Tämä on LSD kiinnittyneenä aivosolujen serotoniinireseptoriin
Pieni välilehti happoa kielellä. Päivän mittainen matka hallusinaatioiden ja erilaisten muiden psykedeelisten kokemusten läpi Ensimmäistä kertaa UNC:n lääketieteellisen tiedekunnan tutkijat ovat saaneet selville tarkalleen, miltä lääkeaine lysergihappodietyyliamidi (LSD) näyttää aktiivisessa tilassaan, kun se on kiinnittynyt ihmisen aivosolun serotoniinireseptoriin, ja heidän kaikkien aikojen ensimmäinen kiderakenteensa paljasti tärkeän johtolangan siitä, miksi LSD:n psykoaktiiviset vaikutukset kestävät niin pitkään.
Bryan L. Roth, MD, PhD, UNC:n lääketieteellisen tiedekunnan proteiiniterapian ja translationaalisen proteomiikan Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics, johti tutkimusta, joka julkaistiin tänään Cell-tiedelehdessä.
”LSD:n kaltaisten huumausaineiden vaikutuksen ymmärtämisessä on eri tasoja”, Roth sanoi. ”Perustavin taso on selvittää, miten lääke sitoutuu solun reseptoriin. Ainoa tapa tehdä se on ratkaista rakenne. Ja sitä varten tarvitaan röntgenkristallografiaa, joka on kultainen standardi.”
Tämän Rothin laboratorio sai aikaan – se ”jäädytti” reseptoriin kiinnittyneen LSD:n, jotta hänen ryhmänsä pystyi ottamaan kiteytyskuvia. Kuten kävi ilmi, kun LSD kiinnittyy aivosolun serotoniinireseptoriin, LSD-molekyyli lukittuu paikalleen, koska osa reseptorista taittuu lääkemolekyylin päälle kuin kansi. Ja sitten se pysyy paikallaan.
”Uskomme, että tämä kansi on todennäköisesti syy siihen, miksi LSD:n vaikutukset voivat kestää niin kauan”, sanoo Roth, jolla on yhteinen nimitys UNC:n Eshelman School of Pharmacy -yliopistossa. ”LSD:llä kestää kauan päästä reseptoriin, ja sitten kun se on siellä, se ei lähde pois. Ja syynä on tämä kansi.”
Viimein happotrippi kuitenkin loppuu. Jotkut LSD-molekyylit irtoavat reseptoreistaan, kun kansi liikkuu. Myös aivosolut reagoivat lopulta tähän outoon molekyyliin imemällä reseptorin soluun, jossa se – yhdessä LSD:n kanssa – hajoaa tai puretaan kierrätystä varten.
Postdoc-tutkijat tohtori Daniel Wacker ja tohtori Sheng Wang johtivat kokeita, joissa kiteytettiin serotoniinireseptoriin sidottu LSD ja selvitettiin, miksi se pysyy sidottuna niin pitkään. ”Serotoniini ilmeisesti osuu tähän reseptoriin aivosoluissa”, Wacker sanoi. ”Mutta meidän kokeemme osoittavat, että serotoniini ei ole vuorovaikutuksessa tämän kannen kanssa samalla tavalla kuin LSD.”
Vaikka muut laboratoriot ovat raportoineet, että LSD ”huuhtoutuu” pois aivojen nesteestä neljässä tunnissa, tällaiset kokeet eivät pystyneet määrittämään, mitä aivosoluissa tai niiden sisällä tapahtuu. Rothin laboratorio on osoittanut ensimmäistä kertaa, että LSD ei todellakaan peseydy pois aivosolujen kalvolla sijaitsevista serotoniinireseptoreista muutamassa tunnissa.
Vaikka muut laboratoriot ovat raportoineet, että LSD ”peseytyy” pois aivojen nesteestä neljässä tunnissa, tällaiset kokeet eivät pystyneet määrittämään, mitä aivosoluissa tai aivosolujen sisällä tapahtuu.
Miten tämä suosittu huume aiheuttaa näin voimakkaita vaikutuksia, on pysynyt mysteerinä siitä lähtien, kun sveitsiläinen tiedemies Albert Hofmann ensimmäisen kerran vahingossa syntetisoi ja annosteli LSD:tä raportoidakseen sen vaikutuksista vuonna 1938. Nyt Rothin laboratorion työn ansiosta tutkijat voivat alkaa jäsentää, miten huume saa aikaan niin dramaattisen reaktion aivoissa, samaan aikaan kun tiede- ja lääketieteelliset yhteisöt uudistavat kiinnostuksensa huumeeseen mahdollisena hoitomuotona useisiin sairauksiin, kuten klusteripäänsärkyyn, päihteiden väärinkäyttöön ja hengenvaarallisiin tiloihin liittyvään ahdistukseen.
LSD:n rakenteen selvittäminen voisi auttaa lääkekehittäjiä suunnittelemaan parempia psykiatrisia lääkeaineita, joilla on vähemmän sivuvaikutuksia. Lisäksi vaikka LSD on laitonta, se on edelleen suosittu virkistyshuume, eikä vain voimakkaimpien vaikutustensa vuoksi. Jotkut ihmiset – erityisesti teknologiakehittäjät Piilaaksossa ja muualla – kertovat ”mikroannostelevansa” LSD:tä lisätäkseen luovuuttaan, lievittääkseen stressiä ja auttaakseen heitä ratkaisemaan ongelmia ja välttääkseen samalla sen hallusinogeeniset vaikutukset.
Yksi kymmenestä yhdysvaltalaisesta – kymmeniä miljoonia ihmisiä – on kertonut käyttäneensä LSD:tä ainakin kerran elämässään. ”Noin 3 prosenttia kaikista lukiolaisista – jotka ovat iässä, jolloin heidän aivonsa ovat vielä kehittymässä – on ilmoittanut kokeilleensa sitä”, Roth sanoi. ”Ja vaikka huumetta on käytetty jo pitkään, emme tiedä siitä kovinkaan paljon.”
Ennen kuin Rothista tuli farmakologian professori ja tutkija, hän oli skitsofreniaan erikoistunut psykiatri. Potilaat kertoivat toisinaan, että heidän ensimmäinen skitsofreniakohtauksensa tapahtui LSD:n käytön aikana.
”He eivät enää koskaan olleet entisensä”, Roth sanoi. ”Vaikka tämä on harvinaista, siitä on raportoitu. Ihmiset raportoivat myös takaumia, ja LSD on erittäin voimakas huume. Joten näistä syistä sekä sen mahdollisuuksista osana terapeuttista hoitoa LSD on tieteellisesti mielenkiintoinen.”
Kahden vuosikymmenen ajan Rothin laboratorio – ensin Case Western Research Universityssä ja sitten hänen tultuaan UNC:hen vuonna 2005 – oli yrittänyt kiteyttää LSD:tä kiinnittyneenä reseptoriinsa sarjan ikävien ja epäonnistuneiden kokeiden avulla. Muutkin ovat yrittäneet. Ilman kiteitä kukaan ei pystyisi näkemään, miltä reseptoriin sidottu LSD näyttäisi.
”Reseptoriinsa sidotun tunnetun yhdisteen kiteiden saaminen on uskomattoman vaikeaa”, sanoo Roth, joka on myös UNC:ssä sijaitsevan National Institute of Mental Healthin psykoaktiivisten lääkkeiden seulontaohjelman johtaja. ”Joissakin tapauksissa se on lähes mahdotonta.”
Viime vuosina Rothin johdolla tehtävä on kuulunut Wackerille, joka oli ensimmäinen tutkija, joka määritti serotoniinireseptorin kiderakenteen. Tämä tapahtui lähes neljä vuotta sitten jatko-opiskelijana tohtori Ray Stevensin, entisen Scripps-instituutin laboratoriossa.
On muutamia syitä, miksi reseptoriin sitoutuneen LSD:n kiteyttäminen on vaikeaa. Ensimmäinen on materiaalin puute; reseptorit on tuotettava laboratoriossa käyttämällä useita temppuja, kuten tuottamalla virus, joka sitten infektoi soluja ja tuottaa reseptorin. Toiseksi reseptorit ovat uskomattoman joustavia silloinkin, kun niihin on sidottu LSD:n kaltaisia yhdisteitä; reseptorit eivät halua pysyä paikoillaan. Kolmanneksi, toisin kuin vaikkapa vesimolekyyli, serotoniinireseptori on erittäin monimutkainen ja koostuu tuhansista atomeista.
”Tarvitsemme paljon reseptoreita kuvan tuottamiseen, koska reseptorit ovat pieniä – paljon pienempiä kuin näkyvän valon aallonpituus.”
Wacker selitti: ”Tarvitsemme paljon reseptoreita kuvan tuottamiseen niiden pienen koon vuoksi – paljon pienemmän kuin näkyvän valon aallonpituus. Sen sijaan käytämme röntgensäteilyä, mutta jotta se toimisi, kaikkien näiden reseptorien on oltava täysin liikkumatta, ja niiden kaikkien on oltava liikkumatta täsmälleen samalla tavalla, ja näin tapahtuu kiteissä. Vaikka siis luotaisiin paljon serotoniinireseptoreita ja yritettäisiin kiteyttää ne, yksi reseptori saattaa nykiä yhteen suuntaan, toinen reseptori saattaa nykiä toiseen suuntaan, kolmas reseptori ei välttämättä ole sitoutunut LSD:hen, ja neljännen reseptorin kansi saattaa liikkua hieman enemmän kuin muiden reseptorien. Meidän on siis liuotettava kaikki nämä reseptorit veteen ja otettava sitten vesi hitaasti pois. Lämpötilan on oltava juuri oikea. Ja sitten meidän on käytettävä kaikenlaisia kokeellisia temppuja jatkaaksemme veden pois vetämistä ja saadaksemme molekyylit pysymään paikoillaan, jotta ne haluaisivat kiteytyä.”
Se on vähän kuin antaisi keiton olla yön yli, Wacker sanoi. Huomaat, että pohjalla on suolakiteitä. Se johtuu siitä, että keiton suola on liuennut veteen, mutta sitten veden hitaasti haihtuessa ajan myötä suolamolekyylit tarttuvat toisiinsa pysyäkseen vakaina. Tuloksena on kiteitä.
Mutta serotoniinireseptorit eivät ole keittoa. Serotoniini-LSD-kiteiden saaminen vei Wackerilta ja kollegoilta kaksi vuotta, mutta kun he saivat kiteitä, serotoniinireseptorit, joissa oli LSD:tä, olivat pakkautuneet tiiviisti yhteen. Ja sen ansiosta he pystyivät ampumaan röntgensäteilyä reseptoreihin, mikä mahdollisti atomiresoluutioisten kuvien luomisen.
Silloin UNC:n postdoc-tutkija, tohtori John McCorvy havaitsi, että kansi oli avain siihen, että LSD sitoutui serotoniinireseptoriinsa. McCorvy ja kollegat loivat mutanttireseptoreita, joissa oli löysemmät kannet, ja he havaitsivat, että LSD sitoutui nopeammin ja myös irtautui reseptorista helpommin. He huomasivat myös, että lyhyemmät sitoutumisajat johtivat erilaisiin signalointimalleihin solujen sisällä. Nämä erilaiset kuviot tarkoittavat todennäköisesti sitä, että LSD:n vaikutukset olisivat olleet erilaisia kuin tyypilliset vaikutukset, kun kansi on tiukasti kiinni.
Tohtori Ron Dror ja hänen ryhmänsä Stanfordissa käyttivät tietokonesimulaatioita vahvistaakseen, että juuri näin saattaa tapahtua, kun LSD sitoutuu reseptoriproteiiniinsa ihmisen aivoissa.
”On olemassa päänsärkylääke, joka sitoutuu samaan reseptoriin kuin LSD”, Dror sanoi. ”Nämä kaksi lääkettä sitoutuvat samaan reseptoritaskuun, mutta tuon sitoutumistaskun muoto on erilainen, kun toinen lääke on sitoutunut. Käytimme tietokonesimulaatioita selittääksemme, miksi nämä kaksi lääkettä suosivat erilaisia sitoutumistaskun muotoja.”
Toisessa laskennallisessa työssä keskityttiin myös siihen, että reseptorikohta ei ole staattinen – reseptori ja lääke ovat molemmat hyvin dynaamisia. ”Ne heiluvat koko ajan, Dror sanoi. ”On jo pitkään havaittu, että LSD-matkat ovat pitkiä. Simulaatiot auttoivat selittämään, miksi reseptori pitää kiinni LSD:stä niin pitkään huolimatta siitä, että niillä on niin dynaaminen yhteys.”
Roth sanoi: ”Emme suosittele LSD:n käyttöä; se on potentiaalisesti hyvin vaarallista. Mutta sillä voisi olla potentiaalisia lääkinnällisiä käyttötarkoituksia, joista joistakin on raportoitu lääketieteellisessä kirjallisuudessa vuosikymmeniä sitten. Nyt kun olemme ratkaisseet reseptoriin sitoutuneen LSD:n rakenteen, opimme, mikä tekee siitä niin voimakkaan.”
Wacker lisäsi: ”Mielestäni lääketeollisuudelle on tärkeää ymmärtää, että jos minkä tahansa yhdisteen yhtä pientä piirrettä muutetaan, saatetaan vaikuttaa siihen, miten se istuu reseptorissa. Ja sen seurauksena saatat vaikuttaa siihen, miten yhdiste toimii.”
Nationaalinen mielenterveysinstituutti, Termanin tiedekuntastipendi ja UNC:n farmakologian Michael Hooker Distinguished Chair -professuuri rahoittivat tätä tutkimusta.
Muihin kirjoittajiin kuuluvat UNC:n tutkijatohtorit David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; UNC:n jatko-opiskelijat Katherine Lansu ja Zachary Schools; Stanfordin jatko-opiskelija Robin Betz ja Stanfordin postdoc-työntekijä A. J. Venkatakrishnan, PhD; sekä Kalifornian yliopiston farmaseuttisen kemian tohtori Brian Shoichet, PhD, Kalifornian yliopiston farmaseuttisen kemian professori Kalifornian yliopistossa San Franciscossa ja UCSF:n postdoc-tutkijatohtori Anat Levit, PhD.[