Chemically diverse antagonists inhibit human TRPV1 through ligand-specific interaction networks

Il dolore è un segnale complesso, un sistema di allarme che avverte il corpo quando qualcosa è caldo, tagliente o dannoso. Per decenni, gli scienziati hanno studiato una specifica proteina nelle nostre cellule nervose, chiamata TRPV1, per capire come funziona questo sistema di allarme e come disattivarlo quando il dolore diventa cronico. Questa proteina agisce come un guardiano, aprendo un canale per lasciare che i segnali elettrici fluiscano quando rileva il calore o certe sostanze chimiche, come la capsaicina presente nei peperoncini. Sebbene i farmaci in grado di bloccare questo guardiano potrebbero offrire un potente sollievo senza i rischi di dipendenza associati agli oppioidi, i tentativi precedenti sono inciampati. Il problema principale è stato che questi bloccanti spesso interrompevano la capacità naturale del corpo di percepire la temperatura, causando febbri pericolose o una perdita della sensazione di calore. Per progettare medicinali migliori, i ricercatori avevano bisogno di vedere esattamente come diversi farmaci bloccano questo cancello dall'interno, ma fino ad ora mancavano immagini chiare della versione umana di questa proteina che tiene questi specifici bloccanti.

Un team di ricercatori ha ora esaminato con alta risoluzione la proteina umana TRPV1, catturando immagini di essa legata a diversi candidati farmaci, inclusi alcuni che sono stati testati nell'uomo. Utilizzando una potente tecnica di imaging che permette di vedere i singoli atomi, gli scienziati hanno risolto le strutture della proteina con quattro diversi antagonisti — molecole progettate per impedire al canale di aprirsi. Hanno anche studiato come si comporta la proteina quando è vuota e quando è trattenuta da una versione modificata della capsaicina che agisce come un bloccante invece che come un attivatore. Confrontando questi scatti, il team ha scoperto che la tasca interna della proteina, dove si legano i farmaci, è molto più flessibile di quanto precedentemente ipotizzato. Può allungarsi e rimodellarsi per contenere forme chimiche molto diverse, eppure, nonostante questi diversi modi di legarsi, ogni singolo farmaco costringe il canale nello stesso stato chiuso e inattivo.

Lo studio è iniziato esaminando un cambiamento semplice: sostituire un singolo atomo di idrogeno in una molecola di capsaicina con un atomo di iodio più grande. Questa minuscola sostituzione, che aggiunge solo un atomo pesante alla struttura, trasforma la molecola da un potente induttore di dolore in un potente bloccante del dolore. I ricercatori hanno scoperto che questo atomo di iodio agisce come un cuneo fisico all'interno della tasca di legame della proteina. Esso spinge contro una parte specifica dell'ingranaggio interno del canale, impedendo al cancello di aprirsi anche se la molecola si trova nello stesso punto della capsaicina originale. Ciò ha rivelato un meccanismo critico: per fermare il canale, un farmaco non ha bisogno di tirare il cancello per chiuderlo dall'esterno; può semplicemente incastrare gli ingranaggi interni in modo che non possano girare.

Il team ha poi esaminato altri tre farmaci che sono chimicamente molto diversi dalla capsaicina e tra di loro. Uno di questi, un farmaco chiamato Asivatrep, è stato trovato legato in un modo che lascia un piccolo spazio nella tasca, che viene poi riempito da una molecola lipidica — un componente simile ai grassi della membrana cellulare. Ciò suggerisce che il farmaco e i grassi naturali della cellula possano lavorare insieme per bloccare il canale. Un altro farmaco, Mavatrep, si inserisce in uno spazio molto più stretto e compatto, mentre un terzo, JNJ-17203212, si lega senza toccare un amminoacido chiave su cui la maggior parte degli altri farmaci fa affidamento. Nonostante questi modi estremamente diversi di posizionarsi nella tasca, tutti e tre i farmaci riescono a forzare il canale in una posizione chiusa. I ricercatori hanno confermato questi risultati strutturali testando i farmaci in cellule viventi, mostrando che tutti bloccano efficacemente l'apertura del canale, anche se utilizzano strategie molecolari differenti per arrivarci.

La scoperta più sorprendente è stata che le regole che gli scienziati ritenevano necessarie per bloccare il canale non erano in realtà richieste. Per anni, si è creduto che un farmaco dovesse rompere un ponte chimico specifico all'interno della proteina per impedirne il funzionamento. Tuttavia, le nuove immagini hanno mostrato che uno dei farmaci, Mavatrep, mantiene intatto questo ponte pur riuscendo con successo a chiudere il cancello. Allo stesso modo, un altro farmaco, JNJ-17203212, riesce a bloccare il canale senza toccare un amminoacido specifico che si riteneva fosse essenziale per il legame. Ciò significa che la proteina ha molteplici modi per essere spenta, e il percorso verso uno stato chiuso non è un binario unico e rigido, ma un paesaggio flessibile che diversi farmaci possono navigare nei propri modi unici.

I ricercatori hanno anche testato come il cambiamento di parti specifiche della proteina influenzasse i farmaci. Quando hanno alterato gli amminoacidi che i farmaci venivano visti toccare nelle immagini, i farmaci hanno perso la loro capacità di legarsi, ma solo per i farmaci specifici che toccavano quei punti. Ciò ha confermato che le diverse forme chimiche dei farmaci si affidano a diversi set di contatti per aggrapparsi. Lo studio ha anche evidenziato come la versione umana di questa proteina si comporti diversamente dalle versioni trovate nei ratti, il che spiega perché alcuni farmaci che funzionavano bene negli animali siano falliti nei trial clinici sull'uomo. Concentrandosi sulla struttura umana, il team ha fornito una mappa più accurata per la futura progettazione di farmaci.

Questi risultati suggeriscono che la strada verso un migliore sollievo dal dolore risieda nello sfruttare questa flessibilità. Poiché la proteina può accogliere molte forme diverse e comunque raggiungere lo stesso risultato — ovvero chiudere il cancello — gli scienziati possono ora progettare farmaci che mirino alle interazioni specifiche necessarie per bloccare il dolore senza scatenare gli effetti collaterali relativi alla percezione della temperatura. Il lavoro dimostra che un'alta potenza non richiede un incastro unico e perfetto, quanto piuttosto la capacità di trovare uno stato chiuso stabile attraverso varie rotte. Comprendendo questi diversi modi in cui il canale umano TRPV1 può essere bloccato, i ricercatori possono ora puntare a creare la prossima generazione di antidolorifici che offrano sollievo senza la pericolosa perdita del controllo della temperatura che ha tormentato i tentativi precedenti.