På ett eller annat sätt, många psykiatriska läkemedel verkar genom att binda till receptormolekyler i hjärnan som är känsliga för signalsubstansen dopamin, en kemisk signal som är central för hur våra upplevelser formar vårt beteende. Men eftersom forskare fortfarande inte förstår skillnaderna mellan de många typerna av dopaminreceptorer som finns på hjärnceller, de flesta av dessa droger är "stökiga, " binder till flera olika dopaminreceptormolekyler och leder till allvarliga biverkningar som sträcker sig från rörelsestörningar till patologiskt spelande.

Nu, forskare vid UC San Francisco, University of North Carolina-Chapel Hill, och Stanford University rapporterar ett stort steg framåt mot att designa mer kraftfulla psykiatriska läkemedel med färre biverkningar.

Som rapporterades online den 19 oktober, 2017 in Vetenskap , teamet har bestämt ("löst" i strukturbiologins terminologi) kristallstrukturen för en specifik dopaminreceptor som kallas D4 med en otroligt hög upplösning - den högsta för något dopamin, serotonin, eller epinefrin (aka adrenalin) receptor hittills - vilket gör det möjligt för dem att designa en ny förening som bara binder tätt till D4 och ingen av de andra 320 receptorerna de testade.

Tidigare i år, samma team löste kristallstrukturen för LSD bunden till en serotoninreceptor för att lära sig varför syraresor varar så länge och hur man kanske kan justera läkemedlet för att vara mindre potent.

D4-dopaminreceptorn har varit inblandad i uppmärksamhetsbrist/hyperaktivitetsstörning (ADHD), cancermetastaser, och till och med erektil dysfunktion. Liknande dopaminreceptorsubtyper är avgörande faktorer vid tillstånd inklusive schizofreni, missbruk, Alzheimers sjukdom, depression, och Parkinsons sjukdom. Dock, det finns för närvarande få specifika läkemedel för D4-subtypen som kan rikta in sig på den och den ensam, vilket har hindrat forskare från att isolera den specifika funktionen hos D4 jämfört med andra dopaminreceptorer. Aktuella läkemedel som riktar sig mot dopaminreceptorer orsakar också biverkningar som Parkinsons-liknande rörelsestörningar.

"Vi har nu möjligheten att få en kristallklar bild av dessa receptorer för att se detaljer som aldrig förr, " sa co-senior författare Bryan L. Roth, MD, PhD, Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics vid UNC School of Medicine. "Det är nyckeln. Att se dessa detaljer gjorde det möjligt för oss att skapa en förening som bara binder tätt till en sorts receptor. Vårt slutmål är att undvika så kallade "scattershot-läkemedel" som träffar många oönskade receptorer och orsakar allvarliga och potentiellt dödliga biverkningar ."

Brian Shoichet, PhD, co-senior författare och professor i farmaceutisk kemi vid UCSF:s School of Pharmacy, sa, "Våra beräkningsmodelleringsmöjligheter gjorde det möjligt för oss att virtuellt screena över 600, 000 föreningar mycket snabbare än traditionella screeningmetoder och skapar en hierarki av föreningar som potentiellt endast binder till D4-dopaminreceptorn. Vårt arbete för att skapa bättre droger är långt ifrån över, men de datorbaserade screeningverktygen som används här blir ett allt mer pålitligt verktyg i vår arsenal."

Samarbetspartners knäcker fallet med hjälp av kristaller och datorer

Dopaminreceptorer är en del av en stor familj av molekyler som kallas G-proteinkopplade receptorer, eller GPCR, som är de avsedda målen för cirka 35 procent av alla läkemedel på marknaden. Trots deras betydelse, mycket lite är känt om strukturerna för de allra flesta GPCR, inklusive D4 och andra dopaminreceptorer, vilket gör det utmanande att designa mer exakta läkemedel med färre biverkningar.

Vanligtvis, forskare har löst den kemiska strukturen hos proteiner med en teknik som kallas röntgenkristallografi:de får proteinet att kondensera till ett tätt packat kristallgitter, skjut sedan röntgenstrålar mot kristallen och kan beräkna proteinets struktur från de resulterande diffraktionsmönstren. Dock, att få D4-proteinet att kristallisera med ett läkemedel bundet till det – för att fastställa receptorns verkningsställe – hade visat sig vara en olöst utmaning.

För att lösa den högupplösta strukturen i D4, Roth lab postdoc Sheng Wang, PhD, och Daniel Wacker, PhD, - två av tre förstaförfattare - genomförde en serie intensiva experiment under tre år för att få D4-receptorn att kristallisera. De löste upp receptormolekyler i vattenbaserade buffertar och tog sedan långsamt bort vattnet. Sedan, för att vara säker på att receptorerna satt helt stilla så att de kunde avbildas, Wang och Wacker använde en mängd experimentella knep - som beskrivs i Vetenskap papper - för att försiktigt dra ut vatten vid exakt rätt förhållanden tills receptorerna packades tätt i kristaller som sedan kunde bombarderas med röntgenstrålar. Resultatet var den första superhögupplösta bilden någonsin av den kemiska arkitekturen hos D4 bunden till det antipsykotiska läkemedlet nemonapride.

"Vi var tvungna att få en högupplöst struktur som denna så att vi kunde se exakt hur en förening kan binda till D4, " Sa Wang. "Det är som att se detaljer i ett fotografi som du bara inte kunde se om inte fotot var superhög upplösning. När vi väl hade det, vi samarbetade med våra UCSF-kollegor för att beräkningsscreena efter föreningar som potentiellt kan binda till denna receptor men inte andra."

Anat Levit, PhD, en postdoc i Shoichets labb vid UCSF och den tredje förstaförfattaren, ledde beräkningsmodelleringen och upptäckten av nya föreningar, i samarbete med medförfattaren Ron Dror, PhD, och hans Stanford-labb.

"Teoretiskt sett, det finns ett nästan oändligt antal kemiska föreningar som kan göras, och detta kemiska utrymme är enormt och till stor del outforskat. Dock, vi har stora bibliotek med virtuella sammansättningar som åtminstone kan komma in i det här utrymmet, " sa Levit. "Med den nya högupplösta strukturen och vårt beräkningsmodelleringsprogram, vi passar var och en av 600, 000 virtuella föreningar till dopamin/nemonaprid-bindningsstället för D4-receptorn, som du kan passa in kandidatpusselbitar i ett delvis konstruerat pussel."

Levit och kollegor i Shoichet-labbet utvärderade alla 600, 000 av dessa kemiska "pusselbitar" för att se hur väl de passar in i den fullständiga D4-receptorn som Roths labbteam hade löst. När de väl hade identifierat de tio bästa kandidatföreningarna som datormodellering pekade på som troliga bindningspartner till D4-receptorn, de skickade tillbaka dem till Wang och Wacker för att testa experimentellt i labbet.

Laboratoriet från Roth fann att två av föreningarna verkligen passar in i D4-receptorn, men gjorde det relativt löst.

"De första två föreningarna var bara startpunkter, " Sa Wacker. "Ett läkemedel eller till och med en "sond" som används för att utforska biologin av receptorn måste passa receptorn tätt. En förening måste förbli fäst under en tid för att ha en effekt inuti cellen."

Forskningen studsade sedan fram och tillbaka mellan datormodellerarna vid UCSF och experimentlabbet vid UNC-Chapel Hill för att designa och testa dussintals nya kemiska föreningar som kan binda hårdare till D4-receptorn.

Till sist, genom att mixtra med kemiska länkar och joniska attraktioner här, lägga till nya kemiska grupper där, Levit identifierade en virtuell förening - förening UCSF924 - som datorsimuleringar föreslog kunde binda extremt hårt till D4-receptorn. När man testade denna förening i labbet, Wang bekräftade att molekylen kunde binda till D4-receptorn 1000 gånger starkare än de ursprungliga virtuella föreningarna.

D4-specifik förening hjälper forskare att förstå, och en dag drog, specifika dopaminreceptorer

Forskarna planerar nu att testa sin nya förening i djurmodeller för att bestämma exakt hur den aktiverar D4-receptorn, och hur enbart aktivering av D4-receptorn förändrar hjärnans funktion.

"Ingen vet exakt vad D4-receptorn gör, "Wang sa. "Den höga specificiteten och höga styrkan hos denna nya förening kommer att tillåta oss att börja ta itu med detta för första gången."

Teamet planerar också att använda den mycket selektiva UCSF924-föreningen för att lära sig mer detaljer om hur befintliga läkemedel fungerar genom att förändra specifika cellulära vägar inuti celler.

"Detta arbete har konsekvenser utöver D4, " sa Wacker. "Till exempel, antipsykotika är smutsiga läkemedel; de slår allt. För att bättre förstå dem och förbättra dem, vi måste förstå vad de gör vid varje enskilt mål de träffar. Vårt arbete är ett viktigt steg mot det målet."

Shoichet lade till, "Medan UCSF924 är långt ifrån ett läkemedel, det är en stor sond, och vi gör det öppet tillgängligt för samhället via Sigma-Aldrich, som SML2022."

När man ser tillbaka på framstegen på detta område, Shoichet sa, "När struktur- och datorbaserade skärmar först utvecklades vid UCSF för 30 år sedan, tanken att vi skulle ha så vackra vyer av läkemedelsmål så avgörande och subtila som dopamin D4-receptorn, och att vi kunde utnyttja det så snabbt och effektivt, var långt ifrån någons sinne. Men National Institutes of Health investerade i dessa linjer av grundforskning i årtionden. Nu börjar den långsiktiga forskningsinsatsen ge resultat i förmågan att beräkningsmässigt screena nya GPCR-mål och hitta nya och spännande kemiska leads för biologi och för läkemedelsupptäckt."