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

À l'intérieur de chaque cellule vivante, un réseau vaste et complexe de tiges microscopiques fournit le cadre structurel qui maintient la cellule ensemble et l'aide à se déplacer. Ces tiges, connues sous le nom de microtubules, ne sont pas des poutres statiques mais des structures dynamiques qui s'assemblent et se désassemblent constamment, un processus essentiel pour la division cellulaire, la forme et le transport de matériaux au sein de la cellule. Elles sont construites à partir de blocs protéiques appelés tubuline, qui s'emboîtent pour former de longs filaments. Parce que ces structures sont si fondamentales pour la vie, les scientifiques étudient depuis longtemps la manière dont diverses molécules interagissent avec elles. Certains médicaments bien connus, par exemple, fonctionnent en verrouillant ces filaments en place ou en empêchant leur formation. Bien que beaucoup de gens soient familiers avec une classe spécifique de composés appelés tryptamines — des molécules qui incluent des neurotransmetteurs naturels comme la sérotonine et des substances psychoactives célèbres comme la psilocibine et le LSD — les scientifiques se sont principalement concentrés sur la façon dont ces composés affectent les signaux chimiques à la surface des cellules. Une question persistante était de savoir si ces mêmes molécules pourraient également atteindre l'intérieur de la cellule pour interagir directement avec le cadre des microtubules, influençant potentiellement la façon dont la cellule change et s'adapte au fil du temps.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Waterloo s'est donné pour mission de répondre à cette question en combinant la modélisation informatique et des expériences de laboratoire pour voir si des tryptamines substituées pouvaient se lier à la tubuline et altérer la formation des microtubules. Ils ont commencé par créer une bibliothèque numérique de 294 variations différentes de ces molécules de tryptamine. En utilisant de puissantes simulations informatiques, ils ont testé comment chacune de ces molécules pourrait s'insérer dans sept sites de docking connus de la protéine tubuline, là où d'autres médicaments sont connus pour se lier. Les résultats de ce criblage numérique massif ont suggéré que les tryptamines ne se liaient pas de manière aléatoire ; au contraire, elles montraient une préférence marquée pour une région spécifique de la protéine tubuline, la même zone où un médicament appelé colchicine s'attache. Cette découverte était significative car elle laissait entendre que ces composés psychoactifs pourraient partager une cible physique avec des agents ciblant les microtubules déjà établis. Pour s'assurer que les molécules sélectionnées pour une étude plus approfondie pourraient réalistement atteindre le cerveau, les chercheurs ont également effectué des prédictions informatiques sur leur capacité à traverser la barrière hémato-encéphalique, un filtre protecteur qui sépare le flux sanguin du système nerveux central. Plusieurs des meilleurs candidats issus du criblage ont été prédits capables de passer cette barrière, ce qui en fait des sujets viables pour une investigation plus profonde.

À partir du groupe initial de 294 composés, les chercheurs ont réduit leur attention à trois molécules spécifiques : l'HIOC, le benzotript et la moschamine. Celles-ci ont été choisies car elles présentaient la liaison prédite la plus forte dans les modèles informatiques et étaient disponibles pour des tests physiques. Pour comprendre comment ces molécules se comportaient dans un environnement plus réaliste, l'équipe a réalisé des simulations de dynamique moléculaire détaillées. Contra manirement aux instantanés statiques du criblage initial, ces simulations permettaient aux molécules de bouger et d'interagir avec la protéine dans un environnement fluide et rempli d'eau, imitant les conditions à l'intérieur d'une cellule vivante. Les simulations ont confirmé que les molécules pouvaient effectivement se loger de manière stable dans la poche de liaison de la protéine tubuline, l'un des composés, la moschamine, présentant un ajustement particulièrement favorable. Cependant, les modèles informatiques ne peuvent que suggérer des possibilités ; ils ne peuvent pas prouver ce qui se passe dans un système biologique réel. Pour passer de la prédiction à l'observation, les chercheurs se sont tournés vers une expérience en tube à essai conçue pour observer l'assemblage des microtubules en temps réel.

Dans le laboratoire, l'équipe a mélangé de la protéine tubuline pure avec chacune des trois tryptamines sélectionnées à diverses concentrations et a observé si les microtubules se formeraient. Ils ont mesuré la clarté de la solution à mesure que les protéines s'assemblaient en filaments, un processus qui modifie la façon dont la lumière se diffuse à travers le liquide. Les résultats ont montré que les tryptamines influençaient bel et bien le processus d'assemblage, mais que l'effet dépendait fortement de la molécule spécifique et de sa concentration. Parmi les trois, le benzotript a produit le changement le plus spectaculaire, modifiant la formation des microtubules plus fortement que les deux autres candidats. Dans certains cas, l'effet du benzotript était si prononcé qu'il surpassait même un médicament standard connu pour stabiliser les microtubules. Pour s'assurer que ces changements représentaient la formation de véritables filaments de microtubules sains plutôt qu'un simple agglomérat de protéines inutiles, les chercheurs ont utilisé un microscope haute puissance pour prendre des photos des structures. Les images ont révélé que, sous l'influence des tryptamines, les protéines formaient de longues structures filamenteuses qui ressemblaient à des microtubules normaux, plutôt qu'à des agrégats amorphes. Cette confirmation visuelle était cruciale, car elle indiquait que les composés interagissaient véritablement avec la machinerie cellulaire pour modifier la façon dont ces filaments sont construits.

L'étude conclut que certaines tryptamines substituées sont capables d'interagir directement avec la protéine tubuline et peuvent changer la façon dont les microtubules s'assemblent dans un tube à essai. Bien que les modèles informatiques aient suggéré une préférence pour un site de liaison spécifique, les expériences de laboratoire ont confirmé que cette interaction conduit à des changements physiques mesurables dans le cadre structurel de la cellule. Les chercheurs ont constaté que ces effets ne sont pas uniformes ; ils varient selon la variation chimique spécifique utilisée et la quantité de celle-ci présente. Le composé benzotript s'est distingué comme étant le plus puissant de ce groupe, entraînant les changements les plus forts dans le processus d'assemblage. Bien que les travaux aient été menés en dehors d'organismes vivants, les résultats apportent une nouvelle couche de compréhension sur la manière dont ces molécules psychoactives pourraient fonctionner. Ils suggèrent qu'au-delà de leurs effets bien connus sur les récepteurs de surface cellulaire, ces composés peuvent également atteindre l'intérieur de la cellule pour influencer l'échafaudage même qui soutient la structure et le mouvement cellulaires. Cela ouvre la voie à des recherches supplémentaires pour déterminer exactement comment ces interactions se produisent et quel rôle elles pourraient jouer dans les effets plus larges que ces molécules ont sur le cerveau et le corps.