Op een of andere manier, veel psychiatrische medicijnen werken door zich te binden aan receptormoleculen in de hersenen die gevoelig zijn voor de neurotransmitter dopamine, een chemisch signaal dat centraal staat in hoe onze ervaringen ons gedrag vormgeven. Maar omdat wetenschappers de verschillen tussen de vele soorten dopaminereceptoren op hersencellen nog steeds niet begrijpen, de meeste van deze medicijnen zijn "rommelig, "binding aan meerdere verschillende dopaminereceptormoleculen en leidt tot ernstige bijwerkingen, variërend van bewegingsstoornissen tot pathologisch gokken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van UC San Francisco, de Universiteit van North Carolina-Chapel Hill, en Stanford University rapporteren een grote stap voorwaarts in de richting van het ontwerpen van krachtigere psychiatrische medicijnen met minder bijwerkingen.

Zoals online gemeld op 19 oktober, 2017 in Wetenschap , het team heeft de kristalstructuur van een specifieke dopaminereceptor genaamd D4 bepaald ("opgelost" in de terminologie van structurele biologie) met een ongelooflijk hoge resolutie - de hoogste voor alle dopamine, serotonine, of epinefrine (ook bekend als adrenaline) -receptor tot nu toe - waardoor ze een nieuwe verbinding konden ontwerpen die alleen stevig bindt aan D4 en geen van de andere 320 receptoren die ze hebben getest.

Eerder dit jaar, hetzelfde team loste de kristalstructuur op van LSD gebonden aan een serotoninereceptor om te leren waarom zuurtrips zo lang duren en hoe het medicijn misschien minder krachtig kan worden.

De D4-dopaminereceptor is betrokken bij aandachtstekortstoornis/hyperactiviteitsstoornis (ADHD), kanker metastase, en zelfs erectiestoornissen. Vergelijkbare dopaminereceptorsubtypes zijn cruciale factoren bij aandoeningen zoals schizofrenie, verslaving, Ziekte van Alzheimer, depressie, en de ziekte van Parkinson. Echter, er zijn momenteel weinig specifieke medicijnen voor het D4-subtype die zich erop kunnen richten en het alleen, waardoor onderzoekers de specifieke functie van D4 niet konden isoleren in vergelijking met andere dopaminereceptoren. Huidige medicijnen die zich richten op dopaminereceptoren veroorzaken ook bijwerkingen zoals Parkinson-achtige bewegingsstoornissen.

"We hebben nu de mogelijkheid om een ​​kristalhelder beeld van deze receptoren te krijgen om details te zien als nooit tevoren, " zei co-senior auteur Bryan L. Roth, MD, doctoraat, de Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics aan de UNC School of Medicine. "Dat is de sleutel. Door deze details te zien, konden we een verbinding maken die zich hecht aan slechts één soort receptor. Ons uiteindelijke doel is het vermijden van zogenaamde 'scattershot-medicijnen' die veel ongewenste receptoren raken en ernstige en mogelijk fatale bijwerkingen veroorzaken ."

Brian Shoichet, doctoraat, co-senior auteur en hoogleraar farmaceutische chemie aan de UCSF's School of Pharmacy, zei, "Onze computationele modelleringscapaciteiten stelden ons in staat om virtueel meer dan 600, 000 verbindingen veel sneller dan traditionele screeningsmethoden en creëren een hiërarchie van verbindingen die mogelijk alleen binden aan de D4-dopaminereceptor. Ons werk om betere medicijnen te maken is nog lang niet voorbij, maar de computergebaseerde screeningtools die hier worden gebruikt, worden een steeds betrouwbaarder hulpmiddel in ons arsenaal."

Medewerkers kraken de zaak met behulp van kristallen en computers

Dopaminereceptoren maken deel uit van een grote familie van moleculen die G-eiwitgekoppelde receptoren worden genoemd, of GPCR's, die de beoogde doelen zijn van ongeveer 35 procent van alle medicijnen op de markt. Ondanks hun belang, er is zeer weinig bekend over de structuren van de overgrote meerderheid van GPCR's, waaronder D4 en andere dopaminereceptoren, waardoor het een uitdaging is om preciezere medicijnen te ontwerpen met minder bijwerkingen.

Typisch, wetenschappers hebben de chemische structuur van eiwitten opgelost met behulp van een techniek die röntgenkristallografie wordt genoemd:ze zorgen ervoor dat het eiwit condenseert tot een dicht opeengepakt kristalrooster, schiet vervolgens röntgenstralen op het kristal en kan de structuur van het eiwit berekenen uit de resulterende diffractiepatronen. Echter, het D4-eiwit laten kristalliseren met een eraan gebonden medicijn - om de werkingsplaats van de receptor te bepalen - was een onopgeloste uitdaging gebleken.

Om de structuur met hoge resolutie van D4 op te lossen, Roth lab-postdocs Sheng Wang, doctoraat, en Daniël Wacker, doctoraat, - twee van de drie co-eerste auteurs - voerden gedurende drie jaar een reeks intense experimenten uit om de D4-receptor te laten kristalliseren. Ze losten receptormoleculen op in buffers op waterbasis en verwijderden vervolgens langzaam het water. Vervolgens, om er zeker van te zijn dat de receptoren volkomen stil zaten, zodat ze konden worden afgebeeld, Wang en Wacker gebruikten een verscheidenheid aan experimentele trucs - beschreven in de Wetenschap papier - om water onder precies de juiste omstandigheden voorzichtig weg te zuigen totdat de receptoren stevig in kristallen waren gepakt die vervolgens met röntgenstralen konden worden gebombardeerd. Het resultaat was het allereerste beeld met superhoge resolutie van de chemische architectuur van D4 gebonden aan het antipsychoticum nemonapride.

"We moesten een structuur met een hoge resolutie als deze krijgen, zodat we precies konden zien hoe een verbinding aan D4 kan binden, Wang zei. "Het is alsof je details op een foto ziet die je niet kunt zien, tenzij de foto een superhoge resolutie heeft. Toen we dat eenmaal hadden, we werkten samen met onze UCSF-collega's om computationeel te screenen op verbindingen die mogelijk aan deze receptor kunnen binden, maar niet aan andere."

Anat Levit, doctoraat, een postdoc in Shoichet's lab bij UCSF en de derde co-eerste auteur, leidde de computationele modellering en de ontdekking van nieuwe verbindingen, in samenwerking met co-auteur Ron Dror, doctoraat, en zijn Stanford-lab.

"Theoretisch, er is een bijna oneindig aantal chemische verbindingen die gemaakt kunnen worden, en deze chemische ruimte is enorm en grotendeels onontgonnen. Echter, we hebben grote bibliotheken van virtuele verbindingen die op zijn minst deze ruimte binnendringen, Levit zei. "Met behulp van de nieuwe structuur met hoge resolutie en ons computermodelleringsprogramma, we passen elk van 600, 000 virtuele verbindingen naar de dopamine/nemonapride-bindingsplaats van de D4-receptor, zoals je kandidaat-puzzelstukken in een gedeeltelijk geconstrueerde puzzel zou kunnen passen."

Levit en collega's in het Shoichet-lab evalueerden alle 600, 000 van deze chemische "puzzelstukjes" om te zien hoe goed ze passen in de volledige D4-receptor die het Roth lab-team had opgelost. Toen ze eenmaal de top tien kandidaat-verbindingen hadden geïdentificeerd die computermodellering aanwees als waarschijnlijke bindingspartners met de D4-receptor, ze stuurden ze terug naar Wang en Wacker om experimenteel in het laboratorium te testen.

Het Roth-labteam ontdekte dat twee van de verbindingen inderdaad in de D4-receptor passen, maar deed dat relatief losjes.

"De eerste twee verbindingen waren slechts startpunten, " zei Wacker. "Een medicijn of zelfs een 'sonde' die wordt gebruikt om de biologie van de receptor te onderzoeken, moet goed op de receptor passen. Een verbinding moet gedurende een bepaalde tijd gehecht blijven om een ​​effect te hebben in de cel."

Het onderzoek kaatste vervolgens heen en weer tussen de computermodelleurs van UCSF en het experimentele laboratorium in UNC-Chapel Hill om tientallen nieuwe chemische verbindingen te ontwerpen en te testen die zich mogelijk steviger aan de D4-receptor binden.

Eindelijk, door hier te sleutelen aan chemische verbindingen en ionische attracties, het toevoegen van nieuwe chemische groepen daar, Levit identificeerde een virtuele verbinding - verbinding UCSF924 - waarvan computersimulaties suggereerden dat deze extreem stevig aan de D4-receptor zou kunnen binden. Bij het testen van deze verbinding in het laboratorium, Wang bevestigde dat het molecuul 1000 keer krachtiger aan de D4-receptor zou kunnen binden dan de oorspronkelijke virtuele verbindingen.

D4-specifieke verbinding zal onderzoekers helpen begrijpen, en op een dag drugs, specifieke dopaminereceptoren

De onderzoekers zijn nu van plan om hun nieuwe verbinding in diermodellen te testen om precies te bepalen hoe het de D4-receptor activeert. en hoe het activeren van de D4-receptor alleen de hersenfunctie verandert.

"Niemand weet wat de D4-receptor precies doet, " zei Wang. "De hoge specificiteit en hoge potentie van deze nieuwe verbinding zullen ons in staat stellen om dit voor de eerste keer aan te pakken."

Het team is ook van plan om de zeer selectieve UCSF924-verbinding te gebruiken om meer details te leren over hoe bestaande medicijnen werken door specifieke cellulaire paden in cellen te veranderen.

"Dit werk heeft implicaties die verder gaan dan D4, " zei Wacker. "Bijvoorbeeld, antipsychotica zijn vuile medicijnen; ze raken alles. Om ze beter te begrijpen en te verbeteren, we moeten begrijpen wat ze doen bij elk doel dat ze raken. Ons werk is een belangrijke stap in de richting van dat doel."

Shoichet heeft toegevoegd, "Terwijl UCSF924 verre van een medicijn is, het is een geweldige sonde, en we maken het openlijk beschikbaar voor de gemeenschap via Sigma-Aldrich, als SML2022."

Terugkijkend op de vooruitgang op dit gebied, Shoichet zei, "Toen structuur- en computergebaseerde schermen 30 jaar geleden voor het eerst werden ontwikkeld bij UCSF, het idee dat we zulke mooie uitzichten zouden hebben op medicijndoelen die zo cruciaal en subtiel zijn als de dopamine D4-receptor, en dat we het zo snel en effectief konden exploiteren, was verre van iemands gedachten. Maar de National Institutes of Health hebben tientallen jaren in deze lijnen van fundamenteel onderzoek geïnvesteerd. Nu de onderzoeksinspanningen op lange termijn hun vruchten beginnen af ​​​​te werpen in het vermogen om nieuwe GPCR-doelen op computerbasis te screenen en nieuwe en opwindende chemische aanknopingspunten te vinden voor biologie en voor het ontdekken van geneesmiddelen."