem działania i mechanizmem toksyczności zanieczyszczeń budzących obawy. Autorzy sugerują, aby przyszłe wysiłki na rzecz zrozumienia fizjologicznych i biochemicznych skutków zanieczyszczeń na ektotermach, w tym venlafaksyny, uwzględniały wpływ rosnącej temperatury, oraz aby więcej toksykologów koncentrowało się specjalnie na mitochondriach jako potencjalnym miejscu, w którym te interakcje mogłyby być zapośredniczone u zwierząt.

Czy wyniki te mogą mieć bezpośrednie przełożenie na praktykę kliniczną? To wymaga dalszych badań, ale niewątpliwie poszerzają one naszą wiedzę o potencjalnych interakcjach między lekami a czynnikami środowiskowymi na poziomie komórkowym. W kontekście rosnących obaw dotyczących zmian klimatycznych i ich wpływu na zdrowie, zrozumienie jak wysoka temperatura może modyfikować efekty farmakologiczne leków staje się coraz bardziej istotne dla medycyny.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na roli mitochondriów jako kluczowego mediatora interakcji między wysoką temperaturą a toksycznością leków, ze szczególnym uwzględnieniem venlafaksyny. Wykorzystując model tilapii nilowej, naukowcy wykazali, że venlafaksyna ma depresyjny wpływ na oddychanie i sprzężenie mitochondriów, przy czym efekty te są znacząco wzmacniane przez jednoczesną ekspozycję na wysokie temperatury. Chociaż sama venlafaksyna wykazuje stosunkowo łagodne efekty na mitochondria, jej toksyczność wzrasta w warunkach stresu termicznego. Badanie nie wykazało istotnego wpływu venlafaksyny na aktywność kluczowych enzymów mitochondrialnych (COX i CS), sugerując że mechanizm działania leku na mitochondria może być bardziej złożony. Wyniki te mają potencjalne implikacje dla pacjentów przyjmujących venlafaksynę, szczególnie w kontekście rosnących temperatur i zmian klimatycznych, choć autorzy zalecają ostrożność w bezpośredniej ekstrapolacji wyników badań in vitro na sytuacje kliniczne.