De uma forma ou de outra, muitos medicamentos psiquiátricos atuam ligando-se a moléculas receptoras no cérebro que são sensíveis ao neurotransmissor dopamina, um sinal químico que é fundamental para a forma como nossas experiências moldam nosso comportamento. Mas porque os cientistas ainda não entendem as diferenças entre os muitos tipos de receptores de dopamina presentes nas células cerebrais, a maioria dessas drogas são "confusas, "ligação a várias moléculas receptoras de dopamina diferentes e levando a efeitos colaterais graves que variam de distúrbios do movimento ao jogo patológico.

Agora, pesquisadores da UC San Francisco, a Universidade da Carolina do Norte-Chapel Hill, e a Universidade de Stanford relatam um grande passo em direção ao desenvolvimento de drogas psiquiátricas mais poderosas com menos efeitos colaterais.

Conforme relatado online em 19 de outubro, Em 2017 Ciência , a equipe determinou ("resolvido" na terminologia da biologia estrutural) a estrutura cristalina de um receptor de dopamina específico chamado D4 em uma resolução incrivelmente alta - a mais alta para qualquer dopamina, serotonina, ou receptor de epinefrina (também conhecido como adrenalina) até agora - permitindo-lhes criar um novo composto que se liga fortemente apenas ao D4 e a nenhum dos outros 320 receptores testados.

No início deste ano, a mesma equipe resolveu a estrutura cristalina do LSD ligado a um receptor de serotonina para aprender por que as viagens com ácido duram tanto e como talvez ajustar a droga para ser menos potente.

O receptor de dopamina D4 tem sido implicado no transtorno de déficit de atenção / hiperatividade (TDAH), metástase de câncer, e até disfunção erétil. Subtipos semelhantes de receptores de dopamina são fatores cruciais em doenças, incluindo esquizofrenia, vício, Doença de Alzheimer, depressão, e doença de Parkinson. Contudo, existem atualmente poucos medicamentos específicos para o subtipo D4 que podem ter como alvo e apenas ele, o que impediu os pesquisadores de isolar a função específica do D4 em comparação com outros receptores de dopamina. Os medicamentos atuais que têm como alvo os receptores de dopamina também causam efeitos colaterais, como distúrbios de movimento semelhantes aos de Parkinson.

"Agora temos a capacidade de obter uma imagem nítida desses receptores para ver detalhes como nunca antes, "disse o co-autor sênior Bryan L. Roth, MD, PhD, o Michael Hooker Distinguished Professor of Protein Therapeutics and Translational Proteomics na UNC School of Medicine. "Essa é a chave. Ver esses detalhes nos permitiu criar um composto que se liga fortemente a apenas um tipo de receptor. Nosso objetivo final é evitar as chamadas 'drogas de dispersão' que atingem muitos receptores indesejados e causam efeitos colaterais graves e potencialmente fatais . "

Brian Shoichet, PhD, co-autor sênior e professor de química farmacêutica na Escola de Farmácia da UCSF, disse, "Nossos recursos de modelagem computacional nos permitiram examinar virtualmente mais de 600, 000 compostos muito mais rápidos do que os métodos de triagem tradicionais e criam uma hierarquia de compostos que potencialmente se ligam apenas ao receptor de dopamina D4. Nosso trabalho para criar medicamentos melhores está longe de terminar, mas as ferramentas de triagem baseadas em computador usadas aqui estão se tornando uma ferramenta cada vez mais confiável em nosso arsenal. "

Colaboradores resolvem o caso usando cristais e computadores

Os receptores de dopamina fazem parte de uma grande família de moléculas chamadas receptores acoplados à proteína G, ou GPCRs, que são os alvos pretendidos de aproximadamente 35 por cento de todos os medicamentos no mercado. Apesar de sua importância, muito pouco se sabe sobre as estruturas da grande maioria dos GPCRs, incluindo D4 e outros receptores de dopamina, tornando difícil projetar drogas mais precisas com menos efeitos colaterais.

Tipicamente, cientistas resolveram a estrutura química das proteínas usando uma técnica chamada cristalografia de raios-X:eles fazem com que a proteína se condense em uma estrutura de cristal compacta, em seguida, atire raios-x no cristal e pode calcular a estrutura da proteína a partir dos padrões de difração resultantes. Contudo, fazer a proteína D4 cristalizar com uma droga ligada a ela - a fim de localizar o local de ação do receptor - provou ser um desafio não resolvido.

Para resolver a estrutura de alta resolução do D4, Sheng Wang, pós-doutorado do Roth Lab, PhD, e Daniel Wacker, PhD, - dois dos três co-autores - conduziram uma série de experimentos intensos ao longo de três anos para que o receptor D4 se cristalizasse. Dissolveram moléculas receptoras em tampões à base de água e, em seguida, removeram lentamente a água. Então, para ter certeza de que os receptores estavam perfeitamente parados para que pudessem ser fotografados, Wang e Wacker empregaram uma variedade de truques experimentais - descritos no Ciência papel - para extrair cuidadosamente a água nas condições exatas até que os receptores fossem compactados em cristais que poderiam ser bombardeados com raios-x. O resultado foi a primeira imagem de super alta resolução da arquitetura química do D4 ligada ao medicamento antipsicótico nemonaprida.

"Tivemos que obter uma estrutura de alta resolução como esta para que pudéssemos ver exatamente como um composto pode se ligar ao D4, "Disse Wang." É como ver detalhes em uma fotografia que você simplesmente não poderia ver, a menos que a foto fosse super alta resolução. Uma vez que tínhamos isso, nós nos associamos com nossos colegas da UCSF para rastrear computacionalmente os compostos que podem se ligar a este receptor, mas não a outros. "

Anat Levit, PhD, um pós-doutorado no laboratório de Shoichet na UCSF e o terceiro co-primeiro autor, liderou a modelagem computacional e a descoberta de novos compostos, em colaboração com o co-autor Ron Dror, PhD, e seu laboratório de Stanford.

"Teoricamente, há um número quase infinito de compostos químicos que podem ser feitos, e este espaço químico é enorme e amplamente inexplorado. Contudo, temos grandes bibliotecas de compostos virtuais que, pelo menos, entram neste espaço, "Levit disse." Usando a nova estrutura de alta resolução e nosso programa de modelagem computacional, cabemos cada um de 600, 000 compostos virtuais no local de ligação dopamina / nemonaprida do receptor D4, já que você pode encaixar peças candidatas de um quebra-cabeça em um quebra-cabeça parcialmente construído. "

Levit e colegas do laboratório Shoichet avaliaram todos os 600, 000 dessas "peças do quebra-cabeça" químicas para ver se elas se encaixam bem no receptor D4 completo que a equipe do laboratório Roth resolveu. Depois de terem identificado os dez principais compostos candidatos que a modelagem por computador apontou como prováveis ​​parceiros de ligação com o receptor D4, eles os enviaram de volta para Wang e Wacker para testar experimentalmente no laboratório.

A equipe do laboratório Roth descobriu que dois dos compostos de fato se encaixam no receptor D4, mas o fez de maneira relativamente livre.

"Os dois compostos iniciais foram apenas pontos de partida, "Wacker disse." Uma droga ou mesmo uma 'sonda' usada para explorar a biologia do receptor deve se ajustar firmemente ao receptor. Um composto precisa permanecer ligado por um período de tempo para ter um efeito dentro da célula. "

A pesquisa então oscilou entre os modeladores de computador da UCSF e o laboratório experimental da UNC-Chapel Hill para projetar e testar dezenas de novos compostos químicos que poderiam se ligar mais fortemente ao receptor D4.

Finalmente, mexendo com ligações químicas e atrações iônicas aqui, adicionar novos grupos químicos lá, Levit identificou um composto virtual - composto UCSF924 - que as simulações de computador sugeriram que poderia se ligar fortemente ao receptor D4. Ao testar este composto no laboratório, Wang confirmou que a molécula pode se ligar ao receptor D4 1000 vezes mais poderosamente do que os compostos virtuais iniciais.

O composto específico de D4 ajudará os pesquisadores a entender, e um dia droga, receptores de dopamina específicos

Os pesquisadores agora planejam testar seu novo composto em modelos animais para determinar exatamente como ele ativa o receptor D4, e como a ativação do receptor D4 por si só altera a função cerebral.

"Ninguém sabe o que o receptor D4 faz precisamente, "Wang disse." A alta especificidade e alta potência deste novo composto nos permitirá começar a lidar com isso pela primeira vez. "

A equipe também planeja usar o composto UCSF924 altamente seletivo para aprender mais detalhes de como os medicamentos existentes funcionam, alterando as vias celulares específicas dentro das células.

“Este trabalho tem implicações além do D4, "Wacker disse." Por exemplo, os antipsicóticos são drogas sujas; eles acertam tudo. Para melhor entendê-los e melhorá-los, precisamos entender o que eles fazem em cada alvo que atingem. Nosso trabalho é um passo importante em direção a esse objetivo. "

Shoichet adicionado, "Considerando que UCSF924 está longe de ser uma droga, é uma ótima sonda, e estamos disponibilizando abertamente para a comunidade via Sigma-Aldrich, como SML2022. "

Olhando para trás, o progresso neste campo, Shoichet disse, "Quando telas baseadas em estrutura e computador foram desenvolvidas pela primeira vez na UCSF há 30 anos, a ideia de que teríamos visões tão bonitas de alvos de drogas tão cruciais e sutis quanto o receptor D4 da dopamina, e que poderíamos explorá-lo de forma rápida e eficaz, estava longe da mente de ninguém. Mas o National Institutes of Health investiu nessas linhas de pesquisa básica por décadas. Agora que o esforço de pesquisa de longo prazo está começando a render frutos na capacidade de rastrear computacionalmente novos alvos GPCR e encontrar novas e excitantes pistas químicas para a biologia e para a descoberta de drogas. "