Katona István: Az agy, a füves cigi és a vihar: A marihuána molekuláris hatásainak vizsgálata (video)
"Ha elég érdekesen beszélek, 10 millió szinapszisotokban most komoly jelátvitel zajlik". - Katona István agykutató professzor a tudománynépszerűsítő Élő Adás sorozatban az idegtudomány egyik legforróbb területét mutatja be, olyan élményszerűen, hogy szinte magunk is részesévé válunk e kutatói pálya legkiemelkedőbb pillanatainak. A felfedezés ösvényén lépésről lépésre haladva, egy óra múltán még a laikus vagy kezdő is szinte szakértőnek érezheti magát.
Az előadás 2015. március 25-én hangzott el.
MTA KOKI Lendület Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport
MTA KOKI
Associated Press May 10, 2002 07:15:00 NEW YORK - A new ranking of jobs might spur some to work a little harder on that biology homework. The job of biologist takes top overall honors in the latest edition of the "Jobs Rated Almanac."
Jobs rated almanac in 2013
Hogy honnan Ember, és meddig állat? Azt a jó ég tudja Nálad" (Pajor Tamás)
Mahale-hegység, Nyugat-Tanzánia
Zoofarmakognózia
Keserűlevelű vasfű. Kémiai hatóanyaga (vernonioside B1) miatt használják a csimpánzok krónikus hasmenés ellen. A környéken élő WaTongwe törzs hasonló módon és célra használják a „mjonso”-t.
A WaTongwe törzs a gyógynövényeket a megfigyelt állatok alapján csoportosítja (Tarajos sül-gyógynövények, Elefánt-gyógynövények, Csimpánz-gyógynövények, Vaddisznó-gyógynövények).
Gyógyszereink hatóanyagának ~80%-a természetes eredetű molekula vagy annak analógja!
A biodiverzitás és szervezetünk molekuláris sokfélesége együtt terápiás kincsesbánya
G-fehérje kapcsolt receptorok szupercsaládja (Reactome:797 fehérje). Izoformák és heterodimerek tovább növelik a repertoárt. Kb. 20-30 jelpályáról vannak alapos ismereteink. 234 receptor esetében még a ligandot sem ismerjük!
A kutatási programok logikai lépései
1. Molekuláris azonosítás:
Egy érdekes jelpályának milyen molekuláris elemei fontosak az idegrendszerben?
2. Anatómiai lokalizáció
Melyik agyterület, melyik sejttípusának melyik szubcelluláris kompartmentumában található?
3. Élettani vizsgálatok
Mi a sejt- és rendszerélettani feladata?
4. Kórélettani jelentőség
Milyen betegségekben lehet fontos és hogyan változik meg a működése? A kannabisz az egyik legősibb gyógynövényünk
Cannabis sativa, Franz Eugen Köhler's Medizinal-Pflantzen című könyvéből, amely1887-ben jelent meg. W. Müller alkotása.
Shen Nong (ie. ~2700)
A kannabisz terápiás jelentősége
A kannabisz kockázatai
- Pszichózis
- Skizofrénia
- Epilepsziás rohamok
- Bipoláris zavarok
- Demotivációs szindróma
- Infarktus
- Kognitív képességek romlása
- Tanulási és memóriafolyamatok zavara
THC (D9-tetrahidrokannabinol) a pszichoaktív kannabinoid
Raphael Mechoulam fedezte fel 1964-ben
A CB1 kannabinoid receptor
D9-THC Yoong Shin modellje
Allyn Howlett es William Devanne igazolta létezését 1988-ban
Miért van szükségünk kannabinoid receptorokra?
„David’s brain” Priyan Weerappuli alkotása, 2005
N-acil-etanolaminok
Monoacil-glicerinek
Anterográd jelátvitel a kémiai szinapszisban: axon>dendrit. Létezik-e visszacsatolási mechanizmus?
CB1 receptorok az idegvégződéseken
Katona et al., 1999, Journal of Neuroscience; Ohno-Shosaku et al., 2001, Neuron; Wilson and Nicoll, 2001, Nature; Kreitzer and Regehr, 2001, Neuron
A preszinaptikus CB1 kannabinoid receptorok gátolják az ingerületátvivő anyag felszabadulását
CB1-felismerő antitest
Nagy felbontású mikroszkóp
Retrográd endokannabinoid jelátvitel
Patch-clamp elektródás élettani mérés
A CB1 receptor szükséges egy retrográd szinaptikus jelenséghez
Melyik endokannabinoid a szinaptikus jelmolekula?
Piomelli (2003) Nature Reviews Neuroscience
Hol, mikor és hogyan keletkezik a szinaptikus endokannabinoid?
A 2-AG bioszintézise és inaktivációja
Foszfatidil inozitol 4,5-biszfoszfát (PIP2) → IP3
↓ Foszfolipáz C béta
1,2-Diacil-glicerin (DAG)
↓ sn-1-DAG-lipáz
2-arachidonil-glicerin (2-AG)
↓ Monoacil-glicerin lipáz
Arachidonsav + glicerin
sn1-DAG lipáz-alfa (DGL-a)
Bisogno et al. (2003) J Cell Biol 163:463-468
A DGL-alfa fehérje posztszinaptikus
Katona et al. (2006) Journal of Neuroscience
A periszinaptikus masina (PSM)
Katona and Freund (2008) Nature Medicine
Mi lehet az élettani feladata és kórélettani jelentősége a periszinaptikus masinának?
A "szinaptikus biztosíték" modell
Katona and Freund (2008) Nature Medicine
Mikor lehet a neuronhálózatoknak szüksége „szinaptikus biztosítékra”?
Neuron 51, 2006.07.006
The Endocannabinoid System Controls Key Epileptogenetic Circuits in the Hippocampus
Monory et al. (2006) Neuron 51:455-466.
A CB1 receptor mRNS szint harmadára zuhan az epilepsziás humán hippokampusz mintákban
Ludányi et al. (2008) Journal of Neuroscience, 28:2976-2990
A CB1 fehérjeszint jelentősen csökken az epilepsziás hippokampuszban
Kontroll Nem szklerotikus Szklerotikus
Ludányi et al. (2008) Journal of Neuroscience, 28:2976-2990
A CB1-pozitív glutamáterg rostok aránya jelentősen csökken, eltűnik a szinaptikus biztosíték a serkentő idegvégződésekről
Ludányi et al. (2008) Journal of Neuroscience, 28:2976-2990
A PSM összes molekuláris eleme érintett a szinapszisok és a neuronhálózatok serkenthetőségének szabályozásában
Az mGluR5 szintje szintén lezuhan status epilepticus után - Kirschstein et al., (2007) Journal of Neuroscience, 27:7696-7704.
Gq/11 dupla knockout egerek spontán epilepsziás rohamokban elpusztulnak felnőttkor előtt - Wettshureck et al., (2006) Mol Cell Biol, 26:5888-5894.
PLC1 knockout egerek három hetesen pusztulnak el epilepsziás rohamban - Kim et al., (1997) Nature, 389:290-293.
A hosszú, stabilizáló Homer izoformák szintje csökken status epilepticus után - Kirschstein et al., (2007) Journal of Neuroscience, 27:7696-7704.
A rövid, szétkapcsoló Homer izoformák szintje megnő epilepsziás roham után - Brakeman et al., (1997) Nature, 386:284-288.
Katona and Freund (2008) Nature Medicine 14:923-930
A retrográd endokannabinoid jelpálya alapvető alkotóeleme a kémiai szinapszisoknak
Katona és Freund (2012) Annual Review of Neuroscience
Az endokannabinoid jelpálya patológiai szerepe: Törékeny X szindróma
Fragile X mental retardation protein (FMRP) hiánya felelős érte
A mentális retardáció leggyakoribb genetikai oka. Az FMRP hiányát gyakran feltételezik többek között az autizmus etiológiájában, de a pácienseknek gyakran vannak epilepsziás rohamaik is.
Törékeny X szindróma – kóros metabotróp glutamát receptor-kiváltotta szinaptikus depresszió
Az endokannabinoid jelpálya nem működik a Törékeny X szindrómában
Endocannabinoid-LTD hiányzik a serkentő szinapszisokban:
Jung, Sepers, Henstridge et al (2012) Nature Communications
Mi történhetett a PeriSzinaptikus Masinával?
Katona and Freund (2008) Nature Medicine
A PeriSzinaptikus Masina szétkapcsolódik
mGlu5:
Jung, Sepers, Henstridge et al (2012) Nature Communications
DGL-a:
A DGL-a 100 nanométerrel elcsúszik!
Az agy komplexitása hatalmas koncepcionális és módszertani kihívás
~ 900 agyterület az emberi agyban ~ 86-86 milliárd idegsejt és gliasejt
~20,000 génünk ~90%-a be van kapcsolva az agyban
~ 1000 sejttípus (~200 az összes többi szervünkben)
Az idegrendszer normális és abnormális plaszticitási folyamatainak hátterében nanoskálán létrejövő sejttípus-specifikus molekuláris változások állnak
Hogyan vizsgálható az agy komplexitása?
A CB1 kannabinoid receptorok mennyisége sejttípusonként eltérő
Mackie and Katona (2009) Nature Neuroscience
Katona et al (2006) Journal of Neuroscience
A gátló idegvégződéseken tízszer több CB1 receptor található, mint a serkentő idegvégződéseken
A STORM szuper-rezolúciós képalkotás alapelvei
Xiaowei Zhuang (Harvard University)
Barna László ábrája
An Incoming Storm
Henri Edmond Cross (1908)
Pointillizmus
Preszinaptikus CB1 receptor eloszlása STORM képalkotással
Fluorofór lokalizációs pontosság 6 nm (xy) és 41 nm (z) 5 mm mélyen az agyszövetben
Élettani, anatómiai és molekuláris paraméterek sejt-specifikus kombinált mérése nanométeres pontossággal
Dudok et al (2015) Nature Neuroscience
Új megközelítés fehérjék egymáshoz viszonyított helyzetének nanoskálájú mérésére
Dudok et al (2015) Nature Neuroscience
A „rockfesztivál paradigma”
Hat napig tartó THC kezelés jelentős receptorszint csökkenést okoz az idegvégződéseken
Dudok et al (2015) Nature Neuroscience
Mi az állatkísérleti modell orvosi relevanciája?
Vér THC koncentráció rendszeres kannabiszfogyasztókban ~100 ng/ml 3-4%-os THC
egérmodell: 10 mg/kg i.p. naponta kétszer hat napig ·
- Erős viselkedési hatások egérben
- Erős kognitív hatások emberben
- Tolerancia mindkét fajban
Elérni kívánt vér THC koncentráció Sativex ~1-10 ng/ml (THC:cannabidiol 1:1)
egérmodell: 1 mg/kg i.p. naponta kétszer hat napig
- Tolerancia egyik fajban sem alakul ki
- Gyenge viselkedési hatások
- Nincs pszichoaktív mellékhatás
- Csekély 16%-os CB1 csökkenés (terápiás konc: 10 ng/ml)
A receptorszint csökkenés koncentrációfüggő és lassan áll helyre
- Drámai 75%-os CB1 csökkenés (élvezeti konc: 100ng/ml)
- 11 nap után 50%-os javulás
- Teljes helyreállás 6 hét után
Dudok et al (2015) Nature Neuroscience
Lefoglalt kannabiszminták THC-tartalmának változása, USA (1980-2012)
ElSohly MA et al: J Forensic Sci 45, 24 (2000); Marijuana Potency Monitoring Project, 2013
"In conclusion, the present study showed that cannabis use at age 16 predicted psychosis vulnerability at age 19, and psychosis vulnerability at age 13 and 16 predicted cannabis use at, respectively, age 16 and 19, thereby providing evidence for both the damage hypothesis and selfmedication hypotheses. Prevention programmes aimed at delaying and preventing transition from subclinical psychotic symptoms to clinical disorder should target the entire adolescent life
phase and pay attention to cannabis use at this period in time.”
A szintetikus kannabinoidok óriási kockázatot rejtenek
Összefoglalás
Az endokannabinoid jelpálya alapvető alkotóeleme a kémiai szinapszisoknak
Kóros mennyiségi vagy térbeli átrendeződése nanométeres tartományokban fontos szerepet játszhat neurológiai és pszichiátriai betegségekben
A konfokális és a STORM szuper-rezolúciós mikroszkópia kombinálása lehetővé teszi a sejttípus-specifikus kvantitatív molekuláris vizsgálatokat
A THC kezelés dózis-függő módon csökkenti a CB1 szintet, amely meglepően lassan áll helyre
Köszönetnyilvánítás
Chris Henstridge, Barna László, Dudok Barna, Marco Ledri
Köszönetnyilvánítás II.
University of California, Irvine Iván Soltész Sanghun Lee Csaba Varga Daniele Piomelli Kwang-Mook Jung, Indiana University, Bloomington Ken Mackie, ELTE, Budapest Kacskovics Imre, Cervenák Judit Rényi Intézet, Budapest Matolcsi Máté, University of Cagliari Miriam Melis Marco Pistis, INSERM, Marseille Olivier Manzoni Marja Sepers, Hokkaido University Sapporo Masahiko Watanabe, IEM HAS, Budapest Freund Tamás
További cikkek, interjúk, videók Katona István és Dudok Barna kannabinoid-kutatásairól (a teljesség igénye nélkül):
Kannabinoid receptorok - betekintés az agy molekuláris világába - Dudok Barna előadása a Mindenki Akadémiáján, 2016
A fű "kinyírja" az agy kannabisz-receptorait: a "rockfesztivál-paradigma", 2015
Parányi részletek birodalma - a Nikon szuperfeloldású mikroszkópia (video) 2015
Cell-specific STORM super-resolution imaging reveals nanoscale organization of cannabinoid signaling, Nature Neuroscience, 2014. 12. 08. (full text)
Álmok mai álmodói: kalandozás az idegsejtek között - Katona István agykutató (MTA KOKI) portréfilmje (rendezte: Komlós András, forgatókönyv: Montskó Éva)
Függőségről - agytudatosan (Jakabffy Éva interjúja), Magyar Tudomány, 2010
Agykutató a függőségről és a tudomány szponzorálásáról (Jakabffy Éva interjúja), Magyar Pszichológiai Szemle, 2010
Új hírvivő rendszer - amikor az idegsejtek a beszélgetésről beszélgetnek (Jakabffy Éva cikke) Természet Világa, 2009.
Tüskéken teremnek a belső kannabinoidok (Jakabffy Éva cikke) Népszabadság, 2006