Gli oppioidi sono potenti antidolorifici che agiscono sul cervello, ma hanno una serie di effetti collaterali dannosi, inclusa la dipendenza. Ricercatori dell'Istituto di biochimica Max Planck (MPIB) in collaborazione con ricercatori dell'Università di medicina di Innsbruck, Austria, Università di Innsbruck, e la Lewis Katz School of Medicine della Temple University (LKSOM), hanno sviluppato uno strumento che fornisce informazioni più approfondite sulla risposta del cervello agli oppioidi. Utilizzando la spettrometria di massa, hanno determinato i cambiamenti dei modelli di fosforilazione delle proteine ​​- gli interruttori molecolari delle proteine ​​- in cinque diverse regioni del cervello e li hanno assegnati agli effetti desiderati e indesiderati del trattamento con oppioidi. I loro risultati, che sono pubblicati sulla rivista Scienza , aprirà la strada all'identificazione di nuovi bersagli farmacologici e alla progettazione di una nuova classe di antidolorifici con minori effetti collaterali.

La partecipazione del team LKSOM a questa ricerca è stata guidata da Lee-Yuan Liu-Chen, dottorato di ricerca, Professore di Farmacologia presso il Centro per la ricerca sull'abuso di sostanze. Altri ricercatori che contribuiscono allo studio di LKSOM sono Chongguang Chen, un tecnologo di ricerca e Yi-Ting Chiu, un ex borsista post-dottorato, nel gruppo del Dr. Liu-Chen nel Centro per la ricerca sull'abuso di sostanze.

Le cascate di segnale utilizzate dalle cellule per rispondere agli stimoli esterni assomigliano alla catena di comando di un'azienda. Attivazione di un recettore, che funge da capo della società, dà istruzioni ad altre proteine ​​all'interno delle cellule, che agiscono come gruppi di subordinati. Queste informazioni vengono poi trasmesse ai livelli inferiori della struttura organizzativa tramite cascate di segnali di altre proteine ​​interagenti. Come i dipendenti che svolgono compiti diversi per mantenere un'azienda in funzione, le proteine ​​sono le macchine molecolari che svolgono la maggior parte delle funzioni nelle cellule. Nelle cellule, le istruzioni vengono passate ad altre proteine ​​modificando la funzione di questi "impiegati cellulari". Un modo per cambiare la funzione è "fosforilazioni, l'attaccamento di una molecola di fosfato alle proteine. Analizzando tutti gli interruttori molecolari allo stesso tempo, può essere determinata l'attività delle vie di segnalazione nelle cellule o in un organo. Lo studio di questa catena di comando fornisce una visione più precisa dei processi attualmente in corso all'interno delle cellule rispetto allo studio del DNA, il "progetto" genetico che è quasi identico in tutte le cellule.

Istantanea delle attività proteiche

Ricercatori nel laboratorio del direttore del MPIB e co-autore corrispondente dello studio, Mattia Mann, utilizzare la spettrometria di massa, un metodo che determina l'identità e la quantità di proteine ​​in un campione, per descrivere i modelli di fosforilazione di migliaia di proteine ​​in molti campioni di organi, un termine coniato come fosfoproteomica. Nel recente studio, hanno analizzato l'attivazione di vie di segnalazione in diverse regioni del cervello, risposta a farmaci simili agli oppioidi. Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo recentemente sviluppato chiamato EasyPhos.

Per capire come funzionano farmaci come gli oppioidi, i ricercatori devono conoscere la loro influenza sul cervello. "Con la fosfoproteomica, possiamo analizzare più di 50, 000 siti di fosforilazione contemporaneamente e ottenere un'istantanea di tutti i percorsi attivi nei campioni di cervello durante quel periodo. Abbiamo trovato più di 1, 000 cambiamenti dopo l'esposizione a un farmaco simile agli oppioidi, mostrando un effetto globale di questi farmaci sulla segnalazione nel cervello, "dice Jeffrey Liu, l'autore principale dello studio. I metodi precedenti non erano in grado di catturare le fosforilazioni proteiche su una scala comparabile e mancavano molti importanti percorsi di segnalazione che venivano attivati ​​o disattivati.

La fosfoproteomica:uno strumento versatile

"Nel nostro studio, abbiamo esaminato l'attivazione di percorsi nel cervello responsabili degli effetti desiderati degli oppioidi come l'antidolorifico. In contrasto, l'attivazione parallela di altre vie provoca effetti collaterali indesiderati", dice Liu. I ricercatori hanno utilizzato la fosfoproteomica per misurare quanto fossero attivi questi percorsi benefici e che causano effetti collaterali. Christoph Schwarzer dell'Università di Medicina di Innsbruck, che hanno collaborato con Liu e Mann per questo studio, concentra la sua ricerca su queste cascate di segnalazione attivate dagli oppioidi nel cervello. Durante lo sviluppo di nuovi farmaci, questi dati possono essere utilizzati per identificare potenziali sostanze che danno forti benefici terapeutici e hanno pochi effetti collaterali. Inoltre, questo studio mostra anche la promessa di ridurre gli effetti collaterali interferendo con le cascate di segnale. Quindi questo studio introduce un nuovo concetto per le terapie a base di oppioidi. Gli attuali farmaci della famiglia degli oppioidi sono potenti antidolorifici ma portano rapidamente alla dipendenza. Così, c'è un urgente bisogno di nuovi oppiacei che non creino dipendenza.

Immaginare le proteine ​​nel cervello come un'azienda, la fosfoproteomica consente ai ricercatori di seguire l'attività di tutti i dipendenti contemporaneamente invece di concentrarsi su pochi selezionati. La spettrometria di massa può essere un potente strumento per studiare i bersagli dei farmaci nel cervello o in altri organi. L'esperto di spettrometria di massa Matthias Mann afferma:"L'attuale epidemia di decessi correlati agli oppioidi negli Stati Uniti è un esempio scioccante delle potenziali conseguenze dei farmaci da prescrizione con forti effetti collaterali come la dipendenza. Con la spettrometria di massa, possiamo ottenere una visione globale degli effetti dei farmaci e semplificare lo sviluppo di nuovi farmaci con minori effetti collaterali." Mann spiega che la progettazione di nuovi farmaci è solo una delle tante potenziali applicazioni della fosfoproteomica e prevede che il metodo possa essere utilizzato anche per generare conoscenza su come le cellule usano le loro catene di comando per elaborare le informazioni e gli effetti sui farmaci in altri organi.

Il gruppo del Dr. Liu-Chen ha eseguito esperimenti comportamentali utilizzando due farmaci e ha scoperto che hanno effetti analgesici simili, ma livelli molto diversi di effetti collaterali. I cervelli degli animali trattati con i due farmaci sono stati analizzati da MPIB per differenze fosfoproteomiche, che sono risultati appartenere ad alcune vie di segnalazione. L'inibizione di uno dei percorsi identificati ha notevolmente ridotto alcuni degli effetti collaterali.