In un modo o nell'altro, molti psicofarmaci agiscono legandosi a molecole recettoriali nel cervello che sono sensibili al neurotrasmettitore dopamina, un segnale chimico che è centrale per come le nostre esperienze modellano il nostro comportamento. Ma poiché gli scienziati ancora non capiscono le differenze tra i molti tipi di recettori della dopamina presenti sulle cellule cerebrali, la maggior parte di questi farmaci sono "disordinati, "legandosi a più molecole del recettore della dopamina e portando a gravi effetti collaterali che vanno dai disturbi del movimento al gioco d'azzardo patologico.

Ora, ricercatori dell'UC San Francisco, l'Università della Carolina del Nord-Chapel Hill, e la Stanford University riportano un importante passo avanti verso la progettazione di farmaci psichiatrici più potenti con minori effetti collaterali.

Come riportato online il 19 ottobre, 2017 in Scienza , il team ha determinato ("risolto" nella terminologia della biologia strutturale) la struttura cristallina di uno specifico recettore della dopamina chiamato D4 a una risoluzione incredibilmente alta - la più alta per qualsiasi dopamina, serotonina, o recettore dell'adrenalina (aka adrenalina) fino ad oggi, consentendo loro di progettare un nuovo composto che si lega strettamente solo a D4 e nessuno degli altri 320 recettori che hanno testato.

All'inizio di quest'anno, lo stesso team ha risolto la struttura cristallina dell'LSD legato a un recettore della serotonina per scoprire perché i viaggi acidi durano così a lungo e come forse modificare il farmaco per renderlo meno potente.

Il recettore della dopamina D4 è stato implicato nel disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD), metastasi del cancro, e anche la disfunzione erettile. Sottotipi simili di recettori della dopamina sono fattori cruciali in condizioni tra cui la schizofrenia, dipendenza, Il morbo di Alzheimer, depressione, e il morbo di Parkinson. Però, ci sono attualmente pochi farmaci specifici per il sottotipo D4 che possono bersagliarlo e da solo, che ha impedito ai ricercatori di isolare la funzione specifica di D4 rispetto ad altri recettori della dopamina. I farmaci attuali che prendono di mira i recettori della dopamina causano anche effetti collaterali come disturbi del movimento simili al Parkinson.

"Ora abbiamo la capacità di ottenere un'immagine cristallina di questi recettori per vedere i dettagli come mai prima d'ora, " ha detto il co-autore senior Bryan L. Roth, dottore, dottorato di ricerca, il Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics e Translational Proteomics presso la UNC School of Medicine. "Questa è la chiave. Vedere questi dettagli ci ha permesso di creare un composto che si lega strettamente a un solo tipo di recettore. Il nostro obiettivo finale è evitare i cosiddetti "farmaci a dispersione" che colpiscono molti recettori indesiderati e causano effetti collaterali gravi e potenzialmente fatali ."

Brian Shoichet, dottorato di ricerca, co-autore senior e professore di chimica farmaceutica presso la School of Pharmacy dell'UCSF, disse, "Le nostre capacità di modellazione computazionale ci hanno permesso di schermare virtualmente oltre 600, 000 composti molto più velocemente dei metodi di screening tradizionali e creano una gerarchia di composti che potenzialmente si legano solo al recettore della dopamina D4. Il nostro lavoro per creare farmaci migliori è tutt'altro che finito, ma gli strumenti di screening basati su computer utilizzati qui stanno diventando uno strumento sempre più affidabile nel nostro arsenale".

I collaboratori risolvono il caso usando cristalli e computer

I recettori della dopamina fanno parte di una vasta famiglia di molecole chiamate recettori accoppiati a proteine ​​G, o GPCR, che sono gli obiettivi previsti di circa il 35 per cento di tutti i farmaci sul mercato. Nonostante la loro importanza, si sa molto poco delle strutture della stragrande maggioranza dei GPCR, compresi D4 e altri recettori della dopamina, rendendo difficile la progettazione di farmaci più precisi con minori effetti collaterali.

Tipicamente, gli scienziati hanno risolto la struttura chimica delle proteine ​​usando una tecnica chiamata cristallografia a raggi X:fanno sì che la proteina si condensi in un reticolo cristallino strettamente imballato, quindi spara raggi X al cristallo e può calcolare la struttura della proteina dai modelli di diffrazione risultanti. Però, far cristallizzare la proteina D4 con un farmaco legato ad essa, al fine di individuare il sito d'azione del recettore, si era rivelata una sfida irrisolta.

Per risolvere la struttura ad alta risoluzione di D4, Sheng Wang, postdoc del laboratorio Roth, dottorato di ricerca, e Daniel Wacker, dottorato di ricerca, - due dei tre co-primi autori - hanno condotto una serie di intensi esperimenti nell'arco di tre anni per far cristallizzare il recettore D4. Hanno sciolto le molecole dei recettori in tamponi a base d'acqua e poi hanno rimosso lentamente l'acqua. Quindi, per essere sicuri che i recettori fossero perfettamente fermi in modo da poter essere ripresi, Wang e Wacker hanno impiegato una serie di trucchi sperimentali - delineati nel Scienza carta - per estrarre con cura l'acqua nelle condizioni esatte fino a quando i recettori non sono stati impacchettati strettamente in cristalli che potrebbero quindi essere bombardati con raggi X. Il risultato è stata la prima immagine ad altissima risoluzione dell'architettura chimica di D4 legata al farmaco antipsicotico nemonapride.

"Dovevamo ottenere una struttura ad alta risoluzione come questa in modo da poter vedere esattamente come un composto può legarsi a D4, "Ha detto Wang. "È come vedere dettagli in una fotografia che non si potevano vedere a meno che la foto non fosse ad altissima risoluzione. Una volta che l'abbiamo avuto, abbiamo collaborato con i nostri colleghi della UCSF per eseguire uno screening computazionale per i composti che potrebbero potenzialmente legarsi a questo recettore ma non ad altri".

Anat Levit, dottorato di ricerca, un postdoc nel laboratorio di Shoichet alla UCSF e il terzo co-primo autore, ha guidato la modellazione computazionale e la scoperta di nuovi composti, in collaborazione con il co-autore Ron Dror, dottorato di ricerca, e il suo laboratorio di Stanford.

"Teoricamente, c'è un numero quasi infinito di composti chimici che potrebbero essere prodotti, e questo spazio chimico è enorme e in gran parte inesplorato. Però, abbiamo grandi librerie di composti virtuali che almeno si affacciano in questo spazio, "Levit ha detto. "Utilizzando la nuova struttura ad alta risoluzione e il nostro programma di modellazione computazionale, ci adattiamo a ciascuno di 600, 000 composti virtuali nel sito di legame dopamina/nemonapride del recettore D4, come potresti inserire i pezzi del puzzle candidati in un puzzle parzialmente costruito."

Levit e colleghi del laboratorio di Shoichet hanno valutato tutti i 600, 000 di questi "pezzi di puzzle" chimici per vedere come si adattano bene al recettore D4 completo che il team del laboratorio Roth aveva risolto. Una volta identificati i primi dieci composti candidati che la modellazione computerizzata ha indicato come probabili partner di legame con il recettore D4, li hanno rimandati a Wang e Wacker per testarli sperimentalmente in laboratorio.

Il team del laboratorio Roth ha scoperto che due dei composti si adattano effettivamente al recettore D4, ma lo ha fatto in modo relativamente sciolto.

"Le prime due mescole erano solo punti di partenza, " Ha detto Wacker. "Un farmaco o anche una 'sonda' utilizzata per esplorare la biologia del recettore deve adattarsi strettamente al recettore. Un composto deve rimanere attaccato per un periodo di tempo per avere un effetto all'interno della cellula".

La ricerca è poi rimbalzata avanti e indietro tra i modellatori computerizzati dell'UCSF e il laboratorio sperimentale dell'UNC-Chapel Hill per progettare e testare dozzine di nuovi composti chimici che potrebbero legarsi più strettamente al recettore D4.

Finalmente, armeggiando con legami chimici e attrazioni ioniche qui, aggiungendovi nuovi gruppi chimici, Levit ha identificato un composto virtuale, il composto UCSF924, che le simulazioni al computer hanno suggerito potrebbe legarsi in modo estremamente stretto al recettore D4. Dopo aver testato questo composto in laboratorio, Wang ha confermato che la molecola potrebbe legarsi al recettore D4 1000 volte più potentemente dei composti virtuali iniziali.

Il composto specifico per D4 aiuterà i ricercatori a capire, e un giorno droga, recettori dopaminergici specifici

I ricercatori hanno ora in programma di testare il loro nuovo composto in modelli animali per determinare esattamente come attiva il recettore D4, e come l'attivazione del solo recettore D4 alteri la funzione cerebrale.

"Nessuno sa cosa fa esattamente il recettore D4, " Wang ha detto. "L'elevata specificità e l'elevata potenza di questo nuovo composto ci consentiranno di iniziare ad affrontare questo problema per la prima volta".

Il team prevede inoltre di utilizzare il composto altamente selettivo UCSF924 per apprendere maggiori dettagli su come funzionano i farmaci esistenti alterando specifici percorsi cellulari all'interno delle cellule.

"Questo lavoro ha implicazioni oltre D4, " Ha detto Wacker. "Per esempio, gli antipsicotici sono droghe sporche; colpiscono tutto. Per comprenderli meglio e migliorarli, dobbiamo capire cosa fanno ad ogni singolo bersaglio che colpiscono. Il nostro lavoro è un passo importante verso questo obiettivo".

Shoichet ha aggiunto, "Mentre UCSF924 è tutt'altro che un farmaco, è un'ottima sonda, e lo stiamo rendendo apertamente disponibile alla comunità tramite Sigma-Aldrich, come SML2022."

Guardando indietro ai progressi in questo campo, Shoichet ha detto, "Quando gli schermi strutturati e basati su computer furono sviluppati per la prima volta all'UCSF 30 anni fa, l'idea che avremmo una visione così bella di bersagli farmacologici cruciali e sottili come il recettore D4 della dopamina, e che potremmo sfruttarlo in modo così rapido ed efficace, era lontano dalla mente di nessuno. Ma il National Institutes of Health ha investito per decenni in queste linee di ricerca di base. Ora che lo sforzo di ricerca a lungo termine sta iniziando a dare i suoi frutti nella capacità di eseguire lo screening computazionale di nuovi obiettivi GPCR e trovare nuovi ed entusiasmanti indizi chimici per la biologia e per la scoperta di farmaci".