Szlak kynureninowy

1. Profil szlaku

1.1. Definicja i zakres

Szlak kynureninowy to główna droga katabolizmu tryptofanu, prowadząca przez kynureninę do dwóch odrębnych grup metabolitów oraz — w części końcowej — do syntezy NAD⁺. Odpowiada za około 90–95% metabolizmu tego aminokwasu [1, 2].

1.2. Rys historyczny

Kwas kynureninowy wyizolował z moczu psa Justus von Liebig w 1853 roku — stąd nazwa, od greckiego kyon (pies). Szlak metaboliczny opisał w latach trzydziestych XX wieku Yashiro Kotake. Zainteresowanie neurobiologiczne pojawiło się dopiero w latach osiemdziesiątych, gdy wykazano, że kwas chinolinowy jest agonistą receptora NMDA i wywołuje ekscytotoksyczność, a kwas kynureninowy działa przeciwnie. Ostatnie dwie dekady przyniosły zrozumienie roli szlaku w immunologii i onkologii.

1.3. Struktura szlaku — punkt rozgałęzienia

                    L-TRYPTOFAN
                         ↓  IDO1 / IDO2 / TDO   ← ETAP LIMITUJĄCY
                  N-formylokynurenina
                         ↓  formamidaza
                    KYNURENINA  ←── przenika barierę krew-mózg
                         │
        ┌────────────────┴────────────────┐
        ↓ KAT                             ↓ KMO
  KWAS KYNURENINOWY              3-hydroksykynurenina
     (KYNA)                              ↓
   NEUROPROTEKCYJNY               kwas 3-hydroksyantranilowy
                                          ↓
                                  KWAS CHINOLINOWY (QUIN)
                                     NEUROTOKSYCZNY
                                          ↓
                                        NAD⁺

Rozgałęzienie po kynureninie jest sednem całego zagadnienia. Dwa enzymy konkurują o ten sam substrat, a produkty ich działania mają przeciwstawne skutki.

2. Mechanizmy

2.1. Etap limitujący — trzy enzymy o różnych regulatorach

Rozdzielenie to ma znaczenie praktyczne: stres przewlekły uruchamia szlak przez TDO, a zapalenie — przez IDO1. Oba stany zmniejszają pulę tryptofanu dostępną dla syntezy serotoniny i melatoniny.

Interferon γ jest najsilniejszym induktorem IDO1. Wyjaśnia to obserwację kliniczną sprzed dekad: leczenie interferonem — stosowane niegdyś w zapaleniu wątroby typu C — wywoływało depresję u znacznej części chorych. Obserwacja ta stała się jednym z filarów zapalnej hipotezy depresji, rozwijanej równolegle do hipotezy neurotroficznej [8].

2.2. Dwa metabolity o przeciwstawnym działaniu

Kwas kynureninowy jako antagonista NMDA i receptorów nikotynowych w nadmiarze osłabia przekaźnictwo niezbędne dla pamięci i uwagi. Podwyższone stężenia KYNA opisywano w schizofrenii i wiąże się je z hipofunkcją receptora NMDA.

2.3. Podział między typami komórek — mechanizm kluczowy

W mózgu poszczególne gałęzie szlaku zachodzą w różnych komórkach:

Wynika stąd wniosek o dużym znaczeniu: aktywacja mikrogleju w neurozapaleniu przesuwa produkcję w stronę kwasu chinolinowego, podczas gdy w warunkach prawidłowych przeważa gałąź astrocytarna. Jest to jedno z ogniw łączących neurozapalenie z uszkodzeniem neuronów.

2.4. Bariera krew-mózg — dlaczego liczy się kynurenina obwodowa

Przenikalność poszczególnych metabolitów jest zasadniczo różna:

• kynurenina przenika barierę krew-mózg (transporterem LAT1, konkurując z tryptofanem)
• kwas kynureninowy i kwas chinolinowy przenikają słabo

Oznacza to, że stężenie metabolitów w mózgu zależy w dużej mierze od tego, ile kynureniny napłynie z obwodu — a więc od aktywności IDO1 w tkankach obwodowych i od stanu zapalnego. Mózg nie jest w tym układzie samowystarczalny.

2.5. Kynurenina jako cząsteczka immunologiczna

Kynurenina jest endogennym ligandem receptora węglowodorów aromatycznych (AhR). Jej związanie z tym receptorem:

• sprzyja różnicowaniu limfocytów Treg i hamuje Th17
• osłabia odpowiedź limfocytów efektorowych
• indukuje tolerancję immunologiczną

Mechanizm ten pełni funkcje fizjologiczne — IDO1 w łożysku uczestniczy w tolerancji matczyno-płodowej. Bywa jednak wykorzystywany patologicznie: guzy nowotworowe indukują IDO1, tworząc wokół siebie środowisko immunosupresyjne [3, 4].

Doprowadziło to do prób klinicznych z inhibitorami IDO1 w onkologii. Wyniki badań późnych faz były jednak w większości rozczarowujące, co skłoniło do rewizji założeń o roli tego szlaku w odpowiedzi przeciwnowotworowej [4].

2.6. Mięsień szkieletowy jako filtr kynureniny

Jedno z ciekawszych odkryć ostatniej dekady. Trening wytrzymałościowy zwiększa w mięśniu szkieletowym ekspresję PGC-1α1, a ten indukuje aminotransferazy kynureninowe (KAT). W konsekwencji pracujący mięsień przekształca kynureninę w kwas kynureninowy jeszcze w krążeniu obwodowym. Ponieważ KYNA nie przenika bariery krew-mózg, mniej kynureniny dociera do ośrodkowego układu nerwowego i mniej substratu trafia do mikrogleju. Jest to konkretny, molekularny mechanizm łączący aktywność fizyczną z ochroną przed depresją indukowaną stresem — mechanizm istotnie różny od popularnego wyjaśnienia „endorfinowego”.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Przesunięcie szlaku w stanach zapalnych

Stan aktywacji IDO1 opisuje się wskaźnikiem Kyn/Trp. Podwyższenie tego stosunku obserwuje się w: przewlekłym zapaleniu · zakażeniach · chorobach autoimmunologicznych · nowotworach · otyłości · przewlekłym stresie · starzeniu · po dużym wysiłku.

3.2. Rola w patogenezie chorób

W większości wymienionych stanów przesunięcie szlaku jest udokumentowane jako zjawisko towarzyszące. Wykazanie przyczynowości jest trudne, a rozczarowujące wyniki prób z inhibitorami IDO1 w onkologii pokazują, że oczywista z pozoru zależność mechanistyczna nie musi przekładać się na skuteczność interwencji.

3.3. Jak zbadać

Ograniczenia praktyczne. Oznaczenia metabolitów kynureninowych wykonuje się metodami chromatograficznymi w laboratoriach specjalistycznych; nie ma ustalonych wartości referencyjnych ani progów decyzyjnych do zastosowania w opiece nad pojedynczym pacjentem. Są to obecnie narzędzia badawcze, a nie rutynowa diagnostyka. Interesująca jest natomiast neopteryna — jej podwyższenie sygnalizuje aktywację tej samej osi.

3.4. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

1. Trening wytrzymałościowy — indukcja PGC-1α1 i KAT w mięśniu, przekształcanie kynureniny do KYNA obwodowo; mechanizm o najlepszym udokumentowaniu
2. Ograniczenie przewlekłego zapalenia — redukcja tkanki trzewnej, leczenie ognisk zakażenia, dieta przeciwzapalna; zmniejsza aktywność IDO1
3. Redukcja przewlekłego stresu — kortyzol aktywuje TDO
4. Sen — niedobór podnosi markery zapalne, które napędzają szlak
5. Dbałość o mikrobiotę — wpływa na konkurencyjny szlak indolowy i na stan zapalny jelita [5]
6. Ograniczenie alkoholu
7. Wystarczająca podaż niacyny — zmniejsza obciążenie szlaku, którego funkcją końcową jest synteza NAD⁺

3.5. Wsparcie suplementacyjne

Nie istnieje suplement o udokumentowanym u ludzi działaniu przekierowującym szlak kynureninowy. Substancje z poniższej tabeli działają pośrednio — przez ograniczenie zapalenia lub dostarczenie kofaktorów. Wpływ bezpośredni wykazywano niemal wyłącznie w modelach badawczych.

Uwaga o witaminie B6. Jest kofaktorem kynureninazy i aminotransferaz kynureninowych. Jej niedobór powoduje nagromadzenie 3-hydroksykynureniny i ksanturenianu — zjawisko wykorzystywane historycznie w teście obciążenia tryptofanem jako wskaźnik statusu witaminy B6. Wyrównanie niedoboru normalizuje przebieg szlaku, ale nie należy tego mylić z „przekierowaniem” go w stronę korzystną.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Najbardziej przydatne jest badanie stosunku kynurenina/tryptofan (Kyn/Trp) jako pośrednia miara aktywności IDO1, uzupełnione o stosunek KYNA/QUIN. Oznaczenia metabolitów kynureninowych pozostają jednak narzędziem badawczym — nie mają ustalonych progów decyzyjnych w opiece indywidualnej.

Na co uważać

• Podanie tryptofanu przy czynnym zapaleniu w dużej mierze zasila szlak kynureninowy, nie serotoninowy.
• KYNA – kwas kynureninowy – nie jest jednoznacznie korzystny — w nadmiarze upośledza przekaźnictwo NMDA i nikotynowe.
• Przesunięcie szlaku jest w większości chorób zjawiskiem towarzyszącym. Związek przyczynowy w tym wypadku jest rzadko udowodniony.
• Próby kliniczne z inhibitorami IDO1 w onkologii w większości zawiodły mimo mocnych przesłanek mechanistycznych.
• Nie istnieje suplement o potwierdzonym u ludzi działaniu przekierowującym ten szlak.