Az ABC transzporterek védőhálója a szervezetben

Az élő szervezet egy olyan dinamikusan működő rendszer, aminek egyik legalapvetőbb funkciója integritásának biztosítása egy folyamatosan változó környezetben. A különböző mechanikai, kémiai és biológiai behatások állandó kihívást jelentenek az élő számára. A

„hasznos” és „káros” anyagok, vagy másképpen a „saját” és idegen” alkotók megkülön-böztetése és megfelelő kezelése a legfontosabb biológiai funkciók közé tartozik. A sejt szintjén ezt az integritást és a szelektív anyag-, energia- és információ-áramlást a sejtmembrán biztosítja a kettős lipidréteggel és a benne található membránfehérjékkel (transzporterekkel, receptorokkal, membrán-kötött enzimekkel, stb.). A szervezet szintjén a különböző védelmi vonalak (fiziológiai barrierek), a kiválasztó és detoxifikáló szervek és az immunrendszer látják el ezt az rendkívüli mértékben összetett feladatot. Különös kihívást jelent a szervezet számára a hidrofób karakterű anyagok kezelése, hiszen ezek szabadon átjutnak a lipid-alapú biológiai membránokon. Az MDR-ABC transzporterek ez utóbbi védekezésben kitüntetett szereppel bírnak mind a sejt, mind a szervezet szintjén.

A multidrog transzporterek a toxin metabolizmusban résztvevő enzimekkel és egyéb transzporterekkel együtt egy olyan összefüggő, koordinált működésű hálózatot alkotnak a szervezetben, amelynek feladata a különböző toxikus hatású anyagok: endo- és xenobiotikumok hatásának semlegesítése és azok eltávolítása a szervezetből. Mivel ez a védőhálózat számos tekintetben hasonlít a klasszikus immunrendszerre, egy nemrégiben megjelent átfogó közleményben javasoltuk a „kemoimmunitási hálózat” kifejezés bevezetését [11. sz. közlemény]. A következőkben azt fejtem ki, hogy mik a legfőbb jellemzői ennek a védőhálónak és milyen vonatkozásban állítható párhuzamba az immunrendszerrel.

Az endo- és xenobiotikumok elleni védekezésben mindhárom fő multidrog transzporter (MDR1, MRP1 és ABCG2) részt vesz, kiegészülve még az ABCC alcsalád számos tagjával (pl. MRP2/ABCC2, MRP4/ABCC4), illetve néhány további ABC transzporterrel (pl. ABCB4, ABCG5/ABCG8). Ezeknek a transzportereknek a legjellemzőbb tulajdonsága a promiszkuitás, vagyis hogy – szemben a klasszikus membrán transzporterekkel - ezek a fehérjék rendkívül széles szubsztrát-felismerő képességgel rendelkeznek. A sokféle szubsztrát molekula között nagyon sok hidrofób karakterű vegyületet találunk, de számos példa van amfipatikus vagy éppen töltéssel rendelkező szubsztrátmolekulákra is. Részben átfedő szubsztrát felismerésük és specifikus elhelyezkedésük a különböző védelmi vonalakban biztosítja a szervezet számára a széleskörű és hatékonyan működő védelmet.

Az MDR-ABC fehérjék szöveti eloszlását tekintve szembeötlő, hogy ezek a transzporterek magas expressziót mutatnak az említett védelmi vonalakban. A védekezés első helyszíne a bélhám, de legalább ilyen fontos a máj és a vese, ahol a toxikus anyagok kiválasztása zajlik. Mindezekben a szervekben, szövetekben az MDR-ABC transzporterek nemcsak jelen vannak, hanem jelentős mértékben hozzájárulnak az adott szerv/szövet élettani funkcióihoz [16, 78, 118, 119]. Hasonlóan magas expressziót és specifikus elhelyezkedést látunk az olyan fiziológiás barrierekben, amelyek különleges és érzékeny tereket választanak el a szervezetben. Ilyen határolók például a vér-agy gát, a vér-here gát vagy a placenta [78, 119-127]. Ezeken a határfelületeken a multidrog transzporterek a szorosan záró sejttípusokban expresszálódnak: az agyi kapillárisokban pl. az endotél, míg a choroid plexusban az epitél sejtekben, ráadásul úgy helyezkednek el ezekben a polarizált sejtekben, hogy a transzportjuk a védett térrész felől a kevésbé érzékeny szövet felé irányul (31. ábra). Sokszor megtaláljuk az MDR-ABC transzportereket olyan sejttípusokban is, amelyek különös védelmet igénylenek, így pl. az ABCG2 magas szinten expresszálódik az őssejtekben [79], az MRP1 a bélhám kriptasejtjeiben [16], vagy az MDR1 és MRP1 a here Leydig sejtjeiben [127].

31. ábra: Multidrog transzporterek expressziója és elhelyezkedése néhány fiziológiai barrierben. a) Az agyi kapillárisokban az MDR1, MRP1, MRP2 és ABCG2 ipszilaterálisan helyezkedik el az endotél sejtek apikális oldalán. (b-d) A choroid plexus epitél sejtjeiben, a placenta szinciciotrofoblasztjaiban és a here Sertoli sejtjeiben az MDR1 apikálisan, míg az MRP1 bazolaterálisan lokalizálódik. Az ABCG2 és MRP2 a szincicio-trofoblasztokban szintén apikálisan helyezkedik el. A fötális kapillárisokban MRP1, míg a here kapillárisában MDR1 expresszálódik. [13. sz. közlemény]

A klasszikus immunrendszer elsődleges feladata az idegen anyagok: vízoldékony toxinok, mikroorganizmusok, és más nem kívánatos biológiai komponensek (pl. tumorsejtek) felismerése és eliminálása. Ennek a védekező mechanizmusnak az egyik kulcsfontosságú kezdeti lépése a hihetetlen nagyszámú ágens közül az „idegen” és a „saját” megkülön-böztetése, vagyis az immunfelismerés. Az MDR-ABC transzporterek hasonló feladatot látnak el a kemoimmunitási hálózatban, hiszen transzportaktivitásuk és promiszkuitásuk révén szintén rendkívül nagyszámú vegyület közül válogatják szét a „hasznos” és „káros” anyagokat, és elősegítik a károsnak ítélt komponensek eltávolítását. Jellegzetes példaként lehet említeni az ABCG5/ABCG8 szerepét a bélhámban, – bár klasszikus értelemben ezt a transzporterpárt nem soroljuk a multidrog fehérjék közé. Az enterociták kefeszegély membránjában zajlik a szterolok felvétele – széles körben elfogadott nézet szerint - a Niemann-Pick C1 like 1 fehérje transzportaktivitása révén. Az ABCG5/ABCG8 heterodimer pedig ugyanitt elhelyezkedve szelektíven visszapumpálja a növényi eredetű szitoszterolokat a bél lumenébe, elvégezve a

„hasznos” és „káros” anyagok leválogatását. Hasonlóan több más MDR-ABC transzporter (MDR1, MRP2, ABCG2) szintén alapvető befolyással van a különböző anyagok bélben történő szelektív felszívódására. Mivel a hasznos anyagok felvételre kerülnek és beépülnek a szervezetbe, a káros anyagok pedig kikerülnek a szervezetből, a szelektív transzport-folyamat teljes joggal tekinthető egyfajta „saját-idegen” megkülönböztetésnek.

A vesében és a májban az ABC transzporterek leválogató és elimináló szerepe kismértékben eltér az előbbiekben leírtaktól, mivel ez esetben az ABC fehérjék egy összetett detoxifikáló gépezet részeként töltik be funkciójukat. A tankönyvek a toxin metabolizmusban általában két fázist különböztetnek meg: a toxikus anyagok citokróm p-450 (CYP) enzimekkel történő oxidálását (1. fázis), valamint az oxidált toxinok konjugálását glutationnal, glukoroniddal vagy egyéb kisebb hidrofil molekulával (2. fázis). A detoxifikálás folyamata azonban kiegészíthető, illetve kiegészítendő két további lépéssel (32. ábra).

A toxin metabolizmus 0. fázisának lehet tekinteni azt a lépést, amikor a sejt szintjén döntés születik arról, hogy az anyag egyáltalán bejut-e a sejtbe vagy sem. Ebben a fázisban kulcsfontosságú szerepe van a multidrog transzportereknek – különösképpen hidrofób karakterű anyagok esetében. A 4.3.4. fejezetben ismertettem az MDR-ABC transzporterek működési mechanizmusára vonatkozó modelleket. Kísérleti eredményeink megerősítették azt az elképzelést, hogy a multidrog transzporterek a hidrofób karakterű szubsztrátokat közvetlenül a lipid fázisból pumpálják ki a sejtből [7. közlemény]. Tehát az MDR-ABC transzporterek képesek eleve megakadályozni bizonyos anyagok bejutását a sejtbe. A másik oldalon ehhez a folyamathoz hozzájárulnak az ún. „uptake transzporterek” vagy

multi-specifikus solute carrier-ek (SLC-k, pl. OATP-k), melyek számos olyan anyag celluláris felvételét segítik elő, amelyek további sorsát a toxin-metabolizáló rendszer határozza meg.

A detoxifikálás teljes folyamatát tekintve, a toxikus anyag oxidálását és konjugálását követően történik egy további fontos lépés: a konjugátumok eltávolítása a sejtekből (3. fázis).

Ebben a lépésben is kulcsszerepet játszanak az MDR-ABC transzporterek. Elsősorban az ABCC alcsaládhoz tartozó MRP fehérjék felelősek a különféle konjugátumok sejtekből történő, ATP-függő kipumpálásáért, de hasonló szerephez jut az ABCG2 multidrog transzporter is. Különösképpen az MRP-típusú ABC transzporterek idomultak ehhez a speciális feladathoz. Bár a transzport kapacitásuk viszonylag kicsi – pl. az MDR1-hez mérve -, de a különböző membrán kompartmentekben való specifikus elhelyezkedésük, összehangolt működésük és a metabolikus kondíciók által szigorúan szabályozott aktivitásuk által gyorsan és hatékonyan képesek a konjugátumokat eltávolítani a sejtből. A konjugált endo- és xenobiotikumok ezáltal a transzportlépéssel kikerülnek a megfelelő extracelluláris térrészbe (az epekanalikulusokba, a vesetubulusokba), és végeredményben az epével, illetve a vizelettel ürülnek a szervezetből.

32. ábra: A multidrog-ABC transzporterek szerepe a detoxifikálás különböző fázisaiban. A toxin metabolizmus 0. fázisának tekinthető a toxikus anyag felvélte vagy ennek megakadályozása, mely utóbbiban az MDR-ABC transzporterek kulcsszerepet játszanak. A felvételt követően a toxint oxidálják (1. fázis), majd konjugálják (2. fázis) a megfelelő enzimek (citokrómok, transzferázok). A folyamat végén történik a konjugátumok sejtből történő, ATP-függő eltávolítása (3. fázis), melyet szintén MDR-ABC transzporterek végeznek. Jelölések: X: toxikus anyag, X-OH: oxidált toxikus anyag, GS-X: konjugált toxikus anyag, OATP-k: organikus anion transzporterek, CYP-ek: citokrómok, GSH: glutation, UDPGlcUA: uridin 5′-difoszfo-glukoronsav, PAPS : 3′-foszfoadenilszulfát. [12. sz. közlemény]

A klasszikus immunrendszert tekintve szokás megkülönböztetni a természetes és az adaptív immunitást. Az előző egy kevésbé specifikus, akut választ jelent az idegennel szemben, míg az utóbbi egy specifikus, hatékony és hosszú távú reakciót takar. Hasonló kettősség megfigyelhető a kemoimmunitási rendszerben is. A multidrog transzporterek – a természetes immunitás szereplőihez hasonlóan - képesek fellépni igen nagyszámú, olyan ágenssel szemben, amelyekkel a szervezet korábban nem találkozott. A gyógyszer fejlesztések állandó kihívása, hogy ezek a transzportrendszerek és a metabolikus utak hogyan reagálnak egy-egy új hatóanyag-molekulára. Az igen széles spektrumú, mégis szelektív, és azonnali reakciónak alapvető feltétele a korábban már említett promiszkuitás, amely a kemo-immunitási rendszer több szereplőjére is jellemző. A CYP fehérjéket tekintve szembeötlő, hogy az igen kiterjedt enzimcsalád nagyszámú tagja mind valamelyest eltérő feladattal és némileg különböző szubsztrát-specifitással rendelkezik [128, 129]. Emellett fontos jellemzőjük, hogy a CYP fehérjék egyenként is viszonylag kis specifitású enzimek, számos molekulát képesek szubsztrátként kezelni. Amennyire a mai ismereteink érteni engedik a konjugáló rendszer működését, a transzferázok a CYP enzimek által megjelölt molekulákat képesek módosítani, és szintén széles szubsztrát-felismerő képességgel rendelkeznek [130].

Ez utóbbi tulajdonság – ahogy már arról korábban szó volt - a multidrog transzporterek-re is jellemző. Érdekesség azonban velük kapcsolatban, hogy esetükben viszonylag kevés számú fehérje látja el ezt a feladatot. Az MDR1, az MRP1 és az ABCG2 multidrog transzportereket tekintve, az emberi genom csak egy-egy gént tartalmaz. Sőt különböző izoformáik sem ismeretesek, amelyek alternatív splicing vagy más mechanizmus révén jönnének létre. Emiatt az egyes multidrog transzporterekkel szemben követelmény, hogy képesek legyenek akár több ezer molekulát szubsztrátként kezelni. Gyakran ezt a feladatot úgy biztosítják az MDR-ABC fehérjék, hogy többféle mechanizmussal képesek a transzportált szubsztrátmolekulát a külső térbe juttatni. Legjellemzőbb példaként lehet említeni az MRP1 transzportert [13. sz. közlemény], amely elsődlegesen glutation-, glukoronid- és szulfát-konjugátumokat szállít, de ismeretesek hidrofób, nem konjugált transzportált szubsztrátjai is, melyek kipumpálása - szemben az MDR1 fehérje hidrofób szubsztrátjainak transzportjával - glutation-függő [131-133]. Ráadásul sokszor kereszt-stimulációt mutat a drog a GSH-transzporttal (pl. vinkrisztin) [134]. Régebben ennek hátterében a GSH-val történő ko-transzportot sejtettek, a mai álláspont szerint kölcsönös heterotropikus kooperativitással magyarázható a jelenség [135]. Olyanra is találunk példát, amikor kereszt-stimuláció nélkül a GSH fokozza az MRP1 által mediált drog-transzportot (pl. daunorubicin) [132], vagy a drog stimulálja a GSH transzportot (pl. verapamil, bioflavonoidok) [136, 137].

Bár a multidrog transzporterek által nyújtott védelem jellegében leginkább a természetes immunitásra emlékeztet, de sok tekintetben adaptív jegyeket is felfedezhetünk az MDR-ABC transzporterekre épülő kemoimmunitási rendszerben. Számos adat bizonyítja, hogy multidrog transzporterek expressziója fokozódik a tumorokban a citotoxikus szerek hatására. Hasonló jelenség nemcsak patológiás esetekben, hanem fiziológiás körülmények között is bekövetkez-het. Számos transzkripciós és poszt-transzlációs szabályozó mechanizmus képes az MDR-ABC transzporterek expresszióját és aktivitását befolyásolni. Legfontosabb ezek közül megemlíteni a különböző stressz-faktorokat, mint a szteroid hormonok, a hősokk vagy a hipoxia [81, 138]. Leginkább azt feltételezik, hogy ennek a hátterében PXR (pregnán X receptor) és CAR (konstitutív androsztán receptor) szabályozás áll [139], így egy összehangolt, általános válasz részeként emelkedik meg az MDR-ABC transzporterek expressziója, számos más toxin-metabolizmushoz tartozó enzim, transzporter (pl. CYP-ek, SLC-k) szintjével együtt. Érdekes példaként lehet említeni, hogy az orbáncfű tartós alkalmazása megemeli mind az MDR1, mind a CYP3 expresszióját [140], alapvetően befolyásolva más anyagok, gyógyszerek felszívódását és metabolizmusát. Hasonlóan példázza az MDR-ABC fehérjék stresszre adott válaszkészségét az a megfigyelés, hogy az MDR1 expressziós szintje mérhetően megemelkedik limbikus görcsroham után [141].

Fontos megemlíteni, hogy az általános stresszválaszon kívül vagy éppen ahhoz kapcsolódóan, számos hormon is befolyásolja az MDR-ABC transzporterek expressziós szintjét. Ezek között találunk olyanokat, amelyek fokozzák (pl. tiroid hormonok, tesztoszteron, glutamát), illetve olyanokat, melyek csökkentik az expressziót (endotelin, ösztradiol, szerotonin) [94, 142-145]. A hormonokhoz hasonlóan az immunmediátorok között is vannak MDR-ABC transzporter szintet növelő anyagok (pl. IFγ, IL-6), illetve az expressziót csökkentő mediátorok (TGF-β, IL-1β, TNF-α) [146-149]. Érdekes további kapcsolódást jelent a klasszikus immunrendszer és az MDR-ABC fehérjék között az, hogy az MRP1 transzporter fontos szerepet tölt be a leukotrién-mediált gyulladásos válaszokban azáltal, hogy több gyulladásos citokint (LTC4, LTD4, LTE4) képes szubsztrátként kezelni és kipumpálni a sejtekből. Knockout egereken végzett kísérletekkel bizonyították, hogy a különböző leukotrién-produkáló sejtekben (hízósejtekben, makrofágokban, dendritikus sejtekben) az MRP1 ténylegesen részt vesz a celluláris LTC4 kiáramlásban [150, 151].

Érdekes módon az MDR-ABC fehérjék egy nem ismert szabályozó mechanizmus révén egymás expresszióját is képesek befolyásolni. Például a Dubin-Johnson betegségben, aminek molekuláris alapja az MRP2 diszfunkciója, illetve a betegség állatmodelljében (EHBR) megfigyelték az MRP3 expressziójának növekedését [152, 153], amely kompenzálja az

elégtelen kanalikuláris konjugátum-transzportot. Hasonlóképpen leírták az MDR1 expresszió növekedését az Abcg2-deficiens egerekben, különösképpen a vér-agy gátat tekintve [154].

Az MDR-ABC transzporterek, toxin-metabolizáló enzimek és uptake transzporterek fent leírt, koordinált és specifikus szabályozása egy olyan a környezeti behatásokra adott válasz, amely hosszabb távon hat és az adott körülményekhez igazítja a kemoimmunitási hálózat szereplőit, elősegítve ezzel a rendszer hatékonyabb működését. Ilyen tekintetben ez a fajta szabályozó mechanizmus az adaptív immunrendszer kézenfekvő analógiája.

A klasszikus immunrendszer és a kemoimmunitási hálózat párhuzamba állításakor érdemes szót ejteni arról, hogy túlműködéssel nemcsak az előbbi esetében találkozhatunk, hanem egyfajta hiperszenzitivitás a kemoimmunitási rendszerben is megfigyelhető. Számos tanulmány beszámol a „kollaterális szenzitivitás” jelenségről, vagyis, hogy az MDR-ABC transzporterek megnövekedett expressziója bizonyos drogokkal szembeni érzékenységet okoz.

Példaként lehet említeni a gemcitabint, a citozin-arabinozidot, az arzenitet vagy az NSC73306 jelű vegyületet az MDR1 vonatkozásában [155-158], illetve a verapamilt és annak NMeOHI2 nevű derivátumát, a melfalánt, az apigenint, valamint a butionine-szulfoximint az MRP1 esetében [159-162]. Bár a jelenség mögött meghúzódó mechanizmusra még nem született magyarázat, legalább az MRP1 vonatkozásában létezik egy hipotézis. Ennek értelmében az MRP1 fehérjét magas szinten expresszáló sejtekben csökkent a glutation-szint, ami azzal a következménnyel jár, hogy a sejt érzékennyé válik azokra a drogokra, amelyek a GSH koncentráció további csökkenését okozzák. Elképzelhető, hogy a 4.4.2. fejezetben leírt jelenség, az ABCG1 által okozott apoptózis mögött is hasonló mechanizmus, azaz valamiféle endogén vegyülethez kapcsolódó kollaterális szenzitivitás húzódik meg [9. sz. közlemény].

A fentieket összefoglalva elmondható, hogy a kemoimmunitási hálózat számos tekintetben hasonlít a klasszikus immunrendszerre. Mindkét rendszer egy sok szereplőből felépülő, koordinált működésű, összefüggő hálózat, amelynek feladata a káros ágensek felismerése és eliminálása a szervezetből. Mindkettő kiindulópontja pontja az „idegen”

felismerése és a „sajáttól” való megkülönböztetése. A kemoimmunitási rendszer is képes egy nagyon széleskörű, kevéssé specifikus akut válaszra, ami a természetes immunitásra jellemző.

Ugyanakkor a körülmények hatására gyakran megtörténik a rendszer áthangolása, amely hosszabb távú hatással bír és hatékonyabb működést tesz lehetővé. Ez a sajátosság jellemzi az adaptív immunrendszert is. Ezen felül mindkét rendszer esetében találkozhatunk túlműködés-sel, azaz a rendszer hiperszenzitivitásával. A szervezet védekezését tehát - a klasszikus immunrendszer vízoldékony világát kiegészítve - a kemoimmunitási rendszer teszi teljessé, biztosítva a hidrofób és amfipatikus toxikus anyagokkal szembeni védelmet.