Picrotoxinine, een plantaardig gif dat Aziatische vissers van oudsher gebruiken om vissen te verlammen en te vangen, wordt al lang gezien als een mogelijk startpunt voor nieuwe menselijke therapieën en andere neuroactieve producten.

Toch is er weinig vooruitgang geboekt vanwege de chemische instabiliteit en toxiciteit van picrotoxine en de moeilijkheid om de complexe structuur ervan te maken en te wijzigen. Chemici van Scripps Research hebben echter een relatief eenvoudige manier gevonden om versies van picrotoxinen met verbeterde eigenschappen te maken.

In een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications toonden de onderzoekers aan dat vergelijkbare chemische varianten van picrotoxine die een enkele kleine modificatie bevatten een betere chemische stabiliteit hebben, veel gemakkelijker te maken en aan te passen zijn en veiliger zijn voor mensen. Dit opent de deur voor de ontwikkeling van nieuwe neurologische geneesmiddelen, veiligere pesticiden en zelfs behandelingen tegen parasieten.

"Slechts een kleine wijziging aan het natuurlijke product geeft het eigenschappen die decennia lang ongrijpbaar waren", zegt senior auteur Ryan Shenvi, Ph.D., professor aan de afdeling scheikunde van Scripps Research.

De eerste auteur was Guanghu Tong, Ph.D., een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het Shenvi Lab tijdens het onderzoek.

Picrotoxinine is afkomstig van de zaden – vaak 'visbeszaden' genoemd vanwege het gebruik ervan door vissers – van Anamirta cocculus, een plant die voorkomt in delen van Zuidoost-Azië en India. Het toxine blokkeert krachtig de activiteit van neuronale receptoren die in de meeste hogere organismen voorkomen.

Bij zoogdieren worden deze GABA_A genoemd receptoren, en ze bestaan ​​overal in de hersenen, grotendeels om te voorkomen dat andere neuronen overactief worden. Zelfs bij kleine doses kan de blokkering van deze receptoren door picrotoxinen epileptische aanvallen veroorzaken en de zenuwsignalen die de ademhaling controleren dodelijk verstoren.

Het lijkt misschien tegenstrijdig dat scheikundigen zich zouden wenden tot gifstoffen voor het maken van nieuwe medicijnen, maar veel plantaardige gifstoffen hebben niet alleen de gewenste doelen te bereiken, maar hebben ook al goede medicijnachtige eigenschappen, zoals het bereiken van hun doelen via orale dosering.

In het geval van picrotoxine zouden scheikundigen dit graag willen aanpassen om medicijnen te ontwikkelen voor psychiatrische en neurologische aandoeningen, veilige en effectieve pesticiden en medicijnen tegen parasieten, en laboratoriuminstrumenten om GABA nauwkeurig te manipuleren _A receptoren. Het probleem was dat de andere chemische eigenschappen van picrotoxinen, zoals de synthetische moeilijkheidsgraad en de neiging om te reageren met gewone oplosmiddelen, het buitengewoon moeilijk te temmen hebben gemaakt.

Shenvi's laboratorium maakt gebruik van organische chemietechnieken om dergelijke uitdagingen te overwinnen en manieren te vinden om natuurlijke producten te verbeteren. Hij en zijn team richten zich al jaren op moleculen die zich richten op GABA_A receptoren, en in 2020 rapporteerden ze de kortste organische synthese van picrotoxine ooit.

In dat onderzoek ontdekten ze dat ze veel gemakkelijker een verbinding konden synthetiseren die bijna hetzelfde was als picrotoxine. 5Me-picrotoxine, zoals ze het noemden, kon nog steeds binden aan GABA_A receptoren en verschilde alleen van zijn chemische neef door de toevoeging van een cluster van atomen – een methylgroep genoemd – op een sleutelpositie op het molecuul. Gezien deze ene structurele verandering onderzocht Shenvi's team de nieuwe eigenschappen van 5Me-picrotoxinen voor de nieuwe studie.

Het team synthetiseerde twee parallelle sets van picrotoxine- en 5Me-picrotoxine-varianten, en bepaalde hoe de aan- of aanwezigheid van de methylgroep de stabiliteit van het molecuul en de receptorbindingsselectiviteit verandert.

Ze ontdekten dat de gemethyleerde versie chemisch veel stabieler is, met een halfwaardetijd in de bloedbaan die bijna driemaal zo hoog lijkt te zijn als die van gewoon picrotoxine. Ze ontdekten ook dat 5Me-picrotoxine veel minder gevoelig is voor reacties met gewone oplosmiddelen, waaronder alcoholen en zuren. Co-auteurs Shuming Chen, Ph.D., assistent-professor scheikunde aan het Oberlin College, en haar laboratoriumlid Anna Crowell legden dit uit met behulp van computationele modellering.

Een andere verrassing was dat de gemethyleerde versie een lagere potentie heeft tegen GABA_A van zoogdieren receptoren terwijl de hoge potentie behouden blijft tegen insectenversies van de receptor – precies wat je zou willen voor een veilige insectendodende verbinding.

"Het feit dat picrotoxinen zich richt op een familie van receptoren, waaronder GABA_A Receptoren zijn al tientallen jaren bekend, maar dit is de eerste keer dat we de selectiviteit voor die receptoren hebben kunnen veranderen", zegt Tong.

De experimenten met picrotoxinevarianten en insectenreceptoren zijn uitgevoerd door samenwerkende onderzoekers van Corteva Agriscience, ontwikkelaars van ongediertebestrijdingsproducten. Modellen die voor het onderzoek zijn gebouwd door Corteva computationeel chemicus Avery Sader, Ph.D., suggereren verdere manieren om 5Me-picrotoxine te modificeren om het selectiever te maken voor insectenplagen en dus veiliger voor mensen.

De onderzoekers zijn van plan door te gaan met het synthetiseren en onderzoeken van nieuwe varianten van 5Me-picrotoxine, zodat ze kunnen worden ontwikkeld tot nieuwe medicijnen en andere producten.

Meer informatie: Guanghu Tong et al., C5-methylering verleent toegankelijkheid, stabiliteit en selectiviteit aan picrotoxinen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44030-3

Aangeboden door het Scripps Research Institute