Opioider är kraftfulla smärtstillande medel som verkar på hjärnan, men de har en rad skadliga biverkningar inklusive beroende. Forskare från Max Planck Institute of Biochemistry (MPIB) i samarbete med forskare från Medical University of Innsbruck, Österrike, Universitetet i Innsbruck, och Lewis Katz School of Medicine vid Temple University (LKSOM), har utvecklat ett verktyg som ger djupare insikter i hjärnans svar på opioider. Med hjälp av masspektrometri, de bestämde förändringar av proteiners fosforyleringsmönster – proteiners molekylära switchar – i fem olika regioner av hjärnan och tilldelade dem de önskade och oönskade effekterna av opioidbehandling. Deras resultat, som publiceras i tidskriften Vetenskap , kommer att leda vägen för identifiering av nya läkemedelsmål och design av en ny klass av smärtstillande medel med färre biverkningar.

LKSOM-teamets deltagande i denna forskning leddes av Lee-Yuan Liu-Chen, Ph.D., Professor i farmakologi vid Centrum för missbruksforskning. Andra forskare som bidrar till studien från LKSOM är Chongguang Chen, en forskningsteknolog och Yi-Ting Chiu, en före detta postdoktor, i Dr Liu-Chens grupp i Center for Substance Abuse Research.

Signalkaskaderna som används av celler för att svara på yttre stimuli liknar ett företags kommandokedja. Aktivering av en receptor, som fungerar som chef för företaget, ger instruktioner till andra proteiner inuti cellerna, som fungerar som grupper av underordnade. Denna information överförs sedan till lägre nivåer av organisationsstrukturen via signalkaskader av andra interagerande proteiner. Som de anställda som utför olika uppgifter för att hålla ett företag igång, proteiner är de molekylära maskiner som utför majoriteten av funktionerna i cellerna. I celler, instruktioner förs vidare till andra proteiner genom att ändra funktionen hos dessa "cellulära anställda". Ett sätt att ändra funktionen är genom "fosforyleringar - bindningen av en fosfatmolekyl till proteiner. Genom att analysera alla molekylära switchar samtidigt, aktiviteten hos signalvägar i celler eller ett organ kan bestämmas. Att studera denna kommandokedja ger en mer exakt inblick i de processer som för närvarande förekommer inom celler än att studera DNA, den genetiska "blåkopian", vilket är nästan identiskt i alla celler.

Ögonblicksbild av proteinaktiviteter

Forskare i laboratoriet för MPIB-direktören och medförfattare till studien, Matthias Mann, använda masspektrometri – en metod som bestämmer identiteten och mängden av proteiner i ett prov – för att beskriva fosforyleringsmönster för tusentals proteiner i många organprover, en term myntad som fosfoproteomik. I den senaste studien, de analyserade aktiveringen av signalvägar i olika delar av hjärnan, svarar på opioidliknande droger. För att uppnå detta mål, forskarna använde en nyligen utvecklad metod som heter EasyPhos.

För att förstå hur droger som opioider fungerar, forskare måste känna till deras inflytande på hjärnan. "Med fosfoproteomik, vi kan analysera mer än 50, 000 fosforyleringsställen på en gång och få en ögonblicksbild av alla vägar som är aktiva i hjärnproverna under den tiden. Vi hittade mer än 1, 000 förändringar efter exponering för ett opioidliknande läkemedel, visar en global effekt av dessa läkemedel på signalering i hjärnan, " säger Jeffrey Liu, huvudförfattaren till studien. Tidigare metoder kunde inte fånga proteinfosforyleringar i jämförbar skala och missade många viktiga signalvägar som slogs på eller av.

Fosfoproteomik – ett mångsidigt verktyg

"I vår studie, vi tittade på aktivering av vägar i hjärnan som är ansvariga för önskade effekter av opioider som smärtstillande. I kontrast, den parallella aktiveringen av andra vägar orsakar oönskade biverkningar", säger Liu. Forskarna använde fosfoproteomik för att mäta hur aktiva dessa fördelaktiga och biverkningsorsakande vägar var. Christoph Schwarzer från Medical University i Innsbruck, som samarbetade med Liu och Mann för denna studie, fokuserar sin forskning på dessa opioidaktiverade signalkaskader i hjärnan. Under utvecklingen av nya läkemedel, dessa data kan användas för att identifiera potentiella substanser som ger starka terapeutiska fördelar och har få biverkningar. Dessutom, denna studie visar också löftet om att minska biverkningar genom att störa signalkaskader. Så denna studie introducerar ett nytt koncept för opioidbaserad terapi. Nuvarande läkemedel från opioidfamiljen är potenta smärtstillande medel men leder snabbt till beroende. Således, det finns ett akut behov av nya icke-beroendeframkallande opioider.

Att föreställa sig proteinerna i hjärnan som ett företag, phosphoproteomics gör att forskarna kan följa alla anställdas aktivitet på en gång istället för att fokusera på ett fåtal utvalda. Masspektrometri kan vara ett kraftfullt verktyg för att studera läkemedelsmål i hjärnan eller andra organ. Massspektrometriexperten Matthias Mann säger, "Den nuvarande epidemin av opioidrelaterade dödsfall i USA är ett chockerande exempel på de potentiella konsekvenserna av receptbelagda läkemedel med starka biverkningar som beroende. Med masspektrometri, vi kan få en global bild av effekterna av läkemedel och effektivisera utvecklingen av nya läkemedel med färre biverkningar." Mann förklarar att designen av nya läkemedel bara är en av många potentiella tillämpningar av fosfoproteomik och förutspår att metoden också kan användas att generera kunskap om hur celler använder sina kommandokedjor för att bearbeta information och effekterna på läkemedel i andra organ.

Dr Liu-Chens grupp utförde beteendeexperiment med två droger och fann att de har liknande smärtstillande effekter, men väldigt olika nivåer av biverkningar. Hjärnor från djur som behandlats med de två läkemedlen analyserades med MPIB för fosfoproteomiska skillnader, som visade sig tillhöra ett fåtal signalvägar. Hämning av en av de identifierade vägarna minskade avsevärt några av biverkningarna.