Cirkadinis ritmas ir endokanabinoidinė sistema

Įžanga

Cirkadinis ritmas yra 24 val. elgesio ir fiziologinių procesų, tokių kaip miego/budrumo, suvokimo funkcijų bei hormonų gamybos ciklas. Cirkadinio ritmiškumo mechanizmas padeda koordinuoti metabolinius ir fiziloginius procesus, o taip pat prisitaikyti prie ritmiškai besikeičiančios aplinkos.  Žinduoliams aplinkos veiksniai, tokie kaip šviesa, maistas, temperatūra yra pagrindiniai „zeitgebers“, t.y. laiko rodikliai ir vaidina pagrindinį vaidmenį sinchronizuojant organizmo vidinį biologinį ritmą su dienos- nakties ritmu. (1 pav.) Virškryžminis pagumburio branduolys (SCN), (angl. suprachiasmatic nucleus), smegenyse yra pagrindinis cirkadinio ritmo moduliatorius, tačiau ląstelių autonominis cirkadinis laikrodis periferiniuose audiniuose gali būti palaikomas nepriklausomai. [1]. Nežiūrint to, neesant SCN postūmio, sinchroniškumas tarp periferinių laikrodžių yra prarandamas. Šviesos stimuliuota informacija iš retinos į SCN keliauja  retinohipotalaminiu traktu (RHT) ir pritaiko/sinchronizuoja SCN pagal esamą šviesos-tamsos ciklą.

1 pav. Aplinkos veiksniai ir fiziologinis cirkadinio ritmo atsakas. Šaltinis: “Aging Circadian Rhythms and Cannabinoids”, Erik L. Hodges, Nicole M. Ashpole
1 pav. Aplinkos veiksniai ir fiziologinis cirkadinio ritmo atsakas. Šaltinis: “Aging Circadian Rhythms and Cannabinoids”, Erik L. Hodges, Nicole M. Ashpole

SCN neuronų cirkadiniai svyravimai sukuriami dviejų uždaro rato transkripcijos/transliacijos kilpų, kurios veikdamos kartu generuoja didelės amplitudės genų raiškos cirkadinius ritmus. Šiame procese veikia keturi SCN molekulinio laikrodžio genai: du aktyvatoriai (CLOCK ir BMAL1) ir du slopintojai (PER ir CRY), taip pat kinazės ir fosfatazės, kurios reguliuoja šių laikrodžio baltymų lokalizaciją ir stabilumą. SCN signalų perdavime dalyvauja daug neuroaktyvių transmiterių ir dauguma jų įtakoja laikrodžio funkciją. Glutamatas yra pagrindinis neurotransmiteris, išskiriamas RHT, reaguojant į šviesą. Endokanabinoidai, tokie kaip anandamidas (AEA) ir 2-arachidonoilglicerolis(2-AG), taip pat sudaro svarbią dalį hipotalamo nervinių signalų perdavimo dalyvių. Endokanabinoidai (EC) veikia kaip neuronų retrogradiniai signalų pernešėjai presinapsinių neurotransmiterių reguliavimui aktyvuojant su G baltymu susijusius kanabinoidinius receptorius 1 (CBR1). Endokanabinoidų gamyba ir metabolizmas priklauso nuo paros laiko, todėl manoma, kad tai susiję su cirkadiniu laikrodžiu. Kanabinoidinių receptorių aktyvavimas blokuoja šviesos sukeltą cirkadinio elgesio fazės* postūmį. Be to, kanabinoidinis signalų perdavimas padidina neuronų impulsus SCN, mažinant GABA išskyrimą.  Matomas akivaizdus cirkadinės ir endokanambinoidinės sistemos ryšys, tačiau kaip kanabinoidai veikia SCN funkciją ir cirkadinį laikrodį, žinoma mažai. Žemiau bus pateikiama keletas studijų, nagrinėjančių endokanabinoidinės sistemos (ECS) ir jos elementų ryšį su cirkadiniu mechanizmu bei įtaką sveikatos sutrikimams ir senėjimui.

Kanabinoidai įtakoja CSN per GABA signalų moduliavimą

Tyrime “Cannabinoids Excite Circadian Clock Neurons”[3] nustatyta, kad endokanabinoidai moduliuoja cirkadinį laikrodžio laiką. SCN zonoje pastebėta didelė kanabinoidinių receptorių CB1R raiška. SCN neuronai, įskaitant tuos, kurie kaip neurotransmiterius naudoja GABA bei aksonai SCN zonoje pasireiškia CB1R imunoreaktyvumu. Moduliacinis efektas susijęs su GABA signalų perdavimo mechanizmu SCN zonoje. Ir kituose tyrimuose pastebėta, kad lokali GABA transmisija įtakoja daugybę procesų, kurie susiję su cirkadiniu laikrodžiu, įskaitant ląstelių tarpusavio komunikaciją ir bendravimą tarp skirtingų SCN zonų.

Ląsteliniame lygyje CBR1 aktyvacija sumažino GABA išskyrimą iš SCN presinapsinių aksonų terminalų. Šis slopinimas įtakojo SCN postsinapsinių neuronų aktyvumo padidėjimą. Toks kanabinoidų veikimas manoma vyksta per presinapsinį CBR1 aktyvavimo mechanizmą GABA terminaluose.  Ši išvada atitinka ankstesnius tyrimų rezultatus, kad GABA pirmiausiai atlieka slopinimo funkciją SCN, tačiau kai kuriose studijose teigiama, kad dėl padidėjusio viduląstelinio CL kiekio kai kuriose cirkadinio ciklo fazėse GABA gali veikti aktyvatorius. Todėl CBR1 poveikis SCN cirkadiniam aktyvumui (aktyvacija arba slopinimas) gali priklausyti nuo paros laiko. Svarbu tai, kad CBR1 stimuliacija neveikia signalų perdavimo iš retinos į SCN, kas reiškia, kad šviesos informacija efektyviai perduodama į SCN, o CBR1 keičia laikrodžio sinchronizavimo rezultatus moduliuojant procesus SCN neuronų grandinėse. CBR1 antagonistas AM251 iššaukė nedidelį fazės postūmį, o tai rodo, kad endokanabinoidų veikla gali moduliuoti laikrodžio funkciją. Šio tyrimo duomenys rodo, kad kanabinoidai veikia laikrodžio fiziologiją, kas leidžia manyti, kad pokyčiai SCN laiko reguliavime gali būti iš vienas mechanizmų, kuriuo kanabinoidai įtakoja laiko suvokimą, įvertinant ir kanabinoidų veiksmus kitose smegenų zonose- smegenų žievėje, hipokampe ir dryžuotajame kūne  [3].

Astrocitų vaidmuo kanabinoidų atliekamoje SCN moduliacijoje

Tyrime “Cannabinoid Signaling Recruits Astrocytes to Modulate Presynaptic Function in the Suprachiasmatic Nucleus” [2] teigiama, kad endokanabinoidai gali keisti neuronų funkciją per astocitų signalų perdavimą ir gliotransmiterių išskyrimą. Čia tiriama hipotezė, kad kanabinoidų signalų perdavimas aktyvuoja viduląstelinius Ca2+ signalus astocituose ir neuromoduliarorių išskyrimą, kurie keičia SCN neuronų funkciją ir garantuotai keičia cirkadinio laikrodžio laiką.

SCN neuronų ir astrocitų tinklas, kuris taip pat turi molekulinius laikrodžius, turi gauti tikslius ir stabilius cirkadinius signalus. Vienas astrocitas gali sąveikauti su šimtais sinapsių ir to pasekoje šios ląstelės gali reguliuoti tinklo aktyvumą smegenų zonose. Astrocitai įvairiais būdais reguliuoja neuronų funkcijas- nuo ekstraląstelinio jonų ir neurotransmiterių koncentracijų reguliavimo iki deguonies kraujyje ir metabolizmo reguliavimo. Jie taip pat aktyviai reaguoja į išorinius veiksnius per viduląstelines signalų perdavimo molekules, tokias kaip Ca2+, ir įskaitant neuromoduliatorių, tokių kaip ATP, glutamato ir adenosino išskyrimą. 

Kanabinoidai tyrimo objektu pasirinkti dėl keleto priežasčių: ankstesnėse studijose pastebėta, kad endokanabinoidai gali veikti kaip ne šviesos faktorius, endogeninis kanabnoidas 2-AG turi paros ritmą (didžiausias jo kiekis būna vidurdienį), endokanabinoidinis signalų perdavimas yra kitoks, nei dauguma transmiterių sistemų, nes endokanabinoidai sintetinami pagal poreikį, kaip atsakas į neuronų aktyvumo padidėjimą, o SCN neuronų aktyvumas didžiausias yra dieną. Astrocitų viduląstelinis kalcis SCN naktį padidėjęs, o dieną kalcio signalų perdavimas palyginti yra nedidelis.

Ši studija pateikia tokį veikimo modelį: postsinapsinis neuronų aktyvumas paskatina endokanabinoidų gamybą, aktyvuojami kanabinoidiniai astrocitų receptoriai, įtakojamas viduląstelinis Ca+ signalų perdavimas ir atitinkamai adenosino gamyba, toliau seka adenosino-1 receptorių (A1R) aktyvacija presinapsiniuose neuronuose ir sumažėja GABA išskyrimas. (2 pav.)

2 pav. Signalų perdavimo mechanizmas virškryžminiame pagumburio branduolyje (SCN). Šaltinis: „Cannabinoid Signaling Recruits Astrocytes to Modulate Presynaptic Function in the Suprachiasmatic Nucleus“, Lauren M. Hablitz, Ali N. Gunesch, Olga Cravetchi, Michael Moldavan, Charles N. Allen.
2 pav. Signalų perdavimo mechanizmas virškryžminiame pagumburio branduolyje (SCN). Šaltinis: „Cannabinoid Signaling Recruits Astrocytes to Modulate Presynaptic Function in the Suprachiasmatic Nucleus“, Lauren M. Hablitz, Ali N. Gunesch, Olga Cravetchi, Michael Moldavan, Charles N. Allen.

Pelių modelyje buvo parodyta, kad CB1R aktyvacija agonistu WIN 55,212-2 sumažino GABA receptorių perduodamą postsinapsinės srovės (mGPSC) dažnį per mechanizmą, kuriam reikalingi astrocitai ir A1R.

Su amžiumi besikeičiantys cirkadiniai ritmai ir kanabinoidai

Studijoje “Aging Circadian Rhythms and Cannabinoids” [4] rašoma, kad laikrodžio genų pokyčiai susiję ir su senėjimu, ir su senėjimo ligomis. Endokanabinoidinė sistema pasirodė esanti sudėtingas signalų perdavimo tinklas, reguliuojantis daugybę cirkadinės fiziologijos aspektų, susijusių su senėjimo neurobiologija. Vienas anksčiausių senėjimo simptomų yra miego sutrikimas. Miego-budros ciklai yra vienas iš cirkadinio ritmo pavyzdžių. Neseniai atrasta glimfatinė sistema ir nuo miego priklausantis metabolitų valymas iš smegenų rodo, kad miegas yra gyvybiškai svarbus proteostazės palaikymui centrinėje nervų sistemoje. Be miego sutrikimų, cirkadinė fizinio judėjimo ir kūno temperatūros amplitudė su amžiumi taip pat kinta (sumažėja). Svarbu ir tai, kad nuo miego priklausančio augimo faktoriaus gamyba su amžiumi mažėja ir tai sukelia arba yra susiję su suvokimo sutrikimais. Kol kas nėra aišku, ar cirkadinio ritmo sutrikimai sukelia su amžiumi siejamus suvokimo sutrikimus, tačiau molekuliniai ir elgesio cirkadiniai ritmai gali būti atsakingi už arba reaguojantys į daugelį biologinio senėjimo aspektų.

Periferiniuose audiniuose ląstelių ritmas artimas 24 val., tačiau tikslūs ritmai nustatomi kūno temperatūros, humoralinių veiksnių ir maitinimosi. Skirtingai nei laikrodžio genų ritmai periferiniuose audiniuose, SCN neuronai yra atsparūs kūno temperatūrai. Kadangi SCN yra tiesiogiai atsakingas už kūno temperatūros ritmus, gali būti, kad tai yra mechanizmas, per kurį SCN reguliuoja periferinių audinių laikrodžius. Kūno temepratūra- gyvybiškai svarbus fiziologinis reiškinys, kuris turi cirkadinį ritmą. Pastebėta, kad kūno temperatūra linkusi mažėti su amžiumi ir vyresnio amžiaus žmonės patiria sutrikusia termogenezę. Jei periferiių audinių cirkadiniai ritmai sinchronizuojami pagal kūno temperatūrą, tada su amžiumi susiję termoreguliaciniai sutrikimai gali paaiškinti, kodėl kai kurių periferinių audinių ritmai nėra tinkamai palaikomi. Todėl, turint omenyje, kad neuroninis SCN aktyvumas nustato centrinio laikrodžio ritmus ir periferinių audinių laikrodžiai sinchronizuojami pagal terminus signalus, tikėtina, kad yra tikslinga tyrinėti farmakologines intervencijas, įtakojančias neuronų aktyvumą ir temperatūrą.

Vienas iš cirkadinio ritmo reguliavimo taikinių vyresniame amžiuje yra endokanabioidinė sistema. Kaip ir kiti fiziologiniai procesai, endokanabioidinė sistema su amžiumi keičiasi. Nežiūrint kai kurių skirtumų, pvz. dėl lyčių, laikoma, kad su amžiumi CB1 raiška yra sumažėjusi, o taip pat ir ligando 2-AG lygis. Įvertinant šios smegenų zonos įtaką mokymuisi, atminčiai ir senėjimo patologijoms, panašu, kad besikeičianti ECS veikia suvokimo elgesį. Nors tikslus tokių svyravimų mechanizmas vis dar nėra aiškus, tačiau manoma, kad ECS funkcijų išsaugojimas yra gyvybiškia svarbus senstančioms smegenims. Kad ECS vaidina pagrindinį vaidmenį cirkadinėje fiziologijoje rodo ir tai, kad toks cirkadinis elgesys, kaip termoreguliacija, jautrumas skausmui, judėjimas, mityba yra susiję su endokanabinoidinių signalų perdavimu. SCN neuronai turi CB1 raišką, o jų veikimas sintetiniais kanabinoidiniais agonistais ir antagonistais keičia  jų veikimo potencialų dažnius. Nesenas tyrimas su gyvūnais taip pat parodė cirkadinį kanabinoidinių receptorių raiškos ritmą ir centrinėje nervų sistemoje, ir periferiniuose audiniuose. Be to, kanabinoidai yra stiprūs kūno temperatūros reguliatoriai, kaip jau minėta anksčiau. Šie duomenys rodo ryšį tarp elgesio pasikeitimų senesniame amžiuje, pažeistų cirkadinių ritmų ir pokyčių endokanabinoidinėje sistemoje. Tolesni “kanabinoidinės medicinos” tyrimai galėtų būti naudingi, siekant išvengti su amžiumi susijusių sveikatos sutrikimų. [4].

* cirkadinio elgesio fazės postūmis reiškia, kad užmigimo ir pabudimo laikas bus ankstesnis (fazės paankstinimas) arba vėlesnis (fazės pavėlinimas).

Šaltiniai:

1. “Circadian oscillations of cytosine modification in humans contribute to epigenetic variability, aging, and complex disease“, Gabriel Oh, Karolis Koncevičius, Sasha Ebrahimi, Matthew Carlucci, Daniel Erik Groot, Akhil Nair, Aiping Zhang, Algimantas Kriščiūnas, Edward S. Oh, Viviane Labrie, Albert H. C. Wong, Juozas Gordevičius, Peixin Jia, Miki Susic, Art Petronis, 2019,

2.“Cannabinoid Signaling Recruits Astrocytes to Modulate Presynaptic Function in the Suprachiasmatic Nucleus”, Lauren M. Hablitz, Ali N. Gunesch, Olga Cravetchi, Michael Moldavan, Charles N. Allen, 2020,

3. „Cannabinoids Excite Circadian Clock Neurons“, Claudio Acuna-Goycolea, Karl Obrietan, Anthony N. van den Pol, 2010, 4. “Aging Circadian Rhythms and Cannabinoids”, Erik L. Hodges, Nicole M. Ashpole, 2019.

4. “Aging Circadian Rhythms and Cannabinoids”, Erik L. Hodges, Nicole M. Ashpole, 2019.