Acest LSD este atașat la un receptor de serotonină al unei celule cerebrale
O mică tabletă de acid pe limbă. O călătorie de o zi prin halucinații și alte experiențe psihedelice asortate Pentru prima dată, cercetătorii de la Școala de Medicină a UNC au descoperit cu exactitate cum arată drogul dietilamida acidului lisergic (LSD) în starea sa activă atunci când este atașat la un receptor uman de serotonină al unei celule cerebrale, iar structura lor cristalină, realizată pentru prima dată, a dezvăluit un indiciu important pentru a afla de ce efectele psihoactive ale LSD durează atât de mult.
Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics în cadrul UNC School of Medicine, a condus cercetarea, care a fost publicată astăzi în Cell.
„Există diferite niveluri de înțelegere a modului în care funcționează droguri precum LSD.”
„Există diferite niveluri de înțelegere a modului în care funcționează droguri precum LSD”, a spus Roth. „Cel mai fundamental nivel este acela de a afla cum se leagă drogul de un receptor pe o celulă. Singura modalitate de a face acest lucru este de a rezolva structura. Și pentru a face acest lucru, aveți nevoie de cristalografie cu raze X, standardul de aur.”
Aceasta este ceea ce a realizat laboratorul lui Roth – în esență „înghețând” LSD-ul atașat la un receptor, astfel încât echipa sa să poată capta imagini de cristalografie. După cum se pare, atunci când LSD se prinde de receptorul de serotonină al unei celule cerebrale, molecula de LSD este blocată la locul ei deoarece o parte a receptorului se pliază peste molecula de medicament, ca un capac. Și apoi rămâne pe loc.
„Credem că acest capac este probabil motivul pentru care efectele LSD pot dura atât de mult timp”, a spus Roth, care are o numire comună la UNC Eshelman School of Pharmacy. „LSD are nevoie de mult timp pentru a ajunge pe receptor, iar apoi, odată ce a ajuns pe el, nu se mai desprinde. Iar motivul este acest capac.”
În cele din urmă, totuși, o călătorie cu acid se termină. Unele molecule de LSD se desprind de pe receptorii lor pe măsură ce capacul se mișcă. De asemenea, celulele creierului răspund în cele din urmă la această moleculă ciudată prin aspirarea receptorului în interiorul celulei, unde acesta – împreună cu LSD-ul – este degradat sau dezasamblat pentru a fi reciclat.
Cercetătorii postdoctoranzi Daniel Wacker, PhD, și Sheng Wang, PhD, au condus experimentele pentru a cristaliza LSD-ul legat de un receptor de serotonină și pentru a descoperi de ce rămâne legat atât de mult timp. „Serotonina, în mod evident, lovește acest receptor pe celulele creierului”, a spus Wacker. „Dar experimentele noastre arată că serotonina nu interacționează cu acest capac în același mod în care o face LSD.”
Deși alte laboratoare au raportat că LSD se „spală” din lichidul cerebral în patru ore, astfel de experimente nu au putut determina ce se întâmplă pe sau în interiorul celulelor cerebrale. Laboratorul lui Roth a demonstrat pentru prima dată că LSD nu este deloc spălat de receptorii de serotonină localizați în membrana celulelor cerebrale în câteva ore.
Deși alte laboratoare au raportat că LSD „se spală” din lichidul cerebral în patru ore, astfel de experimente nu au putut determina ce se întâmplă pe sau în interiorul celulelor cerebrale.
Modul în care acest drog popular provoacă efecte atât de puternice a rămas un mister încă de când omul de știință elvețian Albert Hofmann a sintetizat și dozat LSD din greșeală pentru a raporta efectele sale în 1938. Acum, datorită activității laboratorului lui Roth, oamenii de știință pot începe să descifreze modul în care drogul declanșează o reacție atât de dramatică în creier, chiar în momentul în care comunitățile științifice și medicale își reînnoiesc interesul pentru acest drog ca potențial tratament pentru o serie de afecțiuni, cum ar fi durerile de cap în grup, abuzul de substanțe și anxietatea asociată cu afecțiuni care pun viața în pericol.
Soluționarea structurii LSD ar putea ajuta dezvoltatorii de medicamente să conceapă medicamente psihiatrice mai bune, cu mai puține efecte secundare. De asemenea, deși LSD este ilegal, acesta rămâne un drog recreațional popular și nu doar pentru efectele sale cele mai puternice. Unii oameni – mai ales dezvoltatorii de tehnologie din Silicon Valley și din alte părți – raportează „microdozarea” LSD pentru a stimula creativitatea, pentru a scăpa de stres și pentru a-i ajuta să rezolve probleme, evitând în același timp efectele sale halucinogene.
Unu din 10 oameni din Statele Unite – zeci de milioane de oameni – au declarat că au folosit LSD cel puțin o dată în viața lor. „Aproximativ 3 la sută dintre toți elevii de liceu – care sunt la o vârstă la care creierul lor este încă în dezvoltare – au raportat că l-au încercat”, a spus Roth. „Și deși drogul a fost folosit de mult timp, nu știm atât de multe despre el.”
Înainte de a deveni profesor de farmacologie și cercetător, Roth a fost psihiatru specializat în schizofrenie. Pacienții raportau ocazional că prima lor criză de schizofrenie a avut loc în timp ce luau LSD.
„Nu au mai fost niciodată la fel”, a spus Roth. „Deși acest lucru este rar, a fost raportat. Oamenii raportează, de asemenea, flashback-uri, iar LSD este un drog extrem de puternic. Deci, din aceste motive, împreună cu potențialul său ca parte a unui tratament terapeutic, LSD este interesant din punct de vedere științific.”
De două decenii, laboratorul lui Roth – mai întâi la Case Western Research University și apoi la sosirea sa la UNC în 2005 – a încercat să cristalizeze LSD atașat de receptorul său printr-o serie de experimente plictisitoare și nereușite. Și alții, de asemenea, au încercat. Fără cristale, nimeni nu ar putea să vadă cum ar arăta LSD legat de un receptor.
„A obține cristale ale unui compus cunoscut legat de receptorul său este incredibil de dificil”, a declarat Roth, care este, de asemenea, director al Programului de depistare a drogurilor psihoactive al Institutului Național de Sănătate Mintală, găzduit la UNC. „În unele cazuri, este aproape imposibil.”
În ultimii câțiva ani, sub îndrumarea lui Roth, sarcina i-a revenit lui Wacker, care a fost primul om de știință care a determinat structura cristalină a unui receptor de serotonină. Acest lucru s-a întâmplat în urmă cu aproape patru ani, în calitate de student absolvent în laboratorul lui Ray Stevens, PhD, fost la Institutul Scripps.
Există câteva motive pentru care cristalizarea LSD legat de un receptor este dificilă. Primul este lipsa de material; receptorii trebuie să fie produși în laborator folosind o serie de trucuri, cum ar fi generarea unui virus care apoi infectează celulele și generează receptorul. În al doilea rând, receptorii sunt incredibil de flexibili, chiar și atunci când sunt legați de ei compuși precum LSD; receptorii nu vor să stea nemișcați. În al treilea rând, spre deosebire de, să zicem, o moleculă de apă, un receptor de serotonină este extrem de complex și compus din mii de atomi.
„Avem nevoie de o mulțime de receptori pentru a genera o imagine din cauza dimensiunilor lor mici – mult mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile.”
A explicat Wacker: „Avem nevoie de o mulțime de receptori pentru a genera o imagine din cauza dimensiunii lor mici – mult mai mici decât lungimea de undă a luminii vizibile. În schimb, folosim raze X, dar pentru ca acest lucru să funcționeze avem nevoie ca toți acești receptori să stea perfect nemișcați, și toți trebuie să stea nemișcați exact în același mod, iar acest lucru se întâmplă în cristale. Așadar, chiar dacă creați o mulțime de receptori de serotonină și încercați să îi cristalizați, un receptor s-ar putea să se crispeze într-o direcție, un alt receptor s-ar putea să se crispeze în altă direcție, un al treilea receptor s-ar putea să nu fie legat de LSD, iar un al patrulea receptor ar putea avea un capac care se mișcă un pic mai mult decât ceilalți receptori. Așadar, trebuie să dizolvăm toți acești receptori în apă și apoi să îndepărtăm încet apa. Temperatura trebuie să fie cea potrivită. Și apoi trebuie să folosim tot felul de trucuri experimentale pentru a continua să scoatem apa și să convingem moleculele să stea nemișcate, astfel încât să vrea să cristalizeze.”
Este ca și cum am lăsa supa să stea afară peste noapte, a spus Wacker. Veți observa cristale de sare în partea de jos. Acest lucru se datorează faptului că sarea din supă este dizolvată în apă, dar apoi, pe măsură ce apa s-a evaporat încet în timp, moleculele de sare se agață unele de altele pentru a rămâne stabile. Rezultatul: cristale.
Dar receptorii de serotonină nu sunt supă. Obținerea de cristale de serotonină-LSD le-a luat lui Wacker și colegilor doi ani, dar odată ce au obținut cristalele, receptorii de serotonină cu LSD erau strânși strâns laolaltă. Iar acest lucru le-a permis să tragă cu raze X în receptori, ceea ce le-a permis să creeze imagini cu rezoluție atomică.
Apoi, cercetătorul postdoctoral al UNC, John McCorvy, PhD, a descoperit că capacul era cheia pentru ca LSD să fie legat de receptorul său de serotonină. McCorvy și colegii săi au creat receptori mutanți cu capace mai flexibile și au constatat că LSD se lega mai repede și, de asemenea, se desprindea mai ușor de receptor. Aceștia au observat, de asemenea, că timpii mai scurți de legare au dus la diferite modele de semnalizare în interiorul celulelor. Aceste modele diferite înseamnă probabil că efectele LSD ar fi fost diferite față de efectele tipice cu capacul bine fixat.
Ron Dror, PhD, și echipa sa de la Stanford au folosit simulări pe calculator pentru a confirma că acest lucru este ceea ce s-ar putea întâmpla atunci când LSD se angajează cu proteina sa receptoare într-un creier uman.
„Există un medicament pentru dureri de cap care se leagă de același receptor ca și LSD”, a spus Dror. „Cele două medicamente se leagă în același buzunar al receptorului, dar forma acelui buzunar de legare este diferită atunci când este legat un medicament sau celălalt. Am folosit simulări pe calculator pentru a ajuta la explicarea motivului pentru care cele două medicamente favorizează forme diferite ale buzunarului de legare.
Un alt aspect al acestei lucrări de calcul s-a axat pe faptul că situsul receptorului nu este static – receptorul și medicamentul sunt amândoi foarte dinamici. „Ei se mișcă tot timpul, a spus Dror. „S-a observat de mult timp că excursiile cu LSD sunt lungi. Simulările au ajutat la explicarea motivului pentru care receptorul se agață de LSD atât de mult timp, în ciuda faptului că au o conexiune atât de dinamică.”
Roth a spus: „Noi nu susținem folosirea LSD; este potențial foarte periculos. Dar ar putea avea potențiale utilizări medicinale, dintre care unele au fost raportate în literatura medicală cu zeci de ani în urmă. Acum, că am rezolvat structura LSD-ului legat de un receptor, aflăm ce îl face atât de puternic.”
Wacker a adăugat: „Cred că este important pentru industria farmaceutică să înțeleagă că, dacă modificați doar un singur aspect minuscul al oricărui compus, ați putea afecta modul în care acesta se așează în receptor. Și, ca urmare, s-ar putea să afectați modul în care funcționează compusul.”
Institutul Național de Sănătate Mintală, o bursă Terman Faculty Fellowship și Catedra Distinsă Michael Hooker de Farmacologie de la UNC au finanțat această cercetare.
Alți autori includ asociații de cercetare de la UNC David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; studenții absolvenți de la UNC Katherine Lansu și Zachary Schools; studentul absolvent de la Stanford Robin Betz și bursierul postdoctoral de la Stanford A. J. Venkatakrishnan, PhD; și Brian Shoichet, PhD, profesor de chimie farmaceutică la Universitatea din California-San Francisco, și doctorandul postdoctoral de la UCSF Anat Levit, PhD.
.