NGF i GDNF

1. Profil cząsteczek

1.1. Definicja i przynależność rodzinowa

Czynniki neurotroficzne to białka, od których zależy przeżycie i utrzymanie neuronów — nie tylko w rozwoju, ale przez całe życie. Umieszczenie NGF i GDNF w jednym haśle wynika z podobieństwa roli, nie z pokrewieństwa; pod względem budowy i mechanizmu są to cząsteczki należące do odrębnych światów.

Rozróżnienie ma znaczenie praktyczne. Materiały reklamowe traktują „czynniki neurotroficzne” jako jedną kategorię, podczas gdy działanie na jedną z tych osi nie mówi nic o drugiej, a docelowe populacje neuronów niemal się nie pokrywają.

1.2. Budowa i przetwarzanie

NGF powstaje jako prekursor — proNGF — który dopiero po rozcięciu daje postać dojrzałą. Ma to konsekwencję nietypową i istotną: obie postacie są czynne, ale działają przeciwstawnie. Dojrzały NGF wiąże się z dużym powinowactwem z receptorem TrkA i wspiera przeżycie komórki; proNGF preferuje receptor p75 w kompleksie z sortyliną i sprzyja śmierci komórkowej.

Równowaga między postaciami zależy od sprawności enzymów przetwarzających. Jej zaburzenie — obserwowane w chorobie Alzheimera — sprawia, że ta sama cząsteczka zmienia znak działania, z ochronnego na uszkadzający. Jest to zależność analogiczna do opisanej dla BDNF i proBDNF w haśle o tym czynniku.

GDNF działa inaczej. Aby pobudzić receptor RET, musi najpierw związać się z koreceptorem GFRα1 zakotwiczonym w błonie — dopiero powstały kompleks aktywuje kinazę. Koreceptor bywa też uwalniany do przestrzeni pozakomórkowej, co pozwala GDNF działać na komórki, które własnego GFRα1 nie mają.

1.3. Rys historyczny

NGF wyodrębniła Rita Levi-Montalcini wraz ze Stanleyem Cohenem na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku, za co oboje otrzymali Nagrodę Nobla w 1986 roku. Badania prowadziła początkowo w laboratorium urządzonym w sypialni własnego domu, po usunięciu z uniwersytetu na mocy włoskich ustaw rasowych.

Znaczenie odkrycia wykracza poza samą cząsteczkę. Do tego czasu zakładano, że neurony rozwijają się według programu wewnętrznego. NGF pokazał, że tkanka docelowa wydziela ograniczoną ilość czynnika, o który neurony konkurują — te, którym go zabraknie, giną. Ta zasada, nazwana hipotezą neurotroficzną, obowiązuje do dziś i tłumaczy, dlaczego w rozwoju powstaje znacznie więcej neuronów, niż ostatecznie przeżywa.

GDNF opisano czterdzieści lat później, w 1993 roku, poszukując czynnika wspierającego neurony dopaminergiczne. Nazwa — czynnik pochodzenia glejowego — odzwierciedla źródło, z którego go wyizolowano.

2. Mechanizmy

2.1. Transport wsteczny jako nośnik sygnału

Sposób, w jaki czynnik neurotroficzny dociera do jądra komórkowego, jest sam w sobie mechanizmem godnym opisu. Czynnik wydzielany jest przez tkankę docelową i wiąże się z receptorem na zakończeniu aksonu, czyli w miejscu odległym od ciała komórki niekiedy o kilkadziesiąt centymetrów.

Kompleks receptor–ligand zostaje następnie wchłonięty do pęcherzyka i transportowany wstecznie wzdłuż aksonu do ciała komórki, gdzie uruchamia zmiany w ekspresji genów. Pęcherzyk taki bywa nazywany sygnalosomem — jest to sygnał podróżujący w opakowaniu, a nie fala dyfundująca.

Rozwiązanie to ma sens biologiczny: neuron dowiaduje się w ten sposób, czy jego zakończenie faktycznie dotarło do właściwego celu. Ma też słabość — przerwanie transportu aksonalnego odcina komórkę od sygnału przeżycia, nawet gdy czynnika w tkance jest pod dostatkiem. Mechanizm ten uczestniczy w patogenezie neuropatii i chorób neurozwyrodnieniowych [2].

2.2. Dwa receptory, dwa przeciwstawne wyniki

Neurotrofiny działają przez dwa układy receptorowe o odmiennej logice.

Receptory Trk — TrkA dla NGF, TrkB dla BDNF, TrkC dla NT-3 — są kinazami tyrozynowymi o wysokiej wybiórczości. Po związaniu ligandu uruchamiają kaskady prowadzące do przeżycia komórki, wzrostu neurytów i różnicowania.

Receptor p75NTR wiąże wszystkie neurotrofiny z podobnym, niskim powinowactwem i nie ma własnej aktywności enzymatycznej. Jego rola zależy od kontekstu: w towarzystwie Trk zwiększa czułość i wybiórczość układu, natomiast samodzielnie, zwłaszcza w kompleksie z sortyliną i przy udziale form prekursorowych, uruchamia apoptozę.

Ten sam czynnik może więc podtrzymać komórkę albo ją zabić, zależnie od tego, które receptory ma ona na powierzchni i w jakiej postaci czynnik występuje [2]. Jest to jedno z ważniejszych zastrzeżeń wobec prostych strategii „podnoszenia poziomu czynnika neurotroficznego”.

2.3. Funkcje NGF

• Neurony czuciowe bólowe — NGF utrzymuje ich przeżycie w rozwoju, a u dorosłego uwrażliwia zakończenia, obniżając próg pobudliwości i zwiększając ekspresję kanałów przewodzących sygnał bólowy. W tkance objętej zapaleniem jego stężenie rośnie, co jest jednym z mechanizmów bólu zapalnego.
• Neurony współczulne — zależne od NGF przez całe życie.
• Neurony cholinergiczne przodomózgowia podstawnego — populacja ulegająca degeneracji w chorobie Alzheimera i zaopatrywana przez NGF, co uczyniło z niego wczesnego kandydata na lek w tej chorobie.
• Poza układem nerwowym — NGF uczestniczy w gojeniu, w regulacji odpowiedzi immunologicznej i w utrzymaniu nabłonka rogówki.

Drugi punkt pierwszego podpunktu jest tym, co odwraca potoczną intuicję. NGF nie jest wyłącznie czynnikiem „naprawczym” — jest też mediatorem bólu. Właśnie dlatego przemysł farmaceutyczny opracowywał przeciwciała blokujące NGF jako leki przeciwbólowe, a nie substancje go podnoszące [1].

2.4. Funkcje GDNF

GDNF jest najsilniejszym znanym czynnikiem troficznym dla neuronów dopaminergicznych istoty czarnej — tej samej populacji, której ubytek daje chorobę Parkinsona. W modelach zwierzęcych podanie GDNF chroni te neurony przed uszkodzeniem i przywraca ich czynność, co uczyniło go jednym z najbardziej obiecujących kandydatów w neurologii lat dziewięćdziesiątych [6].

Poza tym GDNF podtrzymuje neurony ruchowe, uczestniczy w rozwoju nerki oraz w tworzeniu jelitowego układu nerwowego — mutacje receptora RET są przyczyną wrodzonego bezzwojowości jelita grubego. Ten sam receptor, gdy ulega mutacji aktywującej, prowadzi do nowotworów tarczycy; RET jest więc zarazem receptorem troficznym i onkogenem.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Wrodzone zaburzenia osi NGF

Najbardziej pouczającą jednostką jest wrodzona niewrażliwość na ból z bezpotliwością, wywołana mutacjami genu receptora TrkA. Chorzy nie odczuwają bólu, nie pocą się, a często występuje u nich niepełnosprawność intelektualna.

Obraz ten dowodzi trzech rzeczy naraz: że oś NGF–TrkA jest niezbędna do rozwoju neuronów bólowych, że jest niezbędna dla neuronów współczulnych, oraz — co najważniejsze klinicznie — że brak bólu nie jest stanem pożądanym. Chorzy doznają powtarzających się urazów, oparzeń i uszkodzeń stawów, których nie zauważają.

3.2. Neuropatie obwodowe

Zaburzenie równowagi neurotrofin uczestniczy w patogenezie neuropatii, w tym cukrzycowej i wywołanej chemioterapią. Upośledzenie sygnalizacji troficznej pogarsza zdolność regeneracji aksonu i utrzymania jego integralności [2].

Stwarza to oczywisty cel terapeutyczny — i tu zaczynają się trudności praktyczne opisane w sekcji 3.4.

3.3. Choroby neurozwyrodnieniowe

W chorobie Alzheimera dochodzi do degeneracji neuronów cholinergicznych zależnych od NGF oraz do zaburzenia przetwarzania proNGF w postać dojrzałą — czyli do przesunięcia równowagi w stronę sygnału proapoptotycznego opisanego w sekcji 1.2.

W chorobie Parkinsona ginie populacja szczególnie zależna od GDNF. Neurony te są przy tym wyjątkowo podatne z powodów niezależnych od czynników troficznych: mają ogromne, rozgałęzione drzewo aksonalne o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym, obciążone dodatkowo metabolizmem dopaminy [6]. Sam czynnik troficzny nie usuwa tej podatności — co jest jedną z hipotez tłumaczących niepowodzenia prób klinicznych.

3.4. Dlaczego próby kliniczne zawiodły

Historia obu cząsteczek to przykład rozdźwięku między obiecującą biologią a wynikiem u ludzi. Przyczyny są w znacznej mierze techniczne, nie biologiczne.

Konsekwencją tych ograniczeń jest przesunięcie kierunku prac: zamiast podawać białko, próbuje się dziś dostarczać gen kodujący czynnik, stosować cząsteczki drobnocząsteczkowe naśladujące jego działanie na receptorze albo podawać czynnik miejscowo — jak w przypadku kropli ocznych z rekombinowanym NGF, zarejestrowanych w neurotroficznym zapaleniu rogówki, gdzie bariera nie stanowi problemu.

3.5. Druga strona — kiedy czynnika jest za dużo

Podnoszenie czynników neurotroficznych bywa przedstawiane jako jednoznacznie korzystne. Dwie okoliczności temu przeczą.

Ból. NGF uwrażliwia zakończenia bólowe, a jego stężenie rośnie w tkance objętej zapaleniem. Kierunek terapeutyczny w chorobie zwyrodnieniowej stawów i w bólu przewlekłym polegał więc na blokowaniu, nie podnoszeniu tego czynnika [1].

Nowotwory. Neurony czuciowe naciekające guz wydzielają NGF i BDNF, które przez receptory Trk bezpośrednio pobudzają wzrost komórek nowotworowych, ich rozsiew i oporność na leczenie [3]. Zależność jest na tyle wyraźna, że inhibitory Trk — jak larotrektynib — stosuje się jako leki przeciwnowotworowe. Analogiczne zastrzeżenie sformułowano wobec BDNF w kontekście nowotworów mózgu [4].

Wniosek nie brzmi „czynniki neurotroficzne są szkodliwe”, lecz: ich rola zależy od tkanki, stężenia i kontekstu, a strategia podnoszenia ich w całym organizmie nie ma uzasadnienia.

3.6. Jak zbadać

W praktyce klinicznej stężeń NGF ani GDNF się nie oznacza — nie istnieje badanie o ustalonej wartości diagnostycznej. Oznaczenia wykonuje się w badaniach naukowych, a ich interpretacja napotyka tę samą trudność, co przy BDNF: stężenie we krwi obwodowej nie odzwierciedla stężenia w tkance nerwowej [4].

Diagnostyka dotyczy więc następstw, nie samych czynników: badanie przewodnictwa nerwowego i elektromiografia w neuropatiach, ocena progu czucia, a przy podejrzeniu wrodzonej niewrażliwości na ból — badanie genetyczne.

3.7. Modyfikacja behawioralna

• Aktywność fizyczna — najlepiej udokumentowany bodziec dla układu neurotroficznego, przy czym większość danych u ludzi dotyczy BDNF, nie NGF ani GDNF.
• Kontrola glikemii — hiperglikemia upośledza sygnalizację troficzną i sprzyja neuropatii [2].
• Unikanie substancji neurotoksycznych — alkohol i część leków przeciwnowotworowych uszkadzają neurony obwodowe niezależnie od czynników troficznych.
• Sen — konsolidacja plastyczności zależnej od czynników troficznych zachodzi w znacznej części podczas snu.

3.8. Wsparcie suplementacyjne

Jedenaście kart katalogu odnosi się do tego pojęcia — najczęściej przez deklarację „pobudzania NGF”. Deklaracje te opierają się niemal wyłącznie na badaniach na hodowlach komórkowych i na modelach zwierzęcych. Przegląd piśmiennictwa obejmujący ponad dwadzieścia gatunków grzybów i osiemdziesiąt związków czynnych stwierdza wprost, że dane pochodzą z badań in vitro, a badania kliniczne u ludzi są dopiero potrzebne [5].

Do tego dochodzi przeszkoda niezależna od jakości preparatu: cząsteczki wywołujące syntezę NGF w hodowli musiałyby przeniknąć barierę krew–mózg, czego dla większości z nich nie wykazano.

Cztery uwagi praktyczne.

1. „Pobudza NGF” nie znaczy „poprawia pamięć”. Nawet gdyby preparat rzeczywiście zwiększał syntezę czynnika w tkance, korzyść poznawcza pozostaje osobnym twierdzeniem, wymagającym osobnego dowodu.
2. Podniesienie NGF nie jest celem samym w sobie. Czynnik ten uwrażliwia zakończenia bólowe, a jego blokowanie badano jako strategię przeciwbólową [1].
3. Ostrożność w chorobie nowotworowej. Sygnalizacja przez receptory Trk pobudza wzrost części nowotworów [3]; osoby w trakcie lub po leczeniu onkologicznym powinny uzgodnić przyjmowanie takich preparatów z lekarzem prowadzącym.
4. Neuropatia obwodowa o nowym początku wymaga diagnostyki przyczyny, nie suplementacji — jej podłożem bywa cukrzyca, niedobór witaminy B12, choroba tarczycy albo działanie leku.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Stężeń NGF ani GDNF nie oznacza się w praktyce klinicznej — nie ma badania o ustalonej wartości diagnostycznej, a wyniki z krwi obwodowej nie odzwierciedlają tkanki nerwowej [4]. Ocenia się następstwa: przewodnictwo nerwowe i elektromiografię w neuropatiach, próg czucia, a przy podejrzeniu wrodzonej niewrażliwości na ból — badanie genetyczne.

Na co uważać

• NGF i GDNF to nie warianty tej samej cząsteczki — działają na różne populacje neuronów i przez różne receptory; wpływ na jeden nie mówi nic o drugim.
• Podnoszenie NGF nie jest jednoznacznie korzystne — czynnik ten uwrażliwia zakończenia bólowe [1].
• Sygnalizacja przez receptory Trk pobudza wzrost części nowotworów; przy chorobie nowotworowej wymagana konsultacja [3].
• Deklaracje „pobudzania NGF” pochodzą z hodowli komórkowych; przeglądy wskazują wprost na brak badań u ludzi [5].
• Białka te nie przenikają bariery krew–mózg — to główna, techniczna przyczyna niepowodzeń klinicznych, nie brak działania biologicznego [2].
• Neuropatia o nowym początku wymaga ustalenia przyczyny przed jakąkolwiek suplementacją.
• Wrodzona niewrażliwość na ból pokazuje, że brak bólu jest stanem groźnym, nie pożądanym.