Das ist LSD an einem Serotonin-Rezeptor der Gehirnzelle
Eine winzige Lasche mit Säure auf der Zunge. Ein eintägiger Trip durch Halluzinationen und andere psychedelische Erfahrungen Zum ersten Mal haben Forscher der UNC School of Medicine herausgefunden, wie die Droge Lysergsäurediethylamid (LSD) in ihrem aktiven Zustand aussieht, wenn sie an einen menschlichen Serotoninrezeptor einer Gehirnzelle gebunden ist, und ihre allererste Kristallstruktur enthüllte einen wichtigen Hinweis darauf, warum die psychoaktive Wirkung von LSD so lange anhält.
Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics an der UNC School of Medicine, leitete die Forschungsarbeit, die heute in Cell veröffentlicht wurde.
„Es gibt verschiedene Ebenen des Verständnisses dafür, wie Drogen wie LSD wirken.“
„Es gibt verschiedene Ebenen des Verständnisses dafür, wie Drogen wie LSD wirken“, sagte Roth. „Auf der grundlegendsten Ebene geht es darum, herauszufinden, wie die Droge an einen Rezeptor auf einer Zelle bindet. Das geht nur, wenn man die Struktur aufklärt. Und dazu braucht man die Röntgenkristallographie, den Goldstandard“
Das ist Roths Labor gelungen – es hat das LSD, das an einen Rezeptor gebunden ist, im Wesentlichen „eingefroren“, so dass sein Team Kristallographie-Bilder aufnehmen konnte. Wie sich herausstellte, wird das LSD-Molekül, wenn es sich an den Serotonin-Rezeptor einer Gehirnzelle heftet, an seinem Platz festgehalten, weil sich ein Teil des Rezeptors wie ein Deckel über das Drogenmolekül legt. Und dann bleibt es an Ort und Stelle.
„Wir denken, dass dieser Deckel wahrscheinlich der Grund ist, warum die Wirkung von LSD so lange anhält“, sagte Roth, der eine gemeinsame Stelle an der UNC Eshelman School of Pharmacy innehat. „LSD braucht lange, um auf den Rezeptor zu gelangen, und wenn es einmal da ist, geht es nicht mehr ab. Und der Grund dafür ist dieser Deckel.“
Endlich endet jedoch ein LSD-Trip. Einige LSD-Moleküle springen von ihren Rezeptoren ab, wenn sich der Deckel bewegt. Außerdem reagieren die Gehirnzellen schließlich auf dieses seltsame Molekül, indem sie den Rezeptor in die Zelle saugen, wo er – zusammen mit dem LSD – abgebaut wird, um recycelt zu werden.
Die Postdoktoranden Daniel Wacker, PhD, und Sheng Wang, PhD, leiteten die Experimente, um das an einen Serotoninrezeptor gebundene LSD zu kristallisieren und zu entdecken, warum es so lange gebunden bleibt. „Serotonin trifft offensichtlich auf diesen Rezeptor in den Gehirnzellen“, sagte Wacker. „Aber unsere Experimente zeigen, dass Serotonin mit diesem Deckel nicht in der gleichen Weise interagiert wie LSD.“
Auch wenn andere Labors berichtet haben, dass LSD innerhalb von vier Stunden aus der Gehirnflüssigkeit „ausgewaschen“ wird, konnten solche Experimente nicht feststellen, was auf oder in den Gehirnzellen passiert. Roths Labor hat zum ersten Mal gezeigt, dass LSD nicht innerhalb weniger Stunden aus den Serotoninrezeptoren in der Membran der Gehirnzellen herausgewaschen wird.
Obwohl andere Labors berichtet haben, dass LSD innerhalb von vier Stunden aus der Gehirnflüssigkeit „herausgewaschen“ wird, konnten solche Experimente nicht feststellen, was auf oder in den Gehirnzellen geschah.
Wie diese beliebte Droge so starke Wirkungen hervorruft, ist ein Rätsel geblieben, seit der Schweizer Wissenschaftler Albert Hofmann 1938 versehentlich LSD synthetisierte und dosierte, um über seine Wirkung zu berichten. Dank der Arbeit von Roths Labor können Wissenschaftler nun analysieren, wie die Droge eine so dramatische Reaktion im Gehirn auslöst, während die wissenschaftliche und medizinische Gemeinschaft ihr Interesse an der Droge als potenzieller Behandlung für eine Reihe von Krankheiten wie Clusterkopfschmerzen, Drogenmissbrauch und Angstzustände in Verbindung mit lebensbedrohlichen Krankheiten erneuert.
Die Lösung der Struktur von LSD könnte den Entwicklern helfen, bessere Psychopharmaka mit weniger Nebenwirkungen zu entwickeln. Auch wenn LSD illegal ist, bleibt es eine beliebte Freizeitdroge, und das nicht nur wegen seiner starken Wirkung. Einige Menschen – vor allem Technologieentwickler im Silicon Valley und anderswo – berichten, dass sie LSD „mikrodosieren“, um ihre Kreativität zu steigern, Stress abzubauen und Probleme zu lösen, während sie gleichzeitig die halluzinogenen Wirkungen vermeiden.
Jeder Zehnte in den Vereinigten Staaten – d.h. mehrere Millionen Menschen – hat berichtet, mindestens einmal in seinem Leben LSD genommen zu haben. „Etwa 3 Prozent aller High-School-Schüler – die sich in einem Alter befinden, in dem sich ihr Gehirn noch entwickelt – haben berichtet, dass sie es ausprobiert haben“, so Roth. „Und obwohl die Droge seit langem verwendet wird, wissen wir nicht viel über sie.“
Vor seiner Tätigkeit als Pharmakologieprofessor und Forscher war Roth Psychiater mit dem Schwerpunkt Schizophrenie. Gelegentlich berichteten Patienten, dass ihr erster schizophrener Ausbruch während der Einnahme von LSD auftrat.
„Sie waren nie wieder dieselben“, sagte Roth. „Das ist zwar selten, aber es wurde schon berichtet. Die Leute berichten auch von Flashbacks, und LSD ist eine extrem starke Droge. Aus diesen Gründen und wegen seines Potenzials als Teil einer therapeutischen Behandlung ist LSD wissenschaftlich interessant.“
Zwei Jahrzehnte lang hatte Roths Labor – zunächst an der Case Western Research University und dann bei seiner Ankunft an der UNC im Jahr 2005 – in einer Reihe langwieriger und erfolgloser Experimente versucht, LSD an seinem Rezeptor zu kristallisieren. Auch andere haben dies versucht. Ohne Kristalle könnte niemand sehen, wie das an einen Rezeptor gebundene LSD aussehen würde.
„Es ist unglaublich schwierig, Kristalle einer bekannten Substanz zu erhalten, die an ihren Rezeptor gebunden ist“, sagte Roth, der auch Direktor des Psychoactive Drug Screening Program des National Institute of Mental Health an der UNC ist. „In einigen Fällen ist es fast unmöglich.“
In den vergangenen Jahren wurde diese Aufgabe unter Roths Leitung von Wacker übernommen, der als erster Wissenschaftler die Kristallstruktur eines Serotoninrezeptors bestimmt hat. Das war vor fast vier Jahren als Doktorand im Labor von Ray Stevens, PhD, ehemals am Scripps Institute.
Es gibt einige Gründe, warum es schwierig ist, an einen Rezeptor gebundenes LSD zu kristallisieren. Der erste ist der Mangel an Material; die Rezeptoren müssen im Labor mit einer Reihe von Tricks hergestellt werden, z.B. durch die Erzeugung eines Virus, das dann Zellen infiziert und den Rezeptor erzeugt. Zweitens sind die Rezeptoren unglaublich flexibel, selbst wenn Verbindungen wie LSD an sie gebunden sind; die Rezeptoren wollen nicht stillsitzen. Drittens ist ein Serotoninrezeptor, anders als etwa ein Wassermolekül, hochkomplex und besteht aus Tausenden von Atomen.
„Wir brauchen viele Rezeptoren, um ein Bild zu erzeugen, weil sie so klein sind – viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts“
, erklärte Wacker: „Wir brauchen viele Rezeptoren, um ein Bild zu erzeugen, weil sie so klein sind – viel kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Stattdessen verwenden wir Röntgenstrahlen, aber damit das funktioniert, müssen alle diese Rezeptoren vollkommen still sitzen, und sie müssen alle auf genau dieselbe Weise still sitzen, und das passiert in Kristallen. Selbst wenn man also viele Serotoninrezeptoren herstellt und versucht, sie zu kristallisieren, könnte ein Rezeptor in eine Richtung zucken, ein anderer in eine andere Richtung, ein dritter Rezeptor könnte nicht an das LSD gebunden sein, und ein vierter Rezeptor könnte einen Deckel haben, der sich ein wenig mehr bewegt als die anderen Rezeptoren. Wir müssen also all diese Rezeptoren in Wasser auflösen und dann langsam das Wasser wegnehmen. Die Temperatur muss genau richtig sein. Und dann müssen wir alle möglichen experimentellen Tricks anwenden, um das Wasser weiter herauszuziehen und die Moleküle davon zu überzeugen, still zu sitzen, damit sie kristallisieren wollen.“
Es ist so, als würde man eine Suppe über Nacht stehen lassen, so Wacker. Sie werden Salzkristalle am Boden bemerken. Das liegt daran, dass das Salz in der Suppe in Wasser gelöst ist, aber als das Wasser im Laufe der Zeit langsam verdunstet, klammern sich die Salzmoleküle aneinander, um stabil zu bleiben. Das Ergebnis: Kristalle.
Aber Serotoninrezeptoren sind keine Suppe. Wacker und seine Kollegen brauchten zwei Jahre, um Serotonin-LSD-Kristalle zu erhalten, aber sobald sie die Kristalle hatten, waren die Serotoninrezeptoren mit LSD dicht aneinander gepackt. Das ermöglichte es ihnen, die Rezeptoren mit Röntgenstrahlen zu beschießen und so Bilder mit atomarer Auflösung zu erzeugen.
Dann entdeckte der UNC-Postdoktorand John McCorvy, PhD, dass der Deckel der Schlüssel zur Bindung von LSD an seinen Serotoninrezeptor war. McCorvy und seine Kollegen kreierten Rezeptormutanten mit schlafferem Deckel und stellten fest, dass das LSD schneller gebunden wurde und sich auch leichter vom Rezeptor löste. Sie stellten auch fest, dass die kürzeren Bindungszeiten zu unterschiedlichen Signalmustern in den Zellen führten. Diese unterschiedlichen Muster bedeuten wahrscheinlich, dass die Wirkungen von LSD anders waren als die typischen Wirkungen, wenn der Deckel fest verschlossen war.
Ron Dror, PhD, und sein Team in Stanford benutzten Computersimulationen, um zu bestätigen, dass dies der Fall sein könnte, wenn LSD sein Rezeptorprotein im menschlichen Gehirn anspricht.
„Es gibt ein Kopfschmerzmittel, das an denselben Rezeptor wie LSD bindet“, sagte Dror. „Die beiden Medikamente binden in der gleichen Rezeptortasche, aber die Form dieser Bindungstasche ist unterschiedlich, wenn das eine oder das andere Medikament gebunden ist. Wir haben Computersimulationen verwendet, um zu erklären, warum die beiden Drogen unterschiedliche Formen der Bindungstasche bevorzugen.
Ein weiterer Aspekt dieser rechnerischen Arbeit konzentrierte sich auf die Tatsache, dass die Rezeptorstelle nicht statisch ist – sowohl der Rezeptor als auch die Droge sind höchst dynamisch. Sie wackeln die ganze Zeit“, so Dror. „Es ist seit langem bekannt, dass LSD-Trips sehr lang sind. Die Simulationen helfen zu erklären, warum der Rezeptor so lange an LSD festhält, obwohl die Verbindung so dynamisch ist.“
Roth sagte: „Wir befürworten nicht den Konsum von LSD; es ist potenziell sehr gefährlich. Aber es könnte potenzielle medizinische Anwendungen haben, von denen einige schon vor Jahrzehnten in der medizinischen Literatur beschrieben wurden. Jetzt, da wir die Struktur des an einen Rezeptor gebundenen LSD gelöst haben, erfahren wir, was es so wirksam macht.“
Wacker fügte hinzu: „Ich denke, es ist wichtig für die Pharmaindustrie zu verstehen, dass, wenn man nur einen winzigen Aspekt einer Verbindung verändert, man die Art und Weise beeinflussen kann, wie sie im Rezeptor sitzt.
Das National Institute of Mental Health, ein Terman Faculty Fellowship und der Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology an der UNC finanzierten diese Forschung.
Zu den weiteren Autoren gehören die UNC-Forschungsmitarbeiter David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; die UNC-Absolventen Katherine Lansu und Zachary Schools; die Stanford-Absolventin Robin Betz und der Stanford-Postdoktorand A. J. Venkatakrishnan, PhD; sowie Brian Shoichet, PhD, Professor für pharmazeutische Chemie an der University of California-San Francisco, und die UCSF-Postdoktorandin Anat Levit, PhD.