Itin atšaldytos smegenų ląstelių molekulės atskleidžia, kaip veikia vaistas nuo epilepsijos

Itin atšaldytos smegenų ląstelių molekulės atskleidžia, kaip veikia vaistas nuo epilepsijos

Psichologija

Puikiai atšaldę molekulę smegenų ląstelių paviršiuje iki maždaug minus 180 laipsnių Celsijaus – beveik dvigubai šalčiau nei šalčiausiose Antarktidos vietose – Johns Hopkins Medicine mokslininkai teigia išsiaiškinę, kaip plačiai naudojamas vaistas nuo epilepsijos slopina smegenų ląstelių jaudrumą ir padeda kontroliuoti, nors ir neišgydo, priepuolius.

Tyrimas, paskelbtas birželio 4 d Gamtos struktūrinė ir molekulinė biologija, nustato esminius ryšius tarp epilepsijos vaisto perampanelio aktyvumo ir atsirandančių AMPA receptoriaus – smegenų ląstelės paviršiaus molekulės – judesių. Tyrėjai teigia, kad išvados ilgainiui galėtų padėti kurti naujus vaistus, skirtus receptoriui gydyti kitas neurologines ligas, tokias kaip Alzheimerio liga, šizofrenija, mokymosi sutrikimai, smegenų vėžys, vadinamas glioblastoma, ir lėtinis skausmas.

AMPA receptorius vaidina lemiamą vaidmenį vienam iš gausiausių smegenų neuromediatorių – glutamatui – kuris aktyvuoja smegenų ląsteles (neuronus), jungdamasis su ląstelės paviršiuje esančiu baltymu (AMPA) į Pac-man panašiu ryšiu, kuriame AMPA receptoriai. sugerti glutamatą.

Iki keturių glutamato molekulių gali prisijungti prie vieno AMPA receptoriaus. Ryšys leidžia jonų (teigiamai įkrautų dalelių) antplūdžiui patekti į neuroną ir jį suaktyvinti (sužadinti).

„AMPA receptoriai ir glutamatas yra būtini daugeliui gyvenimo aspektų, įskaitant mokymosi, atminties ir patirties kodavimo procesus“, – sako Johnso Hopkinso universiteto medicinos mokyklos biofizikos ir biofizinės chemijos docentas Edwardas Twomey. „Dauguma neurologinių ligų tam tikru būdu siejasi su AMPA receptoriais ir glutamatu.

Twomey kreipėsi neuromokslininkas Richardas Huganiras, Ph.D., kuris 40 metų tiria AMPA receptorius, kad bendradarbiautų atliekant tyrimus, siekiant geriau suprasti receptorių struktūrą ir jų glutamato surišimo procesą.

Žinoma, kad per didelis AMPA receptorių aktyvavimas (sužadinimas) sukelia epilepsiją. Perampanelis, nukreiptas į AMPA receptorius, yra vienintelis JAV maisto ir vaistų administracijos patvirtintas vaistas, skirtas AMPA receptoriams, tačiau daugelis farmacijos kompanijų dirba su panašiais junginiais, teigia mokslininkai.






„Šis vaistas iš pradžių buvo atrastas devintajame dešimtmetyje, o tikslus jo mechanizmas buvo ilgai išliekanti paslaptis“, – sako Twomey.

„Mes žinome, kad šis vaistas neblokuoja ir neužstringa receptorių jonų kanaluose“, – sako Huganir, Bloomberg išskirtinis neurologijos ir psichologijos bei smegenų mokslų profesorius ir Solomon H. Snyderio Neurologijos departamento direktorius. Kiti mokslininkai nustatė, kur perampanelis jungiasi prie AMPA receptorių kišenėse aplink jonų kanalą, bet nerado būdo, kaip šis ryšys sutrikdytų jonų srautą.

Norėdami ištirti mechanizmą, mokslininkai kreipėsi į krioelektroninę mikroskopiją (cryoEM), kuri per pastaruosius du dešimtmečius išsivystė kaip galinga priemonė tirti struktūras, milijonus kartų mažesnius už žmogaus plauko plotį.

Johnso Hopkinso doktorantas W. Dylanas Hale'as, Ph.D., dirbantis Twomey ir Huganir laboratorijose, atliko daugumą eksperimentų ir analizės Beckmano CryoEM centre Johns Hopkins, kur jie puikiai atšaldo biologines molekules ir fotografuoja įvairiuose įrenginiuose. laiko taškais.

Tyrimo metu mokslininkai išanalizavo milijonus AMPA receptorių vaizdų smegenų ląstelėse iš pelių ir žiurkių modelių ir jų sąveiką su iš pradžių atrasta perampanelio vaisto versija GYKI-52466. „Šios sąveikos vyksta labai mažu mastu, maždaug nuo 1 iki 2 angstremų“, – sako Twomey.

Jie pažvelgė į GYKI-52466 vaisto surišimą su glutamatu ir be jo. Jie taip pat atliko elektrinius jonų srauto įrašus ir fiziologijos tyrimus su pelėmis, kad papildytų krioEM vaizdus.

Mokslininkai naudojo dirbtinio intelekto ir mašininio mokymosi įrankius, kad apibendrintų ir sujungtų cryoEM vaizdus į 3D receptorių rekonstrukciją.

Itin atšaldytos smegenų ląstelių molekulės atskleidžia, kaip veikia vaistas nuo epilepsijos

Kai glutamatas jungiasi prie AMPA receptoriaus vienoje iš keturių padėčių, receptoriaus grandinė nusileidžia ir atidaro jonų kanalą, sukeldama jonų srautą, panašiai kaip tempimo grandinė išleidžia vandenį iš dušo galvutės.

Tyrėjai nustatė, kad dvi iš keturių glutamato surišimo pozicijų yra svarbiausios GYKI-52466 vaisto gebėjime blokuoti jonų srautą.

„Vaistas jungiasi prie AMPA receptorių ir neleidžia atsidaryti jonų kanalui, blokuodamas glutamato gebėjimą traukti sruogą, kuri atidaro jonų kanalą“, – sako Twomey. „Atrodo, kad glutamato surišimo regionai atsiejami vienas nuo kito ir receptorius yra desensibilizuotas.”

Huganir taip pat planuoja dirbti su Twomey, kad naudotų cryoEM, kad ištirtų, kas nutinka AMPA receptoriui, kai jis mutuoja.

„Norime sužinoti, kas negerai su receptoriaus struktūra, kuri išjungia jo funkciją“, – sako Huganir. „Teoriškai galėtume sukurti vaistus, kad receptorius būtų aktyvesnis, kad būtų galima gydyti sąlygas, kai receptorių struktūra yra pakitusi.”

Be Hale, Twomey ir Huganir, mokslininkai, kurie prisidėjo prie darbo, yra Alejandra Montaño Romero ir Albert Lau iš Johns Hopkins ir Cuauhtemoc Gonzalez ir Vasanthi Jayaraman iš Teksaso universiteto sveikatos mokslų centro Hiustone.