Naukowcy z UC Davis opracowali szybkie, nieinwazyjne narzędzie do śledzenia neuronów i biocząsteczek aktywowanych w mózgu przez leki psychodeliczne. Narzędzie oparte na białku, które nazywa się Ca^2+-aktywowany Split-TurboID, czyli CaST, opisano w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature Methods.

Coraz większe zainteresowanie budzi wartość związków inspirowanych substancjami psychodelicznymi w leczeniu zaburzeń mózgu, w tym depresji, zespołu stresu pourazowego i zaburzeń związanych z używaniem substancji. Związki psychodeliczne, takie jak LSD, DMT i psylocybina, wspomagają wzrost i wzmacnianie neuronów oraz ich połączeń w korze przedczołowej mózgu. Nowe narzędzie może pomóc naukowcom odkryć korzyści płynące z leczenia substancjami psychodelicznymi u pacjentów z zaburzeniami mózgu.

„Ważne jest, aby pomyśleć o mechanizmach komórkowych, na które działają te substancje psychodeliczne” — powiedziała Christina Kim, adiunkt neurologii w UC Davis Center for Neuroscience and School of Medicine i współpracowniczka UC Davis Institute for Psychedelics and Neurotherapeutics. „Czym one są? Gdy już to wiemy, możemy zaprojektować różne warianty, które będą oddziaływać na ten sam mechanizm, ale z mniejszą liczbą skutków ubocznych”.

Badania te dostarczają naukowcom nową technikę, która może być wykorzystana do śledzenia krok po kroku procesów sygnalizacji molekularnej, które są odpowiedzialne za korzystne efekty neuroplastyczne tych związków. Co więcej, CaST wykonuje zadanie znakowania komórkowego w krótkim czasie, zajmując od 10 do 30 minut, a nie godzin typowych dla innych metod znakowania.

„Zaprojektowaliśmy te białka w laboratorium, które można zapakować do DNA, a następnie umieścić w nieszkodliwych wirusach adenozależnych” — powiedział Kim. „Gdy dostarczymy narzędzie CaST i te białka do neuronów, inkubują się one wewnątrz komórek i zaczynają się wyrażać”.

Badania przeprowadzono we współpracy z Davidem Olsonem, dyrektorem założycielem Instytutu Substancji Psychodelicznych i Neuroterapeutyki oraz profesorem na wydziałach Chemii i Biochemii oraz Medycyny Molekularnej.

Migawka mózgu

Narzędzie CaST wykorzystuje zmiany w stężeniach wapnia wewnątrzkomórkowego, niemal uniwersalny marker do śledzenia aktywności neuronu. Kiedy neurony wykazują wysoką aktywność, wykazują wysoki poziom wapnia. CaST wykorzystuje tę wskazówkę, aby oznaczyć komórkę małą biocząsteczką zwaną biotyną.

W badaniu Kim i jej współpracownicy podawali myszom psychedeliczną psylocybinę. Następnie użyli CaST w połączeniu z biotyną, aby zidentyfikować neurony ze zwiększonym poziomem wapnia w korze przedczołowej. Kora przedczołowa to obszar dotknięty wieloma zaburzeniami mózgu, a także obszar, w którym psychedeliki promują wzrost i wzmocnienie neuronów.

Naukowcy monitorują również reakcje drgania głowy u myszy. Reakcje drgania głowy są głównym korelatem behawioralnym halucynacji wywołanych przez substancje psychodeliczne.

„To, co jest fajne w CaST, to to, że można go stosować u swobodnie zachowującego się zwierzęcia” — powiedział Kim, zauważając, że inne technologie znakowania komórkowego wymagają stabilizacji głowy myszy, aby wykonać obrazowanie. „Biotyna jest również świetnym podłożem do znakowania, ponieważ istnieje wiele istniejących już narzędzi komercyjnych, które mogą raportować, czy biotyna jest obecna, czy nie, za pomocą prostej metody barwienia i obrazowania”.

Eksperyment mający na celu potwierdzenie koncepcji dał to, co Kim nazwał „migawką z aparatu” obszarów w korze przedczołowej aktywowanych przez psylocybinę.

Następne kroki

Kim i jej współpracownicy pracują obecnie nad metodami umożliwiającymi znakowanie komórkowe w całym mózgu za pomocą narzędzia CaST. Ponadto badają sposoby wzbogacenia sygnatury poszczególnych białek wytwarzanych przez neurony dotknięte środkami psychodelicznymi.

„Możemy wysłać te próbki do UC Davis Proteomics Core Facility, a oni mogą dać nam bezstronny obraz wszystkich zidentyfikowanych przez nas białek” — powiedział Kim. „Chcemy zbadać całą ich zawartość pod kątem tego, jakie białka wyrażają, jakie geny wyrażają i spróbować zobaczyć, co jest innego u zwierząt leczonych psylocybiną w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi lub zwierzęcymi modelami chorób”.

Celem jest określenie, w jaki sposób substancje psychodeliczne wpływają korzystnie na profile komórkowe osób z zaburzeniami mózgu, wyjaśniając krok po kroku komórkowy proces ich terapeutycznego działania.

Kim wyraził zainteresowanie przeprowadzeniem przyszłych eksperymentów we współpracy z laboratorium Olsona, w których wykorzystane zostanie narzędzie CaST, w celu porównania aktywności neuronalnej wywołanej przez substancje psychodeliczne z aktywnością wywołaną przez niehalucynogenne neuroterapeutyki.

„CaST będzie ważnym narzędziem do badania mechanizmów działania tych leków neuroterapeutycznych” – powiedział Kim.

Wśród pozostałych autorów z UC Davis biorących udział w badaniu znaleźli się główni autorzy Run Zhang i Maribel Anguiano oraz Isak K. Aarrestad, Sophia Lin, Joshua Chandra i Sruti S. Vadde.

Prace badawcze były wspierane grantami z Brain and Behavior Research Foundation, Kinship Foundation, Arnold and Mabel Beckman Foundation, NIH, NSF i Boone Family Foundation.