W 1998 roku dwie niezależne grupy badawcze, posługujące się odmienną metodyką, odkryły dwa nowe peptydy i ich receptory u szczurów. Neuropeptydy te nazwano oreksynami/hipokretynami.

Oreksyna A (OxA) / hipokretyna 1 i oreksyna B (OxB)/hipokretyna 2 to peptydy syntetyzowane głównie w centralnym układzie nerwowym (CNS), w obszarze bocznego podwzgórza (LHA) (1, 2). U człowieka gen oreksyn zlokalizowany jest na 17 chromosomie i składa się z 2 eksonów i 1 intronu. Sekwencja kodująca peptydy znajduje się w drugim eksonie. Obydwie oreksyny powstają ze wspólnej cząsteczki prekursorowej, nazywanej preprooreksyną, która u ssaków składa się ze 130-131 aminokwasów (aa) (3).

Oreksyna A zbudowana jest z 33 aa. Peptyd ten zawiera dwa mostki dwusiarczkowe, a w rejonie N-końcowym, w wyniku transaminacji, powstaje cykliczny pyroglutamyl. Oreksyna A jest cząsteczką lipofilną, mającą zdolność przechodzenia przez barierę krew-mózg, bardziej stabilną i aktywniejszą niż krótsza (28 aa) i liniowa OxB (4). Sekwencja aminokwasowa OxA jest silnie konserwatywna i identyczna u różnych gatunków zwierząt (człowiek, szczur, mysz, świnia, pies, bydło domowe) (5).

Perikariony neuronów oreksynowych występują symetrycznie w LHA, m. in. w obszarze okołosklepieniowym, jądrach: brzuszno-przyśrodkowym, grzbietowo-przyśrodkowym, łukowatym oraz wyniosłości pośrodkowej (6, 7).

Mimo stosunkowo małej liczby perikarionów oreksynowych w LHA neurony te tworzą bardzo rozprzestrzeniony system w CNS. Wypustki komórek nerwowych docierają m.in. do kory mózgowej, hipokampa, przegrody, wzgórza i podwzgórza, pnia mózgu i rdzenia kręgowego (7).

Obecność OxA stwierdzono również w narządach obwodowych i gruczołach wydzielania wewnętrznego takich jak: przewód pokarmowy, trzustka, nadnercza, jądra, szyszynka, przysadka, neurony współczulne i siatkówka (7). Jednak to CNS jest głównym źródłem OxA.

Oreksyna A działa poprzez dwa różne receptory, Ox1R i Ox2R, należące do nadrodziny receptorów sprzężonych z białkami G, zawierających siedem domen przezbłonowych (8). Receptor Ox2R wiąże obydwie oreksyny – A i B z takim samym powinowactwem, natomiast Ox1R jest specyficzny dla OxA (2, 7).

Receptory te zlokalizowano w różnych regionach CNS. Receptor Ox1 występuje głównie w brzuszno-przyśrodkowym i bocznym podwzgórzu, hipokampie, jądrze miejsca sinawego, szyszynce i przysadce. Natomiast obecność Ox2R stwierdzono we wzgórzu, podwzgórzu, przegrodzie, korze i pniu mózgu (7, 9).

Receptory oreksyn znajdują się także w tkankach obwodowych. Występują one m.in. w przewodzie pokarmowym, trzustce, nerkach, nadnerczach, tarczycy, jądrach i płucach (7, 10).

Tak rozległe występowanie OxA i jej receptorów sugeruje plejotropowe działanie tego peptydu. Wydaje się, że OxA może spełniać nie tylko funkcję neurotransmitera i/lub neuromodulatora, ale także hormonu, ponieważ jest ona wydzielana do krwi obwodowej. Można wyróżnić trzy główne kierunki działania OxA: a) wpływ na pobieranie pokarmu i wydatkowanie energii, którego regulację przypisuje się bocznemu podwzgórzu, b) udział w regulacji uwalniania hormonów tropowych poprzez oddziaływanie na poziomie podwzgórza oraz c) regulowanie rytmu sen-czuwanie poprzez oddziaływanie na jądro miejsca sinawego.

Boczne podwzgórze było klasycznie określane jako „ośrodek głodu”, podczas gdy jądro brzuszno- przyśrodkowe (VMH) znane jest jako „ośrodek sytości”. Operacyjne uszkodzenie HLA prowadziło u zwierząt do hipofagii, podwyższenia tempa metabolizmu i obniżenia aktywności ruchowej, natomiast elektrostymulacja tego obszaru powodowała hiperfagię. W tym właśnie obszarze występują neurony oreksynowe. Wcześniejsze badania wykazały tam również obecność odrębnej i niezależnej populacji neuronów pobudzających łaknienie MCH (melanin-concentrated hormone) (11).

Anatomiczna lokalizacja neuronów syntetyzujących OxA i jej receptorów oraz współdziałanie z innymi peptydami pobudzającymi łaknienie (oreksygennymi) lub hamującymi pobieranie pokarmu (anoreksygennymi) może wskazywać na ważną rolę, jaką OxA odgrywa w regulacji łaknienia i wydatkowania energii (12).

Liczne badania wykazały u szczurów interakcje w jądrze łukowatym (ARC) pomiędzy zakończeniami neuronów oreksynowych i neuronami syntetyzującymi: neuropeptyd Y (NPY), AgRP (agouti-related peptide), proopiomelanokortynę (POMC) i cocaine/amphetamine-regulated transcript (CART) (13,14,15). Ponadto stwierdzono, że OxA bezpośrednio reguluje aktywność NPY-, POMC- i glukozowrażliwych neuronów w ARC i VMH (13). Neurony wykazujące współekspresję receptorów Ox1R i leptyny, są aktywowane lub inaktywowane przez obie te cząsteczki. OxA i leptyna prawdopodobnie mogą działać jednocześnie (16). Pobudzające pobieranie pokarmu działanie ghreliny i OxA oraz hamujące leptyny odgrywają istotną rolę w regulacji aktywności neuronów wydzielających NPY (peptyd najsilniej pobudzający łaknienie) (17).

Neurony OxA wykazują ekspresję receptorów Y1 NPY (7). Na neuronach oreksynowych znaleziono także długą formę receptora leptyny (18), a traktowanie ich leptyną reguluje poziom mRNA oreksyny A (19).

Niedawno wykazano współwystępowanie Ox1R i receptorów CB1 układu cannabinoidowego w obrębie LHA. Badania in vitro wzajemnych oddziaływań tych receptorów na siebie wykazały aktywowanie Ox1R przez CB1 (20).

Wyniki te wskazują na złożoną współzależność centralnych i obwodowych czynników regulujących łaknienie, i istotną rolę, jaką odgrywa w tej regulacji OxA.

Stwierdzono, że aktywność neuronów OxA jest pobudzana przez głodzenie i hipoglikemię. Komórki te są aktywowane przez niski poziom glukozy, a hamowane przez układ trzewny poprzez czuciowy szlak nerwu błędnego i jądro pasma samotnego (21). Z kolei wysokie stężenie triglicerydów podwyższa ekspresję genu OxA (22). U pacjentów z narkolepsją obserwowano, że mimo obniżenia kaloryczności posiłków dochodzi do wzrostu BMI (23), co może wskazywać na zaburzenia wydatkowania energii lub niskie tempo metabolizmu.

Dokomorowe podanie OxA pobudza w sposób zależny od dawki pobieranie pokarmu u młodych szczurów, a brak takiego efektu u szczurów starych. Można to łączyć z obniżeniem z wiekiem stężenia białka receptora Ox1R w podwzgórzu (24).

Dalal i wsp. (25) i Arihara i wsp. (26) jako pierwsi wykazali obecność OxA w surowicy ludzi. Adam i wsp. (27) stwierdził, że poziom OxA był obniżony u osób otyłych i korelował ujemnie z poziomem leptyny we krwi. Matsumura (28) i Tomasik (29) wykazali ujemną korelację między stężeniem OxA we krwi a BMI u zdrowych ludzi. Badania naszego zespołu wykazały, że stężenie OxA jest istotnie niższe, a leptyny i NPY istotnie wyższe u pacjentów otyłych w porównaniu z grupą osób z prawidłową masą ciała (30). Stężenie oreksyny i leptyny w czasie głodzenia zmienia się w sposób odwrotnie proporcjonalny u pacjentów o prawidłowym BMI i jest ściśle skorelowane z wydatkowaniem energii (31).

Włókna oreksynowe unerwiają obszary podwzgórza kontrolujące proces uwalniana hormonów przysadkowych. W badaniach in vitro stwierdzono, że OxA uwalnia neuropeptydy z eksplantów podwzgórzowych oraz ma zdolność bezpośredniego wpływu na komórki wydzielnicze przysadki (7, 32). Zbadano działanie OxA na liczne osie regulacyjne podwzgórze-przysadka-gruczoły obwodowe.

Stwierdzono, że dokomorowe podanie OxA hamuje uwalnianie prolaktyny (PRL) i efekt ten jest tylko częściowo zależny od dopaminy (33). Opisane obniżenie ekspresji preprooreksyny podczas ciąży i laktacji może wskazywać na mechanizm adaptacji homeostatycznej, prowadzący w efekcie do podwyższenia stężenia PRL w tych stanach fizjologicznych (34). Z drugiej strony wysokie stężenie OxA w podwzgórzu może przyczyniać się do wyrzutu hormonu luteinizującego (LH) i PRL w fazie proestrus cyklu rozrodczego szczurów (35).

Centralne podanie OxA powoduje podwyższenie uwalnianie adrenokortykotropiny (ACTH) i kortykosteronu poprzez aktywację osi przysadkowo-nadnerczowej. Obserwowano wzrost c-fos mRNA w PVN, gdzie są zlokalizowane neurony zawierające hormon uwalniający kortykotropinę (CRH) (36, 37). Dokomorowe iniekcje oreksyny podwyższają stężenie ACTH i kortykosteronu i znacząco obniżają ekspresję mRNA CRH w PVN u szczurów. Jednak odpowiedź osi przysadka-nadnercza na podanie OxA jest zahamowana u ciężarnych szczurów (38). Może to wskazywać na zaangażowanie OxA w procesy adaptacji anabolicznej występującej podczas ciąży. Opisano występowanie obydwu typów receptora OxA w korze nadnerczy (39). Sugeruje to możliwość bezpośredniej stymulacji uwalniania glukokortykoidów przez OxA.

Metodą hybrydyzacji in situ Lopez i wsp. (40) wykazali, że poziom mRNA hormonu uwalniającego hormon wzrostu (GHRH) w PVN jest obniżony po podaniu OxA. Wpływ dokomorowego wstrzyknięcia OxA na stężenie podwzgórzowej somatostatyny i poziom mRNA GHRH wskazuje na interakcje systemów zaangażowanych w kontrolę łaknienia i sekrecję hormonu wzrostu (GH). W badaniach in vitro stwierdzono wzrost uwalniania GH po podaniu OxA i GHRH (41). Natomiast dokomorowa iniekcja OxA hamowała uwalnianie GH i odpowiedź GH na ghrelinę. Oreksyna A jednak nie modyfikowała in vivo odpowiedzi GH na GHRH (42). Oreksyna A odgrywa rolę w hamowaniu sekrecji GH i może być zaangażowana w regulacyjny mechanizm stanu odżywienia i uwalniania GH.

Campbell i wsp. (43) wykazali, że około 80% neuronów GnRH ma połączenia z włóknami neuronów oreksynowych, a około 85% neuronów GnRH wykazuje ekspresję obu typów receptorów oreksynowych. Autorzy ci pokazali również obecność receptora Y1NPY i włókien OxA w powiązaniu z neuronami GnRH. Ponadto stymulacja receptorów Y4 polipeptydu trzustkowego, wiążącego również NPY, prowadziła do obniżenia uwalniania LH. Wyniki te mogą wskazywać na modulujące działanie OxA na neurony GnRH bezpośrednio poprzez OxR1 albo poprzez stymulację receptora Y1 lubY4. Oreksyna A stymuluje uwalnianie GnRH z podwzgórzowych implantów in vitro. Peptyd ten pobudza sekrecję LH u estrogenizowanych samic szczura, a hamuje sekrecje LH u szczurów owariektomizowanych (44). Wyniki uzyskane przez Kok´a i wsp. (45) wskazują na to, że oreksyny są zaangażowane w regulację osi podwzgórzowo-przysadkowo-gonadowej u ludzi. Obniżenie poziomu podstawowego LH i prawidłowa odpowiedź LH na impuls GnRH u narkoleptycznych pacjentów sugeruje, że OxA może odgrywać rolę w uwalnianiu GnRH. Podobne działanie OxA na oś GnRH-LH u szczurów wykazali Russell i wsp. (46). Dodatkowo została potwierdzona współzależność neuronów zawierających OxA i NPY, ponieważ specyficzny antagonista receptora Y1NPY znosił uwalnianie GnRH przez OxA in vitro (46).

Rytm snu i czuwania jest regulowany przez złożony system neurotransmiterów i neuromodulatorów, takich jak: glutamina, GABA, glicyna, serotonina, dopamina, noradrenalina, histamina, acetylocholina oraz niektóre neuropeptydy (47).

Oreksyny aktywują stan czuwania. Stwierdzono, że neurony OxA największą aktywność elektryczną wykazują w czasie poruszania się zwierząt, a podczas snu aktywność ta zanika. Aktywność neuronów oreksynowych jest pod bezpośrednią kontrolą jądra nadskrzyżowaniowego – SCN (anatomiczna lokalizacja głównego zegara biologicznego). Stwierdzono, że stężenie OxA w płynie mózgowo-rdzeniowym zmienia się w rytmie dobowym, osiągając najwyższy poziom pod koniec okresu czuwania (48,49). Uszkodzenie SCN powodowały zanik tego rytmu.

Stwierdzono także, że mikroiniekcje OxA do komór bocznych mózgu lub do jądra miejsca sinawego pobudza aktywność zwierząt i skraca czas snu. Powyższe dane sugerują, że oreksyny odgrywają istotną rolę w regulacji rytmu sen-czuwanie, a ich niedobór lub zaburzenia transmisji oreksynergicznej powodują u zwierząt objawy charakterystyczne dla narkolepsji (48).

Narkolepsja to przewlekła choroba neurologiczna charakteryzująca się nadmierną sennością w ciągu dnia (napadami mimowolnego zasypiania), katalepsją, paraliżem przysennym i omamami przysennymi oraz zaburzeniami snu nocnego (49).

Występowanie narkolepsji u psów ras doberman i labrador związane jest z mutacjami występującymi w obrębie autosomalnego, recesywnego genu, który koduje białko Ox2R. W wyniku tej mutacji komórki docelowe pozbawione są fizjologicznej aktywnej formy receptora Ox2R. Zmieniony na skutek mutacji receptor nie jest zdolny do internalizacji z błoną komórki. U zwierząt z mutacją genu Ox2R stężenie oreksyn w płynie mózgowo-rdzeniowym i gęstość neuronów oreksynowych są porównywalne z występującymi u zwierząt kontrolnych.

Natomiast u ludzi choroba ta, jak się wydaje, ma inne podłoże. Schorzenie to jest silnie związane z obecnością HLA-DQB1*0602 (allel genów zgodności tkankowej). Natomiast niezmiernie rzadko wiąże się z mutacjami czy polimorfizmami w obrębie genu Ox lub receptorów dla Ox (50).

Nishimo i wsp. (51) jako pierwsi opisali u 9 pacjentów związek między znacznym obniżeniem stężenia OxA i narkolepsją. Obecnie, już na dużej grupie pacjentów wykazano, że stężenie OxA u tych chorych może być niższe o 85-100% w porównaniu z grupą ludzi zdrowych, co sugeruje, że może dochodzić do niedostatecznej neurotransmisji oreksynergicznej.

W badaniach histopatologicznych przy użyciu hybrydyzacji in situ stwierdzono brak mRNA OxA, wykazano też bardzo słabą immunoreaktywność dla OxA, co wskazuje na małe stężenie tego peptydu w podwzgórzu. Niewykrywalny poziom OxA w płynie mózgowo-rdzeniowym, oraz obecność antygenu HLA-DQB1*0602 może wskazywać na autoimmunizacyjny charakter tej choroby (50).

Przytoczone dane literaturowe wskazują na złożoną rolę OxA jako neurotransmitera i/lub neuromodolatora oraz hormonu, a jej zaangażowanie w liczne procesy fizjologiczne skłania do wysnucia przypuszczenia, że neurony Ox mogą spełniać rolę integrującą i łączącą stan odżywienia organizmu z wydatkowaniem energii i procesami kontrolującymi, np. rozmnażanie.