Διερεύνηση του ρόλου των αδρενεργικών και ντοπαμινεργικών συστημάτων στη ρύθμιση των κυτοχρωμάτων CYP3A1/2, CYP2C11 και CYP2D1/2

Abstract

The hepatic cytochrome CYPs (P450s) consitute a large superfamily of proteins that are expressed in all living organisms. Their role is crucial, since they metabolize a broad variety of substrates, both endogenous and exogenous (xenobiotics). From pharmacological point of view, the most important subfamilies of CYPs are the CYP3A, CYP2C and CYP2D, because they are involved in the metabolism of the majority of the most commonly prescribed drugs. The knowledge regarding factors that might affect their regulation is of paramount significance, because it is well established that any factor modifying the expression and activity of CYPs may lead to complications in drug therapy. In particular, induced CYP expression may lead to increased hepatic drug metabolism and consequently, to reduced drug concentrations in plasma, followed by reduced drug efficacy or even sometimes the complete failure of the pharmacotherapy. On the other hand, inhibition of CYPs may lead to reduced hepatic drug metabolism and thus, to elevated concentrations of the drug in plasma, a condition usually connected to the development of detrimental side-effects. This study aimed to serve several purposes. The first purpose of this study was to evaluate the impact of stress and glucocorticoids on the regulation of the most important hepatic CYPs (CYP3A, CYP2C and CYP2D) in the rat. Within the scopes of the present study was the investigation of the role of alpha- and beta- adrenergic receptor-linked pathways and the impact of the related signaling pathways (cAMP/PKA, JNK, GH/STAT5b) in the regulation of the aforementioned CYPs. The role of D2-dopaminergic receptors and the related signaling pathways, PI3K/Akt/FoxO1and GH/STAT5b, in the regulation of the main hepatic CYPs was also investigated. In vivo and in vitro experiments were employed to address these subjects, using adult male Wistar rats and primary hepatocyte cultures, respectively. Alterations in CYP-dependent enzymatic activities were assessed using the High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Modifications of the specific CYP expressions were also evaluated at apoprotein and mRNA level, employing either western blot or q-PCR analysis, respectively. For this purpose, specific antibodies and primers were used. The results of this study have clearly indicated psychological stress as an extremely important factor in the regulation of the most important CYPs. In particular, rats that responded to early in life maternal deprivation stress, showed induced hepatic expression of CYP3A1/2 and CYP2C11, while the CYP2D was not significantly affected. In contrast, repeated exposure to restraint stress resulted in significant changes in the hepatic expression of CYP3A2 and CYP2D. The effect of both types of stress on CYP2A was less pronounced. Moreover, the inductive effect of glucocorticoids on CYP3A and their inhibitory effect on CYP2C was confirmed. The in vitro and in vivo experiments that have focused on the role of adrenergic receptor pathways, revealed that the signaling pathways cAMP/PKA, JNK and GH/STAT5b hold major roles in the regulation of the above mentioned CYPs. In this regulation, several nuclear receptors have a determinant role. In vivo experiments using the D2-dopaminergic receptor blocking agent, sulpiride, indicated a dramatic inhibition of the hepatic CYP3A, CYP2C and CYP2D expression. Nonetheless, in vitro experiments indicated that the direct blockade of hepatic D2-receptors by sulpiride had opposite effects. Based on these findings, we hypothesized that insulin may be involved in the in vivo sulpiride-induced downregulating effect on hepatic CYPs. Further investigation of this hypothesis using primary hepatocytes treated with insulin alone or in combination with wortmannin, an inhibitor of the insulin-regulated PI3K/Akt signaling pathway, combined to the in vivo sulpiride effects on this signaling pathway, has strengthened the basis of this hypothesis. Further studies showed that the transcription factor FoxO1, holds a significant role in the regulation of the aforementioned CYPs. Moreover, the data of this study revealed the participation of the GH/STAT5b signaling pathway in the stress-, AR- and D2-receptor-mediated modifications in CYP regulation. In conclusion, this study indicated that stress and the major components of the stress system, glucocorticoids and adrenergic receptors, hold determinant roles in the regulation of the hepatic drug metabolizing enzymes. This fact should always be taken into account before initiating a pharmacotherapy. Furthermore, this study has shown for the first time that, profoundly, the pancreatic D2-dopaminergic receptors and the PI3K/Akt/FoxO1 signaling pathway hold a key role in the regulation of CYP3A, CYP2C and CYP2D in the rat liver. Finally, this study has shed light in the involvement of various hormones in the stress-, AR- and D2-receptor mediated regulation of the aforementioned cytochromes and has enriched our knowledge regarding the role of the nuclear transcription factors CAR, PXR, RXR and HNFs in this regulation.

Τα ηπατικά κυτοχρώματα CYPs (P450s) είναι μια μεγάλη υπερ-οικογένεια πρωτεϊνών, οι οποίες εντοπίζονται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Η σημασία τους είναι τεράστια, αφού μεταβολίζουν μια τεράστια ποικιλία ενδογενών ουσιών αλλά και ξενοβιοτικών. Οι πιο σημαντικές υποοικογένειες κυτοχρωμάτων CYP είναι η CYP3A, η CYP2C και η CYP2D, εξαιτίας του ρόλου τους στο μεταβολισμό της πλειονότητας των πιο συχνά συνταγογραφούμενων φαρμάκων. Η γνώση όσον αφορά τους παράγοντες, που μπορούν να προκαλέσουν επαγωγή ή αναστολή των κυτοχρωμάτων CYP είναι εξαιρετικής σημασίας, αφού κάθε μεταβολή στην έκφραση και την δραστικότητά τους μπορεί να έχει σοβαρότατες συνέπειες στην αποτελεσματικότητα της φαρμακευτικής αγωγής αλλά και στην φαρμακοτοξικότητα. Η αναστολή των ηπατικών CYPs μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένα επίπεδα ενός φαρμάκου-υποστρώματος στο πλάσμα και στην ανάπτυξη τοξικών εκδηλώσεων. Αντίθετα, η επαγωγή των CYPs μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη αποτελεσματικότητα ή ακόμη και πλήρη αποτυχία της φαρμακοθεραπείας. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση στον επίμυ της επίδρασης του στρες στη ρύθμιση της έκφρασης των πιο σημαντικών για τον μεταβολισμό φαρμάκων κυτοχρωμάτων, των CYP3A, CYP2C και CYP2D. Επίσης, διερευνήθηκε ο ρόλος των αδρενεργικών υποδοχέων, των γλυκοκορτικοειδών καθώς και των μονοπατιών μεταγωγής σήματος (cAMP/PKA, JNK, GH/STAT5b) στη ρύθμιση των ανωτέρω κυτοχρωμάτων. Μελετήθηκε επίσης, ο ρόλος των D2-ντοπαμινεργικών υποδοχέων στη ρύθμιση της έκφρασης των CYP γονιδίων καθώς και η συμμετοχή του μονοπατιού μεταγωγής σήματος PI3K/Akt/FoxO1, αλλά και του μεταγραφικού παράγοντα STAT5b. Για την ερευνητική προσέγγιση αυτών των θεμάτων, έγιναν τόσο in vivo πειράματα με ενήλικες αρσενικούς επίμυες, όσο και in vitro πειράματα με καλλιέργειες πρωτογενών ηπατοκυττάρων, που απομονώθηκαν από το ήπαρ επιμύων. Οι μέθοδοι, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν συμπεριλαμβάνουν την Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης (HPLC) για την μέτρηση την ενζυμικής δραστικότητας των υπό μελέτην CYP3A, CYP2C και CYP2D, την ανοσοαποτύπωση κατά Western για την εκτίμηση των μεταβολών σε επίπεδο αποπρωτεΐνης, καθώς και την μέθοδο real-time polymerase chain reaction (RT-PCR, q-PCR) για την ποσοτική εκτίμηση των επιπέδων mRNA των ανωτέρω CYP γονιδίων. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης κατέδειξαν ότι το ψυχολογικό στρες είναι ένας παράγοντας τεράστιας σημασίας για τη ρύθμιση της έκφρασης των CYPs. Πιο συγκεκριμένα, το στρες της μητρικής αποστέρησης, στο οποίο εκτέθηκαν οι επίμυες σε πολύ μικρή ηλικία προκάλεσε την αύξηση της έκφρασης των CYP3A1/2 και CYP2C11, ενώ το CYP2D δεν επηρεάστηκε σημαντικά. Αντιθέτως, το στρες περιορισμού προκάλεσε σημαντικές μεταβολές στην έκφραση του CYP3A2, του CYP2D και μικρότερες μεταβολές στο CYP2A. Επιπροσθέτως, επιβεβαιώθηκε η επαγωγική δράση των γλυκοκορτικοειδών στο CYP3A και η κατασταλτική τους δράση στο CYP2C. Σημαντικά ευρήματα μετά από in vivo και in vitro πειράματα, τα οποία επικεντρώθηκαν στη μελέτη των αδρενεργικών μονοπατιών φανέρωσαν ότι τα μονοπάτια cAMP/PKA, JNK και του άξονα GH/STAT5b διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της ρύθμισης της έκφρασης των CYPs. Η συμμετοχή των πυρηνικών υποδοχέων PXR, RXR και HNF4α φαίνεται να είναι σημαντική στις μεταβολές που παρατηρήθηκαν στην έκφραση αυτών των CYPs. Eπιπλέον, η αναστολή των D2-ντοπαμινεργικών υποδοχέων in vivo, οδήγησε σε μεγάλη καταστολή των CYP3A, CYP2C και CYP2D. Αντιθέτως, αναστολή των ηπατικών D2-υποδοχέων in vitro, οδήγησε σε επαγωγή αυτών των CYPs. Αυτό το εύρημα οδήγησε στην υπόθεση ότι η ινσουλίνη πιθανόν διαδραματίζει στρατηγικής σημασίας ρόλο στον έλεγχο της ρύθμισης της έκφρασης των CYPs, αφού αποδείχθηκε ότι η αναστολή in vivο των D2-υποδοχέων ενεργοποιεί το ινσουλινοεξαρτώμενο μονοπάτι PI3K/Akt, ενώ περαιτέρω έρευνες έδειξαν τον FoxO1 ως τελικό μεταγραφικό παράγοντα ρύθμισης. Παράλληλα, ο άξονας GH/STAT5b φαίνεται να παίζει επίσης πολύ σημαντικό ρυθμιστικό ρόλο και στην περίπτωση των D2-ντοπαμινεργικών μονοπατιών. Συμπερασματικά, η μελέτη αυτή έδειξε ότι το στρες, τα γλυκοκορτικοειδή και αγωνιστές αδρενεργικών υποδοχέων αποτελούν παράγοντες, που πρέπει πάντα να λαμβάνονται υπόψιν πριν τη συνταγογράφηση σε ασθενείς. Επιπλέον, η μελέτη αυτή κατέδειξε για πρώτη φορά την επίδραση των παγκρεατικών D2-ντοπαμινεργικών υποδοχέων και του μονοπατιού PI3K/Akt/FoxO1 στη ρύθμιση της έκφρασης των CYP3A, CYP2C και CYP2D. Διαπιστώθηκε επίσης, η συμμετοχή της GH, της PRL και των θυρεοειδικών ορμονών στις μεταβολές που προκάλεσαν οι φαρμακολογικοί χειρισμοί των D2-ντοπαμινεργικών υποδοχέων.