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

All'interno di ogni cellula vivente, una vasta e intricata rete di bastoncini microscopici fornisce l'impalcatura strutturale che tiene insieme la cellula e ne aiuta il movimento. Questi bastoncini, noti come microtubuli, non sono travi statiche ma strutture dinamiche che si assemblano e si disassemblano costantemente, un processo essenziale per la divisione cellulare, la forma e il trasporto di materiali all'interno della cellula. Sono costruiti da blocchi proteici chiamati tubulina, che si incastrano tra loro per formare lunghi filamenti. Poiché queste strutture sono così fondamentali per la vita, gli scienziati studiano da tempo come varie molecole interagiscano con esse. Alcuni farmaci ben noti, ad esempio, agiscono bloccando questi filamenti in posizione o impedendo loro di formarsi del tutto. Mentre molte persone sono familiarizzate con una specifica classe di composti chiamati triptamine — molecole che includono neurotrasmettitori naturali come la serotonina e famose sostanze psicoattive come la psilocibina e l'LSD — gli scienziati si sono concentrati principalmente su come questi composti influenzino i segnali chimici sulla superficie delle cellule. Una domanda persistente è stata se queste stesse molecole possano anche raggiungere l'interno della cellula per interagire direttamente con l'impalcatura dei microtubuli, influenzando potenzialmente il modo in cui la cellula cambia e si adatta nel tempo.

Un team di ricercatori dell'Università di Waterloo ha cercato di rispondere a questa domanda combinando la modellazione informatica con esperimenti di laboratorio per vedere se le triptamine sostituite potessero legarsi alla tubulina e alterare il modo in cui i microtubuli si formano. Hanno iniziato creando una libreria digitale di 294 diverse variazioni di queste molecole di triptamina. Utilizzando potenti simulazioni informatiche, hanno testato come ciascuna di queste molecole potesse incastrarsi in sette noti siti di aggancio sulla proteina tubulina dove altri farmaci sono noti per legarsi. I risultati di questo massicciamente digitale screening hanno suggerito che le triptamine non si legassero casualmente; al contrario, mostravano una forte preferenza per una regione specifica della proteina tubulina, la stessa area in cui si attacca un farmaco chiamato colchicina. Questo risultato è stato significativo perché suggeriva che questi composti psicoattivi potessero condividere un bersaglio fisico con agenti stabiliti che mirano ai microtubuli. Per garantire che le molecole selezionate per ulteriori studi potessero realisticamente raggiungere il cervello, i ricercatori hanno anche eseguito previsioni informatiche sulla loro capacità di attraversare la barriera emato-encefalica, un filtro protettivo che separa il sangue dal sistema nervoso centrale. Diversi dei migliori candidati dallo screening sono stati predetti capaci di passare attraverso questa barriera, rendendoli soggetti validi per un'indagine più approfondita.

Dal pool iniziale di 294 composti, i ricercatori hanno ristretto il campo a tre molecole specifiche: HIOC, benzotript e moschamina. Queste sono state scelte perché mostravano il legame previsto più forte nei modelli informatici e per la loro disponibilità per i test fisici. Per comprendere come queste molecole si comportassero in un ambiente più realistico, il team ha eseguito simulazioni dettagliate di dinamica molecolare. A differenza degli scatti statici dello screening iniziale, queste simulazioni permettevano alle molecole di muoversi e interagire con la proteina in un ambiente fluido e pieno d'acqua, imitando le condizioni all'interno di una cellula vivente. Le simulazioni hanno confermato che le molecole potevano effettivamente sedersi stabilmente all'interno della tasca di legame della proteina tubulina, con uno dei composti, la moschamina, che mostrava una corrispondenza particolarmente favorevole. Tuttavia, i modelli informatici possono solo suggerire possibilità; non possono provare ciò che accade in un vero sistema biologico. Per passare dalla previsione all'osservazione, i ricercatori si sono rivolti a un esperimento in provetta progettato per osservare l'assemblaggio dei microtubuli in tempo reale.

In laboratorio, il team ha mescolato la proteina tubulina pura con ciascuna delle tre triptamine selezionate a varie concentrazioni e ha osservato se i microtubuli si sarebbero formati. Hanno misurato la chiarezza della soluzione mentre le proteine si assemblavano in filamenti, un processo che cambia il modo in cui la luce si diffonde attraverso il liquido. I risultati hanno mostrato che le triptamine influenzavano effettivamente il processo di assemblaggio, ma l'effetto dipendeva fortemente sia dalla specifica molecola che dalla sua concentrazione. Tra i tre, il benzotript ha prodotto il cambiamento più drammatico, alterando la formazione dei microtubuli più fortemente degli altri due candidati. In alcuni casi, l'effetto del benzotript era così pronunciato da superare persino un farmaco standard noto per stabilizzare i microtubuli. Per garantire che questi cambiamenti rappresentassero la formazione di effettivi filamenti di microtubuli sani piuttosto che un semplice raggruppamento di proteine in masse inutili, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio ad alta potenza per scattare foto delle strutture. Le immagini hanno rivelato che, sotto l'influenza delle triptamine, le proteine formavano lunghe strutture simili a fili che apparivano come normali microtubuli, piuttosto che aggregati amorfi. Questa conferma visiva è stata cruciale, poiché indicava che i composti stavano realmente interagendo con il macchinario cellulare per cambiare il modo in cui questi filamenti vengono costruiti.

Lo studio conclude che alcune triptamine sostituite sono in grado di interagire direttamente con la proteina tubulina e possono cambiare il modo in cui i microtubuli si assemblano in una provetta. Sebbene i modelli informatici suggerissero una preferenza per un sito di legame specifico, gli esperimenti di laboratorio hanno confermato che questa interazione porta a cambiamenti fisici misurabili nella struttura cellulare. I ricercatori hanno scoperto che questi effetti non sono uniformi; variano a seconda della specifica variazione chimica utilizzata e di quanta di essa è presente. Il composto benzotript si è distinto come il più potente in questo gruppo, guidando i cambiamenti più forti nel processo di assemblaggio. Sebbene il lavoro sia stato condotto al di fuori di organismi viventi, i risultati forniscono un nuovo livello di comprensione su come queste molecole psicoattive possano funzionare. Suggeriscono che, oltre ai loro noti effetti sui recettori di superficie cellulare, questi composti possano anche raggiungere l'interno della cellula per influenzare l'impalcatura stessa che sostiene la struttura e il movimento cellulare. Ciò apre la porta a ulteriori ricerche per determinare esattamente come avvengono queste interazioni e quale ruolo possano giocare negli effetti più ampi che queste molecole hanno sul cervello e sul corpo.