En el esfuerzo continuo por mejorar los analgésicos opioides, los científicos estadounidenses y chinos utilizaron la tecnología cryoEM para resolver las estructuras detalladas de toda la familia de receptores opioides unidos a sus péptidos naturales. Posteriormente, se realizaron estudios bioquímicos guiados por la estructura para comprender mejor los mecanismos de selectividad de los receptores de péptidos y los fármacos de señalización.

Este trabajo, publicado en Cell, proporciona un marco estructural integral que debería ayudar a los desarrolladores de fármacos a diseñar racionalmente fármacos más seguros para aliviar el dolor intenso.

Este trabajo fue encabezado por el laboratorio de Eric Xu, PhD, en el CAS Key Lab of Receptor Research en China, en colaboración con el laboratorio de Bryan L. Roth, MD, PhD, en la Facultad de Medicina de la UNC, donde el estudiante graduado Jeff DiBerto dirigió los experimentos farmacológicos para comprender los mecanismos de señalización de los receptores.

Los medicamentos opioides alivian el dolor al imitar una función natural de alivio del dolor dentro de nuestros síntomas nerviosos. Son los mejores y más fuertes analgésicos que tenemos. Desafortunadamente, vienen con efectos secundarios, algunos graves como entumecimiento, adicción y depresión respiratoria, que conducen a muertes por sobredosis.

Los científicos han estado tratando durante muchos años de superar el problema de los efectos secundarios de varias maneras, todas involucrando uno o más de los cuatro receptores opioides sin éxito. Una forma en que los científicos continúan explorando es la creación de péptidos o fármacos de moléculas pequeñas inspirados en péptidos.

Los péptidos son cadenas cortas de aminoácidos; Piense en ellos como proteínas cortas. Ciertos péptidos naturales o endógenos se unen a los receptores opioides en la superficie de las células para crear un efecto analgésico, también conocido como alivio del dolor. Piense en un analgésico como un anestésico, excepto que los analgésicos no « apagan » los nervios para adormecer el cuerpo o alterar la conciencia. Entonces, la idea es crear una droga peptídica que tenga un fuerte efecto analgésico, sin adormecer los nervios ni alterar la conciencia ni causar problemas digestivos, respiratorios o de adicción.

« El problema en el campo es que nos ha faltado la comprensión molecular de la interacción entre los péptidos opioides y sus receptores », dijo Roth, coautor principal y profesor distinguido de farmacología Michael Hooker. « Necesitábamos esta comprensión para tratar de diseñar de forma racional péptidos potentes y seguros o fármacos inspirados en péptidos ».

Usando microscopía electrónica criogénica, o cryoEM, y una batería de experimentos biomecánicos en células, los laboratorios Xu y Roth resolvieron sistemáticamente las estructuras detalladas de los péptidos endógenos unidos a los cuatro receptores opioides. Estas estructuras revelaron detalles y conocimientos sobre cómo los péptidos opioides naturales específicos reconocen y activan selectivamente los receptores opioides. Los investigadores también utilizaron péptidos exógenos, o compuestos similares a fármacos, en algunos de sus experimentos para aprender cómo activan los receptores.

Las estructuras cryoEM de los receptores unidos a agonistas en complejo con sus efectores de proteína G (llamados su « estado activo ») representan el aspecto de estos receptores cuando emiten señales en las células, lo que brinda una vista detallada de las interacciones péptido-receptor. El laboratorio de Roth usó las estructuras resueltas por el laboratorio de Xu para guiar el diseño de receptores mutantes y luego probó estos receptores en ensayos bioquímicos en células para determinar cómo alteran la señalización del receptor. La comprensión de estas interacciones se puede usar para diseñar fármacos que sean selectivos para los subtipos de receptores de opioides, así como para producir ciertos resultados de señalización que pueden ser más beneficiosos que los de los opioides convencionales.

« Esta colaboración reveló mecanismos conservados o compartidos de activación y reconocimiento de los cuatro receptores opioides, así como diferencias en el reconocimiento de péptidos que pueden explotarse para crear fármacos selectivos de subtipos », dijo DiBerto, primer autor y candidato a doctorado en Roth laboratorio. « Proporcionamos más información necesaria para seguir impulsando el campo, para responder preguntas científicas básicas que no habíamos podido responder hasta ahora ».

Investigaciones anteriores mostraron la estructura de los receptores opioides en sus estados inactivos o activos, con estructuras de estado activo que solo existen para el subtipo de receptor opioide mu, el objetivo principal de medicamentos como el fentanilo y la morfina. En el artículo de Cell, los autores muestran receptores unidos a agonistas en complejo con sus efectores de proteína G, lo que fue posible gracias a la tecnología cryoEM que no existía cuando se estaban desarrollando los medicamentos que se usan actualmente.

Los medicamentos como el oxycontin, la oxicodona y la morfina causan varios efectos dentro de las células y durante todo el síntoma nervioso, incluido el alivio del dolor. Pero también tienen efectos en los sistemas digestivo y respiratorio, e interactúan con las células para conducir a la adicción. Mientras tanto, el fentanilo es otro poderoso analgésico, pero se une a los receptores opioides de tal manera que causa efectos secundarios graves, incluido el bloqueo del sistema respiratorio.

El impulso detrás de dicha investigación dirigida por Xu y Roth es centrarse en las razones mecánicas de la potencia del alivio del dolor sin activar los mecanismos celulares que conducen a efectos secundarios graves y sobredosis.

« Estamos intentando construir un mejor tipo de opioide », dice Roth, « nunca llegaremos allí sin este tipo de conocimientos moleculares básicos, en los que podemos ver por qué se alivia el dolor y por qué ocurren los efectos secundarios ».

Los coautores del artículo de Cell son Yue Wang y Youwen Zhuang del Laboratorio Clave de Investigación de Receptores de CAS y el Laboratorio Estatal Clave de Investigación de Medicamentos del Instituto de Materia Médica de Shanghái en la Academia de Ciencias de China. Otros autores son Edward Zhou y Karsten Melcher del Instituto de Investigación Van Andel en Grand Rapids, MI, Gavin Schmitz y Manish Jain de la Facultad de Medicina de la UNC, y Qingning Yuan, Weiyi Liu y Yi Jiant del Laboratorio CAS Key.