Detta är LSD som är fäst vid en serotoninreceptor i en hjärncell
En liten tablett med syra på tungan. En dagslång resa genom hallucinationer och diverse andra psykedeliska upplevelser För första gången har forskare vid UNC School of Medicine upptäckt exakt hur läkemedlet lysergsyredietylamid (LSD) ser ut i aktivt tillstånd när det fästs vid en mänsklig serotoninreceptor i en hjärncell, och deras första kristallstruktur någonsin avslöjade en viktig ledtråd till varför LSD:s psykoaktiva effekter varar så länge.
Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics vid UNC School of Medicine, ledde forskningen, som idag publicerades i Cell.
”Det finns olika nivåer av förståelse för hur droger som LSD fungerar.”
”Det finns olika nivåer av förståelse för hur droger som LSD fungerar”, sade Roth. ”Den mest grundläggande nivån är att ta reda på hur läkemedlet binder till en receptor på en cell. Det enda sättet att göra det är att lösa strukturen. Och för att göra det behöver man röntgenkristallografi, guldstandarden.”
Det är vad Roths labb åstadkom – de ”frös” i princip LSD som är fäst vid en receptor så att hans team kunde ta kristallografiska bilder. Det visar sig att när LSD fastnar på en hjärncells serotoninreceptor låses LSD-molekylen på plats eftersom en del av receptorn viker sig över läkemedelsmolekylen, som ett lock. Och sedan stannar den kvar.
”Vi tror att detta lock sannolikt är orsaken till att effekterna av LSD kan vara så långvariga”, säger Roth, som har en gemensam anställning vid UNC Eshelman School of Pharmacy. ”LSD tar lång tid på sig att komma in på receptorn, och när det väl sitter på, går det inte att ta bort. Och orsaken är detta lock.”
Enligt slutar dock en syreresa. Vissa LSD-molekyler hoppar av sina receptorer när locket flyttas runt. Dessutom reagerar hjärncellerna så småningom på denna märkliga molekyl genom att suga in receptorn i cellen, där den – tillsammans med LSD – bryts ner eller demonteras för att återvinnas.
Postdoktorsforskarna Daniel Wacker, doktorand, och Sheng Wang, doktorand, ledde experimenten för att kristallisera LSD bundet till en serotoninreceptor och upptäcka varför det förblir bundet så länge. ”Serotonin träffar uppenbarligen den här receptorn på hjärnceller”, säger Wacker. ”Men våra experiment visar att serotonin inte interagerar med detta lock på samma sätt som LSD gör.”
Och även om andra laboratorier har rapporterat att LSD ”tvättas” ut ur hjärnans vätska inom fyra timmar kunde sådana experiment inte avgöra vad som hände på eller inuti hjärncellerna. Roths labb har för första gången visat att LSD verkligen inte tvättas ur de serotoninreceptorer som finns i hjärncellernas membran på några timmar.
Och även om andra labb har rapporterat att LSD ”tvättas” ur hjärnans vätska inom fyra timmar, kunde sådana experiment inte avgöra vad som hände på eller inuti hjärncellerna.
Hur denna populära drog orsakar så kraftfulla effekter har förblivit ett mysterium ända sedan den schweiziske forskaren Albert Hofmann först av misstag syntetiserade och doserade LSD för att rapportera dess effekter 1938. Nu, tack vare arbetet i Roths labb, kan forskarna börja analysera hur drogen utlöser en så dramatisk reaktion i hjärnan, samtidigt som det vetenskapliga och medicinska samfundet förnyar intresset för drogen som en potentiell behandling för ett antal tillstånd, t.ex. klusterhuvudvärk, missbruk av substanser och ångest som är förknippad med livshotande tillstånd.
Om man löser strukturen hos LSD kan man hjälpa läkemedelsutvecklare att utforma bättre psykiatriska droger med färre biverkningar. Dessutom, även om LSD är olagligt, förblir det en populär rekreationsdrog och inte bara för sina mest potenta effekter. Vissa människor – framför allt teknikutvecklare i Silicon Valley och på andra håll – rapporterar att de ”mikrodoserar” LSD för att öka kreativiteten, lindra stress och hjälpa dem att lösa problem, samtidigt som de undviker dess hallucinogena effekter.
En av tio personer i USA – tiotals miljoner människor – har rapporterat att de har använt LSD minst en gång i sitt liv. ”Ungefär 3 procent av alla gymnasieelever – som är i en ålder då deras hjärnor fortfarande utvecklas – har rapporterat att de har provat det”, sade Roth. ”Och även om drogen har använts under lång tid vet vi inte så mycket om den.”
Förut innan han blev professor och forskare i farmakologi var Roth psykiater med inriktning på schizofreni. Patienter rapporterade ibland att deras första schizofrena utbrott inträffade när de tog LSD.
”De blev aldrig mer desamma igen”, sade Roth. ”Även om detta är sällsynt har det rapporterats. Folk rapporterar också om flashbacks och LSD är en extremt potent drog. Så av dessa skäl, tillsammans med dess potential som en del av terapeutisk behandling, är LSD vetenskapligt intressant.”
I två decennier hade Roths labb – först vid Case Western Research University och sedan vid hans ankomst till UNC 2005 – försökt kristallisera LSD som var fäst vid sin receptor genom en rad tråkiga och misslyckade experiment. Även andra har försökt. Utan kristaller skulle ingen kunna se hur LSD bundet till en receptor skulle se ut.
”Att få fram kristaller av en känd förening bunden till sin receptor är otroligt svårt”, säger Roth, som också är chef för National Institute of Mental Health’s Psychoactive Drug Screening Program som är inrymt vid UNC. ”I vissa fall är det nästan omöjligt.”
Under Roths ledning har uppgiften under de senaste åren fallit på Wacker, som var den första forskaren att bestämma kristallstrukturen för en serotoninreceptor. Det var för nästan fyra år sedan som doktorand i laboratoriet av Ray Stevens, PhD, tidigare vid Scripps Institute.
Det finns några skäl till varför det är svårt att kristallisera LSD bundet till en receptor. Den första är brist på material; receptorerna måste framställas i laboratoriet med hjälp av ett antal knep, t.ex. genom att generera ett virus som sedan infekterar celler och genererar receptorn. För det andra är receptorerna otroligt flexibla, även när föreningar som LSD är bundna till dem; receptorerna vill inte sitta still. För det tredje är en serotoninreceptor, till skillnad från till exempel en vattenmolekyl, mycket komplex och består av tusentals atomer.
”Vi behöver många receptorer för att generera en bild på grund av att de är så små – mycket mindre än det synliga ljusets våglängd.”
Wacker förklarade: ”Vi behöver många receptorer för att skapa en bild på grund av att de är små – mycket mindre än våglängden för det synliga ljuset. I stället använder vi röntgenstrålar, men för att det ska fungera måste alla dessa receptorer sitta helt stilla, och alla måste sitta stilla på exakt samma sätt, och det är vad som händer i kristaller. Så även om man skapar en massa serotoninreceptorer och försöker kristallisera dem kan det hända att en receptor rycker i en riktning, en annan receptor rycker i en annan riktning, en tredje receptor kanske inte är bunden till LSD, och en fjärde receptor kanske har ett lock som rör sig lite mer än de andra receptorerna. Vi måste alltså lösa upp alla dessa receptorer i vatten och sedan långsamt ta bort vattnet. Temperaturen måste vara lagom hög. Och sedan måste vi använda alla möjliga experimentella knep för att fortsätta att dra ut vattnet och övertyga molekylerna om att sitta stilla så att de vill kristallisera.”
Det är ungefär som att låta soppa stå över natten, säger Wacker. Du kommer att märka saltkristaller i botten. Det beror på att saltet i soppan är upplöst i vatten, men sedan när vattnet sakta avdunstat med tiden har saltmolekylerna fastnat på varandra för att hålla sig stabila. Resultatet: kristaller.
Men serotoninreceptorer är inte soppa. Att få fram serotonin-LSD-kristaller tog Wacker och kollegor två år, men när de väl fick fram kristaller var serotoninreceptorerna med LSD tätt packade. Och det gjorde att de kunde skjuta röntgenstrålar mot receptorerna, vilket gjorde att de kunde skapa bilder med atomär upplösning.
Då upptäckte UNC:s postdoktorala forskare John McCorvy, PhD, att locket var nyckeln till att LSD var bundet till sin serotoninreceptor. McCorvy och kollegor skapade muterade receptorer med slappare lock, och de fann att LSD bands snabbare och också lossnade från receptorn lättare. De märkte också att de kortare bindningstiderna ledde till olika signaleringsmönster inuti cellerna. Dessa olika mönster innebär sannolikt att effekterna av LSD skulle ha varit annorlunda än de typiska effekterna med locket ordentligt fastsatt.
Ron Dror, PhD, och hans team vid Stanford använde sig av datorsimuleringar för att bekräfta att detta är vad som kan hända när LSD engagerar sitt receptorprotein i en mänsklig hjärna.
”Det finns ett huvudvärkspreparat som binder till samma receptor som LSD”, säger Dror. ”De två läkemedlen binder i samma receptorficka, men formen på den bindningsfickan är annorlunda när det ena eller det andra läkemedlet är bundet. Vi använde datorsimuleringar för att förklara varför de två läkemedlen föredrar olika former av bindningsfickor.
En annan aspekt av detta beräkningsarbete fokuserade på det faktum att receptorplatsen inte är statisk – receptorn och läkemedlet är båda mycket dynamiska. ”De vickar runt hela tiden, sade Dror. ”Man har länge observerat att LSD-resor är långa. Simuleringarna hjälpte till att förklara varför receptorn håller fast vid LSD så länge trots att de har en så dynamisk förbindelse.”
Roth sade: ”Vi förespråkar inte att man ska använda LSD, det är potentiellt mycket farligt. Men det skulle kunna ha potentiella medicinska användningsområden, varav några rapporterades i den medicinska litteraturen för flera decennier sedan. Nu när vi har löst strukturen av LSD bundet till en receptor får vi veta vad som gör det så potent.”
Wacker tillade: ”Jag tror att det är viktigt för läkemedelsindustrin att förstå att om man ändrar bara en enda liten aspekt av en förening kan man påverka hur den sitter i receptorn. Och som ett resultat av detta kan du påverka hur ämnet fungerar.”
National Institute of Mental Health, ett Terman Faculty Fellowship och Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology vid UNC finansierade den här forskningen.
Allmänna författare är UNC:s forskarassistenter David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; UNC:s doktorander Katherine Lansu och Zachary Schools; Stanfords doktorand Robin Betz och Stanfords postdoktorand A. J. Venkatakrishnan, PhD; och Brian Shoichet, PhD, professor i farmaceutisk kemi vid University of California-San Francisco, och UCSF:s postdoktorand Anat Levit, PhD.