Picrotoxinin, ett toxin som härrör från växter som asiatiska fiskare traditionellt har använt för att förlama och fånga fisk, har länge setts som en möjlig utgångspunkt för nya humanterapier och andra neuroaktiva produkter.
Ändå har små framsteg gjorts på grund av pikrotoxinins kemiska instabilitet och toxicitet och svårigheten att göra och modifiera dess komplexa struktur. Men kemister vid Scripps Research har hittat ett relativt enkelt sätt att göra versioner av pikrotoxinin med förbättrade egenskaper.
I en studie publicerad i Nature Communications , visade forskarna att nära kemiska varianter av pikrotoxinin som innehåller en enda liten modifiering har bättre kemisk stabilitet, är mycket lättare att tillverka och modifiera och är säkrare för människor. Detta öppnar dörren för att utveckla nya neurologiska läkemedel, säkrare bekämpningsmedel och till och med antiparasitbehandlingar.
"Bara en liten förändring av naturprodukten ger den egenskaper som har varit svårfångade i årtionden", säger seniorförfattaren Ryan Shenvi, Ph.D., professor vid Institutionen för kemi vid Scripps Research.
Den första författaren var Guanghu Tong, Ph.D., en postdoktorand forskningsassistent vid Shenvi Lab under studien.
Picrotoxinin kommer från fröna - ofta kallade "fiskbärs" frön på grund av deras användning av fiskare - av Anamirta cocculus, en växt som finns i delar av Sydostasien och Indien. Toxinet blockerar kraftfullt aktiviteten hos neuronala receptorer som finns i de flesta högre organismer.
Hos däggdjur kallas dessa GABAA receptorer, och de finns i hela hjärnan, till stor del för att förhindra att andra neuroner blir överaktiva. Även vid små doser kan picrotoxinins blockering av dessa receptorer orsaka anfall och dödligt störa nervsignalerna som styr andningen.
Det kan tyckas motsägelsefullt att kemister skulle vända sig till gifter för att tillverka nya läkemedel, men många växtgifter, förutom att träffa önskvärda mål, har redan goda läkemedelsliknande egenskaper som att nå sina mål via oral dosering.
När det gäller pikrotoxinin skulle kemister vilja modifiera det för att utveckla läkemedel för psykiatriska och neurologiska störningar, säkra och effektiva bekämpningsmedel och antiparasitläkemedel och laboratorieverktyg för att manipulera GABA exakt A receptorer. Problemet har varit att pikrotoxinins andra kemiska egenskaper, såsom dess syntetiska svårighet och tendens att reagera med vanliga lösningsmedel, har gjort det utomordentligt svårt att tämja.
Shenvis labb använder organisk kemi för att övervinna sådana utmaningar och hitta sätt att förbättra naturliga produkter. I flera år har han och hans team fokuserat på molekyler som riktar sig mot GABAA receptorer, och 2020 rapporterade de den kortaste organiska syntesen av pikrotoxinin någonsin.
I den studien fann de att de mycket lättare kunde syntetisera en förening som var nästan samma som pikrotoxinin. 5Me-pikrotoxinin, som de kallade det, kunde fortfarande binda till GABAA receptorer och skilde sig endast från sin kemiska kusin genom att lägga till ett kluster av atomer – kallat en metylgrupp – vid en nyckelposition på molekylen. Med tanke på denna enda strukturella förändring undersökte Shenvis team 5Me-picrotoxinins nya egenskaper för den nya studien.
Teamet syntetiserade två parallella uppsättningar av pikrotoxinin- och 5Me-pikrotoxininvarianter, vilket avgjorde hur frånvaron eller närvaron av metylgruppen förändrar molekylens stabilitet och receptorbindningsselektivitet.
De upptäckte att den metylerade versionen är kemiskt mycket stabilare, med en halveringstid i blodomloppet som verkar vara nästan tre gånger så stor som för vanligt pikrotoxinin. De fann också att 5Me-pikrotoxinin är mycket mindre benäget för reaktioner med vanliga lösningsmedel, inklusive alkoholer och syror. Medförfattarna Shuming Chen, Ph.D., biträdande professor i kemi vid Oberlin College, och hennes labbmedlem Anna Crowell förklarade detta med hjälp av beräkningsmodellering.
En annan överraskning var att den metylerade versionen har lägre styrka mot däggdjurs GABAA receptorer samtidigt som de behåller hög styrka mot insektsversioner av receptorn – precis vad man skulle vilja ha för en säker insektsdödande förening.
"Det faktum att pikrotoxinin riktar sig mot en familj av receptorer inklusive GABAA receptorer har varit kända i flera decennier, men det här är första gången vi har kunnat ändra dess selektivitet för dessa receptorer, säger Tong.
Experimenten med pikrotoxininvarianter och insektsreceptorer utfördes av samarbetande forskare vid Corteva Agriscience, utvecklare av skadedjursbekämpningsprodukter. Modeller byggda för studien av Cortevas beräkningskemist Avery Sader, Ph.D., föreslår ytterligare sätt att modifiera 5Me-picrotoxinin för att göra det mer selektivt för skadeinsekter och därmed säkrare för människor.
Forskarna planerar att fortsätta att syntetisera och undersöka nya varianter av 5Me-pikrotoxinin för deras potential att utvecklas till nya läkemedel och andra produkter.
Mer information: Guanghu Tong et al, C5-metylering ger tillgänglighet, stabilitet och selektivitet till pikrotoxinin, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44030-3
Tillhandahålls av The Scripps Research Institute
