Dette er LSD knyttet til en serotoninreceptor i en hjernecelle
En lille smule LSD på tungen. En daglang tur gennem hallucinationer og diverse andre psykedeliske oplevelser For første gang har forskere fra UNC School of Medicine fundet ud af, hvordan stoffet lysergsyrediethylamid (LSD) ser ud i sin aktive tilstand, når det er bundet til en menneskelig serotoninreceptor i en hjernecelle, og deres første krystalstruktur nogensinde har afsløret et vigtigt fingerpeg om, hvorfor LSD’s psykoaktive virkninger varer så længe.
Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics på UNC School of Medicine, ledede forskningen, som blev offentliggjort i dag i Cell.
“Der er forskellige niveauer af forståelse for, hvordan stoffer som LSD virker.”
“Der er forskellige niveauer af forståelse for, hvordan stoffer som LSD virker,” sagde Roth. “Det mest grundlæggende niveau er at finde ud af, hvordan stoffet binder sig til en receptor på en celle. Den eneste måde at gøre det på er at løse strukturen. Og for at gøre det har man brug for røntgenkrystallografi, guldstandarden.”
Det er, hvad Roths laboratorium har opnået – i det væsentlige “fryser” LSD fastgjort til en receptor, så hans team kunne optage krystallografibilleder. Det viser sig, at når LSD sætter sig fast på en hjernecelles serotoninreceptor, bliver LSD-molekylet låst på plads, fordi en del af receptoren folder sig over lægemiddelmolekylet som et låg. Og så bliver det siddende.
“Vi tror, at dette låg sandsynligvis er grunden til, at virkningerne af LSD kan vare så længe”, siger Roth, som har en fælles ansættelse på UNC Eshelman School of Pharmacy. “LSD tager lang tid om at sætte sig på receptoren, og når det først er sat på, kommer det ikke af igen. Og årsagen er dette låg.”
Eventually, though, a acid trip ends. Nogle LSD-molekyler springer af deres receptorer, når låget bevæger sig rundt. Desuden reagerer hjernecellerne til sidst på dette mærkelige molekyle ved at suge receptoren ind i cellen, hvor den – sammen med LSD’et – nedbrydes eller adskilles med henblik på genbrug.
Postdoc-forskerne Daniel Wacker, ph.d., og Sheng Wang, ph.d., ledede eksperimenterne med at krystallisere LSD bundet til en serotoninreceptor og finde ud af, hvorfor det forbliver bundet så længe. “Serotonin rammer naturligvis denne receptor på hjerneceller,” sagde Wacker. “Men vores eksperimenter viser, at serotonin ikke interagerer med dette låg på samme måde som LSD gør.”
Men selv om andre laboratorier har rapporteret, at LSD “skylles” ud af hjernens væske inden for fire timer, kunne sådanne eksperimenter ikke fastslå, hvad der skete på eller inde i hjernecellerne. Roths laboratorium har for første gang vist, at LSD i høj grad ikke vaskes ud af de serotoninreceptorer, der befinder sig i hjernecellers membran, på få timer.
Selv om andre laboratorier har rapporteret, at LSD “vaskes” ud af hjernens væske inden for fire timer, kunne sådanne eksperimenter ikke afgøre, hvad der skete på eller inde i hjernecellerne.
Hvordan dette populære stof forårsager så kraftige virkninger har været et mysterium, lige siden den schweiziske videnskabsmand Albert Hofmann først ved et uheld syntetiserede og doserede LSD for at rapportere om dets virkninger i 1938. Nu kan forskerne på grund af arbejdet i Roths laboratorium begynde at analysere, hvordan stoffet udløser en så dramatisk reaktion i hjernen, samtidig med at de videnskabelige og medicinske kredse genoptager interessen for stoffet som en potentiel behandling af en række tilstande som f.eks. klyngehovedpine, stofmisbrug og angst i forbindelse med livstruende tilstande.
Løsningen af LSD’s struktur kan hjælpe lægemiddeludviklere med at designe bedre psykiatriske lægemidler med færre bivirkninger. Selv om LSD er ulovligt, er det også fortsat et populært rekreativt stof, og ikke kun på grund af dets mest potente virkninger. Nogle mennesker – især teknologiudviklere i Silicon Valley og andre steder – rapporterer, at de “mikrodoserer” LSD for at øge kreativiteten, lindre stress og hjælpe dem med at løse problemer, samtidig med at de undgår de hallucinogene virkninger.
En ud af 10 mennesker i USA – ti millioner mennesker – har rapporteret, at de har brugt LSD mindst én gang i deres liv. “Omkring 3 procent af alle gymnasieelever – som er i en alder, hvor deres hjerner stadig er under udvikling – har rapporteret at have prøvet det,” sagde Roth. “Og selv om stoffet har været brugt i lang tid, ved vi ikke så meget om det.”
Fra før han blev professor og forsker i farmakologi, var Roth psykiater med speciale i skizofreni. Patienter rapporterede lejlighedsvis, at deres første skizofrene sammenbrud skete, mens de var på LSD.
“De var aldrig mere de samme igen,” sagde Roth. “Selv om det er sjældent, er det blevet rapporteret. Folk rapporterer også om flashbacks, og LSD er et ekstremt potent stof. Så af disse grunde, sammen med dets potentiale som en del af terapeutisk behandling, er LSD videnskabeligt interessant.”
I to årtier havde Roths laboratorium – først på Case Western Research University og derefter ved hans ankomst til UNC i 2005 – forsøgt at krystallisere LSD knyttet til sin receptor gennem en række kedelige og mislykkede eksperimenter. Andre har også forsøgt. Uden krystaller ville ingen kunne se, hvordan LSD bundet til en receptor ville se ud.
“At få krystaller af et kendt stof bundet til sin receptor er utroligt vanskeligt”, sagde Roth, som også er direktør for National Institute of Mental Health’s Psychoactive Drug Screening Program, der har til huse på UNC. “I nogle tilfælde er det næsten umuligt.”
I de sidste mange år under Roths ledelse er opgaven faldet på Wacker, som var den første forsker til at bestemme krystalstrukturen af en serotoninreceptor. Det var for næsten fire år siden som kandidatstuderende i laboratoriet af Ray Stevens, PhD, tidligere på Scripps Institute.
Der er et par grunde til, at det er vanskeligt at krystallisere LSD bundet til en receptor. Den første er mangel på materiale; receptorerne skal produceres i laboratoriet ved hjælp af en række tricks, f.eks. ved at generere en virus, som derefter inficerer celler og genererer receptoren. For det andet er receptorerne utroligt fleksible, selv når forbindelser som LSD er bundet til dem; receptorerne ønsker ikke at sidde stille. For det tredje er en serotoninreceptor i modsætning til f.eks. et vandmolekyle meget kompleks og består af tusindvis af atomer.
“Vi har brug for mange receptorer for at generere et billede på grund af deres lille størrelse – meget mindre end bølgelængden af synligt lys.”
Wacker forklarede: “Vi har brug for mange receptorer for at skabe et billede på grund af deres lille størrelse – meget mindre end bølgelængden for synligt lys. I stedet bruger vi røntgenstråler, men for at det kan fungere, skal alle disse receptorer sidde helt stille, og de skal alle sidde stille på nøjagtig samme måde, og det er det, der sker i krystaller. Så selv hvis man skaber en masse serotoninreceptorer og forsøger at krystallisere dem, vil en receptor måske ryste i én retning, en anden receptor vil måske ryste i en anden retning, en tredje receptor vil måske ikke være bundet til LSD, og en fjerde receptor vil måske have et låg, der bevæger sig lidt mere end de andre receptorer. Så vi er nødt til at opløse alle disse receptorer i vand og derefter langsomt fjerne vandet. Temperaturen skal være den helt rigtige. Og så skal vi anvende alle mulige eksperimentelle tricks for fortsat at trække vandet ud og overbevise molekylerne om, at de skal sidde stille, så de har lyst til at krystallisere.”
Det er lidt ligesom at lade suppe stå ude natten over, sagde Wacker. Du vil bemærke saltkrystaller i bunden. Det skyldes, at saltet i suppen er opløst i vand, men efterhånden som vandet langsomt fordamper over tid, hægter saltmolekylerne sig på hinanden for at forblive stabile. Resultatet: krystaller.
Men serotoninreceptorer er ikke suppe. Det tog Wacker og kolleger to år at få serotonin-LSD-krystaller, men da de først havde fået krystaller, var serotoninreceptorerne med LSD pakket tæt sammen. Og det gjorde det muligt for dem at skyde røntgenstråler på receptorerne, hvilket gav dem mulighed for at skabe billeder med atomar opløsning.
Så opdagede UNC’s postdoc John McCorvy, ph.d., at låget var nøglen til, at LSD blev bundet til sin serotoninreceptor. McCorvy og kolleger skabte mutantreceptorer med mere slappe låg, og de fandt ud af, at LSD blev bundet hurtigere og også lettere løsrev sig fra receptoren. De bemærkede også, at de kortere bindingstider førte til forskellige signaleringsmønstre inde i cellerne. Disse forskellige mønstre betyder sandsynligvis, at virkningerne af LSD ville have været anderledes end de typiske virkninger med låget stramt fastgjort.
Ron Dror, ph.d., og hans hold på Stanford brugte computersimuleringer til at bekræfte, at det er det, der kan ske, når LSD engagerer sit receptorprotein i en menneskehjerne.
“Der findes et hovedpinepræparat, der binder sig til den samme receptor som LSD,” sagde Dror. “De to stoffer binder sig i den samme receptorlomme, men formen af denne bindingslomme er forskellig, når det ene eller det andet stof er bundet. Vi brugte computersimuleringer til at hjælpe med at forklare, hvorfor de to stoffer favoriserer forskellige former for bindingslommer.
Et andet aspekt af dette beregningsarbejde fokuserede på det faktum, at receptorstedet ikke er statisk – receptoren og stoffet er begge meget dynamiske. “De vrikker rundt hele tiden, sagde Dror. “Det er længe blevet observeret, at LSD-trips er lange. Simuleringerne hjalp med at forklare, hvorfor receptoren holder fast i LSD så længe på trods af, at de har en så dynamisk forbindelse.”
Roth sagde: “Vi går ikke ind for at bruge LSD; det er potentielt meget farligt. Men det kunne have potentielle medicinske anvendelser, hvoraf nogle af dem blev rapporteret i den medicinske litteratur for årtier siden. Nu hvor vi har løst strukturen af LSD bundet til en receptor, lærer vi, hvad der gør det så potent.”
Wacker tilføjede: “Jeg tror, det er vigtigt for medicinalindustrien at forstå, at hvis du ændrer bare et lillebitte aspekt af et stof, kan du påvirke den måde, det sidder i receptoren på. Og som følge heraf kan du påvirke, hvordan stoffet virker.”
Det nationale institut for mental sundhed, et Terman-fakultetsstipendium og Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology på UNC har finansieret denne forskning.
De øvrige forfattere omfatter UNC’s forskningsmedarbejdere David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; UNC’s kandidatstuderende Katherine Lansu og Zachary Schools; Stanford kandidatstuderende Robin Betz og Stanford postdoc A. J. Venkatakrishnan, PhD; og Brian Shoichet, PhD, professor i farmaceutisk kemi ved University of California-San Francisco, og UCSF’s postdoc Anat Levit, PhD.