To jest LSD dołączone do receptora serotoniny w komórce mózgowej
Mała tabletka kwasu na języku. Całodniowa podróż przez halucynacje i różne inne psychodeliczne doświadczenia Po raz pierwszy naukowcy z UNC School of Medicine odkryli dokładnie, jak wygląda lek dietyloamid kwasu lizergowego (LSD) w stanie aktywnym, gdy jest przyłączony do ludzkiego receptora serotoniny w komórce mózgowej, a ich pierwsza w historii struktura krystaliczna ujawniła ważną wskazówkę, dlaczego psychoaktywne efekty LSD trwają tak długo.
Bryan L. Roth, MD, PhD, the Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics w UNC School of Medicine, prowadził badania, które zostały opublikowane dzisiaj w Cell.
„Istnieją różne poziomy zrozumienia dla tego, jak leki takie jak LSD działają.”
„Istnieją różne poziomy zrozumienia dla tego, jak leki takie jak LSD działają”, powiedział Roth. „Najbardziej podstawowym poziomem jest dowiedzieć się, jak lek wiąże się z receptorem na komórce. Jedynym sposobem, aby to zrobić, jest rozwiązanie struktury. A do tego potrzebna jest krystalografia rentgenowska, złoty standard.”
To właśnie osiągnęło laboratorium Rotha – zasadniczo „zamrażając” LSD połączone z receptorem, aby jego zespół mógł uchwycić obrazy krystalograficzne. Jak się okazuje, kiedy LSD zatrzaskuje się na receptorze serotoniny w komórce mózgowej, cząsteczka LSD jest zablokowana na miejscu, ponieważ część receptora składa się na cząsteczkę leku, jak pokrywka. A potem pozostaje put.
„Myślimy, że ta pokrywa jest prawdopodobnie dlaczego skutki LSD może trwać tak długo,” powiedział Roth, który posiada wspólną nominację w UNC Eshelman School of Pharmacy. „LSD zajmuje dużo czasu, aby dostać się do receptora, a następnie raz jest na, to nie zejdzie. A powodem jest ta pokrywa.”
W końcu, choć, kwas podróży kończy. Niektóre cząsteczki LSD odskakują od swoich receptorów, gdy pokrywa się porusza. Ponadto, komórki mózgowe w końcu odpowiedzieć na ten dziwny cząsteczki przez zasysanie receptora do komórki, gdzie – wraz z LSD – jest degradowany lub rozłożone do recyklingu.
Badania podoktorskie Daniel Wacker, PhD, i Sheng Wang, PhD, prowadził eksperymenty do krystalizacji LSD związane z receptorem serotoniny i odkryć, dlaczego pozostaje związany tak długo. „Serotonina, oczywiście, uderza w ten receptor na komórkach mózgowych”, powiedział Wacker. „Ale nasze eksperymenty pokazują, że serotonina nie oddziałuje z tą pokrywą w ten sam sposób LSD robi.”
Although inne laboratoria zgłosiły, że LSD „wypłukuje” z płynu mózgowego w ciągu czterech godzin, takie eksperymenty nie mogły określić, co dzieje się na lub wewnątrz komórek mózgowych. Laboratorium Rotha pokazało po raz pierwszy, że LSD bardzo nie jest wypłukiwane z receptorów serotoninowych znajdujących się w błonie komórek mózgowych w ciągu kilku godzin.
Although other labs have reported that LSD „washes” out of the brain’s fluid within four hours, such experiments could not determine what was happening on or inside brain cells.
Jak ten popularny lek powoduje tak potężne efekty pozostało tajemnicą od szwajcarskiego naukowca Albert Hofmann pierwszy przypadkowo zsyntetyzowane i dozowane LSD do zgłaszania jego skutków w 1938 roku. Teraz, ze względu na pracę laboratorium Rotha, naukowcy mogą zacząć parse jak lek iskrzy tak dramatyczną reakcję w mózgu, tak jak społeczności naukowe i medyczne odnowić zainteresowanie leku jako potencjalnego leczenia wielu warunków, takich jak klaster bóle głowy, nadużywanie substancji i niepokój związany z zagrażających życiu warunków.
Rozwiązanie struktury LSD może pomóc twórcom leków zaprojektować lepsze leki psychiatryczne z mniejszą ilością skutków ubocznych. Ponadto, chociaż LSD jest nielegalne, pozostaje popularnym narkotykiem rekreacyjnym, a nie tylko dla jego najsilniejszych efektów. Niektórzy ludzie – przede wszystkim twórcy technologii w Dolinie Krzemowej i innych miejscach – zgłaszają „mikrodawkowanie” LSD, aby zwiększyć kreatywność, złagodzić stres i pomóc im w rozwiązywaniu problemów, unikając jednocześnie jego halucynogennych skutków.
Jedna na 10 osób w Stanach Zjednoczonych – dziesiątki milionów ludzi – zgłosiła użycie LSD przynajmniej raz w życiu. „Około 3 procent wszystkich uczniów szkół średnich – którzy są w wieku, kiedy ich mózgi wciąż się rozwijają – zgłosiło, że próbowało tego” – powiedział Roth. „I chociaż lek był używany przez długi czas, nie wiemy o nim tak wiele.”
Przed zostaniem profesorem farmakologii i badaczem, Roth był psychiatrą specjalizującym się w schizofrenii. Pacjenci od czasu do czasu zgłaszali, że ich pierwsza schizofreniczna przerwa nastąpiła podczas zażywania LSD.
„Już nigdy nie byli tacy sami”, powiedział Roth. „Chociaż jest to rzadkie, zostało zgłoszone. Ludzie zgłaszają również retrospekcje, a LSD jest niezwykle silnym narkotykiem. Więc z tych powodów, wraz z jego potencjału jako część leczenia terapeutycznego, LSD jest naukowo interesujące.”
Przez dwie dekady, laboratorium Rotha – najpierw w Case Western Research University, a następnie po jego przybyciu do UNC w 2005 roku – próbował krystalizować LSD dołączony do jego receptora poprzez serię żmudnych i nieudanych eksperymentów. Inni też próbowali. Bez kryształów, nikt nie byłby w stanie zobaczyć, co LSD związane z receptorem będzie wyglądać.
„Aby uzyskać kryształy znanego związku związanego z jego receptora jest niezwykle trudne,” powiedział Roth, który jest również dyrektorem National Institute of Mental Health’s Psychoactive Drug Screening Program mieszczący się w UNC. „W niektórych przypadkach jest to prawie niemożliwe.”
Przez ostatnie kilka lat pod kierunkiem Rotha, zadanie spadło do Wacker, który był pierwszym naukowcem do określenia struktury krystalicznej receptora serotoniny. To było prawie cztery lata temu jako student w laboratorium Ray Stevens, PhD, dawniej w Scripps Institute.
Jest kilka powodów, dlaczego krystalizacja LSD związane z receptorem jest trudne. Pierwszym z nich jest brak materiału, receptory muszą być produkowane w laboratorium przy użyciu kilku sztuczek, takich jak generowanie wirusa, który następnie infekuje komórki i generuje receptor. Po drugie, receptory są niewiarygodnie elastyczne, nawet gdy związki takie jak LSD są z nimi związane; receptory nie chcą siedzieć w miejscu. Po trzecie, w przeciwieństwie do, powiedzmy, cząsteczka wody, receptor serotoniny jest bardzo złożony i składa się z tysięcy atomów.
„Potrzebujemy dużo receptorów do generowania obrazu ze względu na ich mały rozmiar – znacznie mniejszy niż długość fali światła widzialnego.”
Wacker wyjaśnił: „Potrzebujemy wielu receptorów do wygenerowania obrazu ze względu na ich niewielki rozmiar – znacznie mniejszy niż długość fali światła widzialnego. Zamiast tego używamy promieniowania rentgenowskiego, ale aby to zadziałało, potrzebujemy, aby wszystkie te receptory siedziały idealnie nieruchomo, a one wszystkie muszą siedzieć nieruchomo w ten sam dokładny sposób, a to właśnie dzieje się w kryształach. Tak więc, nawet jeśli utworzyć wiele receptorów serotoniny i spróbować je skrystalizować, jeden receptor może drgać w jednym kierunku, inny receptor może drgać w innym kierunku, trzeci receptor może nie być związany z LSD, a czwarty receptor może mieć pokrywę, która porusza się trochę więcej niż inne receptory. Tak więc, musimy rozpuścić wszystkie te receptory w wodzie, a następnie powoli zabierać wodę. Temperatura musi być odpowiednia. A potem musimy zatrudnić wszystkie rodzaje sztuczek eksperymentalnych, aby nadal wyciągnąć wodę i przekonać cząsteczki siedzieć spokojnie tak, że będą one chcą krystalizować.”
To jest coś w rodzaju pozwalając zupę siedzieć na noc, Wacker powiedział. Zauważysz kryształy soli na dnie. To dlatego, że sól w zupie jest rozpuszczona w wodzie, ale potem jak woda powoli odparowała w czasie, cząsteczki soli zatrzaskują się na siebie, aby pozostać stabilnym. Wynik: kryształy.
Ale receptory serotoniny nie są zupy. Uzyskanie kryształów serotoniny-LSD zajęło Wacker i współpracowników dwa lata, ale po uzyskaniu kryształów, receptory serotoniny z LSD były pakowane ciasno razem. I to pozwoliło im strzelać promieniami rentgenowskimi na receptory, które pozwoliły im stworzyć obrazy rozdzielczości atomowej.
Ten UNC badacz podoktorskich John McCorvy, PhD, odkrył, że pokrywa była kluczem do LSD jest związany z jego receptora serotoniny. McCorvy i współpracownicy stworzyli zmutowane receptory z floppier wieka, a oni odkryli, że LSD związane szybciej, a także oderwał się od receptora łatwiej. Zauważyli również, że krótsze czasy wiązania prowadziły do różnych wzorów sygnalizacji wewnątrz komórek. Te różne wzory prawdopodobnie oznacza, że efekty LSD byłyby inne niż typowe efekty z pokrywką szczelnie zabezpieczone.
Ron Dror, PhD, i jego zespół w Stanford wykorzystał symulacje komputerowe, aby potwierdzić, że to jest to, co może się zdarzyć, gdy LSD angażuje swoje białko receptora w ludzkim mózgu.
„Istnieje lek na ból głowy, który wiąże się z tym samym receptorem co LSD,” Dror powiedział. „Te dwa leki wiążą się w tej samej kieszeni receptora, ale kształt tej kieszeni wiążącej jest inny, gdy jeden lub drugi lek jest związany. Użyliśmy symulacji komputerowych, aby pomóc wyjaśnić, dlaczego te dwa leki sprzyjają różnym kształtom kieszeni wiążącej.
Inny aspekt tej pracy obliczeniowej skupił się na fakcie, że miejsce receptora nie jest statyczne – receptor i lek są zarówno bardzo dynamiczne. „One wiggle wokół cały czas, Dror powiedział. „Od dawna zauważono, że podróże LSD są długie. Symulacje pomogły wyjaśnić, dlaczego receptor trzyma się LSD tak długo, pomimo faktu, że mają tak dynamiczne połączenie.”
Roth powiedział: „Nie zalecamy używania LSD; jest to potencjalnie bardzo niebezpieczne. Ale może mieć potencjalne zastosowania lecznicze, niektóre z nich zostały zgłoszone w literaturze medycznej dziesiątki lat temu. Teraz, gdy rozwiązaliśmy strukturę LSD związanego z receptorem, dowiadujemy się, co sprawia, że jest tak silny.”
Wacker dodał: „Myślę, że to ważne dla przemysłu farmaceutycznego, aby zrozumieć, że jeśli zmodyfikujesz tylko jeden mały aspekt jakiegokolwiek związku, możesz wpłynąć na sposób, w jaki siedzi on w receptorze. I w rezultacie, możesz wpłynąć na to, jak ten związek działa.”
Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego, Terman Faculty Fellowship i Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology w UNC sfinansowały te badania.
Inni autorzy to współpracownicy naukowi UNC David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; studenci UNC Katherine Lansu i Zachary Schools; studentka Stanford Robin Betz i Stanford postdoctoral fellow A. J. Venkatakrishnan, PhD; i Brian Shoichet, PhD, profesor chemii farmaceutycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim-San Francisco, i UCSF postdoc Anat Levit, PhD.
.