Promieniowanie. Część 6: Zastosowanie promieniowania w medycynie

Poprzednie części cyklu:
Część 1: Wstęp
Część 2: Czas półtrwania
Część 3: Dawka, moc dawki, gdzie znajdziemy dane
Część 4: Działanie w przypadku skażenia
Część 5: Datowanie radiowęglowe

W poprzednim odcinku pisałem o zastosowaniu promieniowania do datowania radiowęglowego, ale nie można zapomnieć o niesamowicie istotnej sprawie – wykorzystaniu promieniowania w medycynie. A jest to temat bardzo szeroki, tutaj omówię go tylko skrótowo.
Zastosowaniem izotopów promieniotwórczych zajmuje się medycyna nuklearna. Dzieli się ona na diagnostykę z wykorzystaniem izotopów oraz interwencyjną medycynę nuklearną, wykorzystującą izotopy w procesie leczenia.

Medycyna nuklearna wykorzystuje cały szereg izotopów promieniotwórczych, z czego kilkanaście ma znaczenie kluczowe. Jednym z pierwszych był fosfor-32, zastosowany w 1936 roku w Berkeley Laboratory do leczenia białaczki. Bardzo ważny jest radioaktywny jod (131, potem też 128). Stosowano też sód-24. Od bardzo długiego czasu stosuje się także kobalt-60. Kolejnymi izotopami, które były lub są stosowane w diagnostyce lub terapii, są ksenon-133, gal-67, technet-99m, tal-201 itd.

Na świecie w wielu miejscach produkowane są izotopy do zastosowań medycznych. Warto wiedzieć, że Polska ma też w tym swój niebagatelny udział. Reaktor „Maria”, który w tym roku będzie obchodził 50-lecie, służy m.in. do produkcji radiofarmaceutyków. Produkuje się tam generatory technetu 99mTc(pisał o nich Lucas), jod-131, itr-90, lutet-177, złoto-198 i wiele innych. Z polskich radioizotopów, szczególnie technetu i jodu, korzystają setki tysięcy ludzi tygodniowo na całym świecie.

Diagnostyka izotopowa nosi nazwę scyntygrafii. Najogólniej mówiąc, polega ona na podaniu badanemu radioizotopów, a następnie rejestracji ich promieniowania. Radiofarmaceutyk podaje się doustnie, dożylnie albo wziewnie i po jakimś czasie, zwykle kilkudziesięciu minut, pacjent trafia do tzw. gammakamery, która rejestruje emitowanie przez ciało promieniowanie.

Gammakamera do rejestracji obrazu scyntygraficznego
źródło: Wikipedia, licencja: CC SA 2.5 Poland


Obraz ten jest nieco podobny do tego, który uzyskujemy w tomografii komputerowej. Charakteryzuje się wielką dokładnością, pozwalającą na precyzyjne diagnozowanie wielu poważnych chorób. Jednym z narządów badanych przy pomocy scyntygrafii jest tarczyca. Wykorzystuje się tutaj zdolność tego narządu do kumulacji jodu. W celu badania podaje się pacjentowi promieniotwórczy izotop jodu-131 albo jodu-123. Pierwsze badanie wykonuje się po 4-6, kolejne po 24 godzinach. Pierwszy z tych izotopów ma czas półtrwania ok. 8 dni, drugi zaledwie 1 dzień. Dzięki temu badaniu można diagnozować zarówno występowanie przerzutów, jak też inne schorzenia. Słaby wychwyt jodu może sugerować zapalenie gruczołu tarczowego (m.in. chorobę Hashimoto), zwiększony z kolei wskazuje na chorobę Gravesa-Basedowa.

Bardzo istotna z punktu widzenia diagnostyki jest możliwość badania metodą scyntygraficzną płuc, które trudno dokładnie obrazować innymi metodami. Bada się w ten sposób ukrwienie miąższu płuc. Do jego oceny wykorzystuje się promieniotwórczy technet-99m albo gazowy ksenon-133. Możemy w ten sposób wykluczyć lub potwierdzić występowanie ciężkiej zatorowości płucnej.

Technet-99m stosuje się też do wykonania scyntygrafii nerek. Izotop podaje się dożylnie, a następnie pacjent jest kierowany do gammakamery, która rejestruje przepływ krwi przez nerki, a także działanie układu moczowego.

Obraz mózgu wykonany w badaniu PET
Obszary czerwone wskazują na gromadzenie się glukozy
z fluorem-18
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Niesamowicie ciekawą techniką diagnostyczną jest PET – Pozytonowa Tomografia Emisyjna. Rozszyfrujmy tę nazwę. Pozyton to antyelektron, a więc elektron o ładunku dodatnim. Tomografia to technika obrazowania polegająca na zapisie przekrojów badanego obiektu (niekoniecznie ciała człowieka) i generowaniu obrazu trójwymiarowego. Emisyjna – to znaczy, że zamiast używania zewnętrznego promieniowania (prześwietlania), bada się promieniowanie gamma wysyłane przez ciało.

No dobrze, ale skąd się to promieniowanie bierze? Do ciała człowieka wprowadza się radiofarmaceutyk, np. fluorodezoksyglukozę, będącą tzw. znacznikiem. Jest to pochodna zwykłej glukozy, zawierająca w strukturze promieniotwórczy atom 18F. Związek ten wędruje w organizmie, „udając” zwykłą glukozę. Ponieważ w komórkach nowotworowych obserwuje się zwiększony metabolizm cukrów, miejsca, w których glukoza się gromadzi, będą wyraźnie widoczne na tomogramie. Promieniotwórczy fluor rozpada się, wydzielając pozyton. Ten z kolei żyje bardzo krótko, przelatuje zaledwie kilka milimetrów i zderza się ze zwykłym elektronem. Antymateria spotyka materię i następuje anihilacja. Powstają z tego dwa kwanty promieniowania gamma (fotony) o energii 511 keV każdy, które są emitowane w dwóch przeciwległych kierunkach. I to promieniowanie gamma jest właśnie rejestrowane przez aparaturę.

Fluor-18 ma wielką zaletę – jego czas półtrwania to niecałe 2 godziny. Już kilkanaście godzin po badaniu jego promieniowanie jest śladowe, dlatego nie wyrządza dużych szkód w organizmie. Ale ta zaleta jest jednocześnie wadą. Nie da się go kupić i umieścić na półce nawet na kilka dni. Dlatego pracownie PET są zwykle wyposażone w aparaturę do produkcji tego izotopu. Używa się do tego niewielkiego cyklotronu, w którym strumień rozpędzonych protonów bombarduje wodę wzbogaconą w stabilny izotop 18O. Powstaje wtedy 18F, który następnie dołącza się do cząsteczki glukozy. Całość tej radiochemii i chemii dzieje się w obecnych czasach automatycznie.

Inną nowoczesną metodą jest SPECT – tomografia emisyjna pojedynczych fotonów. Tu również pacjent najpierw dostaje znacznik promieniotwórczy (w ilościach nano-, a nawet pikomolowych). Zostaje on związany przez komórki nowotworowe. Po jakimś czasie pacjent zostaje umieszczony w tzw. kamerze gamma, której zadaniem jest wyłapywanie pojedynczych fotonów emitowanych przez znacznik. Sygnały zebrane przez kamerę gamma są następnie zbierane przez elektronikę i przetwarzane komputerowo na obraz 3D. Badanie SPECT pozwala na diagnostykę aktywności metabolicznej badanych organów.

Gdy już mamy diagnozę choroby (niezależnie od tego, czy użyto do niej izotopów, czy też nie), następnym etapem jest terapia. Mówiąc skrótowo, mamy dwa rodzaje radioterapii – teleradioterapia (naświetlanie z pewnej odległości) oraz brachyterapia, czyli naświetlanie kontaktowe, bezpośrednio w okolicy guza. Pierwsza z metod trwa zwykle znacznie dłużej, druga jest krótkotrwała, ponieważ operuje większymi dawkami. Czasem obie metody stosuje się komplementarnie. Do brachyterapii stosuje się najczęściej emitery gamma i beta, takie jak 192Ir, 125I, 103Pd, 131Cs.

Z kolei w przypadku terapii przerzutów do kości najczęściej stosuje się emitery promieniowania beta (elektronów), takie jak 89Sr, 153Sm, 32P.

Kobalt-60 był przez wiele lat stosowany do naświetlań. Była to metoda dość drastyczna, ponieważ emitowane promieniowanie gamma oddziaływało nie tylko na tkanki rakowe, ale też na otaczające je zdrowe komórki. W latach 60. XX w. w Szwecji wymyślono rewolucyjne narzędzie do leczenia guzów mózgu – nazwane zostało nożem gamma. Kiedyś niezbędne było otwarcie czaszki, w przypadku noża gamma nie jest to konieczne. Ideą jest tutaj naświetlenie chorego miejsca z wielu stron (zwykle ponad 200) wąskimi strumieniami promieniowania gamma emitowanego z kobaltu-60. Głowa pacjenta jest unieruchamiana w tzw. ramie stereotaktycznej, a na czaszkę nakłada się specjalny ołowiany hełm z 200 otworami, przez które dociera promieniowanie ze źródeł kobaltowych. Każdy pojedynczy strumień ma niewielką energię, ale skupiają się one dokładnie w jednym miejscu – z precyzją lepszą niż 0,2-0,3 mm. Działa to więc trochę jak soczewka skupiająca. Naświetlanie trwa zwykle od 20 min. do 2 h. Po zabiegu pacjent zostaje dobę na obserwacji, po czym wraca do domu. W Polsce terapię nożem gamma stosuje się z powodzeniem od kilkunastu lat.

Schemat działania noża gamma (wizja artystyczna, promieni gamma nie widać)
źródło: Elekta, licencja: fair use

Prawdopodobnie tylko nieliczni spotkali się z tym pojęciem. Zostało ono sformułowane 20 lat temu, a jest to połączenie dwóch słów: terapia i diagnostyka. Jest to najnowszy trend w medycynie nuklearnej. Skrótowo mówiąc: najpierw diagnozujemy zmiany nowotworowe przy pomocy znacznika izotopowego, co pozwala na oszacowanie niezbędnej dawki i zasięgu promieniowania. W kolejnym kroku przygotowujemy radiofarmaceutyk, którego zadaniem jest dotarcie do miejsc zmienionych chorobowo i zniszczenie komórek rakowych. Jest to najlepszy przykład terapii celowanej – każdy pacjent dostaje indywidualnie przygotowany lek, którego zadaniem jest jak najdokładniejsze trafienie w cel, z minimalną szkodą dla otaczających tkanek. Dzisiejsza teranostyka wykorzystywana jest głównie w onkologii, endokrynologii oraz w terapii procesów zapalnych i zmian autoimmunologicznych.

Tym odcinkiem zamykam aktualny cykl opowieści o promieniowaniu. Wiem, że nie wyczerpałem w nim tematyki, ale trzeba zrobić nieco przerwy. Jeśli macie jakieś zagadnienia, o których chcielibyście poczytać, napiszcie w komentarzach. Za jakiś czas będzie kolejne kilka odcinków.

Historia medycyny nuklearnej

Medycyna nuklearna – historia, zastosowania, trendy

Nuclear medicine – Johns Hopkins University

Isotopes in medicine

Fizjologia smaku (4): kapsaicyna, czyli ogień w gębie

Papryczki chili. Źródło: Wikipedia, Cliff Hutson. Licencja CC BY-SA 2.0.

To już czwarty tekst na temat odczuwania smaku. W poprzednich pisałem o receptorach smaku, substancjach powodujących cierpkość, takich jak taniny i substancjach, które powodują, że jedzenie ma doskonały smak, co nazywamy efektem kokumi.

A co z potrawami o ostrym smaku, czyli takich, po których pali w ustach i w gardle? Przeważnie zawierają owoce różnych gatunków ostrej papryki. Papryka (Capsicum) to roślina z rodziny psiankowatych (Solanaceae), a więc krewna ziemniaka i pomidora. Pochodzi z Ameryki Środkowej i Południowej. Jest wiele jej gatunków, a wśród nich chyba najbardziej znana jest papryka chili. Nazwa chili pochodzi z języka Indian Nahuatl, którzy nazywali tak gatunek papryki uprawiany przez Azteków już 3000 lat przed naszą erą. Zawiera kapsaicynę, która jest organicznym związkiem chemicznym zaliczanym do alkaloidów (Ryc. 1).

Ryc. 1. Kapsaicyna. Grupa waniloidowa w czerwonym kółku. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Skala Scoville’a

Czy ostry smak potrawy da się ilościowo zmierzyć? Służy do tego skala ostrości nazywana skalą Scoville’a. Wprowadził ją amerykański chemik Wilbur Scoville w 1912 r. Podawał osobom testującym roztwory ostrych substancji o różnym rozcieńczeniu, a one raportowały, kiedy zaczynają odczuwać pieczenie. Wartość Scoville’a dla czystej kapsaicyny wyznaczono na 16 000 000 jednostek, nazywanych jednostkami Scoville’a (Scoville Heat Units, SHU). Dziś wartości Scoville’a wyznacza się za pomocą wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej, ale skala pozostaje ta sama. W Tabeli 1 wymieniono niektóre przyprawy i związki chemiczne o piekącym działaniu i ich wartości Scoville’a. Jak widać, kapsaicyna nie jest wcale najbardziej piekącą substancją; rezynyferatoksyna, produkowana przez roślinę Euphorbia resinifera jest od niej 1000 razy mocniejsza.

Tabela 1. Wartości Scoville’a dla różnych substancji i przypraw. Źródło: Wikipedia.

Jak działa kapsaicyna?

Wiąże się do białka o nazwie TRPV1 (waniloidowy receptor przejściowego potencjału 1; transient receptor potential vanilloid 1). Jest to jeden z dwóch receptorów smaku słonego.

Ale TRPV1 występuje nie tylko w receptorach kubków smakowych, ale także (a raczej przede wszystkim) na obwodowych zakończeniach włókien nerwowych. Receptory te biorą udział w powstawaniu i przewodzeniu uczucia bólu, a także sygnalizują, kiedy temperatura wzrasta powyżej 43oC (co też jest bolesne).

Białko TRPV1 składa się z sześciu fragmentów przebijających błonę komórkową (czyli transmembranowych). We fragmencie N-końcowym znajduje się domena wiążąca ankyrinę, która jest białkiem szkieletu komórkowego. We fragmencie C-końcowym jest domena TRP, która reaguje na podwyższenie temperatury (Ryc. 2).

Ryc. 2. Schemat budowy receptora TRPV1, fragmenty transmembranowe S1-S6 pokazano w postaci walców. ARD: domena wiążąca ankyrinę, TRP: domena wyczuwająca przejściowe zmiany potencjału, np. w podwyższonej temperaturze.  Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kanał sodowo-wapniowy w białku TRPV1 jest zazwyczaj zamknięty, ale może otworzyć się pod wpływem kilku czynników. Może to być temperatura wyższa niż 43oC, a także czynniki powstające w wyniku uszkodzenia tkanki, takie jak bradykinina. Do agonistów TRPV1, czyli substancji łączących się z receptorem i powodujących jego aktywację zalicza się też neurotoksyczne peptydy wchodzące w skład jadu niektórych pająków (np. ptasznika trynidadzkiego czyli Psalmopoeus cambridgei). Toksyny te noszą nazwę wanilotoksyn, ponieważ w ich skład wchodzi grupa waniloidowa. Grupa ta jest obecna w wanilinie, jednym ze składników zapachowych wanilii. Kapsaicyna też ją zawiera (Ryc. 1). Zarówno wanilotoksyny, jak kapsaicyna i jej pochodne wiążą się do transmembranowego fragmentu S4, co powoduje przemieszczenie fragmentu S6 i otwarcie kanału dla jonów Na+ i Ca2+ (Ryc. 3).

Ryc. 3. A: Struktura TRPV1 (błona lipidowa pokazana w postaci jasnoniebieskich dysków). B: Miejsce wiązania kapsaicyny (CAP) do transmembranowego fragmentu S4. C: Związanie kapsaicyny (CAP) do fragmentu S4 powoduje przemieszczenie (fioletowa strzałka) transmembranowego fragmentu S6 (pokazane w postaci czerwonych walców) i otwarcie kanału dla jonów (niebieska strzałka). Źródło: Tang F., Zheng J., Protein Cell 2017, 8:169–177. Licencja CC BY-SA 4.0.

Otwarcie kanału powoduje, że jony Na+ i Ca2+ wpływają do wnętrza komórki, powodując powstanie potencjału czynnościowego, który przemieszcza się do mózgu powodując odczucie bólu oraz gorąca. Takie receptory nazywane są nocyceptorami, bo po łacinie „nocere” to szkodzić (Ryc. 4).

Ryc. 4. Aktywacja TRPV1 przez różne czynniki powoduje przesłanie sygnału do mózgu. Źródło: Anand P., Bley K., Br. J. Anaesthesia 2011, 107: 490–502. Licencja CC BY-SA 4.0.

Tak więc obecność kapsaicyny powoduje aktywację receptorów bólowych. Pojawia się też nieprzyjemne odczucie gorąca, o czym może zaświadczyć każdy, kto jadł naprawdę ostre danie (po angielsku na takie dania mówi się „hot”).

Dlaczego papryka wytwarza kapsaicynę? Żeby odstraszyć potencjalnych amatorów jej owoców, takich jak roślinożerne zwierzęta, a także grzyby pasożytnicze. Większość zwierząt (w tym owady) jest wrażliwa na kapsaicynę, z tym że u ptaków ta wrażliwość jest stosunkowo niska ze względu na trochę odmienną w stosunku do ssaków budowę TRPV1. Dlatego ptaki chętnie jedzą papryczki chili, przyczyniając się to ich rozsiewania. Wśród ssaków ciekawy jest przypadek wiewiórecznika o nazwie tupaja północna (Tupaia belangeri). Jej TRPV1 ma punktową mutację, przez wrażliwość na kapsaicynę jest podobna jak u ptaków. Okazało się, że tupaje jedzą jeden z gatunków pieprzu, Piper boehmeriaefolium, który zawiera dużo związków spokrewnionych z kapsaicyną.

Nagroda Nobla 2021 r.

Piekące właściwości papryki znane były już Aztekom, a od lat 70. XX wieku postulowano, że kapsaicyna musi się wiązać do jakiegoś receptora (tylko wtedy go jeszcze nie znano). W 1997 r. zespół Davida Juliusa z Uniwersytetu Kalifornijskiegotworzy kompleks z receptorem w San Francisco sklonował i scharakteryzował taki receptor z neuronów szczura i wykazał, że jest to jonowy kanał reagujący na podwyższoną temperaturę, a także obecność kapsaicyny. Ponieważ jego sekwencja była podobna do innych białek z rodziny TRP (transient receptor potential), nazwano go TRPV1. W 2002 r. ten sam zespół oraz niezależnie od niego grupa  Ardema Patapoutiana z centrum badawczego Scripps w Kalifornii scharakteryzowały receptor TRPM8, który jest kanałem jonowym otwierającym się w niskiej temperaturze. Aktywatorem TRPM8 jest mentol, substancja nadająca smak i zapach mięcie. Dlatego jedząc miętówki albo żując gumę o smaku peppermint odczuwamy zimno: zawarty w nich mentol aktywuje receptory zimna (w tym TRPM8) na podobnej zasadzie, na której kapsaicyna aktywuje receptory ciepła. Rok później zespół Davida Juliusa scharakteryzował receptor TRPA1, który podobnie jak TRPV1 jest przekaźnikiem bólu, a ponadto ulega aktywacji przez izotiocyjanian allilu, który jest substancją odpowiedzialną za ostry smak musztardy i chrzanu. Dlatego TRPA1 nazywa się też receptorem Wasabi (Ryc. 5).

Ryc. 5. Izotiocyjanian allilu. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.

Artem Patapoutian z zespołem odkryli jeszcze jeden receptor o nazwie Piezo 2, który jest kanałem jonowym aktywowanym przez siłę mechaniczną i wchodzi w skład komórek odpowiadających za dotyk, takich jak komórki Merkla. David Julius i Artem Patapoutian otrzymali Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny w r. 2021 (Ryc. 6).

Ryc. 6. Mechanizm działania receptorów bólu i temperatury (TRPV1) oraz dotyku (Piezo2). Według: Wikipedia, Guido 4. Licencja CC BY-SA 4.0.

Kapsaicyna jako lek?

Kapsaicyna wchodzi w skład wielu maści i plastrów rozgrzewających o lokalnym działaniu przeciwbólowym. Uważa się, że jej mechanizm działania polega na „odczuleniu” receptorów bólowych. Ale jej potencjalne zastosowanie to także leczenie bólów przewlekłych, ponieważ  białko TRPV1 tworzy kompleks z receptorem opioidowym µ, znanym też jako MOR1. Jest to główny receptor opioidowy: związanie morfiny przez ten receptor powoduje zniesienie odczuwania bólu. Oba białka kooperują ze sobą w przesyłaniu sygnału. Długotrwałe stosowanie morfiny powoduje jednak internalizację (czyli wciągnięcie do wnętrza komórki) receptorów MOR1. Pojawia się wtedy tolerancja wobec tej substancji, a skutkiem jest konieczność stosowania coraz większych dawek morfiny dla uzyskania tego samego efektu. Wydaje się więc, że połączenie morfiny i kapsaicyny może dać dobre wyniki terapeutyczne.

Literatura dodatkowa

Odczuwanie ostrego smaku

https://www.mdpi.com/2304-8158/12/12/2317

Budowa i funkcja TRPV1

https://phmd.pl/api/files/view/1453758.pdf

Nagroda Nobla z fizjologii lub medycyny 2021

https://link.springer.com/article/10.1007/s00424-022-02667-x

Uniewinniona dzięki genetyce. Sprawa Kathleen Folbigg (2)

W poprzednim wpisie napisałem o sprawie Kathleen Folbigg, która została oskarżona o zamordowanie czwórki swoich dzieci i przesiedziała 20 lat w więzieniu. Dzięki badaniom genetycznym udało się wykazać, że dzieci zmarły z powodu rzadkich mutacji genetycznych. Jedna z nich dotyczyła kalmoduliny, białka wiążącego jony wapnia i odgrywającego dużą rolę w skurczu mięśnia.

Jak działają mięśnie prążkowane?

Jak wiemy ze szkoły, mięśnie dzielą się na gładkie i prążkowane, a te ostatnie dodatkowo na szkieletowe i wchodzące w skład mięśnia sercowego. Skurcz mięśnia prążkowanego następuje w wyniku wzajemnego przesunięcia kompleksów białkowych nazywanych filamentami. Są ich dwa rodzaje: cienkie i grube. W skład cienkich wchodzą następujące białka: aktyna, troponiny (są ich trzy rodzaje) i tropomiozyna, a w skład grubych głównie miozyna. Grube filamenty są zakotwiczone w błonie komórkowej za pomocą tytyny, która jest największym znanym białkiem. Pisał o niej Piotr Gąsiorowski. Prążki widoczne w mięśniu pod mikroskopem są wynikiem obecności regularnie rozmieszczonych grubych i cienkich filamentów. Ich kompleks zdolny do skurczu nosi nazwę sarkomeru (Ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura sarkomeru mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, Mohamed Elshennavy.  Licencja CC BY 4.0.

Kiedy ma miejsce skurcz mięśnia? Kiedy w sarkomerze pojawią się jony wapnia. Pod wpływem impulsu nerwowego (zwanego bardziej prawidłowo potencjałem czynnościowym) następuje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej zwanej też retikulum sarkoplazmatycznym. Jest to obecny w każdym mięśniu prążkowanym system połączonych zbiorników, którego głównym zadaniem jest gromadzenie jonów Ca2+ i rozprowadzanie ich za pomocą kanalików T i cystern brzeżnych. Jony wapnia powodują związanie główek miozyny z aktyną, a wzajemne przesuwanie filamentów jest spowodowane hydrolizą ATP w  główkach miozyny (Ryc. 2).

Ryc. 2. Przekrój przez mięsień szkieletowy z widocznymi kanalikami T biegnącymi do wnętrza komórki między dwie cysterny brzeżne, od których odchodzą kanaliki siateczki sarkoplazmatycznej. Sarkolemma to błona komórkowa komórki mięśniowej czyli miocytu. Według: Wikipedia, OpenStax, Licencja CC BY 4.0.

O czego zależy skurcz mięśnia? W przypadku mięśni szkieletowych od naszej woli. W odpowiedzi na „polecenie” wygenerowane we fragmencie czołowego płata kory mózgowej powstaje potencjał czynnościowy, który za pośrednictwem nerwów odśrodkowych trafia do odpowiedniego mięśnia szkieletowego. Przyczyną powstawania potencjałów czynnościowych są zmiany w przepuszczalności błony komórkowej neuronów, spowodowane otwieraniem i zamykaniem się białek przenoszących jony Na+ i K+, czyli kanałów sodowych i potasowych. Ponieważ stężenie jonów Na+ na zewnątrz komórki jest wyższe niż wewnątrz (w przypadku jonów K+ jest odwrotnie), otwarcie kanałów jonowych powoduje chwilową depolaryzację błony komórkowej: różnica potencjałów po obu stronach błony (czyli napięcie) zmienia się z ok. -60 mV na  ok. +30 mV. Stały potencjał komórkowy jest utrzymywany przez pompę sodowo-potasową zależną od ATP (NKA). Pisałem o tym w moim wpisie na temat układu nerwowego. Ta zmiana potencjału powoduje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki śródplazmatycznej, a w konsekwencji skurcz mięśnia.

W mięśniu sercowym za skurcze odpowiadają potencjały czynnościowe generowane przez węzeł zatokowo-przedsionkowy. Znajduje się on w ścianie prawego przedsionka serca i jest generatorem wyładowań elektrycznych, które rozpoczynają i kończą każdy cykl akcji serca (możemy badać te cykle za pomocą EKG). Podobnie jak w przypadku mięśnia szkieletowego, powodują one uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej.

W mięśniu prążkowanym, który się nie kurczy, miozyna nie może związać się z aktyną, ponieważ tropomiozyna skutecznie blokuje dostęp. Ale kiedy z siateczki sarkoplazmatycznej zostaną uwolnione jony Ca2+, wiążą się one do troponiny C zmieniając strukturę kompleksu troponina-tropomiozyna. Aktyna odsłania się i miozyna może się do niej związać. Teraz korzystając z energii zawartej w ATP miozyna zaczyna wędrówkę po filamencie aktynowym, i będzie to robić tak długo, jak będą obecne jony Ca2+. (Ryc. 3).

Ryc. 3. Mechanizm skurczu mięśnia na przykładzie pojedynczego filamentu w sarkomerze. Jony Ca2+ wiążą się do troponiny C, powodując zmianę struktury kompleksu troponina-tropomiozyna. W wyniku tej zmiany struktury główka miozyny wiąże się do aktyny. Zapoczątkowuje to przesuwanie się grubego filamenty po cienkim filamencie, w wyniku czego sarkomer ulega skróceniu. Energia potrzebna do wzajemnego przesuwania się filamentów pochodzi z hydrolizy ATP. Według: Havey C. et al.,  Cells 2023, 12:  2526. Licencja CC BY 4.0.

Jony wapnia jako klucz do skurczu mięśnia (nie tylko sercowego)

Potencjał czynnościowy przemieszczający się wzdłuż kanalików T powoduje otwarcie kanałów dla sodu i wapnia (NCX). Zewnątrzkomórkowe jony Ca2+ wnikają do komórki, a podwyższenie jego stężenia jest wyczuwane przez receptory rianodynowe (RyR) w błonie siateczki sarkoplazmatycznej. Nazwa pochodzi od alkaloidu z rośliny Ryania speciosa z rodziny wierzbowatych, który mają zdolność do ich blokowania. Receptory RyR są białkami transportującymi wapń: po otwarciu wprowadzają do cytoplazmy jony Ca2+ znajdujące się w siateczce sarkoplazmatycznej. Jony wapnia wiążą się do troponiny i następuje skurcz mięśnia.

Do przerwania skurczu potrzebne jest natomiast obniżenie stężenia jonów Ca2+.  Teraz do gry wchodzi pompa wapniowa zależna od ATP (sarco/endoplasmic reticulum ATPase, SERCA), która korzystając z energii ATP przepompowuje jony Ca2+ z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. Cześć jonów Ca2+ jest też usuwana z komórki przez transporter wymieniający jony Na+ na Ca2+. Spadek stężenia Ca2+ powoduje zmianę struktury troponina-tropomiozyna. Miozyna znów nie może związać się z aktyną, co powoduje relaksację mięśnia. Na tej zasadzie działają zarówno mięśnie szkieletowe, jak mięsień sercowy (chociaż są między nimi pewne różnice). Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego pokazano na Ryc. 4. Mięśnie gładkie działają trochę inaczej i zasługują na osobny wpis.

Ryc. 4. Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, PeaBrainC, Licencja CC BY 4.0.

Kalmodulina i jony wapnia

Tak więc jony wapnia stanowią podstawę regulacji skurczu mięśnia. Jego stężenie jest kontrolowane przez dwa rodzaje białek: te, które transportują jony Ca2+ przez błonę komórkową oraz te, które wiążą te jony wewnątrz komórki. Najważniejszym wewnątrzkomórkowym czujnikiem jonów Ca2+ jest wspomniana kalmodulina, białko składające się ze 148 aminokwasów. Sekwencja aminokwasowa kalmoduliny jest taka sama u wszystkich kręgowców, tak więc można ją uznać za jedno z najbardziej konserwatywnych ewolucyjnie białek. U człowieka, podobnie jak u innych kręgowców, kalmodulina jest kodowana przez trzy geny o nazwach CALM1, CALM2 i CALM3, znajdujące się na chromosomach 14, 2 i 19. Układ intronów (czyli fragmentów genu, które nie kodują białka) i sekwencja aminokwasowa jest taka sama. Różne są natomiast sekwencje promotorów, czyli fragmentów genu odpowiadających za transkrypcję (przepisanie DNA na mRNA). Dzięki tym różnicom poziom transkrypcji (a więc pośrednio ilość białka) jest różny w różnych komórkach. Chociaż sekwencja aminokwasowa tych trzech genów jest taka sama, to sekwencje nukleotydowe wykazują spore różnice. Uważa się na przykład, że dzięki tym różnicom różna jest stabilność (czyli trwałość) mRNA w różnych komórkach. Dzięki temu na przykład w spermatydach, czyli komórkach, z których powstają plemniki, najwięcej jest mRNA dla CALM3, który jest najtrwalszy.

Ze względu na wielopoziomową regulację, poziom mRNA przepisanego z trzech genów może być różny w różnych tkankach. Najwyższa ekspresja genu CALM1 ma miejsce w adipocytach, czyli komórkach tkanki tłuszczowej, genu CALM2 w komórkach płuc, a genu CALM3 w spermatydach. W porównaniu do tych komórek, poziom ekspresji wszystkich trzech genów kalmoduliny w komórkach serca jest stosunkowo niski (ok. 1/3 tego, co wymienionych wyżej genów). Schemat regulacji ekspresji genów kodujących kalmodulinę pokazano na Ryc. 5.

Ryc. 5. Geny kodujące kalmodulinę i regulacja ich ekspresji. Według: Munk M. et al., Cell Calcium 2022, 107:102656. Licencja CC BY 4.0.

Struktura kalmoduliny

Cząsteczka kalmoduliny zawiera cztery miejsca wiążące jony Ca2+. Związanie wszystkich czterech jonów powoduje zmianę jej struktury: łańcuch białkowy w okolicy związanych jonów zmienia położenie, odsłaniając dwa ukryte dotąd fragmenty. Właśnie za pośrednictwem tych fragmentów kalmodulina wiąże się do innych białek, modulując ich działanie. Jakie to białka? Znamy ich dzisiaj ponad 300, mogą to być enzymy, białka szkieletu komórkowego czy pompy jonowe. Wykazano na przykład, że różnice w długości dzioba u tzw. zięb Darwina, czyli w grupie kilkunastu podobnych do siebie gatunków ptaków opisanych przez Karola Darwina na wyspach Galapagos są spowodowane różną ekspresją kalmoduliny. Wyższa ekspresja kalmoduliny powoduje wydłużenie dzioba, a u ptaków z krótszym dziobem kalmoduliny powstaje mniej. Uważa się, że kalmodulina oddziałuje z białkiem BMP4 (4 białko morfogenetyczne kości, bone morphogenetic protein 4) powodując wydłużenie struktur kości dzioba. Kalmodulina może więc być modulatorem rozwoju struktur twarzowo-czaszkowych, a jest to tylko jedna z jej licznych funkcji.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina wiąże się do białek transportujących jony Ca2+, blokując ich działanie i biorąc tym samym udział w wygaszaniu sygnału spowodowanego przez jony wapnia. Można więc porównać kalmodulinę do człowieka, który ma obie ręce sprawne, z tym że te ręce pojawiają się dopiero po związaniu jonów Ca2+ (Ryc. 6).

Ryc. 6. Struktura kalmoduliny przed i po związaniu jonów wapnia (niebieskie kółka). Gwiazdkami oznaczono fragmenty, za pomocą których kalmodulina wiąże się do innych białek. Odsłaniają się po związaniu czterech jonów Ca2+. Źródło: Wikipedia, PDB. Licencja CC BY 4.0.

Mutacje w genach kodujących kalmodulinę

Co dzieje się w przypadku mutacji w genach kodujących kalmodulinę? Mogą one wpływać na zdolność tego białka do wiązania jonów Ca2+. Jeżeli kalmodulina może związać tylko trzy jony Ca2+, to jej struktura nie zmieni się w dwóch miejscach, a tylko w jednym. To trochę tak, jakby człowiek miał tylko jedną sprawną rękę. Taka kalmodulina może związać tylko jeden fragment innego białka, tak więc nie może go skutecznie blokować.

Najczęściej spotykane mutacje kalmoduliny przedstawiono na Ryc. 7. Niektóre z nich powodują, że jon Ca2+ nie może zostać związany w danym miejscu, tak jak np. zamiana asparaginy w pozycji 98 na serynę (skrótowa nazwa takiej mutacji to N98S). Wykazano, że taka mutacja może spowodować nagłą śmierć łóżeczkową (sudden infant death, SID). Z kolei zamiana kwasu asparaginowego w pozycji 130 na serynę (D130) może spowodować zespół długiego QT (long QT syndrome, LQTS). Nazwa pochodzi od wydłużenia odstępu QT w elektrokardiogramie. Może to prowadzić do arytmii i migotania komór. Mutacje takie mogą zajść w każdym z trzech genów kodujących kalmodulinę i każda taka mutacja może wywołać poważne skutki kliniczne.

U Kathleen Folbigg i jej dwojga dzieci znaleziono mutację w genie CALM2 polegającą na zmianie glicyny w pozycji 114 na argininę (G114R). Ta glicyna znajduje się dość daleko od miejsca wiązania jonów Ca2+, więc teoretycznie jej zamiana na inny aminokwas nie powinna mieć dużego wpływu na wiązanie. Opisano jednak mutację G114W w genie CALM3, w której glicyna w tej samej pozycji została zastąpiona przez tryptofan. Dzieci, u których znaleziono tę mutację (rodzeństwo), zmarły nagle w wieku 4 i 5 lat. Przyczyną zgonu było migotanie komór i zatrzymanie akcji serca albo nagła śmierć łóżeczkowa. Tak więc glicyna w pozycji 114 ma (pośredni) wpływ na wiązanie jonów Ca2+, chociaż nie bierze w nim bezpośredniego udziału.

Ryc. 7. Struktura kalmoduliny i mutacje powodujące obniżenie jej zdolności do wiązania jonów Ca2+. Po prawej stronie pokazano niektóre mutacje kalmoduliny i przyczyny zgonu dzieci, u których je znaleziono. SID: nagła śmierć łóżeczkowa (sudden infant death), LQTS:  zespół długiego QT (long QT syndrome), CA: zatrzymanie akcji serca (cardiac arrest). Podano wiek dziecka w chwili śmierci. Według: Brohus M et al. Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina działa jak czujnik podwyższonego stężenia jonów Ca2+. Jeżeli jest ich dużo, to wiąże się do kanałów wapniowych powodując ich zablokowanie. Jeżeli jednak zawiera mutacje takie jak opisane wyżej, to kanał wapniowy nie zostanie zablokowany w sytuacji wysokiego stężenia jonów Ca2+. Taki niezablokowany kanał dalej transportuje jony Ca2+ nawet w sytuacji, gdy skurcz już się skończył i jony Ca2+ są wypompowywane z komórki z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. W prawidłowej komórce mięśniowej powoduje to znaczne obniżenie ich stężenia, ale w komórce osoby z mutację stężenie jonów Ca2+ nie spada, a więc skrurcz trwa. Pamiętamy, że są trzy geny (czyli sześć alleli) kodujących kalmodulinę, a wzajemny stosunek mRNA dla genów CALM1, CALM2 i CALM3 to 15:25:60. Jeżeli jeden allel genu CALM2 zawiera mutację, to ok. 12,5% cząsteczek kalmoduliny (czyli połowa puli mRNA z genu CALM2) nie działa prawidłowo. I to może wystarczyć, aby zakłócić pracę mięśnia sercowego (Ryc. 8). A co z mięśniami szkieletowymi? Tam też może dojść do podobnej sytuacji, ale skutkiem może być najwyżej lokalny skurcz mięśnia. W jego wyniku raczej nikt raczej nie umrze.

Dlaczego osoby z takimi mutacjami mogą mieć problemy z sercem?

Ryc. 8. Kalmodulina jako modulator kanałów wapniowych. Mutację G114R znaleziono u dzieci Kathleen Folbigg. Zdolność do wiązania tylko trzech (zamiast czterech) jonów Ca2+ powoduje, że kalmodulina z mutacją G114R (kolor czerwony) słabiej wiąże się do białek transportujących wapń: receptora rianodynowego (RyR2) i kanału wapniowego (CaM). Skutkiem jest „przepuszczanie” jonów Ca2+ przez te białka. Według: Brohus M et al., Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

Dlaczego Kathleen Folbigg nie miała problemów z sercem?

Uważny czytelnik zapyta: dlaczego dwoje dzieci z mutacją G114R zmarło, podczas gdy ich matka, po której one tę mutacje odziedziczyły, była zdrowa? Dlatego, że mutacje w kalmodulinie nie zawsze dają objawy kliniczne. Przyczyną mogą być mutacje w innych genach, które chronią ich nosicieli przed problemami kardiologicznymi. Przykładami mogą być mutacje w genie KCNQ1, który koduje kanał potasowy bramkowany napięciem, albo w genie NOS1AP, który koduje białko adaptorowe syntazy tlenku azotu. Obecność takich mutacji powoduje, że nawet jeżeli kalmodulina nie działa do końca prawidłowo, to jest to równoważone przez inne czynniki (np. wyższe stężenie tlenku azotu). Takie geny nazywa się genami modyfikującymi (modifier genes). Prawdopodobnie nosicielką jednego z nich jest Kathleen Folbigg.

Literatura dodatkowa

Mechanizm skurczu mięśnia

https://doi.org/10.3390/cells12212526

Rola kalmoduliny w wydłużaniu dzioba u zięb Darwina

https://www.nature.com/articles/nature04843

Rola kalmoduliny w skurczu mięśnia sercowego

https://doi.org/10.1111/febs.12337

Mutacje w genie kalmoduliny związane z arytmią

https://doi.org/10.3390/ijms21041418

Ekspresja kalmoduliny w różnych tkankach

https://doi.org/10.1016/j.ceca.2022.102656

Geny modyfikujące działanie kalmoduliny

https://doi:10.1093/eurheartj/ehy502