Questo è LSD attaccato al recettore della serotonina di una cellula cerebrale
Una piccola pastiglia di acido sulla lingua. Un viaggio lungo un giorno attraverso allucinazioni e altre esperienze psichedeliche assortite Per la prima volta, i ricercatori della UNC School of Medicine hanno scoperto esattamente come appare la droga dietilamide dell’acido lisergico (LSD) nel suo stato attivo quando è attaccata a un recettore della serotonina umana di una cellula cerebrale, e la loro prima struttura di cristallo ha rivelato un indizio importante sul perché gli effetti psicoattivi dell’LSD durano così tanto.
Bryan L. Roth, MD, PhD, il Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics nella UNC School of Medicine, ha guidato la ricerca, che è stata pubblicata oggi in Cell.
“Ci sono diversi livelli di comprensione per come funzionano le droghe come l’LSD”. “Il livello più fondamentale è quello di scoprire come la droga si lega ad un recettore su una cellula. L’unico modo per farlo è risolvere la struttura. E per farlo, hai bisogno della cristallografia a raggi X, il gold standard.”
Questo è ciò che il laboratorio di Roth ha realizzato – essenzialmente “congelando” l’LSD attaccato a un recettore in modo che il suo team potesse catturare immagini di cristallografia. Come si è scoperto, quando l’LSD si aggancia al recettore della serotonina di una cellula cerebrale, la molecola di LSD è bloccata in posizione perché una parte del recettore si ripiega sulla molecola della droga, come un coperchio. E poi rimane fermo.
“Pensiamo che questo coperchio è probabilmente il motivo per cui gli effetti dell’LSD possono durare così a lungo”, ha detto Roth, che ha una nomina congiunta alla Eshelman School of Pharmacy della UNC. “L’LSD impiega molto tempo per entrare nel recettore, e una volta che è sopra, non viene via. E la ragione è questo coperchio.”
Eventualmente, però, un viaggio in acido finisce. Alcune molecole di LSD si staccano dai loro recettori mentre il coperchio si muove. Inoltre, le cellule cerebrali alla fine rispondono a questa strana molecola risucchiando il recettore all’interno della cellula, dove – insieme all’LSD – viene degradato o smontato per essere riciclato.
I ricercatori post-dottorato Daniel Wacker, PhD, e Sheng Wang, PhD, hanno condotto gli esperimenti per cristallizzare LSD legato a un recettore della serotonina e scoprire perché rimane legato così a lungo. “La serotonina, ovviamente, colpisce questo recettore sulle cellule cerebrali”, ha detto Wacker. “Ma i nostri esperimenti mostrano che la serotonina non interagisce con questo recettore nello stesso modo in cui lo fa l’LSD.”
Anche se altri laboratori hanno riferito che l’LSD si “lava” fuori dal liquido del cervello entro quattro ore, tali esperimenti non potevano determinare cosa stava succedendo sulle o dentro le cellule cerebrali. Il laboratorio di Roth ha dimostrato per la prima volta che l’LSD non viene assolutamente lavato via dai recettori della serotonina situati all’interno della membrana delle cellule cerebrali in poche ore.
Anche se altri laboratori hanno riferito che l’LSD si “lava” via dal fluido cerebrale entro quattro ore, tali esperimenti non potevano determinare cosa stava succedendo sulle o dentro le cellule cerebrali.
Come questa droga popolare causi effetti così potenti è rimasto un mistero da quando lo scienziato svizzero Albert Hofmann ha sintetizzato e dosato per la prima volta l’LSD per segnalare i suoi effetti nel 1938. Ora, grazie al lavoro del laboratorio di Roth, gli scienziati possono iniziare ad analizzare come la droga scatena una reazione così drammatica nel cervello, proprio mentre le comunità scientifiche e mediche rinnovano l’interesse per la droga come potenziale trattamento per una serie di condizioni, come cefalee a grappolo, abuso di sostanze e ansia associata a condizioni pericolose per la vita.
Risolvere la struttura dell’LSD potrebbe aiutare gli sviluppatori di farmaci a progettare psicofarmaci migliori con meno effetti collaterali. Inoltre, anche se l’LSD è illegale, rimane una droga ricreativa popolare e non solo per i suoi effetti più potenti. Alcune persone – in particolare gli sviluppatori di tecnologia nella Silicon Valley e altrove – riferiscono di “microdosaggio” di LSD per aumentare la creatività, alleviare lo stress e aiutarli a risolvere i problemi, evitando i suoi effetti allucinogeni.
Una persona su 10 negli Stati Uniti – decine di milioni di persone – hanno riferito di aver usato LSD almeno una volta nella loro vita. “Circa il 3% di tutti gli studenti delle scuole superiori – che sono in un’età in cui il loro cervello si sta ancora sviluppando – hanno riferito di averlo provato”, ha detto Roth. “E anche se la droga è stata usata per molto tempo, non ne sappiamo molto”.
Prima di diventare professore di farmacologia e ricercatore, Roth era uno psichiatra specializzato in schizofrenia. I pazienti occasionalmente riferivano che il loro primo crollo schizofrenico avveniva mentre erano sotto LSD.
“Non erano più gli stessi”, ha detto Roth. “Anche se questo è raro, è stato riportato. Le persone riportano anche dei flashback e l’LSD è una droga estremamente potente. Quindi per queste ragioni, insieme al suo potenziale come parte del trattamento terapeutico, l’LSD è scientificamente interessante.”
Per due decenni, il laboratorio di Roth – prima alla Case Western Research University e poi al suo arrivo alla UNC nel 2005 – ha cercato di cristallizzare l’LSD attaccato al suo recettore attraverso una serie di esperimenti noiosi e senza successo. Anche altri ci hanno provato. Senza cristalli, nessuno sarebbe in grado di vedere che aspetto avrebbe l’LSD legato a un recettore.
“Ottenere i cristalli di un composto noto legato al suo recettore è incredibilmente difficile”, ha detto Roth, che è anche direttore del National Institute of Mental Health’s Psychoactive Drug Screening Program ospitato all’UNC. “In alcuni casi, è quasi impossibile”.
Negli ultimi anni, sotto la guida di Roth, il compito è toccato a Wacker, che è stato il primo scienziato a determinare la struttura di cristallo di un recettore della serotonina. Questo avvenne quasi quattro anni fa, come studente laureato nel laboratorio di Ray Stevens, PhD, già allo Scripps Institute.
Ci sono alcune ragioni per cui cristallizzare l’LSD legato a un recettore è difficile. Il primo è la mancanza di materiale; i recettori devono essere prodotti in laboratorio usando una serie di trucchi come la generazione di un virus che infetta le cellule e genera il recettore. Secondo, i recettori sono incredibilmente flessibili, anche quando composti come l’LSD sono legati a loro; i recettori non vogliono stare fermi. In terzo luogo, a differenza, ad esempio, di una molecola d’acqua, un recettore della serotonina è altamente complesso e composto da migliaia di atomi.
“Abbiamo bisogno di molti recettori per generare un’immagine a causa delle loro piccole dimensioni – molto più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile.”
Wacker ha spiegato: “Abbiamo bisogno di molti recettori per generare un’immagine a causa delle loro piccole dimensioni – molto più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile. Invece usiamo i raggi X, ma perché questo funzioni abbiamo bisogno che tutti questi recettori stiano perfettamente fermi, e tutti devono stare fermi nello stesso identico modo, e questo è quello che succede nei cristalli. Quindi, anche se si creano molti recettori della serotonina e si cerca di cristallizzarli, un recettore potrebbe contrarsi in una direzione, un altro recettore potrebbe contrarsi in un’altra direzione, un terzo recettore potrebbe non essere legato all’LSD, e un quarto recettore potrebbe avere un coperchio che si muove un po’ più degli altri recettori. Quindi, abbiamo bisogno di sciogliere tutti questi recettori in acqua e poi lentamente togliere l’acqua. La temperatura deve essere giusta. E poi abbiamo bisogno di impiegare tutti i tipi di trucchi sperimentali per continuare a tirare fuori l’acqua e convincere le molecole a stare ferme in modo che vogliano cristallizzare.”
E’ un po’ come lasciare la zuppa fuori durante la notte, ha detto Wacker. Noterete dei cristalli di sale sul fondo. Questo perché il sale nella zuppa è disciolto in acqua, ma poi, mentre l’acqua evapora lentamente nel tempo, le molecole di sale si attaccano le une alle altre per rimanere stabili. Il risultato: cristalli.
Ma i recettori della serotonina non sono una zuppa. Ottenere cristalli di serotonina-LSD ha richiesto a Wacker e colleghi due anni, ma una volta ottenuti i cristalli, i recettori della serotonina con LSD erano impacchettati strettamente insieme. E questo ha permesso loro di sparare raggi X ai recettori, che ha permesso loro di creare immagini di risoluzione atomica.
Poi il ricercatore post-dottorato della UNC John McCorvy, PhD, ha scoperto che il coperchio era la chiave per legare l’LSD al suo recettore della serotonina. McCorvy e colleghi hanno creato dei recettori mutanti con coperchi più flosci, e hanno scoperto che l’LSD si legava più rapidamente e si staccava più facilmente dal recettore. Hanno anche notato che i tempi di legame più brevi hanno portato a diversi modelli di segnalazione all’interno delle cellule. Questi schemi diversi significa probabilmente che gli effetti dell’LSD sarebbero stati diversi da quelli tipici con il coperchio ben fissato.
Ron Dror, PhD, e il suo team a Stanford hanno usato simulazioni al computer per confermare che questo è ciò che potrebbe accadere quando l’LSD impegna la sua proteina recettore in un cervello umano.
“C’è un farmaco per il mal di testa che si lega allo stesso recettore dell’LSD”, ha detto Dror. “I due farmaci si legano nella stessa tasca del recettore, ma la forma di questa tasca è diversa quando si lega un farmaco o l’altro. Abbiamo usato simulazioni al computer per spiegare perché i due farmaci favoriscono forme diverse della tasca di legame”.
Un altro aspetto di questo lavoro computazionale si è concentrato sul fatto che il sito del recettore non è statico – il recettore e il farmaco sono entrambi altamente dinamici. “Si muovono continuamente, ha detto Dror. “È stato a lungo osservato che i viaggi con l’LSD sono lunghi. Le simulazioni hanno aiutato a spiegare perché il recettore si aggrappa all’LSD per così tanto tempo nonostante il fatto che abbiano una connessione così dinamica”.”
Roth ha detto: “Non sosteniamo l’uso dell’LSD; è potenzialmente molto pericoloso. Ma potrebbe avere potenziali usi medicinali, alcuni dei quali sono stati riportati nella letteratura medica decenni fa. Ora che abbiamo risolto la struttura dell’LSD legato ad un recettore, stiamo imparando cosa lo rende così potente”.”
Wacker ha aggiunto: “Penso che sia importante per l’industria farmaceutica capire che se si modifica un solo piccolo aspetto di qualsiasi composto, si potrebbe influenzare il modo in cui si siede nel recettore. E come risultato, si potrebbe influenzare il modo in cui il composto funziona.”
Il National Institute of Mental Health, un Terman Faculty Fellowship, e il Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology all’UNC hanno finanziato questa ricerca.
Altri autori includono associati di ricerca UNC David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; studenti laureati UNC Katherine Lansu e Zachary scuole; Stanford laureato studente Robin Betz e Stanford postdoctoral fellow A. J. Venkatakrishnan, PhD; e Brian Shoichet, PhD, professore di chimica farmaceutica presso l’Università della California-San Francisco, e UCSF postdoc Anat Levit, PhD.