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

Dentro de cada célula viva, uma vasta e intrincada rede de bastões microscópicos fornece a estrutura que mantém a célula unida e ajuda em seu movimento. Esses bastões, conhecidos como microtúbulos, não são vigas estáticas, mas estruturas dinâmicas que se montam e desmontam constantemente, um processo essencial para a divisão celular, forma e o transporte de materiais dentro da célula. Eles são construídos a partir de blocos de construção proteicos chamados tubulina, que se encaixam para formar filamentos longos. Como essas estruturas são tão fundamentais para a vida, cientistas há muito estudam como várias moléculas interagem com elas. Alguns medicamentos conhecidos, por exemplo, funcionam ao travar esses filamentos em seu lugar ou impedir que eles se formem de qualquer maneira. Embora muitas pessoas estejam familiarizadas com uma classe específica de compostos chamados tryptaminas — moléculas que incluem neurotransmissores naturais como a serotonina e substâncias psicoativas famosas como a psilocibina e o LSD —, os cientistas têm se concentrado principalmente em como esses compostos afetam sinais químicos na superfície das células. Uma questão persistente tem sido se essas mesmas moléculas poderiam também alcançar o interior da célula para interagir diretamente com a estrutura dos microtúbulos, influenciando potencialmente como a célula muda e se adapta ao longo do tempo.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Waterloo propôs-se a responder a essa questão combinando modelagem computacional com experimentos de laboratório para ver se tryptaminas substituídas poderiam se ligar à tubulina e alterar a forma como os microtúbulos se formam. Eles começaram criando uma biblioteca digital de 294 variações diferentes dessas moléculas de tryptamina. Usando simulações computacionais poderosas, testaram como cada uma dessas moléculas poderia se encaixar em sete pontos de ancoragem conhecidos na proteína tubulina, onde outros medicamentos são conhecidos por se ligar. Os resultados dessa enorme triagem digital sugeriram que as tryptaminas não se ligavam aleatoriamente; em vez disso, mostraram uma forte preferência por uma região específica da proteína tubulina, a mesma área onde um medicamento chamado colchicina se fixa. Essa descoberta foi significativa porque sugeriu que esses compostos psicoativos poderiam compartilhar um alvo físico com agentes estabelecidos de direcionamento aos microtúbulos. Para garantir que as moléculas selecionadas para estudos posteriores pudessem realisticamente alcançar o cére-bro, os pesquisadores também realizaram previsões computacionais sobre sua capacidade de atravessar a barreira hematoencefálica, um filtro protetor que separa a corrente sanguínea do sistema nervoso central. Vários dos principais candidatos da triagem foram previstos como capazes de passar por essa barreira, tornando-os sujeitos viáveis para uma investigação mais profunda.

Do grupo inicial de 294 compostos, os pesquisadores restringiram seu foco a três moléculas específicas: HIOC, benzotript e moschamina. Estas foram escolhidas porque apresentaram a ligação prevista mais forte nos modelos computacionais e estavam disponíveis para testes físicos. Para entender como essas moléculas se comportavam em um ambiente mais realista, a equipe realizou simulações detalhadas de dinâmica molecular. Diferente dos instantâneos estáticos da triagem inicial, essas simulações permitiram que as moléculas se movessem e interagissem com a proteína em um ambiente fluido e preenchido por água, mimetizando as condições dentro de uma célula viva. As simulações confirmaram que as moléculas poderiam, de fato, situar-se de forma estável dentro do bolso de ligação da proteína tubulina, com um dos compostos, a moschamina, apresentando um ajuste particularmente favorável. No entanto, modelos computacionais podem apenas sugerir possibilidades; eles não podem provar o que acontece em um sistema biológico real. Para passar da previsão para a observação, os pesquisadores recorreram a um experimento de tubo de ensaio projetado para observar os microtúbulos se montando em tempo real.

No laboratório, a equipe misturou a proteína tubulina pura com cada uma das três tryptaminas selecionadas em várias concentrações e observou se os microtúbulos se formariam. Eles mediram a clareza da solução conforme as proteínas se montavam em filamentos, um processo que altera a forma como a luz se espalha através do líquido. Os resultados mostraram que as tryptaminas de fato influenciaram o processo de montagem, mas o efeito dependia fortemente tanto da molécula específica quanto de sua concentração. Entre os três, o benzotript produziu a mudança mais dramática, alterando a formação dos microtúbulos mais fortemente do que os outros dois candidatos. Em alguns casos, o efeito do benzotript foi tão pronunciado que superou até mesmo um medicamento padrão conhecido por estabilizar microtúbulos. Para garantir que essas mudanças representassem a formação de filamentos de microtúbulos reais e saudáveis, em vez de apenas um agrupamento de proteínas em blocos inúteis, os pesquisadores usaram um microscópio de alta potência para tirar fotos das estruturas. As imagens revelaram que, sob a influência das tryptaminas, as proteínas formaram estruturas longas e filamentosas que pareciam microtúbulos normais, em vez de agregados amorfos. Essa confirmação visual foi crucial, pois indicou que os compostos estavam genuinamente interagindo com a maquinaria celular para mudar a forma como esses filamentos são construídos.

O estudo conclui que certas tryptaminas substituídas são capazes de interagir diretamente com a proteína tubulina e podem alterar a forma como os microtúbulos se montam em um tubo de ensaio. Embora os modelos computacionais tenham sugerido uma preferência por um sítio de ligação específico, os experimentos de laboratório confirmaram que essa interação leva a mudanças físicas mensuráveis na estrutura celular. Os pesquisadores descobriram que esses efeitos não são uniformes; eles variam dependendo de qual variação química específica é usada e de quanta dela está presente. O composto benzotript destacou-se como o mais potente neste grupo, impulsionando as mudanças mais fortes no processo de montagem. Embora o trabalho tenha sido conduzido fora de organismos vivos, as descobertas fornecem uma nova camada de compreensão sobre como essas moléculas psicoativas podem funcionar. Elas sugerem que, além de seus efeitos bem conhecidos nos receptores de superfície celular, esses compostos podem também alcançar o interior da célula para influenciar o próprio andaime que suporta a estrutura e o movimento celular. Isso abre as portas para pesquisas futuras para determinar exatamente como essas interações ocorrem e qual papel elas podem desempenhar nos efeitos mais amplos que essas moléculas têm no cérebro e no corpo.