Dit is LSD vastgehecht aan een serotonine-receptor van een hersencel
Een piepklein lipje LSD op de tong. Voor het eerst hebben onderzoekers van de UNC School of Medicine precies ontdekt hoe de drug lyserginezuurdiethylamide (LSD) er in zijn actieve toestand uitziet wanneer het aan een menselijke serotoninereceptor van een hersencel is gehecht, en hun allereerste kristalstructuur onthulde een belangrijke aanwijzing voor waarom de psychoactieve effecten van LSD zo lang duren.
Bryan L. Roth, MD, PhD, de Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics in de UNC School of Medicine, leidde het onderzoek, dat vandaag werd gepubliceerd in Cell.
“Er zijn verschillende niveaus van begrip voor hoe drugs zoals LSD werken.”
“Er zijn verschillende niveaus van begrip voor hoe drugs zoals LSD werken,” zei Roth. “Het meest fundamentele niveau is uit te vinden hoe de drug zich bindt aan een receptor op een cel. De enige manier om dat te doen is door de structuur op te lossen. En om dat te doen, heb je röntgenkristallografie nodig, de gouden standaard.”
Dat is wat Roth’s lab heeft bereikt – in wezen het “bevriezen” van LSD die aan een receptor vastzit, zodat zijn team kristallografiebeelden kon maken. Het blijkt dat wanneer LSD zich vastzet op de serotoninereceptor van een hersencel, de LSD-molecule op zijn plaats wordt vergrendeld omdat een deel van de receptor zich over de drugmolecule vouwt, als een deksel. En dan blijft het zitten.
“We denken dat dit deksel waarschijnlijk de reden is waarom de effecten van LSD zo lang kunnen aanhouden,” zei Roth, die een gezamenlijke aanstelling heeft aan de UNC Eshelman School of Pharmacy. “LSD heeft een lange tijd nodig om op de receptor te komen, en als het er eenmaal op zit, gaat het er niet meer af. En de reden daarvoor is dit deksel.”
Eindelijk, echter, eindigt een acid trip. Sommige LSD moleculen springen van hun receptoren als het deksel beweegt. Ook reageren hersencellen uiteindelijk op deze vreemde molecule door de receptor de cel in te zuigen, waar het – samen met de LSD – wordt afgebroken of gedemonteerd voor recycling.
Postdoctorale onderzoekers Daniel Wacker, PhD, en Sheng Wang, PhD, leidden de experimenten om LSD gebonden aan een serotonine-receptor te kristalliseren en te ontdekken waarom het zo lang gebonden blijft. “Serotonine raakt natuurlijk deze receptor op hersencellen,” zei Wacker. “Maar onze experimenten tonen aan dat serotonine niet op dezelfde manier interageert met dit deksel als LSD doet.”
Hoewel andere laboratoria hebben gerapporteerd dat LSD binnen vier uur uit de hersenvloeistof “spoelt”, konden dergelijke experimenten niet bepalen wat er op of in de hersencellen gebeurde. Het laboratorium van Roth heeft voor het eerst aangetoond dat LSD niet binnen enkele uren uit de serotoninereceptoren in het membraan van hersencellen wordt gespoeld.
Hoewel andere laboratoria hebben gerapporteerd dat LSD binnen vier uur uit de hersenvloeistof “spoelt”, konden dergelijke experimenten niet vaststellen wat er op of in de hersencellen gebeurde.
Hoe deze populaire drug zulke krachtige effecten veroorzaakt, is een mysterie gebleven sinds de Zwitserse wetenschapper Albert Hofmann in 1938 voor het eerst per ongeluk LSD synthetiseerde en een dosis toediende om de effecten ervan te rapporteren. Nu, dankzij het werk van Roth’s lab, kunnen wetenschappers beginnen te ontcijferen hoe de drug zo’n dramatische reactie in de hersenen teweegbrengt, net nu de wetenschappelijke en medische gemeenschappen opnieuw interesse tonen in de drug als een potentiële behandeling voor een aantal aandoeningen, zoals clusterhoofdpijn, middelenmisbruik en angst geassocieerd met levensbedreigende aandoeningen.
Het oplossen van de structuur van LSD zou medicijnontwikkelaars kunnen helpen betere psychiatrische medicijnen te ontwerpen met minder bijwerkingen. Ook, hoewel LSD illegaal is, blijft het een populaire recreatieve drug en niet alleen voor zijn meest krachtige effecten. Sommige mensen – met name technologie-ontwikkelaars in Silicon Valley en elders – melden dat ze LSD “microdoseren” om hun creativiteit te stimuleren, stress te verlichten en hen te helpen problemen op te lossen, terwijl ze de hallucinogene effecten vermijden.
Eén op de tien mensen in de Verenigde Staten – tientallen miljoenen mensen – hebben gemeld dat ze ten minste één keer in hun leven LSD hebben gebruikt. “Ongeveer 3 procent van alle middelbare scholieren – die op een leeftijd zijn waarop hun hersenen nog in ontwikkeling zijn – heeft gemeld het te hebben geprobeerd,” zei Roth. “En hoewel de drug al heel lang wordt gebruikt, weten we er niet zo veel over.”
Voordat hij professor en onderzoeker in de farmacologie werd, was Roth psychiater gespecialiseerd in schizofrenie. Patiënten meldden af en toe dat hun eerste schizofrene breuk optrad terwijl ze LSD gebruikten. “Ze waren nooit meer dezelfde,” zei Roth. “Hoewel dit zeldzaam is, is het wel gemeld. Mensen melden ook flashbacks en LSD is een extreem krachtige drug. Dus om die redenen, samen met zijn potentieel als onderdeel van een therapeutische behandeling, is LSD wetenschappelijk interessant.”
Twee decennia lang heeft Roth’s lab – eerst aan de Case Western Research University en daarna bij zijn komst naar UNC in 2005 – geprobeerd om LSD te kristalliseren, gekoppeld aan zijn receptor, door middel van een reeks vervelende en onsuccesvolle experimenten. Anderen hebben het ook geprobeerd. Zonder kristallen zou niemand in staat zijn om te zien hoe LSD gebonden aan een receptor eruit zou zien.
“Om kristallen te krijgen van een bekende verbinding gebonden aan zijn receptor is ongelooflijk moeilijk,” zei Roth, die ook directeur is van het Psychoactive Drug Screening Program van het National Institute of Mental Health, gehuisvest aan UNC. “In sommige gevallen is het bijna onmogelijk.”
De afgelopen jaren onder Roth’s leiding was de taak weggelegd voor Wacker, die de eerste wetenschapper was die de kristalstructuur van een serotonine-receptor bepaalde. Dat was bijna vier jaar geleden als een afgestudeerde student in het lab van Ray Stevens, PhD, voorheen aan het Scripps Institute.
Er zijn een paar redenen waarom het kristalliseren van LSD gebonden aan een receptor moeilijk is. De eerste is gebrek aan materiaal; de receptoren moeten in het lab worden geproduceerd met behulp van een aantal trucs, zoals het genereren van een virus dat vervolgens cellen infecteert en de receptor genereert. Ten tweede zijn de receptoren ongelooflijk flexibel, zelfs wanneer verbindingen zoals LSD eraan gebonden zijn; de receptoren willen niet stilzitten. Ten derde is een serotonine-receptor, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een watermolecuul, uiterst complex en opgebouwd uit duizenden atomen.
“We hebben veel receptoren nodig om een beeld te genereren vanwege hun kleine omvang – veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht.”
Wacker legde uit: “We hebben veel receptoren nodig om een beeld te krijgen omdat ze zo klein zijn – veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. In plaats daarvan gebruiken we röntgenstraling, maar om dat te laten werken moeten al deze receptoren perfect stilzitten, en ze moeten allemaal op precies dezelfde manier stilzitten, en dat is wat er in kristallen gebeurt. Dus zelfs als je een heleboel serotonine-receptoren maakt en ze probeert te kristalliseren, kan het zijn dat één receptor in één richting beweegt, een andere receptor in een andere richting, een derde receptor is misschien niet gebonden aan de LSD, en een vierde receptor heeft misschien een deksel dat een beetje meer beweegt dan de andere receptoren. We moeten dus al deze receptoren in water oplossen en dan langzaam het water wegnemen. De temperatuur moet precies goed zijn. En dan moeten we allerlei experimentele trucs toepassen om het water eruit te blijven halen en de moleculen te overtuigen stil te blijven zitten, zodat ze willen kristalliseren.”
Het is net zoiets als soep een nachtje laten staan, zei Wacker. Je zult zoutkristallen op de bodem zien liggen. Dat komt omdat het zout in de soep is opgelost in water, maar toen het water na verloop van tijd langzaam verdampte, gingen zoutmoleculen zich aan elkaar hechten om stabiel te blijven. Het resultaat: kristallen.
Maar serotonine receptoren zijn geen soep. Het kostte Wacker en collega’s twee jaar om serotonine-LSD-kristallen te krijgen, maar toen ze eenmaal kristallen hadden, zaten de serotonine-receptoren met LSD dicht opeengepakt. En dat stelde hen in staat om röntgenstralen op de receptoren te schieten, waardoor ze beelden van atomaire resolutie konden maken.
Toen ontdekte UNC postdoctoraal onderzoeker John McCorvy, PhD, dat het deksel de sleutel was tot het binden van LSD aan zijn serotonine-receptor. McCorvy en collega’s creëerden mutante receptoren met flappier deksels, en zij ontdekten dat LSD sneller bond en ook gemakkelijker loskwam van de receptor. Zij merkten ook op dat de kortere bindingstijden leidden tot verschillende signaleringspatronen in de cellen. Deze verschillende patronen betekenen waarschijnlijk dat de effecten van LSD anders zouden zijn geweest dan de typische effecten met het deksel stevig vastgemaakt.
Ron Dror, PhD, en zijn team in Stanford gebruikten computersimulaties om te bevestigen dat dit is wat er zou kunnen gebeuren wanneer LSD zijn receptoreiwit in een menselijk brein bindt.
“Er is een medicijn tegen hoofdpijn dat zich aan dezelfde receptor bindt als LSD,” zei Dror. “De twee drugs binden zich in dezelfde receptorzak, maar de vorm van die bindingszak is anders wanneer de ene drug of de andere wordt gebonden. We gebruikten computersimulaties om te helpen verklaren waarom de twee drugs de voorkeur geven aan verschillende vormen van de bindingszak.
Een ander aspect van dit computationele werk richtte zich op het feit dat de receptorplaats niet statisch is – de receptor en de drug zijn beide zeer dynamisch. “Ze wiebelen de hele tijd rond, zei Dror. “Het is al lang waargenomen dat LSD trips lang duren. De simulaties hielpen verklaren waarom de receptor LSD zo lang vasthoudt, ondanks het feit dat ze zo’n dynamische verbinding hebben.”
Roth zei: “We pleiten niet voor het gebruik van LSD; het is potentieel erg gevaarlijk. Maar het zou potentiële medicinale toepassingen kunnen hebben, waarvan sommige tientallen jaren geleden in de medische literatuur werden gerapporteerd. Nu we de structuur van LSD, gebonden aan een receptor, hebben opgelost, leren we wat het zo krachtig maakt.”
Wacker voegde daaraan toe: “Ik denk dat het belangrijk is voor de farmaceutische industrie om te begrijpen dat als je maar één klein aspect van een verbinding wijzigt, je de manier waarop het in de receptor zit, kunt beïnvloeden. En als gevolg daarvan kun je beïnvloeden hoe de verbinding werkt.”
Het National Institute of Mental Health, een Terman Faculty Fellowship, en de Michael Hooker Distinguished Chair of Pharmacology aan UNC financierden dit onderzoek.
Andere auteurs zijn UNC-onderzoeksmedewerkers David Nichols, PhD, Sheng Wang, PhD, Tao Che, PhD; UNC-afstudeerders Katherine Lansu en Zachary Schools; Stanford-afstudeerder Robin Betz en Stanford-postdoc A. J. Venkatakrishnan, PhD; en Brian Shoichet, PhD, hoogleraar farmaceutische scheikunde aan de University of California-San Francisco, en UCSF-postdoc Anat Levit, PhD.