Mechanizmy olanzapiny w BD: różne szlaki w depresji i manii

Czy olanzapina działa różnie w depresji i manii dwubiegunowej?

Choroba afektywna dwubiegunowa (BD) dotyka ponad 1% populacji światowej i charakteryzuje się nawracającymi epizodami manii/hipomanii oraz depresji. Pacjenci spędzają w fazie depresyjnej trzykrotnie więcej czasu niż w manii, co czyni leczenie depresji dwubiegunowej szczególnym wyzwaniem klinicznym. Olanzapina, atypowy lek przeciwpsychotyczny, wykazuje skuteczność w obu fazach choroby, lecz mechanizmy molekularne jej fazowo specyficznego działania pozostają niewystarczająco poznane.

Badacze z wykorzystaniem zaawansowanych metod bioinformatycznych – network pharmacology oraz molecular docking – przeprowadzili pierwszą systematyczną analizę mechanizmów działania olanzapiny w różnych fazach BD. Wyniki opublikowano w formie badania translacyjnego wykorzystującego dane z publicznych baz molekularnych (GeneCards, SwissTargetPrediction, PharmMapper, DisGeNET) oraz symulacje dynamiki molekularnej (MD) trwające 100 ns. Celem było zidentyfikowanie specyficznych dla fazy celów terapeutycznych i szlaków sygnałowych, które mogą tłumaczyć dwukierunkowe efekty leku.

Jak zidentyfikowano fazowo specyficzne cele molekularne?

Zespół badawczy zastosował wieloetapową strategię komputerową. Najpierw zidentyfikowano 633 potencjalne cele olanzapiny z trzech niezależnych baz danych, następnie zestawiono je z genami związanymi z depresją dwubiegunową i manią. Po trzykrotnym zastosowaniu metody median screening (eliminacja genów o niskiej istotności) uzyskano 187 wspólnych celów dla depresji oraz 116 dla manii.

Dla każdej fazy skonstruowano sieci interakcji białko-białko (PPI): sieć dla depresji obejmowała 181 węzłów i 2583 krawędzie, dla manii – 111 węzłów i 1103 krawędzie. Z użyciem wtyczki CytoHubba wyselekcjonowano po 15 kluczowych genów dla każdej fazy. Następnie przeprowadzono analizę wzbogacenia funkcjonalnego (GO) oraz szlaków sygnałowych (KEGG), a stabilność oddziaływań ligand-receptor zweryfikowano symulacjami molekularnymi (AutoDock Vina, GROMACS 2022).

Analiza GO dla depresji wykazała wzbogacenie w procesy związane z regulacją apoptozy, sekrecją białek oraz aktywnością czynników wzrostu. W manii dominowały procesy poznawcze, apoptoza neuronów oraz fosforylacja serynowa peptydów, co wskazuje na odmienne mechanizmy neuroplastyczności i pobudliwości neuronalnej w obu fazach.

Jakie szlaki sygnałowe są kluczowe w każdej fazie?

W fazie depresyjnej najsilniej wzbogacony był szlak regulacji długowieczności (Longevity regulating pathway) z wartością p=3,01×10⁻⁷. Główne cele molekularne w tym szlaku to: INS, IGF1, CREB1, PPARG oraz PRKACA. Szlak ten, tradycyjnie kojarzony z procesami starzenia, w kontekście neuropsychiatrii odgrywa rolę w neuroplastyczności, regulacji metabolicznej oraz odpowiedzi na stres.

W fazie maniakalnej dominował szlak PI3K-Akt (p=1,43×10⁻⁹), angażujący dziewięć kluczowych białek: EGFR, INS, CREB1, NGF, BDNF, NTRK1, IGF1, IL6 oraz GSK3B. Szlak ten reguluje przeżywalność neuronów, plastyczność synaptyczną, sygnalizację neurotroficzną oraz odpowiedź zapalną – procesy kluczowe dla stabilizacji objawów maniakalnych.

Dodatkowe analizy KEGG ujawniły udział szlaków AMPK, MAPK, FoxO w depresji oraz Ras, HIF-1, mTOR w manii. Obecność szlaków neurotrofinowych (BDNF, NGF) w manii oraz metabolicznych (INS/IGF1) w depresji podkreśla fazowo specyficzne mechanizmy regulacji homeostazy neuronalnej.

Jak stabilne są oddziaływania olanzapiny z białkami docelowymi?

Molecular docking wykazał, że olanzapina tworzy stabilne kompleksy z kluczowymi białkami w obu fazach BD. W depresji najwyższe powinowactwo wiązania zaobserwowano dla PRKACA (-8,6 kcal/mol), gdzie oddziaływanie stabilizowały hydrofobowe wiązania π-alkilowe z LEU-694, VAL-702, ALA-719, LEU-820 oraz wiązania wodorowe z ASN-818. W manii najsilniejsze wiązanie wystąpiło z GSK3B (-8,4 kcal/mol), mediowane przez interakcje π-alkilowe z LEU-329, ARG-344 oraz wiązania wodorowe z ASP-341, THR-375, ILE-376.

Pozostałe cele wykazywały docking scores w zakresie -6,0 do -8,0 kcal/mol, co według przyjętych kryteriów (-7,0 kcal/mol jako próg wysokiej stabilności) potwierdza biologiczną istotność tych oddziaływań. Szczególnie wartościowe jest wiązanie z białkami neurotroficznymi (BDNF: -6,5 kcal/mol, NGF: -7,3 kcal/mol) oraz receptorami wzrostu (EGFR: -7,6 kcal/mol).

Symulacje dynamiki molekularnej (MD) przez 100 ns potwierdziły stabilność wszystkich kompleksów. Analiza RMSD (root mean square deviation) wykazała, że kompleksy EGFR-olanzapina oraz PRKACA-olanzapina osiągnęły równowagę z najmniejszymi wahaniami (około 2-3 Å). Analiza promienia żyracji (Rg) oraz powierzchni dostępnej dla rozpuszczalnika (SASA) potwierdziła, że wiązanie olanzapiny nie powoduje znaczących zaburzeń struktury trzeciorzędowej białek docelowych.

Co to oznacza dla strategii terapeutycznych w BD?

Identyfikacja fazowo specyficznych mechanizmów molekularnych otwiera nowe możliwości terapeutyczne. W fazie depresyjnej modulacja szlaku INS/IGF1-PRKACA-CREB może stanowić cel dla terapii wspomagających neuroplastyczność i odporność metaboliczną. Potencjalnie mogą być skuteczne interwencje wzmacniające sygnalizację IGF1, aktywujące równowagę SIRT1/AMPK-mTOR lub modulujące aktywność PRKACA.

W manii dominacja szlaku PI3K-Akt/GSK3B sugeruje możliwość zastosowania selektywnych inhibitorów GSK3B lub modulatorów PI3K jako terapii uzupełniających lub fazowo dostosowanych. Szczególnie obiecujące jest targetowanie GSK3B ze względu na jego rolę w regulacji rytmów dobowych i neuroinflammacji.

Badanie wskazuje też na potencjalne biomarkery: markery obwodowe takie jak insulina, IGF1, IL-6 i BDNF są mierzalne we krwi i wykazują udokumentowane związki ze stanami nastroju oraz odpowiedzią na leczenie. Ich fazowo zależna modulacja przez olanzapinę może być oceniana w długoterminowych obserwacjach grup pacjentów w celu ewaluacji wartości predykcyjnej lub farmakodynamicznej.

Jakie są ograniczenia analiz in silico?

Badanie ma charakter wyłącznie komputerowy (in silico), co stanowi jego główne ograniczenie. Wyniki wymagają walidacji eksperymentalnej – badań in vitro, in vivo oraz klinicznych – aby potwierdzić ekspresję i funkcjonalną istotność zidentyfikowanych celów. Dane pochodziły z publicznych baz danych, które mogą zawierać informacje niekompletne lub nieaktualne, co wymaga systematycznych aktualizacji dla zapewnienia dokładności.

Network pharmacology pozwala na jakościowe mapowanie interakcji lek-cel, ale nie dostarcza ilościowych ocen zależności dawka-odpowiedź. Ponadto przewidywane oddziaływania nie uwzględniają pełnej złożoności środowiska fizjologicznego, w tym wpływu innych leków, chorób współistniejących czy polimorfizmów genetycznych pacjentów.

Pomimo tych ograniczeń obecne wyniki stanowią wartościowe ramy koncepcyjne dla fazowo specyficznych strategii terapeutycznych i odkrywania biomarkerów w BD. Zintegrowane podejście łączące network pharmacology, molecular docking i symulacje MD zapewnia solidną podstawę do dalszych badań translacyjnych.

Czy poznanie mechanizmów molekularnych zmieni podejście do leczenia BD?

Badanie jako pierwsze systematycznie zintegrowało network pharmacology i molecular docking w celu wyjaśnienia mechanizmów terapeutycznych olanzapiny w chorobie afektywnej dwubiegunowej. Zidentyfikowano fazowo specyficzne szlaki farmakologiczne: w depresji działanie przeciwdepresyjne może angażować modulację INS, IGF1, CREB1, PPARG i PRKACA poprzez szlak regulacji długowieczności, podczas gdy efekty przeciwmaniakalne są mediowane przez dostosowania neurotransmisji synaptycznej via EGFR, BDNF, NGF, NTRK1, IL6 i GSK3B, szczególnie przez szlak PI3K-Akt. Wyniki wskazują na dwukierunkowe mechanizmy regulacji neuroplastyczności, apoptozy i sygnalizacji synaptycznej, co może tłumaczyć terapeutyczną wszechstronność olanzapiny. Odkrycie to stanowi punkt wyjścia dla racjonalnych strategii maksymalizacji korzyści terapeutycznych przy minimalizacji szkód metabolicznych, które są znanym ograniczeniem długotrwałego stosowania tego leku. Przyszłe badania powinny skupić się na eksperymentalnej weryfikacji zidentyfikowanych celów oraz ich ekspresji i znaczenia funkcjonalnego w warunkach klinicznych.