Ny forskning giver udvidet indsigt i hjernens reaktion på opioider

Opioider er stærke smertestillende midler, der virker på hjernen, men de har en række skadelige bivirkninger, herunder afhængighed. Forskere fra Max Planck Institute of Biochemistry (MPIB) i samarbejde med forskere fra Medical University of Innsbruck, Østrig, University of Innsbruck, og Lewis Katz School of Medicine ved Temple University (LKSOM), har udviklet et værktøj, der giver dybere indsigt i hjernens reaktion på opioider. Ved hjælp af massespektrometri, de bestemte ændringer i proteiners phosphoryleringsmønstre - de molekylære switches af proteiner - i fem forskellige områder af hjernen og tildelte dem de ønskede og de uønskede virkninger af opioidbehandling. Deres resultater, som er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , vil lede vejen for identifikation af nye lægemiddelmål og design af en ny klasse smertestillende midler med færre bivirkninger.

LKSOM-teamets deltagelse i denne forskning blev ledet af Lee-Yuan Liu-Chen, Ph.d., Professor i farmakologi i Center for Stofmisbrugsforskning. Andre forskere, der bidrager til undersøgelsen fra LKSOM, er Chongguang Chen, en forskningsteknolog og Yi-Ting Chiu, en tidligere postdoktor, i Dr. Liu-Chens gruppe i Center for Stofmisbrugsforskning.

De signalkaskader, der bruges af celler til at reagere på eksterne stimuli, ligner en virksomheds kommandokæde. Aktivering af en receptor, der fungerer som chef for virksomheden, giver instruktion til andre proteiner inde i cellerne, som fungerer som grupper af underordnede. Disse oplysninger videregives derefter til lavere niveauer i organisationsstrukturen via signalkaskader af andre interagerende proteiner. Ligesom de medarbejdere, der udfører forskellige opgaver for at holde en virksomhed kørende, proteiner er de molekylære maskiner, der udfører de fleste funktioner i cellerne. I celler, instruktioner videregives til andre proteiner ved at ændre funktionen af ​​disse 'cellulære medarbejdere'. En måde at ændre funktionen er ved "fosforyleringer - vedhæftning af et fosfatmolekyle til proteiner. Ved at analysere alle de molekylære omskiftere på samme tid, aktivitet af signalveje i celler eller et organ kan bestemmes. At studere denne kommandokæde giver et mere præcist indblik i de aktuelt forekommende processer inden for celler end at studere DNA, den genetiske "blueprint", som er næsten identisk i alle celler.

Snapshot af proteinaktiviteter

Forskere i laboratoriet af MPIB-direktør og medsvarende forfatter på undersøgelsen, Matthias Mann, bruge massespektrometri - en metode, der bestemmer identiteten og mængden af ​​proteiner i en prøve - til at beskrive fosforyleringsmønstre for tusindvis af proteiner i mange organprøver, et udtryk opfundet som phosphoproteomics. I den nylige undersøgelse, de analyserede aktiveringen af ​​signalveje i forskellige områder af hjernen, reagerer på opioidlignende lægemidler. For at nå dette mål, forskerne brugte en nyligt udviklet metode ved navn EasyPhos.

For at forstå, hvordan medicin som opioider virker, forskere skal kende deres indflydelse på hjernen. "Med fosfoproteom, vi kan analysere mere end 50, 000 fosforyleringssteder på én gang og få et øjebliksbillede af alle veje, der er aktive i hjerneprøverne i løbet af denne tid. Vi fandt mere end 1, 000 ændringer efter udsættelse for et opioidlignende lægemiddel, viser en global effekt af disse lægemidler på signalering i hjernen, "siger Jeffrey Liu, undersøgelsens hovedforfatter. Tidligere metoder kunne ikke fange proteinfosforyleringer i en sammenlignelig skala og savnede mange vigtige signalveje, der blev tændt eller slukket.

Phosphoproteomics - et alsidigt værktøj

"I vores undersøgelse, vi kiggede på aktivering af veje i hjernen, der er ansvarlige for de ønskede virkninger af opioider som smertestillende. I modsætning, parallel aktivering af andre veje forårsager uønskede bivirkninger ", siger Liu. Forskerne brugte phosphoproteomics til at måle, hvor aktive disse gavnlige og bivirkningsfremkaldende veje var. Christoph Schwarzer fra Medical University i Innsbruck, der samarbejdede med Liu og Mann til denne undersøgelse, fokuserer sin forskning på disse opioidaktiverede signalkaskader i hjernen. Under udviklingen af ​​nye lægemidler, disse data kan bruges til at identificere potentielle stoffer, der giver stærke terapeutiske fordele og har få bivirkninger. Ud over, denne undersøgelse viser også løftet om at reducere bivirkninger ved at forstyrre signalkaskader. Så denne undersøgelse introducerer et nyt koncept for opioidbaseret terapi. Nuværende lægemidler fra opioidfamilien er potente smertestillende midler, men fører hurtigt til afhængighed. Dermed, der er et presserende behov for nye, ikke-vanedannende opioider.

Forestil dig proteiner i hjernen som en virksomhed, fosfoproteomik giver forskerne mulighed for at følge alle medarbejderes aktivitet på én gang i stedet for at fokusere på nogle få udvalgte. Massespektrometri kan være et kraftfuldt værktøj til at studere lægemiddelmål i hjernen eller andre organer. Massespektrometrieksperten Matthias Mann siger, "Den nuværende epidemi af opioidrelaterede dødsfald i USA er et chokerende eksempel på de potentielle konsekvenser af receptpligtige lægemidler med stærke bivirkninger som afhængighed. Med massespektrometri, vi kan få et globalt overblik over virkningerne af lægemidler og strømline udviklingen af ​​nye lægemidler med færre bivirkninger. "Mann forklarer, at designet af nye lægemidler kun er en af ​​mange potentielle anvendelser af fosfoproteomik og forudser, at metoden også kan bruges at generere viden om, hvordan celler bruger deres kommandokæder til at behandle information og virkningerne på lægemidler i andre organer.

Dr. Liu-Chens gruppe udførte adfærdseksperimenter ved hjælp af to lægemidler og fandt ud af, at de har lignende smertestillende virkninger, men meget forskellige niveauer af bivirkninger. Hjerner fra dyr behandlet med de to lægemidler blev analyseret af MPIB for fosfoproteomiske forskelle, som viste sig at tilhøre et par signalveje. Hæmning af en af ​​de identificerede veje reducerede i høj grad nogle af bivirkningerne.