Opioïden zijn krachtige pijnstillers die inwerken op de hersenen, maar ze hebben een reeks schadelijke bijwerkingen, waaronder verslaving. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Biochemie (MPIB) in samenwerking met onderzoekers van de Medische Universiteit van Innsbruck, Oostenrijk, Universiteit van Innsbruck, en de Lewis Katz School of Medicine aan de Temple University (LKSOM), hebben een tool ontwikkeld die dieper inzicht geeft in de reactie van de hersenen op opioïden. Met behulp van massaspectrometrie, ze bepaalden veranderingen in de fosforyleringspatronen van eiwitten - de moleculaire schakelaars van eiwitten - in vijf verschillende hersengebieden en schreven deze toe aan de gewenste en ongewenste effecten van behandeling met opioïden. hun resultaten, die zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , zal de weg wijzen voor de identificatie van nieuwe medicijndoelen en het ontwerp van een nieuwe klasse pijnstillers met minder bijwerkingen.

De deelname van het LKSOM-team aan dit onderzoek werd geleid door Lee-Yuan Liu-Chen, doctoraat, Hoogleraar Farmacologie bij het Centrum voor Onderzoek naar Middelenmisbruik. Andere onderzoekers die bijdragen aan de studie van LKSOM zijn Chongguang Chen, een onderzoekstechnoloog en Yi-Ting Chiu, een voormalig postdoctoraal fellow, in de groep van Dr. Liu-Chen in het Center for Substance Abuse Research.

De signaalcascades die cellen gebruiken om te reageren op externe prikkels lijken op de commandostructuur van een bedrijf. Activering van een receptor, die optreedt als hoofd van het bedrijf, geeft instructies aan andere eiwitten in de cellen, die fungeren als groepen ondergeschikten. Deze informatie wordt vervolgens doorgegeven aan lagere niveaus van de organisatiestructuur via signaalcascades van andere interagerende eiwitten. Zoals de medewerkers die verschillende taken uitvoeren om een ​​bedrijf draaiende te houden, eiwitten zijn de moleculaire machines die de meeste functies in de cellen uitvoeren. In cellen, instructies worden doorgegeven aan andere eiwitten door de functie van deze 'cellulaire werknemers' te veranderen. Een manier om de functie te veranderen is door "fosforylering - de aanhechting van een fosfaatmolecuul aan eiwitten. Door alle moleculaire schakelaars tegelijkertijd te analyseren, activiteit van signaalroutes in cellen of een orgaan kan worden bepaald. Het bestuderen van deze commandostructuur geeft een nauwkeuriger inzicht in de huidige processen in cellen dan het bestuderen van het DNA, de genetische "blauwdruk", die in alle cellen bijna identiek is.

Momentopname van eiwitactiviteiten

Onderzoekers in het laboratorium van MPIB-directeur en co-corresponderende auteur van het onderzoek, Matthias Mann, massaspectrometrie gebruiken - een methode die de identiteit en hoeveelheid eiwitten in een monster bepaalt - om fosforyleringspatronen van duizenden eiwitten in veel orgaanspecimens te beschrijven, een term bedacht als phosphoproteomics. In de recente studie, ze analyseerden de activering van signaalroutes in verschillende hersengebieden, reageren op opioïde-achtige medicijnen. Om dit doel te bereiken, de onderzoekers gebruikten een recent ontwikkelde methode genaamd EasyPhos.

Om te begrijpen hoe drugs zoals opioïden werken, onderzoekers moeten hun invloed op de hersenen kennen. "Met phosphoproteomics, we kunnen er meer dan 50 analyseren, 000 fosforylatieplaatsen tegelijk en krijg een momentopname van alle paden die gedurende die tijd in de hersenmonsters actief zijn. We hebben er meer dan 1 gevonden 000 veranderingen na blootstelling aan een opioïde-achtig medicijn, met een globaal effect van deze medicijnen op de signalering in de hersenen, " zegt Jeffrey Liu, de hoofdauteur van de studie. Eerdere methoden konden eiwitfosforyleringen niet op vergelijkbare schaal vastleggen en misten veel belangrijke signaalroutes die aan of uit waren gezet.

Phosphoproteomics—een veelzijdig hulpmiddel

"In onze studie we hebben gekeken naar activering van paden in de hersenen die verantwoordelijk zijn voor de gewenste effecten van opioïden zoals pijnstilling. In tegenstelling tot, de parallelle activering van andere routes veroorzaakt ongewenste bijwerkingen", zegt Liu. De onderzoekers gebruikten phosphoproteomics om te meten hoe actief deze gunstige en bijwerkingen veroorzakende routes waren. Christoph Schwarzer van de Medische Universiteit in Innsbruck, die voor deze studie samenwerkte met Liu en Mann, richt zijn onderzoek op deze door opioïden geactiveerde signaalcascades in de hersenen. Tijdens de ontwikkeling van nieuwe medicijnen, deze gegevens kunnen worden gebruikt om potentiële stoffen te identificeren die sterke therapeutische voordelen bieden en weinig bijwerkingen hebben. In aanvulling, deze studie toont ook de belofte aan van het verminderen van bijwerkingen door te interfereren met signaalcascades. Deze studie introduceert dus een nieuw concept voor opioïden gebaseerde therapieën. De huidige medicijnen van de opioïdenfamilie zijn krachtige pijnstillers, maar leiden snel tot verslaving. Dus, er is dringend behoefte aan nieuwe niet-verslavende opioïden.

De eiwitten in de hersenen voorstellen als een bedrijf, phosphoproteomics stelt de onderzoekers in staat om de activiteit van alle werknemers tegelijk te volgen in plaats van zich te concentreren op een paar geselecteerde medewerkers. Massaspectrometrie kan een krachtig hulpmiddel zijn om medicijndoelen in de hersenen of andere organen te bestuderen. De massaspectrometrie-expert Matthias Mann zegt:"De huidige epidemie van opioïdengerelateerde sterfgevallen in de VS is een schokkend voorbeeld van de mogelijke gevolgen van voorgeschreven medicijnen met sterke bijwerkingen zoals verslaving. Met massaspectrometrie, we kunnen een globaal beeld krijgen van de effecten van medicijnen en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen stroomlijnen met minder bijwerkingen." Mann legt uit dat het ontwerp van nieuwe medicijnen slechts een van de vele mogelijke toepassingen van fosfoproteomics is en voorspelt dat de methode ook kan worden gebruikt om kennis te genereren over hoe cellen hun commandostructuur gebruiken om informatie te verwerken en de effecten op medicijnen in andere organen.

De groep van Dr. Liu-Chen voerde gedragsexperimenten uit met twee medicijnen en ontdekte dat ze vergelijkbare pijnstillende effecten hebben, maar zeer verschillende niveaus van bijwerkingen. Hersenen van dieren die met de twee geneesmiddelen waren behandeld, werden door MPIB geanalyseerd op fosfoproteomische verschillen, die bleken te behoren tot een paar signaalroutes. Remming van een van de geïdentificeerde routes verminderde een aantal van de bijwerkingen aanzienlijk.