In Silico and In Vitro Methods for Pharmacokinetic Analysis of Substituted Tryptamines as Microtubule Targeting Agents

Dentro de cada célula viva, una vasta e intrincada red de varillas microscópicas proporciona el marco estructural que mantiene unida a la célula y ayuda a su movimiento. Estas varillas, conocidas como microtúbulos, no son vigas estáticas sino estructuras dinámicas que se ensamblan y desensamblan constantemente, un proceso esencial para la división celular, la forma y el transporte de materiales dentro de la célula. Están construidas a partir de bloques de construcción proteicos llamados tubulina, que se ensamblan para formar filamentos largos. Debido a que estas estructuras son tan fundamentales para la vida, los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo diversas moléculas interactúan con ellas. Algunos fármacos conocidos, por ejemplo, funcionan bloqueando estos filamentos en su lugar o impidiendo que se formen en absoluto. Si bien muchas personas están familiarizadas con una clase específica de compuestos llamados triptaminas —moléculas que incluyen neurotransmisores naturales como la serotonina y sustancias psicoactivas famosas como la psilocibina y el LSD—, los científicos se han centrado principalmente en cómo estos compuestos afectan las señales químicas en la superficie de las células. Una pregunta persistente ha sido si estas mismas moléculas podrían también llegar al interior de la célula para interactuar directamente con el propio armazón de los microtúbulos, influyendo potencialmente en cómo la célula cambia y se adapta con el tiempo.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Waterloo se propuso responder a esta pregunta combinando el modelado computacional con experimentos de laboratorio para ver si las triptaminas sustituidas podían unirse a la tubulina y alterar la forma en que se forman los microtúbulos. Comenzaron creando una biblioteca digital de 294 variaciones diferentes de estas moléculas de triptamina. Utilizando potentes simulaciones por computadora, probaron cómo cada una de estas moléculas podría encajar en siete puntos de acoplamiento conocidos en la proteína tubulina donde otros fármacos se sabe que se unen. Los resultados de este masivo cribado digital sugirieron que las triptaminas no se unían de forma aleatoria; en cambio, mostraron una fuerte preferencia por una región específica de la proteína tubulina, la misma área donde se une un fármaco llamado colchicina. Este hallazgo fue significativo porque insinuaba que estos compuestos psicoactivos podrían compartir un objetivo físico con agentes establecidos que actúan sobre los microtúbulos. Para asegurar que las moléculas seleccionadas para estudios posteriores pudieran alcanzar el cerebro de manera realista, los investigadores también realizaron predicciones computacionales sobre su capacidad para atravesar la barrera hematoencefálica, un filtro protector que separa el torrente sanguíneo del sistema nervioso central. Varias de las mejores candidatas del cribado fueron predichas con capacidad para atravesar esta barrera, lo que las convierte en sujetos viables para una investigación más profunda.

A partir del grupo inicial de 294 compuestos, los investigadores redujeron su enfoque a tres moléculas específicas: HIOC, benzotript y moschamina. Estas fueron elegidas porque mostraron la unión predicha más fuerte en los modelos computacionales y estaban disponibles para pruebas físicas. Para comprender cómo se comportaban estas moléculas en un entorno más realista, el equipo realizó simulaciones detalladas de dinámica molecular. A diferencia de las instantáneas estáticas del cribado inicial, estas simulaciones permitieron que las moléculas se movieran e interactuaran con la proteína en un entorno fluido y lleno de agua, imitando las condiciones dentro de una célula viva. Las simulaciones confirmaron que las moléculas podían, de hecho, asentarse de forma estable dentro del bolsillo de unión de la proteína tubulina, siendo la moschamina uno de los compuestos que mostró un ajuste particularmente favorable. Sin embargo, los modelos computacionales solo pueden sugerir posibilidades; no pueden probar lo que sucede en un sistema biológico real. Para pasar de la predicción a la observación, los investigadores recurrieron a un experimento en un tubo de ensayo diseñado para observar cómo se ensamblan los microtúbulos en tiempo real.

En el laboratorio, el equipo mezcló la proteína tubulina pura con cada una de las tres triptaminas seleccionadas en diversas concentraciones y observó si los microtúbulos se formarían. Midieron la claridad de la solución a medida que las proteínas se ensamblaban en filamentos, un proceso que cambia la forma en que la luz se dispersa a través del líquido. Los resultados mostraron que las triptaminas sí influían en el proceso de ensamblaje, pero el efecto dependía en gran medida tanto de la molécula específica como de su concentración. Entre las tres, la benzotript produjo el cambio más drástico, alterando la formación de los microtúbulos con mayor fuerza que los otros dos candidatos. En algunos casos, el efecto de la benzotript fue tan pronunciado que superó incluso a un fármaco estándar conocido por estabilizar los microtúbulos. Para asegurar que estos cambios representaban la formación de filamentos de microtúbulos reales y saludables, en lugar de simplemente un agrupamiento de proteínas en grumos inútiles, los investigadores utilizaron un microscopio de alta potencia para tomar fotografías de las estructuras. Las imágenes revelaron que, bajo la influencia de las triptaminas, las proteínas formaban estructuras largas y filamentosas que parecían microtúbulos normales, en lugar de agregados amorfos. Esta confirmación visual fue crucial, ya que indicaba que los compuestos estaban interactuando genuinamente con la maquinaria celular para cambiar la forma en que se construyen estos filamentos.

El estudio concluye que ciertas triptaminas sustituidas son capaces de interactuar directamente con la proteína tubulina y pueden cambiar la forma en que los microtúbulos se ensamblan en un tubo de ensayo. Si bien los modelos computacionales sugirieron una preferencia por un sitio de unión específico, los experimentos de laboratorio confirmaron que esta interacción conduce a cambios físicos mensurables en el marco estructural de la célula. Los investigadores encontraron que estos efectos no son uniformes; varían dependiendo de qué variación química específica se utilice y de cuánta cantidad de ella esté presente. El compuesto benzotript destacó como el más potente de este grupo, impulsando los cambios más fuertes en el proceso de ensamblaje. Aunque el trabajo se llevó a cabo fuera de organismos vivos, los hallazgos proporcionan una nueva capa de comprensión sobre cómo estas moléculas psicoactivas podrían funcionar. Sugieren que, más allá de sus conocidos efectos en los receptores de la superficie celular, estos compuestos también pueden llegar al interior de la célula para influir en el mismísimo andamiaje que soporta la estructura y el movimiento celular. Esto abre la puerta a investigaciones adicionales para determinar exactamente cómo ocurren estas interacciones y qué papel podrían desempeñar en los efectos más amplios que estas moléculas tienen sobre el cerebro y el cuerpo.