A füves cigi elhangolja az agyat – a világon először magyar kutatók fényképezték a hatást

2015. március 24.

A rekreációs célú kannabiszfogyasztás – szemben az orvosi célúval – drámai módon csökkenti az agy finomszabályozását biztosító molekulák mennyiségét. A kutatókat sokkolta, ahogyan a THC valósággal lesöpörte a kulcsfontosságú fehérjéket az idegvégződésekről. A Magyar Tudományos Akadémia Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetének meglepő eredményét a világ legrangosabb idegtudományi szaklapja, a Nature Neuroscience közölte.

Az emberi agy a természet legösszetettebb rendszere. A legújabb adatok alapján közel 90 milliárd idegsejtből és körülbelül ugyanennyi, az idegsejtek működését támogató gliasejtből áll. Az agyban előforduló sejttípusok száma 1000 körül van, míg az összes többi szervünket körülbelül 200 sejttípus építi fel. Az emberi genetikai állomány mintegy 20 000 génjének 90%-a aktív („be van kapcsolva”) az agyban, hogy a körülbelül 900 agyterület működését irányítsa.

Egy ilyen komplex rendszer működésének megértése óriási kihívás a tudomány számára, és a magyar kutatók ezen a területen is a világ elitjéhez tartoznak. Mint arról korábban már részletesen olvashattak honlapunkon, a 2000-es évek közepe óta óriási fejlődés indult el az idegtudományokban, amelyhez Magyarország elsősorban a Nemzeti Agykutatási Programon (NAP) keresztül csatlakozik.

Egy ismerős szó a középiskolából

Az egyik legfontosabb feladat az idegsejtek közötti kapcsolatok, a középiskolai biológiaórákról talán ismerősen csengő nevű szinapszisok működésének megértése. A szinapszis az idegrendszer működési alapegysége, az idegsejtek a szinapszisokon keresztül „beszélgetnek egymással” (a szinapszis tulajdonképpen az idegsejtek közötti csatlakozás). Egy-egy idegsejt több ezer más idegsejttel lehet kapcsolatban szinapszisokon keresztül. Így jön létre az a végtelenül bonyolult agyi hálózat, amely testünket, tudatunkat, érzelmeinket irányítja.

szinapszis_szinapszis_700px

Az egyes idegsejtek között zajló, térben és időben precízen szabályozott kommunikációhoz több ezer különböző fehérje nanométeres tartományban összehangolt működésére van szükség. Ennek megfigyelése csak az utóbbi években vált lehetővé.

Pontokból összeálló képek

Napjaink elképesztő ütemű agykutatásának egyik mozgatórugója az, hogy a korábbiaknál sokkal részletesebben lehet mikroszkóppal vizsgálni az agyat. Ez többek között a 2014-ben kémiai Nobel-díjjal elismert szuperrezolúciós képalkotásnak köszönhető.

Az idegrendszer szerkezetének felderítésére eddig fénymikroszkópot és elektronmikroszkópot használtak a kutatók. A fénymikroszkóp használata egyszerű, de finom részleteket nem lehet vele megfigyelni: az egy mikrométer alatti struktúrákat már nem képes felbontani (a mikrométer a milliméter ezredrésze). Pedig az idegrendszerben számos ennél kisebb dolog létezik, a szinaptikus rés például csak 10-20 nanométeres (a nanométer a mikrométer ezredrésze).

Az elektronmikroszkóppal láthatóak a nanométeres szerkezetek is, ám használata roppant drága, körülményes és időigényes, ráadásul élő sejtet nem is lehet vele megfigyelni (a minta előállításának módja miatt).

Pointillizmus
A pointillizmus az impresszionizmus elemeit továbbvivő festészeti irányzat. A kifejezés a francia point (azaz ‘pont’) szóból ered. Úttörő alkotói, Paul Signac (1863-1935) és Georges Seurat (1859-1891) apró pöttyöket festettek egymás mellé a vászonra, amelyeket egyszerre észlelve áll össze a kép.

Ebbe az óriási szakadékba tört be a szuperrezolúciós mikroszkópia, amely okos trükkökkel megkerüli a fénymikroszkópia feloldásának határát, és viszonylag egyszerű módszerekkel képes az elektronmikroszkópét megközelítő felbontásra. A szuperrezolúcióval akár élő sejtek szinapszisait is lehet vizsgálni, 20-40 nanométeres felbontásig.

Az egyik ilyen trükk az, hogy fényt kibocsátó (fluoreszcens) fehérjéket juttatnak be az agyba, amelyek hozzákapcsolódnak az idegsejtekhez. Ezután gyenge intenzitású lézerrel megvilágítják a vizsgált agyterületet. A megvilágítás hatására a fluoreszcens fehérjék fényt bocsátanak ki, azaz felvillannak. A pontszerű felvillanásokat nagyon gyorsan egymásra fényképezve kirajzolódik a vizsgált terület részletes képe. Az eljárásra jó hasonlat a pointillista festők technikája (lásd a keretes írást).

an_incoming_storm

Henri-Edmond Cross: Az érkező vihar (1908)

A vihar megérkezett

A szuperrezolúciós mikroszkópiának több fajtája van, a fent ismertetett a STORM (stochastic optical reconstruction microscopy) nevű módszer, amelyet a Harvard Egyetemen fejlesztettek ki 2006-ban. A japán Nikon cég Európában elsőként a Magyar Tudományos Akadémia Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetében (MTA KOKI) telepített egy ezen az elven működő mikroszkópot. Az N-STORM nevű berendezés a Nikon és az MTA által létrehozott Nikon-KOKI Mikroszkópközpontba került.

20150212_Katona_Istvan_kutatocsoport_web_szt_028

Barna László és Dudok Barna a szuperrezolúciós mikroszkóppal. Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Az idegsejt visszaszól

A világszinten is élvonalbeli laboratórium egyik első nagy felfedezése a Katona István vezette MTA KOKI Lendület Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport korábbi, francia és amerikai kutatókkal közösen elért eredményén alapult: kiderült, hogy az egyik leggyakoribb súlyos szellemi fogyatékosságban szenvedők idegrendszerében egy molekula helyzete mindössze 100 nanométerrel elcsúszik a szinapszisokban. A kutatók a Nature Communications folyóiratban publikálták felfedezésüket még 2012-ben.

Katona István

Katona István. Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

Igaz, ez az elcsúszás egy nagyon fontos molekulát érint. Sokáig nem értették az idegtudósok, hogyan valósul meg a szinapszisokban az idegsejtek „beszélgetésének” szabályozása. Azt régóta tudjuk – és a tankönyvekből megint csak ismerős lehet -, hogy a szinapszis egyik oldalán lévő idegsejt kémiai anyagokat bocsát ki. Ezek a hírvivő molekulák, más néven ingerületátvivő anyagok.

A hírvivő molekulák átáramlanak a szinaptikus résen, és a másik, a fogadó idegsejthez kapcsolódnak, ahol erre érzékeny „antennák”, azaz receptormolekulák várják őket. Miután a hírvivő anyagok hozzákapcsolódtak a receptorokhoz, aktiválódik a fogadó idegsejt, vagyis megvalósul az információ egyirányú továbbítása.

Mi a helyzet akkor, ha a küldő idegsejt túl sok hírvivőt bocsát ki? Ez problémákhoz, túlműködéshez vezethet. Hogyan tudja jelezni a fogadó idegsejt, hogy nem kér több hírvivőt?

Itt jön a képbe Katona István és Freund Tamás (az MTA KOKI főigazgatója, az MTA egyik alelnöke) tanulmánya, amelyet a Journal of Neuroscience-ben, az amerikai idegtudományi társaság lapjában közöltek még 1999-ben (ez a cikk lett az elmúlt 20 év legtöbbet hivatkozott magyar idegtudományi cikke). Az eredményeik szerint egy különleges receptor, a CB1 kannabinoid receptor – amelyet a marihuána aktív hatóanyaga, a THC is aktivál – kivételesen nem a szokott helyen, azaz a fogadó idegsejten található, hanem a küldő idegsejt nyúlványain. Azaz, ahogy a magyar kutatók megjósolták, az eredetileg jelfogadó idegsejt úgy tud „visszabeszélni” az első idegsejtnek, hogy maga is hírvivő anyagokat küld, de ezúttal visszafelé. Ezek a hírvivő anyagok az úgynevezett belső vagy endokannabinoid jelmolekulák, amelyek hatásukban nagyon hasonlóak a kannabisznövény hatóanyagához, a THC-molekulákhoz. Az endokannabinoid molekulákat ezek a rájuk érzékeny antennák, azaz a CB1 receptorok fogadják az első, küldő idegsejten.

szinapszis_visszajelzes_700px

Ezt a feltételezést két év múlva, 2001-ben három külföldi kutatócsoport egymástól függetlenül további kísérletekkel be is bizonyította. Az ezt követő években a két magyar kutató és kollégáik részletesen is kidolgozták az endokannabinoid jelpálya általános működési elvét, erről szóló beszámolójuk 2008-ban jelent meg a Nature Medicine-ben.

A fent említett, látszólag jelentéktelen 100 nanométeres elcsúszás tehát konkrétan azt jelenti, hogy az endokannabinoid jelmolekulákat gyártó enzim ennyivel kijjebb kerül a szinaptikus résből. Emiatt a szinapszisokban megszűnik az endokannabinoid jelátvitel, vagyis a fogadó idegsejt többé nem tud „visszaszólni”. A szabályozásnak ez a hibája is szerepet játszik a törékeny X-szindróma kialakulásában.

szinapszis_x-szindroma_700px

Hogyan indultak a kannabinoidokkal kapcsolatos kutatások a KOKI-ban?
Freund Tamás, az MTA KOKI főigazgatója az mta.hu kérdésére elmondta: “Az Amerikai Idegtudományi Társaság konferenciáján, 1996-ban figyeltem fel egy Seattle-i kutatócsoport eredményeire, akik a kannabinoid receptorok biokémiájával foglalkoztak, de a neuronhálózati szintű analízishez, interpretációhoz nem értettek. Poszterükre pillantva számomra rögtön nyilvánvalóvá vált, hogy az általunk régóta vizsgált gátló idegsejtek végződésein lesznek a receptorok, aminek óriási funkcionális és kórélettani jelentősége lehet. Ennek bizonyítása persze nem volt egyszerű, legjobb tanítványommal, Katona Istvánnal vágtunk neki, majd később elektrofiziológus munkatársaim is bekapcsolódtak a témába. Így aztán ebből a kis csírából egy szerteágazó, igen jelentős eredményeket hozó komplex program lett, benne viselkedésbiológiai, farmakológiai, molekuláris anatómiai (fény és elektronmikroszkópos immunhisztokémia) felfedezésekkel, amelyekbe már a KOKI több osztályát is bevontuk. István végig meghatározó szerepet játszott a téma felvirágoztatásában, így aztán amikor önálló labort épített a KOKI-ban  – számos jelentős presztizsű pályázat, ERC Starting Grant, Wellcome Trust, Lendület, elnyerésével – teljes egészében átadtam neki a témát. Az elmúlt néhány évben már saját kérdései mentén folytatja a kannabinoid rendszer vizsgálatát, és mint a most megjelent Nature Neuroscience cikk is igazolja, nem akármilyen színvonalon! További világraszóló eredmények megjelenése várható István laboratóriumából a közeljövőben, és meredeken felfelé ívelő karrier vár rá, ami engem, mint hajdani mentorát, igen nagy örömmel tölt el.”

A füves cigi nem várt hatása: a rockfesztivál-paradigma

Az utóbbi években kiderült, hogy a fent említett folyamatok az idegrendszer egész területén jellemzőek, vagyis az endokannabinoid jelmolekulák kulcsfontosságúak az idegsejtek közötti kétirányú kommunikációban. Katonáék legújabb eredménye szerint a rekreációs célú kannabiszfogyasztás – értsd: füves cigi – igen durván avatkozhat bele ebbe a finom folyamatba.

Szuperrezolúciós felvételeiken azt láthatjuk, hogy 6 napig tartó THC-kezelés hatására drámai módon, kb. 85%-kal csökkent az endokannabinoid molekulákat fogadó receptorok száma a szinapszisokban. Figyeljük meg a receptorok helyzetét jelölő lila pontok változását az alábbi képpáron:

thc_abra

Az agy hippocampus nevű, többek közt az emléknyomok rögzítésében nélkülözhetetlen szerepet betöltő területén jelöltünk meg egyedi idegsejteket, ezek idegvégződései zöld színnel tűnnek fel az ábrán. A végződések felszínén STORM szuperrezolúciós mikroszkópiás eljárással vizsgáltuk a kannabinoidreceptor-fehérjék elhelyezkedését olyan egerekben, amelyek a kísérletet megelőző 6 napon kontroll-, illetve THC-tartalmú injekciókat kaptak. A THC a marihuána legfőbb pszichoaktív komponense, az injekciókban alkalmazott koncentráció elegendő volt a vér emberi marihuánafogyasztásnak megfelelő THC-szintjének eléréséhez. Ismert, hogy ez a dózis hozzászokást és a kognitív képességek csökkenését váltja ki mind kísérleti állatokban, mind emberekben. A 3 dimenzionális ábrázolásban megfigyelhető, hogy míg a kontrollmintákban az 1-es típusú kannabinoid receptorok (lila pontok) nagy mennyiségben borítják az idegvégződés felszínét, a THC-injekciók után a receptorok mennyisége drámai módon lecsökkent, és a megmaradó receptormolekulák is az idegvégződés felszínéről a sejten belüli térbe vándoroltak. Ebből arra következtethetünk, hogy a kezelés hatására nem marad elegendő receptor az agy saját, belső kannabinoid jelátvivő rendszerének normális működéséhez, és ez a jelenség állhat a csökkent kognitív képességek hátterében. Forrás: Katona István

További probléma, hogy a receptorok száma csak meglepően lassan áll vissza. A 6 napos, élvezeti szinttel (100 ng/ml) történő kezelés után 11 napnak kellett eltelnie az 50%-os javulásig, de a teljes helyreállás 6 hetet vett igénybe.

A grafikonon a kísérletek számszerű kiértékelésének eredménye látható: a kontroll-idegvégződéseket fekete, a kezelteket zöld adatpontok jelölik. A magas, kábítószer-használatot modellező dózis esetében a receptorok 74%-a eltűnt, számuk még 11 nap elteltével is csak felerészben tért vissza, és csak 6 héttel a kezelés leállítása után állt helyre. Ezzel szemben az orvosi célra alkalmazott THC-tartalmú szájspray előírásszerű használatát modellező, tizedakkora koncentrációjú kezelés hatása jóval kisebb, 16%-os receptorszám-csökkenést okozott.

A grafikonon a kísérletek számszerű kiértékelésének eredménye látható: a kontroll-idegvégződéseket fekete, a kezelteket zöld adatpontok jelölik. A magas, kábítószer-használatot modellező dózis esetében a receptorok 74%-a eltűnt, számuk még 11 nap elteltével is csak felerészben tért vissza, és csak 6 héttel a kezelés leállítása után állt helyre. Ezzel szemben az orvosi célra alkalmazott THC-tartalmú szájspray előírásszerű használatát modellező, tizedakkora koncentrációjú kezelés hatása jóval kisebb, 16%-os receptorszám-csökkenést okozott. Forrás: Katona István

Katonáék ezt – tekintve a legnépszerűbb európai fesztiválok hosszát – „rockfesztivál-paradigmá”-nak nevezik. Katona István az mta.hu-nak elmondta: az amerikai Egészségtudományi Kutatóintézet (National Institute of Health) munkájának köszönhetően néhány éve ismert, hogy a tartósan nagy THC-koncentrációjú füvet szívó emberekben tapasztalható káros mellékhatások, például a tanulási képességek romlása mögött a CB1 receptorok szintjének általános csökkenése áll.

Az új mikroszkópos módszerek nélkül azonban eddig nem volt rá lehetőség, hogy kiderítsék, pontosan honnan tűnnek el a receptorok, azaz melyik idegsejtekről és az idegsejtek melyik részéről, illetve azt sem tudták, mennyi receptor tűnik el. Ez azért fontos, mert ezek az információk segítenek megérteni, hogy mely élettani folyamatok károsodhatnak a krónikus marihuánafogyasztókban, és milyen jelenségekre kell az orvosoknak felkészülniük, hogy a sajnos egyre nagyobb mennyiségű THC-t tartalmazó kannabiszszármazékok terjedésével párhuzamosan egyre gyakrabban kórházba kerülő pácienseket – például pszichózis miatt – kezelni tudják.

A kutató szerint őket és külföldi kollégáikat is sokkolta, hogy ilyen erőteljes hatást találtak molekuláris szinten. Korábban senki nem számított rá, hogy ez a szakirodalomban standard modell, amely igazából még a 90-es években jellemző, „mindössze” 3-4%-os THC-tartalmú kannabisztermékekre lett optimalizálva, is szinte teljesen lesöpri e kulcsfontosságú szabályozó fehérjéket az idegvégződésekről. Szerinte az egyre terjedő legalizáció során – amely a szabályozás lehetőségével talán kordában tud tartani egyes negatív folyamatokat – rendkívül komolyan kellene venniük a döntéshozóknak, hogy milyen THC-tartalommal engedélyezik a kannabiszszármazékok használatát.

A kannabisz több ezer éves gyógynövényünk, és számos betegség, például multiplex szklerózis esetén néhány országban kis dózisban már engedélyezik a terápiás célú THC-fogyasztást. Katonáék ezért megvizsgálták a tízszeres hígítású, azaz terápiás koncentráció (10 ng/ml) hatását is. Ebben az esetben a receptorok száma csak 16%-kal csökkent, ami összhangban áll azzal a megfigyeléssel, hogy ekkora dózisban a kannabiszfogyasztásnak általában nincsenek pszichotikus mellékhatásai.

Az már korábban kiderült, hogy a kannabinoid receptorok mennyisége sejttípusonként eltérő. Katonáék mostani kutatásainak fő célja, hogy meghatározzák: mitől függ, hogy egy egészséges sejtben mennyi receptor van, és hogyan változik meg az eloszlásuk kóros idegrendszeri folyamatok esetén, például epilepsziában.

A fent bemutatott eredmények is azt bizonyítják, hogy az idegrendszeri folyamatok hátterében nanoskálán létrejövő molekuláris változások állnak. Ezek megismerése, feltérképezése világszerte most kezdődött el. Katona István és kollégái ebben élen járnak: a Nature Neuroscience-ben néhány hete megjelent tanulmányukban olyan új megközelítést mutatnak be, amelyben a szuperrezolúciós mikroszkópiát klasszikus konfokális mikroszkópiával kombinálják. Eljárásuk segítségével lehetségessé vált egyedileg azonosított idegsejtekben a célfehérjék mennyiségi vizsgálata nanométeres pontossággal, az adott idegsejt élettani és anatómiai paramétereivel együtt.

Steve Woodhams, Barna László, Barti Benjámin, Tischler Erika, Ashley Dorning, Katona István, Kovács Emese, László Zsófia, Kenesei Kata, Chris Henstridge, Miczán Vivien, Balla Gyula, Lele Zsolt, Dudok Barna, Pintér Balázs

A kutatócsoport tagjai (balról jobbra): Steve Woodhams, Barna László, Barti Benjámin, Tischler Erika, Ashley Dorning, Katona István, Kovács Emese, László Zsófia, Kenesei Kata, Chris Henstridge, Miczán Vivien, Balla Gyula, Lele Zsolt, Dudok Barna, Pintér Balázs

Katona István és kollégái cikke a Nature Neuroscience-ben
A Nature Neuroscience-ben megjelent tanulmány megosztott első szerzői Dudok Barna, az MTA fiatal kutatója, Barna László, a Nikon-KOKI Mikroszkópközpont  vezetője és Marco Ledri olasz vendégkutató. Az MTA KOKI kutatói a molekuláris eloszlási mintázatok térbeli matematikai analízisét az MTA Rényi Alfréd Matematikai Kutatóintézet tudományos főmunkatársával, Matolcsi Mátéval kollaborációban végezték. Munkájukat segítették még Kacskovics Imre és Cervenák Judit, az ELTE Immunológiai Tanszék és az Immunogenes Kft. kutatói, Soltész Iván és kutatócsoportja a Kaliforniai Egyetemen, valamint olasz és japán kutatók. A többéves szakmai munka a Lendület kiválósági program, valamint ERC- és Wellcome Trust-pályázatok támogatásával valósulhatott meg. Az első európai N-STORM készüléket az Auro-Science Kft. és a Nikon cég biztosította az MTA KOKI számára egy különleges együttműködési program keretében, amelynek létrejöttéhez az MTA infrastrukturális fejlesztési pályázata nyújtott komoly segítséget 2012-ben.

További információ a sajtó részére

Dr. Katona István, MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet, Lendület Molekuláris Neurobiológiai Kutatócsoport
Tel.: +36 1 210-9982
Email: katona@koki.hu