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

Binnen elke levende cel biedt een uitgestrekt en ingewikkeld netwerk van microscopische staven het structurele kader dat de cel bij elkaar houdt en helpt bij de beweging ervan. Deze staven, bekend als microtubuli, zijn geen statische balken maar dynamische structuren die voortdurend assembleren en disassembleren, een proces dat essentieel is voor celdeling, vorm en het transport van materialen binnen de cel. Ze zijn gebouwd van eiwitbouwstenen genaamd tubuline, die aan elkaar klikken om lange filamenten te vormen. Omdat deze structuren zo fundamenteel zijn voor het leven, hebben wetenschappers lang bestudeerd hoe diverse moleculen met hen interageren. Sommige bekende medicijnen werken bijvoorbeeld door deze filamenten op hun plaats te vergrendelen of door te voorkomen dat ze überhaupt worden gevormd. Hoewel veel mensen bekend zijn met een specifieke klasse verbindingen genaamd tryptamines — moleculen die natuurlijke neurotransmitters zoals serotonine omvatten en beroemde psychoactieve stoffen zoals psilocybine en LSD — hebben wetenschappers zich primair gericht op hoe deze verbindingen chemische signalen op het oppervlak van cellen beïnvloeden. Een hardnekkige vraag is geweest of deze zelfde moleculen ook de cel binnen kunnen dringen om direct te interageren met het microtubuli-raamwerk, wat potentieel invloed heeft op hoe de cel verandert en zich aanpast over een bepaalde tijd.

Een team van onderzoekers aan de University of Waterloo zette zich in om deze vraag te beantwoorden door computeronderzoek te combineren met laboratoriumexperimenten om te zien of gesubstitueerde tryptamines aan tubuline zouden kunnen binden en de manier waarop microtubuli vormen zouden kunnen veranderen. Ze begonnen met het creëren van een digitale bibliotheek van 294 verschillende variaties van deze tryptamine-moleculen. Met behulp van krachtige computersimulaties testten ze hoe elk van deze moleculen in zeven bekende bindingsplaatsen op het tubuline-eiwit zou passen, waar andere medicijnen bekend staan te binden. De resultaten van deze massale digitale screening suggereerden dat de tryptamines niet willekeurig bonden; in plaats daarvan toonden ze een sterke voorkeur voor een specifiek gebied op het tubuline-eiwit, hetzelfde gebied waar een medicijn genaamd colchicine zich aan hecht. Deze bevinding was significant omdat het erop wees dat deze psychoactieve verbindingen mogelijk een fysieke doelwit delen met gevestigde microtubuli-doelgerichte agentia. Om er zeker van te zijn dat de moleculen die geselecteerd werden voor verdere studie in de praktijk de hersenen zouden kunnen bereiken, voerden de onderzoekers ook computervoorspellingen uit naar hun vermogen om de bloed-hersenbarrière te passeren, een beschermend filter dat de bloedbaan scheidt van het centrale zenuwstelsel. Verschillende van de topkandidaten uit de screening werden voorspeld in staat te zijn om deze barrière te passeren, wat hen levensvatbare onderwerpen maakte voor diepere investigatie.

Van de initiële groep van 294 verbindingen vernauwden de onderzoekers hun focus tot drie specifieke moleculen: HIOC, benzotript en moschamine. Deze werden gekozen omdat ze de sterkste voorspelde binding vertoonden in de computermodellen en beschikbaar waren voor fysieke testen. Om te begrijpen hoe deze moleculen zich in een realistischere omgeving gedroegen, voerde het team gedetailleerde moleculaire dynamica-simulaties uit. In tegen tegenstelling tot de statische momentopnames van de initiële screening, lieten deze simulaties de moleculen bewegen en interageren met het eiwit in een vloeibare, waterrijke omgeving, wat de condities binnen een levende cel nabootst. De simulaties bevestigden dat de moleculen inderdaad stabiel in de bindingszak van het tubuline-eiwit konden zitten, waarbij één van de verbindingen, moschamine, een bijzonder gunstige pasvorm vertoonde. Echter, computermodellen kunnen slechts mogelijkheden suggereren; ze kunnen niet bewijzen wat er gebeurt in een echt biologisch systeem. Om van voorspelling naar observatie te gaan, stapten de onderzoekers over naar een reageerbuisexperiment ontworpen om microtubuli in realtime te observeren tijdens de assemblage.

In het laboratorium mengde het team puur tubuline-eiwit met elk van de drie geselecteerde tryptamines in verschillende concentraties en observeerde of de microtubuli zouden vormen. Ze maten de helderheid van de oplossing terwijl de eiwitten assembleerden tot filamenten, een proces dat de manier waarop licht door de vloeistof wordt verstrooid, verandert. De resultaten toonden aan dat de tryptamines het assemblageproces inderdaad beïnvloedden, maar dat het effect sterk afhankelijk was van zowel het specifieke molecuul als de concentratie ervan. Onder de drie produceerde benzotript de meest dramatische verandering, waarbij het de vorming van de microtubuli sterker veranderde dan de andere twee kandidaten. In sommige gevallen was het effect van benzotript zo uitgesproken dat het zelfs een standaard medicijn dat microtubuli stabiliseert, overtrof. Om er zeker van te zijn dat deze veranderingen representatief waren voor de vorming van werkelijke, gezonde microtubuli-filamenten in plaats van slechts een klontering van eiwitten tot nutteloze bollen, gebruikten de onderzoekers een krachtige microscoop om foto's van de structuren te maken. De afbeeldingen onthulden dat de eiwitten onder invloed van de tryptamines lange, draadvormige structuren vormden die leken op normale microtubuli, in plaats van amorfe aggregaten. Deze visuele bevestiging was cruciaal, aangezien het aangaf dat de verbindingen daadwerkelijk interageerden met de cellulaire machinerie om de manier waarop deze filamenten worden opgebouwd te veranderen.

De studie concludeert dat bepaalde gesubstitueerde tryptamines in staat zijn om direct te interageren met het tubuline-eiwit en de manier waarop microtubuli assembleren in een reageerbuis kunnen veranderen. Hoewel de computermodellen een voorkeur voor een specifieke bindingsplaats suggereerden, bevestigden de laboratoriumexperimenten dat deze interactie leidt tot meetbare fysieke veranderingen in het cellulaire structurele kader. De onderzoekers vonden dat deze effecten niet uniform zijn; ze variëren afhankelijk van welke specifieke chemische variatie wordt gebruikt en hoeveel van deze aanwezig is. De verbinding benzotript viel op als de meest potente in deze groep, door de sterkste veranderingen in het assemblageproces te drijven. Hoewel het werk buiten levende organismen werd uitgevoerd, bieden de bevindingen een nieuwe laag van begrip voor hoe deze psychoactieve moleculen kunnen functioneren. Ze suggeren dat deze verbindingen, naast hun bekende effecten op celoppervlakreceptoren, ook de cel binnen kunnen dringen om het zeer eigenlijke steigerwerk te beïnvloeden dat de cellulaire structuur en beweging ondersteunt. Dit opent de deur voor verder onderzoek om precies te bepalen hoe deze interacties plaatsvinden en welke rol ze kunnen spelen in de bredere effecten die deze moleculen hebben op de hersenen en het lichaam.