"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.

PLC1 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