Źródło: Alcohol Alert, nr: 48, Lipiec 2000, National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism.
http://www.niaaa.nih.gov

Problemy związane z piciem alkoholu, w tym uzależnienie od alkoholu (alkoholizm), rozwijają się pod wpływem wielu genów (tzn. tego, co dziedziczymy), środowiska (tzn. tego, gdzie i jak żyjemy) oraz wzajemnego oddziaływania między tym, co uwarunkowane genetycznie, i tym, co nabyte. Precyzyjne określenie, które geny i jakie czynniki środowiskowe są uwikłane w rozwój problemów alkoholowych oraz jakie zachodzą między nimi interakcje, jest zadaniem wielce złożonym. Na szczęście liczne poważne dokonania w dziedzinie nowych metod badawczych pomagają naukowcom osiągać znaczący postęp w wyjaśnianiu tych zależności. Tematem niniejszego numeru Alcohol Alert są związane z alkoholizmem interakcje, które zachodzą na różnych poziomach - od komórek mózgowych po ulice miast.

Alkohol i mózg
Wszystkie funkcje mózgu opierają się na komunikacji między komórkami nerwowymi (tzn. neuronami) w mózgu. Taka komunikacja wymaga zarówno neuronu "nadającego", jak neuronu "odbierającego", które porozumiewają się przez miniaturową szczelinę, zwaną synapsą. Informacje przez synapsę przenoszą substancje chemiczne - neuroprzekaźniki. Przyczyną wielu fizycznych efektów działania alkoholu (np. zatrucia czy senności) jest jego wpływ na komunikację między neuronami.

Uwolnione neuroprzekaźniki przechodzą przez synapsę i aktywują receptor białkowy neuronu odbierającego. Uaktywnienie receptora powoduje, że neuron odbierający zmienia się lub przystosowuje. Przedłużające się lub powtarzające działanie alkoholu może spowodować w neuronie zmiany, które u osób wrażliwych (podatnych) prowadzą do rozwoju alkoholizmu. Uważa się także, że przystosowanie do obecności alkoholu leży u podstaw takich zjawisk, jak tolerancja, zespół abstynencyjny oraz bezustanny głód alkoholu - uznany za przyczynę występowania nawrotów.

Pomiar aktywności neuronalnej
Przejawem komunikacji między neuronami jest czynność elektryczna. Grupy neuronów o podobnych funkcjach rozciągają się pomiędzy różnymi obszarami mózgu, tworząc obwody neuronalne. Obwody te współdziałają między sobą, integrując czynności mózgu, w tym takie, jak złożone procesy emocjonalne, poznawcze i motywacyjne. Aby zrozumieć powiązania między piciem alkoholu a tymi skomplikowanymi procesami, badacze potrzebują sposobu na powiązanie chemii pojedynczego neuronu ze zintegrowaną czynnością obwodów neuronalnych. Współczesne podejście do tego problemu polega na jednoczesnym pomiarze czynności elektrycznej pojedynczych komórek wybranego obwodu neuronalnego. Metodę tę stosuje się zarówno u szczurów, jak i u ludzi. Zastosowali ją, na przykład, we wstępnych badaniach Woodward i in. [1], aby prześledzić u szczurów sekwencję aktywności neuronów w odpowiedzi na obecność alkoholu. Tę samą technikę zastosowano także w badaniach elektroencefalograficznych (EEG) u ludzi. Naukowcy odkryli w EEG co najmniej trzy wzorce fal, które można kojarzyć z alkoholizmem, i które mogą pomóc eksperymentatorom w rozpoznawaniu osób z grupy wysokiego ryzyka [2-6].

Uzależnienie od alkoholu i genetyka
Wzorzec ludzkiego organizmu jest zakodowany w genach. Geny rządzą ekspresją specyficznych cech genetycznych i stanowią o odmienności cech, którymi jednostki różnią się między sobą. Każdy gen steruje syntezą innych białek. Patologiczne zmiany w genach mogą spowodować syntezę białek z wadami, przyczyniającymi się do rozwoju chorób. Podatność na złożone choroby, takie jak alkoholizm, wymaga zmian w wielu genach. Dzięki badaniom genetycznym stwierdzono, że 40 do 60% podatności na uzależnienie od alkoholu ma podłoże genetyczne [7], dlatego określenie, które geny związane są z podatnością na alkoholizm, należy do najważniejszych zadań w badaniach problemów alkoholowych. W badaniach genetycznych, takich jak Collaborative Study on the Genetics of Alcoholism, udało się już zidentyfikować kilka miejsc w mózgu, w których może być ulokowana ekspresja genów alkoholizmu. Mapa ludzkiego genomu bez wątpienia pomoże badaczom doprowadzić do odkrycia genów, które istotnie wpływają na zwiększenie indywidualnej podatności na alkoholizm.

W poszukiwaniu genów alkoholizmu badacze problemów alkoholowych z powodzeniem wykorzystują nowe techniki inżynierii genetycznej. Na przykład, potrafią wyłączać (inaktywować) lub eliminować (knock-out) gen, hodując linie myszy pozbawionych określonego receptora lub innego białka, które może wpływać na wybraną cechę genetyczną. I odwrotnie, uczeni mogą do materiału genetycznego zwierząt wprowadzić dodatkowy gen [8, 9]. Zwierzęta z dodatkowym genem nazywane są transgenicznymi. Porównanie reakcji na alkohol zwierząt poddanych zabiegom inżynierii genetycznej i zwierząt niezmienionych genetycznie pomaga określić rolę genów jako czynnika pośrednio wpływającego na szczególne zachowania wywołane przez alkohol (np. zaburzenia koordynacji) [10, 11].

Po dokonaniu eliminacji (knock-out) wielu rozmaitych genów stwierdzono, że przynajmniej trzy geny przyczyniają się do powstania białek mózgowych wiążących się z wysoką preferencją alkoholu u myszy [12-14]. Doświadczenia z eliminowaniem i transgenicznością wskazały także, że zarówno wrażliwość na alkohol, jak preferowanie go wiążą się z tymi sami receptorami i białkami mózgowymi. W doświadczeniach na zwierzętach u myszy, które wstępnie wykazywały wysoką odporność (tzn. małą wrażliwość) na uspokajające działanie alkoholu, zazwyczaj rozwijały się preferencje do picia alkoholu. Te wyniki laboratoryjne są zgodne z obserwacjami Schuckita [19], że niska wrażliwość na alkohol jest zapowiedzią przyszłego rozwoju alkoholizmu. Jeśli wyniki te zostaną potwierdzone w odniesieniu do ludzi, mogą dostarczyć narzędzia pomocnego w rozpoznawaniu wśród młodzieży osób obarczonych wysokim ryzykiem i odpowiednim ukierunkowywaniu programów interwencyjnych.

Kolejnym dużym osiągnięciem w technice badań nad alkoholizmem jest zastosowanie "mikroprocesora genetycznego". Technika ta pozwala na jednoczesne badanie wielu genów i daje naukowcom nowe możliwości zrozumienia zmian w ekspresji genetycznej, które wiążą się z podatnością na rozwój alkoholizmu. Długotrwała adaptacja do alkoholu neuronów mózgowych może po części wynikać ze zmian w czynności genetycznej [20]. Geny sterują syntezą białek, takich jak receptory. Dlatego poziom aktywności genów można wykorzystać pośrednio dla uzyskania informacji o tych białkach.

Ponieważ wiadomo, że alkohol oddziałuje na genetycznie sterowane wytwarzanie białek (tzn. ekspresję genu) [21], mierząc poziom aktywności genetycznej można określić ekspresję genów związanych z efektami wywołanymi piciem alkoholu. Śledzenie aktywności pojedynczego genu wymaga czasu; przyjmując, że w różne efekty wywołane alkoholem jest uwikłanych wiele różnych genów, zadanie, jakim jest powiązanie określonych genów z określonymi efektami, wydaje się straszne. Jednakże dzięki zastosowaniu mikroprocesora genetycznego badacze problemów alkoholowych mogą śledzić 10 000 wybranych genów jednocześnie. Geny będące przedmiotem zainteresowania zostają naklejone na kwarcową płytkę, silikonowy chip (DNA-chip) lub inną podobną powierzchnię - często wielkości znaczka pocztowego - tworząc tak zwany mikroprocesor genetyczny. System operacyjny automatycznie skanuje DNA-chip i oblicza względny poziom ekspresji dla 10 000 badanych genów jednocześnie [22]. Jeżeli wielu badaczy alkoholizmu zacznie stosować tę procedurę, realne stanie się zidentyfikowanie każdego genu i jego białek, odgrywających znaczącą rolę w zachowaniach spowodowanych piciem alkoholu.

Leczenie alkoholizmu
Od dawna marzeniem zarówno badaczy, jak klinicystów zajmujących się problemami alkoholowymi jest opracowanie wiarygodnego markera biologicznego, który by pozwolił określić ilość alkoholu wypijanego w ostatnim okresie. Dzięki takiemu markerowi badacze mogliby sprawdzać podawane przez uczestników badań dane o zachowaniach związanych z piciem alkoholu, a klinicyści - oceniać postępy pacjentów leczonych z powodu uzależnienia od alkoholu. Obecnie najbardziej dostępnymi markerami (np. transferaza gamma-glutamylowa) są zmiany w składzie chemicznym krwi, które mogą być wywołane bezpośrednio lub pośrednio przez alkohol. Jednakże wielu tym markerom brakuje specyficzności (tzn. zmiany poziomu markera nie zawsze są powodowane piciem alkoholu) lub czułości (tzn. zmiana poziomu markera jest trudna do wykrycia przy niskim poziomie konsumpcji). Ponadto niekiedy określenie poziomu markera jest bezużyteczne, dopóki nie pojawią się poważne uszkodzenia narządów spowodowane piciem alkoholu [23, 24]. Transferyna desialowana (CDT) jest białkiem krwi, którego stężenie wzrasta przy piciu alkoholu w ilości przekraczającej pięć porcji (tzn. ok. 60 gramów) dziennie przez 2 do 3 tygodni [25]. Stężenie CDT pozostaje podwyższone nawet ponad 2 tygodnie po zaprzestaniu picia, potencjalnie umożliwiając stosunkowo wczesne wykrycie nawrotu wśród leczonych alkoholików [26]. Zainteresowanie użyciem CDT jako biologicznego markera poziomu picia alkoholu wzrasta, ponieważ jest to wskaźnik stosunkowo czuły i specyficzny. Podejmowane są badania skierowana na poprawę precyzji pomiarów CDT [27, 28]. Przeznaczony dla zastosowań klinicznych zestaw do mierzenia poziomu CDT u pacjentów wkrótce będzie dostępny w handlu.

Geokodowanie: Mapy wpływu środowiska na zachowania związane z piciem
Na problemy spowodowanie piciem alkoholu wpływają rozmaite czynniki kulturowe, demograficzne i społeczne, które są znacząco odmienne w różnych obszarach geograficznych [29, 30]. Geokodowanie jest procesem kojarzenia danych opisowych z określonymi miejscami geograficznymi w celu powiązania zdarzeń z czasem i miejscem ich wystąpienia [30]. Na przykład, Gruenwald i in. [31] zastosowali geokodowanie, aby powiązać dostępność alkoholu w różnych społecznościach z częstością zdarzających się lokalnie nocnych wypadków z udziałem jednego pojazdu - uznaje się, że pomiar taki pozwala ocenić częstość prowadzenia pojazdu po wypiciu alkoholu. Szybki postęp technik komputerowych pozwala wyniki geokodowania analizować statystycznie i przedstawiać w postaci przejrzystych map, które można powiązać z danymi pochodzącymi z Urzędu Statystycznego oraz z innych źródeł [31]. W miarę rozwoju tego obszaru badań wyniki prac poświęconych geokodowaniu problemów alkoholowych mogą dostarczyć użytecznych wskazań dla polityki społecznej.

Od genów do geografii: wyznaczanie kierunków rozwoju badań nad alkoholizmem - komentarz dyrektora NIAAA dr med. Enocha Gordisa
Opis postępów w dziedzinie technik badawczych, zaprezentowany w tym wydaniu Alcohol Alert, ukazuje w dużym skrócie sposób wykorzystania przez naukowców zajmujących się problemami związanymi z piciem alkoholu najnowszej technologii umożliwiającej prowadzenie złożonych badań dużo szybciej i bardziej efektywnie. Przedstawiamy ten opis Czytelnikom z dwóch powodów. Po pierwsze, zdobycie wiedzy o działaniu alkoholu na mózg i o podłożu genetycznym uzależnienia od alkoholu, jaką udało nam się zgromadzić w ostatnich latach, byłoby w dużej mierze niemożliwe bez osiągnięć technologicznych dostępnych obecnie badaczom. Im więcej dowiemy się o mechanizmach uzależnienia, tym lepsze i bardziej skuteczne będą nasze projekty zapobiegania i leczenia. Po drugie, wielu z nas ma skłonność do myślenia o nowych technikach tylko w kontekście badań podstawowych. Jednakże równie ważne jest, byśmy zrozumieli, iż nowe technologie wnoszą swój wkład także w inne ważne obszary problemów związanych z piciem alkoholu, takie jak polityka społeczna, planowanie działań prewencyjnych czy praktyka kliniczna.

Tłumaczenie: Magdalena Ślósarska

Bibliografia
[1] Woodward, D.J.; Janak, P.H.; and Chang, J.Y. Ethanol action of neural networks studied with multineuron recording in freely moving animals. Alcohol Clin Exp Res 22(1):10-22, 1998. [2] Begleiter, H., and Porjesz, B. What is inherited in the predisposition toward alcoholism? A proposed model. Alcohol Clin Exp Res 23(7):1125-1135, 1999. [3] Porjesz, B.; Begleiter, H.; Reich, T.; et al. Amplitude of visual P3 event-related potential as a phenotypic marker for a predisposition to alcoholism: Preliminary results from the COGA project. Alcohol Clin Exp Res 22(6):1317-1323, 1998. [4] Hill, S.Y. Biological phenotypes associated with individuals at high risk for developing alcohol-related disorders: Part I. Addict Biol 5:5-22, 2000. [5] Lukas, S.E. Topographical brain mapping during drug-induced behaviors. In: Johnson, B.A., and Roache, J.D., eds. Drug Addiction and Its Treatment: Nexus of Neuroscience and Behavior. Philadelphia, PA: Lippincott-Raven, 1997. pp. 259-275. [6] Enoch, M.-A.; White, K.V.; Harris, C.R.; et al. Association of low-voltage alpha EEG with a subtype of alcohol use disorders. Alcohol Clin Exp Res 23(8):1312-1319, 1999. [7] Kendler, K.S.; Prescott, C.A.; Neale, M.C.; and Pedersen, N.L. Temperance Board registration for alcohol abuse in a national sample of Swedish male twins, born 1902 to 1949. Arch Gen Psychiatry 54(2):178-184, 1997. [8] Wehner, J.M., and Bowers, B.J. Use of transgenics, null mutants, and antisense approaches to study ethanol's actions. Alcohol Clin Exp Res 19(4):811-820, 1995. [9] Crabbe, J.C. Genetic modification as a tool for the study of behavioral consequences of signaling processes. In: Hoek, J.B.; Gordon, A.S.; Mochly-Rosen, D.; and Zakhari, S., eds. Ethanol and Intracellular Signaling: From Molecules to Behavior. NIAAA Research Monograph No. 35. NIH Pub No. 00-4579. Bethesda, MD: NIAAA, 2000. pp. 137-144. [10] Anders, D.L.; Blevins, T.; Smothers, C.T.; and Woodward, J.J. Reduced ethanol inhibition of N-methyl-D-aspartate receptors by deletion of the NR1 C0 domain or overexpression of alpha-actinin-2 proteins. J Biol Chem 275(20):15019-15024, 2000. [11] Boehm, II, S.L.; vSchafer, G.L.; and Phillips, T.J. Sensitivity to ethanol-induced motor incoordination in 5-HT1B receptor null mutant mice is task-dependent: Implications for behavioral assessment of genetically altered mice. Behav Neurosci 114(2):401-409, 2000. [12] Hwang, B.H.; Zhang, J.K.; Ehlers, C.L.; Lumeng, L.; and Li, T.K. Innate differences of neuropeptide Y (NPY) in hypothalamic nuclei and central nucleus of the amygdala between selectively bred rats with high and low alcohol preference. Alcohol Clin Exp Res 23(6):1023-1030, 1999. [13] Risinger, F.O.; Doan, A.M.; and Vickrey, A.C. Oral operant ethanol self-administration in 5-HT1b knockout mice. Behav Brain Res 102(1/2):211-215, 1999. [14] Roberts, A.J.; McDonald, J.S.; Heyser, C.J.; et al. mu-opioid receptor knockout mice do not self-administer alcohol. J Pharm Exp Ther 293(3):1002-1008, 2000. [15] Thiele, T.E.; Marsh, D.J.; Ste. Marie, L.; et al. Ethanol consumption and resistance are inversely related to neuropeptide Y levels. Nature 396(6709):366-369, 1998. [16] Bowers, B.J.; Owen, E.H.; Collins, A.C.; et al. Decreased ethanol sensitivity and tolerance development in gamma-protein kinase C null mutant mice is dependent on genetic background. Alcohol Clin Exp Res 23(3):387-397, 1999. [17] Yagi, T.; Yasuda, M.; and Niki, H. Ethanol sensitivity and molecular function of Fyn tyrosine kinase. In: Hoek, J.B.; Gordon, A.S.; Mochly-Rosen, D.; and Zakhari, S., eds. Ethanol and Intracellular Signaling: From Molecules to Behavior. NIAAA Research Monograph No. 35. NIH Pub No. 00-4579. Bethesda, MD: NIAAA, 2000. pp. 195-202. [18] Engel, S.R., and Allan, A.M. 5-HT3 receptor over-expression enhances ethanol sensitivity in mice. Psychopharm 144(4):411-415, 1999. [19] Schuckit, M.A. Biological, psychological and environmental predictors of the alcoholism risk: A longitudinal study. J Stud Alcohol 59(5):485-494, 1998. [20] Miles, M.F. Alcohol's effects on gene expression. Alcohol Health Res World 19(3)237-243, 1995. [21] Bachtell, R.K.; Wang, Y.-M.; Freeman, P.; et al. Alcohol drinking produces brain-region selective changes in expression of inducible transport factors. Brain Res 847(2):157-165, 1999. [22] Ermolaeva, O.; Rastogi, M.; Pruitt, K.D.; et al. Data management and analysis for gene expression arrays. Nature Genetics 20:19-23, 1998. [23] Allen, J., and Sillanaukee, P. Carbohydrate-deficient transferrin is a useful marker for the detection of chronic alcohol abuse. Eur J Clin Invest 29(10):899-900, 1999. [24] Salaspuro, M. Carbohydrate-deficient transferrin as compared to other markers of alcoholism: A systematic review. Alcohol 19(3):261-271, 1999. [25] Sillanaukee, P.; Laboratory markers of alcohol abuse. Alcohol Alcohol 31(6)613-616, 1996. [26] Mundle, G. ; Ackerman, K.; and Mann, K. Biological markers as indicators for relapse in alcohol-dependent patients. Addict Biol 4:209-214, 1999. [27] Bean, P. Carbohydrate-deficient transferrin in the assessment of harmful alcohol consumption: Diagnostic performance and clinical significance. Addict Biol 4:151-161, 1999. [28] Lieber, C.S. Carbohydrate deficient transferrin in alcoholic liver disease: Mechanisms and clinical implications. Alcohol 19(3):249-254, 1999. [29] Gruenewald, P.J.; Millar, A.; Ponicki, W.R.; and Brinkley, G. Physical and economic access to alcohol: The application of geostatistical methods to small area analysis in community settings. In: Wilson, R.A., and Dufour, M.C., eds. The Epidemiology of Alcohol Problems in Small Geographic Areas. NIAAA Research Monograph No. 36. NIH Pub. No. 00-4357. Bethesda, MD: NIAAA, 2000. pp. 163-212. [30] Wieczorek, W.F. Using geographic information systems for small area analysis. In: Wilson, R.A., and Dufour, M.C., eds. The Epidemiology of Alcohol Problems in Small Geographic Areas. NIAAA Research Monograph No. 36. NIH Pub. No. 00-4357. Bethesda, MD: NIAAA, 2000. pp. 137-162. [31] Gruenewald, P.J.; Millar, A.B.; Treno, A.J.; et al. The geography of availability and driving after drinking. Addict 91(7):967-983, 1996.