Jedná se o LSD připojené k serotoninovému receptoru mozkové buňky
Malá tabulka kyseliny na jazyku. Celodenní cesta halucinacemi a různými dalšími psychedelickými zážitky Vědci z UNC School of Medicine poprvé přesně zjistili, jak vypadá droga diethylamid kyseliny lysergové (LSD) v aktivním stavu, když je připojena na serotoninový receptor lidské mozkové buňky, a jejich vůbec první krystalová struktura odhalila důležitý klíč k tomu, proč psychoaktivní účinky LSD trvají tak dlouho.
Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics in the UNC School of Medicine, vedl výzkum, který byl dnes publikován v časopise Cell.
„Existují různé úrovně pochopení toho, jak drogy jako LSD fungují.“
„Existují různé úrovně pochopení toho, jak drogy jako LSD fungují,“ řekl Roth. „Nejzákladnější úrovní je zjistit, jak se droga váže na receptor na buňce. Jediný způsob, jak to udělat, je vyřešit strukturu. A k tomu potřebujete rentgenovou krystalografii, zlatý standard.“
Toho Rothova laboratoř dosáhla – v podstatě „zmrazila“ LSD navázané na receptor, takže jeho tým mohl pořídit krystalografické snímky. Jak se ukázalo, když se LSD přichytí na serotoninový receptor mozkové buňky, je molekula LSD uzamčena na svém místě, protože část receptoru se nad molekulou drogy složí jako víčko.
„Myslíme si, že toto víčko je pravděpodobně důvodem, proč mohou účinky LSD trvat tak dlouho,“ řekl Roth, který působí na Eshelmanově farmaceutické fakultě UNC. „LSD trvá dlouho, než se dostane na receptor, a jakmile je na něm, už z něj nesleze. A důvodem je právě toto víčko.“
Nakonec však kyselinový trip skončí. Některé molekuly LSD se při pohybu víčka z receptorů odlepí. Také mozkové buňky nakonec na tuto podivnou molekulu zareagují tak, že receptor vcucnou do buňky, kde je – spolu s LSD – rozložen nebo rozebrán k recyklaci.
Postdoktorandi Daniel Wacker, PhD, a Sheng Wang, PhD, vedli experimenty, při nichž krystalizovali LSD navázané na serotoninový receptor a zjišťovali, proč zůstává navázané tak dlouho. „Serotonin samozřejmě zasahuje tento receptor na mozkových buňkách,“ řekl Wacker. „Ale naše experimenty ukazují, že serotonin s tímto víkem neinteraguje stejným způsobem jako LSD.“
Ačkoli jiné laboratoře uváděly, že LSD se z mozkové tekutiny „vyplaví“ během čtyř hodin, tyto experimenty nemohly určit, co se děje na mozkových buňkách nebo uvnitř nich. Rothova laboratoř poprvé prokázala, že LSD se ze serotoninových receptorů umístěných v membráně mozkových buněk během několika hodin velmi nevyplavuje.
Ačkoli jiné laboratoře uváděly, že LSD se z mozkové tekutiny „vyplavuje“ během čtyř hodin, takové experimenty nemohly určit, co se děje na nebo uvnitř mozkových buněk.
Jak tato oblíbená droga způsobuje tak silné účinky, zůstává záhadou od doby, kdy švýcarský vědec Albert Hofmann v roce 1938 poprvé náhodně syntetizoval a dávkoval LSD a podal zprávu o jeho účincích. Nyní, díky práci Rothovy laboratoře, mohou vědci začít rozebírat, jak droga vyvolává v mozku tak dramatickou reakci, právě v době, kdy vědecká a lékařská komunita obnovuje zájem o tuto drogu jako o potenciální léčbu řady onemocnění, jako jsou klastrové bolesti hlavy, zneužívání návykových látek a úzkost spojená s život ohrožujícími stavy.
Rozluštění struktury LSD by mohlo pomoci vývojářům léků navrhnout lepší psychiatrické léky s menšími vedlejšími účinky. Také přestože je LSD nelegální, zůstává oblíbenou rekreační drogou, a to nejen pro své nejsilnější účinky. Někteří lidé – především technologičtí vývojáři v Silicon Valley a jinde – uvádějí, že „mikrodávky“ LSD zvyšují kreativitu, zmírňují stres a pomáhají jim řešit problémy, přičemž se vyhýbají jeho halucinogenním účinkům.
Jeden z deseti lidí ve Spojených státech – tedy desítky milionů lidí – uvedl, že alespoň jednou v životě užil LSD. „Asi 3 procenta všech středoškoláků – kteří jsou ve věku, kdy se jejich mozek stále vyvíjí – uvedla, že ji vyzkoušela,“ řekl Roth. „A přestože se tato droga užívá už dlouho, nevíme o ní tolik.“
Předtím, než se stal profesorem farmakologie a výzkumníkem, byl Roth psychiatrem specializujícím se na schizofrenii. Pacienti občas uváděli, že k jejich prvnímu schizofrennímu zlomu došlo při užívání LSD.
„Už nikdy nebyli stejní,“ řekl Roth. „I když je to vzácné, bylo to hlášeno. Lidé také hlásili flashbacky a LSD je extrémně silná droga. Takže z těchto důvodů, spolu s jeho potenciálem jako součásti terapeutické léčby, je LSD vědecky zajímavé.“
Po dvě desetiletí se Rothova laboratoř – nejprve na Case Western Research University a poté po jeho příchodu na UNC v roce 2005 – snažila vykrystalizovat LSD navázané na jeho receptor prostřednictvím řady nudných a neúspěšných experimentů. Pokoušeli se o to i jiní. Bez krystalů by nikdo nemohl zjistit, jak by LSD navázané na receptor vypadalo.
„Získat krystaly známé sloučeniny navázané na její receptor je neuvěřitelně obtížné,“ řekl Roth, který je také ředitelem programu Národního ústavu duševního zdraví pro screening psychoaktivních drog, jenž sídlí na UNC. „V některých případech je to téměř nemožné.“
V posledních několika letech pod Rothovým vedením připadl tento úkol Wackerovi, který jako první vědec určil krystalovou strukturu serotoninového receptoru. To bylo téměř před čtyřmi lety jako postgraduální student v laboratoři doktora Raye Stevense, který dříve pracoval ve Scrippsově institutu.
Existuje několik důvodů, proč je krystalizace LSD vázaného na receptor obtížná. Prvním z nich je nedostatek materiálu; receptory je třeba vyrobit v laboratoři pomocí řady triků, například vygenerováním viru, který pak infikuje buňky a vytvoří receptor. Za druhé jsou receptory neuvěřitelně pružné, i když jsou na ně navázány sloučeniny, jako je LSD; receptory nechtějí sedět na místě. Za třetí, na rozdíl třeba od molekuly vody je serotoninový receptor velmi složitý a skládá se z tisíců atomů.
„K vytvoření obrazu potřebujeme hodně receptorů, protože mají malou velikost – mnohem menší než vlnová délka viditelného světla,“
vysvětlil Wacker: „K vytvoření obrazu potřebujeme hodně receptorů kvůli jejich malé velikosti – mnohem menší než je vlnová délka viditelného světla. Místo toho používáme rentgenové záření, ale aby to fungovalo, potřebujeme, aby všechny tyto receptory byly v naprostém klidu, a všechny musí být v klidu přesně stejným způsobem, a to se děje v krystalech. Takže i když vytvoříte spoustu serotoninových receptorů a pokusíte se je vykrystalizovat, jeden receptor může cukat jedním směrem, další receptor může cukat jiným směrem, třetí receptor nemusí být vázán na LSD a čtvrtý receptor může mít víčko, které se pohybuje o něco více než ostatní receptory. Musíme tedy všechny tyto receptory rozpustit ve vodě a pak vodu pomalu odebírat. Teplota musí být tak akorát. A pak musíme použít nejrůznější experimentální triky, abychom pokračovali v odčerpávání vody a přesvědčili molekuly, aby seděly v klidu a chtěly krystalizovat.“
Je to něco jako nechat polévku přes noc odležet, řekl Wacker. Na dně si všimnete krystalků soli. To proto, že sůl v polévce je rozpuštěná ve vodě, ale jak se pak voda časem pomalu odpařuje, molekuly soli se na sebe přichytí, aby zůstaly stabilní. Výsledkem jsou krystalky.
Ale serotoninové receptory nejsou polévka. Získání krystalů serotoninu-LSD trvalo Wackerovi a jeho kolegům dva roky, ale jakmile získali krystaly, serotoninové receptory s LSD byly těsně u sebe. A to jim umožnilo vystřelit na receptory rentgenové paprsky, což jim umožnilo vytvořit snímky s atomovým rozlišením.
Poté postdoktorand UNC John McCorvy, PhD, zjistil, že klíčem k tomu, aby se LSD navázalo na serotoninový receptor, je víčko. McCorvy a jeho kolegové vytvořili mutantní receptory s plandavějšími víčky a zjistili, že LSD se na ně váže rychleji a také se od receptoru snadněji odděluje. Všimli si také, že kratší doba vazby vedla k odlišným vzorcům signalizace uvnitř buněk. Tyto odlišné vzorce pravděpodobně znamenají, že účinky LSD by byly jiné než typické účinky s pevně zajištěným víčkem.
Doktor Ron Dror a jeho tým ze Stanfordu použili počítačové simulace, aby potvrdili, že právě k tomu by mohlo dojít, když LSD zapojí svůj receptorový protein v lidském mozku.
„Existuje lék proti bolesti hlavy, který se váže na stejný receptor jako LSD,“ řekl Dror. „Obě drogy se vážou do stejné receptorové kapsy, ale tvar této vazebné kapsy se liší, když se váže jedna nebo druhá droga. Použili jsme počítačové simulace, abychom pomohli vysvětlit, proč obě léčiva upřednostňují různé tvary vazebné kapsy.“
Další aspekt této výpočetní práce se zaměřil na skutečnost, že receptorové místo není statické – receptor i léčivo jsou vysoce dynamické. „Neustále se vrtí,“ řekl Dror. „Už dlouho se pozoruje, že výlety na LSD jsou dlouhé. Simulace pomohly vysvětlit, proč se receptor drží LSD tak dlouho, přestože mají tak dynamické spojení.“
Roth řekl: „Neobhajujeme užívání LSD, je potenciálně velmi nebezpečné. Mohlo by však mít potenciální léčebné využití, z nichž některá byla v lékařské literatuře popsána již před desítkami let. Nyní, když jsme vyřešili strukturu LSD vázaného na receptor, se dozvídáme, co ho činí tak účinným.“
Wacker dodal: „Myslím, že je důležité, aby farmaceutický průmysl pochopil, že pokud změníte jen jeden malý aspekt jakékoli sloučeniny, můžete ovlivnit způsob, jakým sedí v receptoru. A v důsledku toho můžete ovlivnit, jak sloučenina funguje.“
Tento výzkum financoval Národní ústav duševního zdraví, Termanovo fakultní stipendium a Významná katedra farmakologie Michaela Hookera na UNC.
Dalšími autory jsou výzkumní pracovníci UNC David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; postgraduální studenti UNC Katherine Lansu a Zachary Schools; postgraduální studentka Stanfordu Robin Betz a postdoktorand Stanfordu A. J. Venkatakrishnan, PhD; a Brian Shoichet, PhD, profesor farmaceutické chemie na University of California-San Francisco, a postdoktorand UCSF Anat Levit, PhD.
.