Poruchy cirkadiánního systému u Huntingtonovy choroby – implikace pro terapii světlem

Overview

Huntingtonova choroba (Huntington disease; HD) je autozomálně dominantní, dědičné neurodegenerativní onemocnění s fatální prognózou. Kromě typicky progresivně se zhoršujících motorických funkcí lze u pacientů s HD pozorovat i kognitivní a behaviorální poruchy. Mezi nejčastější symptomy patří také poruchy spánku, které mají velmi závažný dopad na kvalitu života jak pacientů, tak jejich blízkých a které bývají asociovány s narušeným cirkadiánním systémem. Stabilizace délky i kvality spánku posílením cirkadiánního systému by mohla zmírnit či potlačit mnohé symptomy HD, jež mají sice přímou příčinu v etiologii HD, sekundárně mohou být ale zesíleny dlouhodobým nedostatečným spánkem či právě poruchami cirkadiánního systému. U premanifestujících pacientů by takové zásahy mohly vést k pomalejšímu rozvoji či nástupu zejména kognitivních symptomů nemoci. Terapie synchronizujícím jasným světlem, která se již osvědčila jako doplňkový nástroj k léčbě afektivních i ně­kte­rých neurodegenerativních nemocí, by mohla vést k radikálnímu zlepšení života pacientů alespoň v počátečních stadiích
onemocnění.

Klíčová slova:

Huntingtonova choroba – cirkadiánní systém – hodinové geny – spánek – terapie světlem

Úvod

Huntingtonova choroba (Huntington dis­ease; HD) je zapříčiněna abnormálním zmnožením repetic trinukleotidu CAG v exonu 1 genu Huntingtinu na 4. chromozomu [1]. Tento genetický defekt vede k formování abnormálního mutantního proteinu se strukturálními a funkčními změnami. Huntingtin (HTT) je multifunkční protein, který se podílí na několika buněčných procesech, jejichž výčet je skvěle shrnut v review Saudoua a Humberta [2]. V souhrnu lze říct, že HTT je nosný, tzv. scaffold, protein, který svazuje proteiny do komplexů, a tím koordinuje buněčné procesy, jako jsou transport organel v buňce, endocytóza či transkripce. Gen pro HTT byl detekován ve většině tělních tkání. V nervovém systému není jeho exprese omezena pouze na oblasti, které degenerují v důsledku mutace HD, ale vyskytuje se hojně v celém mozku, vč. mozečku [3].

Huntingtonova choroba se nejčastěji manifestuje mezi 35. a 45. rokem života, ovšem doba nástupu nemoci se může lišit podle závažnosti mutace [4]. HD je charakterizována především progresivním zhoršováním motorických funkcí, neboť degenerace primárně zasahuje neurony striata a motorického kortexu [5]. Nemoc se však také projevuje významnými deficity v kognitivních procesech a změnami chování, např. iritabilitou a psychiatrickými symptomy [6]. Velmi často se u pacientů s HD objevuje deprese, která koreluje s poruchami spánku [7]. Poruchy spánku jsou detekovány až u 80 % pacientů s HD [8,9]. Pomocí dotazníkových šetření, aktigrafických a polysomnografických záznamů bylo zjištěno, že u pacientů s HD je ovlivněna jak kvalita, tak kvantita spánku a dochází také k poruše jeho časování, což značí změny v cirkadiánním systému. Změny spánku a cirkadiánní rytmicity jsou mnohdy detekovatelné již ve velmi časných stadiích nemoci, ještě dříve, než se objevují první motorické symptomy [9,10]. Jejich včasná korekce by tak mohla výrazně přispívat k oddálení manifestace HD.

Cirkadiánní systém

Mnohé fyziologické procesy i mnohé formy chování člověka se periodicky opakují v průběhu 24h cyklů, tj. probíhají s tzv. cirkadiánní rytmicitou. Cirkadiánní signál vzniká na úrovni jednotlivých buněk a jeho molekulární podstatou jsou autoregulační transkripčně-translační zpětnovazebné smyčky mezi hodinovými geny a jejich proteinovými produkty [11]. Molekulární smyčky zahrnují transkripční represory, tj. proteiny CRY1, CRY2, PER1, PER2 a REV-ERB α, a transkripční aktivátory BMAL1 a CLOCK a RORA. Základní princip vzájemných interakcí je uveden na obr. 1.

Aby byly molekulární oscilace v jednotlivých buňkách tkání vzájemně synchronizovány a aby byly synchronizovány cirkadiánní oscilace jednotlivých tkání mezi sebou, musí buňky dostávat synchronizační časové signály z centrálního cirkadiánního pacemakeru, který leží v suprachiazmatických jádrech hypotalamu (suprachiasmatic nucleus; SCN). Jednotlivé neurony SCN jsou podobně jako jiné buňky těla autonomními cirkadiánními oscilátory s vlastním hodinovým mechanizmem. Významné práce ze začátku tohoto století ukázaly, že pokud tyto neurony přežívají v disociované kultuře, oscilují každý s vlastní fází i periodou [12]. Jak tedy dokáže SCN jako celek vydávat silný jednotný výstupní signál synchronizující periferní oscilátory? Celá řada současných studií ukázala, že oscilace jednotlivých neuronů jsou vzájemně synchronizovány několika neurotransmitery a neuropeptidy, z nichž nejdůležitější jsou vazoaktivní intestinální peptid (VIP), arginin vazopresin (AVP) a GABA [13–18]. Neuropeptid VIP se váže na receptory VPAC2 a spouští intracelulární kaskádu s G-proteinem jako druhým poslem. Ta vede k fosforylaci transkripčního faktoru CREB (cAMP response element binding) a k aktivaci transkripce genů s promotorovou sekvencí CRE (cAMP response element). Sekvenci CRE mají ve svém promotoru i geny Per1 a Per2, které tak mají dvojí regulaci transkripce; jednak vazbou dimeru CLOCK/ BMAL1 na E-box element, jednak vazbou aktivovaného CREB na CRE element ve svém promotoru (obr. 1) [19]. Tento princip zajišťuje sjednocení fází transkripčních oscilací a zvyšuje amplitudu cirkadiánních rytmů [14,17].

Suprachiasmatická jádra hypotalamu generují a udržují cirkadiánní signál s periodou blízkou 24 h, a to i v neperiodickém prostředí stálé tmy. Tato vnitřní perioda je adaptována k přesnému geofyzikálnímu času pomocí světla [20]. K přenastavení hodin světlem dochází jen během noci či subjektivní noci jedince; světlo vyvolá fázové zpoždění při působení zvečera či předběhnutí hodin při působení zrána. Informace o světelných podmínkách okolí jsou do SCN vedeny přímou drahou z retiny, tzv. retinohypotalamickým traktem (RHT), který je tvořen axony tzv. vnitřně senzitivních gangliových buněk (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells; ipRGC) obsahujících fotopigment melanopsin [21]. Glutamát uvolněný z RHT aktivuje receptory kyseliny N-methyl-D-asparagové s GluN2B podjednotkou a vzestup intracelulárního Ca aktivuje signální dráhu, která, podobně jako signalizace od receptoru VPAC2, vede k transkripční aktivaci Per1 vazbou CREB na CRE sekvenci v jeho promotoru [22–24]. Tato světlem indukovaná změna v expresi hodinového genu je považována za hlavní mechanizmus, kterým světlo synchronizuje cirkadiánní systém [21]. Cirkadiánní pacemaker v SCN tedy integruje endogenní časové signály s časem okolí a o výsledku informuje neuronálními i humorálními drahami celý organizmus. Synchronizuje tak rytmy v jednotlivých tkáních a umožňuje jejich adaptaci na časové změny v okolním prostředí. Udává organizmu vnitřní časový řád (obr. 2).

Změny cirkadiánního systému u pacientů s Huntingtonovou chorobou

Ztráta pravidelného střídání denní aktivity a spánku je nejzřetelnější pozorovanou poruchou cirkadiánního systému u pacientů s HD. Bývá popisována fragmentace spánku a zvýšená noční aktivita [9,10], je změněna architektura spánku a též zvýšena latence usnutí [25]. Ve dne jsou pacienti ospalí, často podřimují během dne. Toto chování bývá spojováno se zhoršením kognitivních schopností a také s rozvojem deprese [7,26]. Jednou z možných příčin tohoto stavu mohou být úbytek orexigenních neuronů laterálního hypotalamu a snížená amplituda cirkadiánního rytmu v aktivitě orexigenních neuronů, které významně přispívají k udržování stavu bdělosti [27,28]. Nedávná studie také ukázala, že až 63 % pacientů s HD má narušený cirkadiánní rytmus v krevním tlaku, což významně koreluje právě se sníženou kvalitou spánku u těchto pacientů [29].

Analýza cirkadiánního rytmu melatoninu v plazmě v průběhu 24 h u kontrolních osob, u premanifestujících a u pacientů v pokročilých stadiích HD ukázala, že amplituda rytmu sekrece melatoninu je u pacientů snížena a noční koncentrace melatoninu v plazmě je výrazně nižší. Sekrece melatoninu klesá s rozvojem a postupem nemoci, ale výrazně nižší koncentrace melatoninu než u zdravých osob je patrna již v preklinických stadiích nemoci [25,30]. Vedle melatoninu jsou u pacientů s HD pozorovány také změny v produkci kortizolu. Celková produkce kortizolu za 24 h je v časné fázi choroby signifikantně vyšší a denní profil rytmu v sekreci kortizolu má zvýšenou amplitudu [31]. Pacienti s HD vykazují zejména zvýšenou ranní produkci kortizolu, kterou lze obecně pozorovat při spánkových deprivacích [31,32]. Přestože spánkové poruchy spolu s abnormální sekrecí kortizolu mohou mít příčinu také ve změnách HPA osy u pacientů s HD [31,33], abnormální sekrece melatoninu naznačuje, že změny by mohly pramenit i z narušené signalizace z SCN.

O změnách v SCN u pacientů s HD není známo mnoho. Jediné dostupné informace pocházejí z post mortem studií. V jedné takové studii bylo pomocí imunocytochemie v SCN zjištěno signifikantní snížení počtu neuronů produkujících VIP, a v menší míře také redukce neuronů produkujících AVP [34]. Změny v hladinách VIP a AVP se zdají být specifické pro SCN, v jiných hypotalamických strukturách, jako je paraventrikulární jádro, nebyly detekovány [35,36].

Animální modely Huntingtonovy choroby a cirkadiánní systém

Identifikace genetické mutace HD vedla k vytvoření několika animálních modelů, které exprimují HTT se zvýšeným množstvím repetic CAG tripletů [37]. Zdaleka nejpoužívanější model je linie transgenních myší R6/ 2, do jejichž genomu byl vpraven fragment lidského genu nesoucího prodlouženou repetici CAG tripletů [38]. Tento model vykazuje mnoho symptomů analogických symptomům pacientů s HD [9,39–43]. Cirkadiánní fenotyp HD mutace se u tohoto modelu objevuje po 16. týdnu života. Zvířata pozvolna ztrácí rytmicitu v pohybové aktivitě i v podmínkách střídání světla a tmy a kolem 18. týdne jsou již zcela arytmická. Kromě úbytku orexigenních neuronů v laterálním hypotalamu a snížené amplitudy rytmu jejich elektrické aktivity [28] byly u těchto myší zjištěny také snížené hladiny VIP a VPAC2 v SCN [44]. Behaviorální fenotyp myší R6/ 2 se výrazně podobá fenotypu myší Vipr2^-/ - a Vip^-/ -, tj. myší s delecí těchto genů. Tato zvířata mají narušený cirkadiánní rytmus ve střídání aktivity a spánku; vykazují zvýšenou denní a sníženou noční aktivitu v režimu střídání světla a tmy (light/ dark) nebo vykazují úplně arytmické chování v režimu stálé tmy (dark/ dark), mají narušený rytmus tělesné teploty a změny v EEG [41–45]. Je možné, že narušená signalizace VIP v SCN je jednou z příčin patologických změn cirkadiánních rytmů u pacientů s HD. Jednotlivé neurony SCN nejsou mezi sebou dobře synchronizovány, každý osciluje s odlišnou periodou a fází a SCN jako celek není schopné generovat jednotný časový signál, který předává k periferním tkáním organizmu. Tato úvaha je podpořena nálezem desynchronizovaných periferních hodin v játrech u jednoho z myších modelů HD [46].

Alternativní vysvětlení či paralelní fenotyp nabízí dvě nedávné studie, které ukázaly postupnou degeneraci sítnice oka, zejména čípků a také gangliových ipRGC s melanopsinem [43,47]. Jejich výsledky naznačují, že cirkadiánní fenotyp 20týdenních myší R6/ 2 je podobný fenotypu myší s genetickou delecí melanopsinu [48]. To pravděpodobně vede ke snížení fotorecepce sítnice, a tím i významu světelné informace jako synchronizátoru cirkadiánního pacemakeru v SCN. Ačkoliv úbytek melanopsinu nebyl studován u pacientů s HD, degenerace čípků a změny v barevném vidění potvrzují degeneraci sítnice i u těchto pacientů [49,50].

Světelná synchronizace u modelu R6/ 2

Z experimentů na animálních modelech HD vyplývá, že mutovaný HTT v buňkách SCN pracuje v neprospěch intercelulární synchronizace, která podmiňuje sebeudržující chod cirkadiánních hodin, a to minimálně potlačením syntézy VIP ve světločivných buňkách ventrolaterálního SCN. Z pokusů na myších Vipr2^-/ - vyplývá, že absence VIP nemusí měnit intracelulární signální kaskádu aktivovanou světelnými podněty, která vede k transkripci hodinových genů, mění ale vzájemnou komunikaci mezi buňkami, a tím i celkové nastavení cirkadiánního pacemakeru. To má za následek jeho změněnou reaktivitu na synchronizační světelné stimuly. Nedostatek VIP může být bezpochyby podpořen také změněnou GABAergní signalizací, která je podstatnou součástí intercelulární synchronizace v SCN regulované VIP, či chronickou hyperpolarizací neuronů SCN bez VIP [50,51].

K patologickým změnám v synchronizaci hodin přispívá jistě také postupná degenerace sítnice oka a zejména ipRGC. Protože ipRGC inervují kromě SCN také olivární pretektální jádro, kromě histologické detekce úbytku melanopsinu se v experimentech s R6/ 2 myšmi testovala též jejich funkce – měřením pupilárního reflexu [43,47]. Při použití nízké a střední intenzity světla byl pupilární reflex redukován již u myší ve věku 12 a 15 týdnů a zcela selhával ve věku 20 týdnů i při použití jasného silného světla. Tyto změny ve fotorecepci sítnice mohou přispět k progresivní deregulaci cirkadiánního systému pozorované u pacientů s HD. Jak onemocnění progreduje, cirkadiánní systém se stává čím dál necitlivějším k vnějšímu cyklu světla a tmy, zvláště při nízké intenzitě osvětlení. V souladu s těmito nálezy další experimenty ukázaly, že zvýšení intenzity synchronizačního světla může zpomalit progresi dysfunkce cirkadiánního systému u myší R6/ 2. Pokud byl těmto myším aplikován hodinový světelný pulz o vysoké intenzitě 1 500 luxů, rytmus jejich pohybové aktivity se lépe synchronizoval s 24h režimem. Ještě lepších výsledků bylo dosaženo kombinací silného světla a pravidelné pohybové aktivity načasované na stejnou denní dobu [53].

Ačkoliv cirkadiánní systém animálních modelů funguje v principu podobně jako cirkadiánní systém člověka, myši jako noční živočichové jsou výrazně citlivější na intenzitu světla než denní živočichové a 1 500 lx použitých pro synchronizaci nočních hlodavců nemusí být lidským cirkadiánním systémem vnímáno jako silné světlo. Je známo, že nesynchronizovaný, tzv. volný běh cirkadiánních hodin podle molekulárního mechanizmu (obr. 1) může u člověka nastat již při nízké intenzitě denního světla v kombinaci s nedostatečnou tmou v noci. Stejně jako u všech organizmů je totiž cirkadiánní systém člověka závislý na vysokém kontrastu mezi světlem ve dne a tmou v noci [54,55]. Je možné, že narušená signalizace VIP v SCN může projevit svůj patologický dopad na amplitudu a fázi cirkadiánních rytmů zejména u těch pacientů s HD, kteří žijí ve špatně osvětleném prostředí denním a přisvětlovaném prostředí nočním. Zvýšení kontrastu mezi dnem a nocí či cílená terapie jasným světlem by mohly tento deficit částečně kompenzovat, alespoň do té doby, dokud ipRGC buňky sítnice produkují dostatečné množství melanopsinu. Synchronizačního účinku světla na cirkadiánní systém, jehož narušení bývá průvodním jevem řady dalších neurodegenerativních onemocnění, se již využívá při terapii Alzheimerovy i Parkinsonovy nemoci, které jsou v pozdějších stadiích také provázeny degenerací sítnice a ztrátou fotosenzitivity. Obvykle se terapie provádí ráno nebo 2× denně silným světlem o intenzitě 5 000–10 000 l lx (měřeno ve výšce očí) [56–60].

Závěr

Narušení cirkadiánní rytmicity je podobně jako u většiny neurodegenerativních onemocnění zjevné u pacientů s HD ještě v premanisfestujících stadiích nemoci, před rozvojem motorického a kognitivního deficitu. Společným znakem pacientů i animálních modelů je úbytek VIP signalizace v cirkadiánním pacemakeru, který znamená desynchronizaci mezi jednotlivými buněčnými oscilátory SCN a snížení amplitudy cirkadiánních rytmů či jejich úplnou ztrátu. Protože buňky SCN produkující VIP jsou také receptivní pro signály z RHT, tento deficit mění i výchozí nastavení pacemakeru a jeho odpověď na světelné stimuly. Z dostupných studií jednoznačně vyplývá, že nedostatečný rozdíl v intenzitě světla mezi dnem a nocí přispívá k dalšímu rozvolnění interakcí mezi buněčnými oscilátory a desynchronizaci cirkadiánních rytmů. Je překvapivé, jak málo je známo o využití světelné terapie jak u pacientů s HD, tak u myších modelů této nemoci, ačkoliv u jiných typů neurodegenerativních onemocnění se již s úspěchem využívá pro zvýšení amplitudy cirkadiánních oscilací, a tím i zlepšení spánku, nálady, kognitivních a dokonce i motorických funkcí a pro zpomalení progrese onemocnění.

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do biomedicínských časopisů.

Mgr. Dominika Pačesová

Národní ústav duševního zdraví

Topolová 748

250 67 Klecany

e-mail: dominika.pacesova@natur.cuni.cz

Přijato k recenzi: 27. 3. 2019

Přijato do tisku: 10. 5. 2019