Переохладив молекулу на поверхности клеток головного мозга примерно до минус 180 градусов по Цельсию (почти в два раза холоднее, чем в самых холодных местах Антарктиды), ученые из Медицинского центра Джона Хопкинса говорят, что они определили, как широко используемое лекарство от эпилепсии действует, ослабляя температуру. возбудимость клеток головного мозга и помогают контролировать судороги, но не лечить их.

Исследование, опубликованное 4 июня в журнале Nature Structural & Molecular Biology, идентифицирует важные связи между активностью лекарства от эпилепсии перампанела и возникающими в результате движениями рецептора AMPA — молекулы на поверхности клеток мозга. Исследователи говорят, что результаты могут в конечном итоге помочь в разработке новых лекарств, нацеленных на этот рецептор, для лечения других неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрения, неспособность к обучению, рак мозга, называемый глиобластомой, и хроническая боль.

Рецептор AMPA играет решающую роль для одного из наиболее распространенных нейротрансмиттеров мозга — глутамата , который активирует клетки головного мозга (нейроны), соединяясь с белком на поверхности клетки (AMPA) в соединении, подобном Pac-man, в котором рецепторы AMPA поглощать глутамат.

До четырех молекул глутамата могут связываться с одним рецептором AMPA. Соединение позволяет потоку ионов (положительно заряженных частиц) проникнуть в нейрон и активировать (возбудить) его.

«АМРА-рецепторы и глутамат необходимы для большинства аспектов жизни, включая процессы обучения, памяти и кодирования опыта», — говорит Эдвард Туми, доктор философии, доцент кафедры биофизики и биофизической химии в Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса. «Большинство неврологических заболеваний каким-то образом связаны с АМРА-рецепторами и глутаматом».

К Туми обратился нейробиолог Ричард Хуганир, доктор философии, который изучает рецепторы AMPA в течение 40 лет, с просьбой сотрудничать в исследованиях, чтобы лучше понять структуру рецепторов и процесс связывания ими глутамата.

Известно, что сверхактивация (возбуждение) АМРА-рецепторов вызывает эпилепсию. Перампанель, нацеленный на рецептор AMPA, является единственным лекарством, одобренным Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США для воздействия на рецепторы AMPA, но многие фармацевтические компании работают над аналогичными соединениями, говорят исследователи.

«Этот препарат был впервые обнаружен в 1980-х годах, и его точный механизм долгое время оставался загадкой», — говорит Туми.

«Мы знаем, что этот препарат не блокирует ионные каналы рецепторов и не застревает в них», — говорит Хуганир, заслуженный профессор нейробиологии, психологии и наук о мозге Bloomberg и директор отделения нейробиологии Соломона Х. Снайдера. Другие ученые обнаружили, где перампанел связывается с рецепторами AMPA в карманах вокруг ионного канала, но не обнаружили, каким образом это соединение нарушает поток ионов.

Чтобы изучить этот механизм, исследователи обратились к криоэлектронной микроскопии (криоЭМ), которая за последние два десятилетия превратилась в мощный инструмент для изучения структур, в миллион раз меньших ширины человеческого волоса.

Постдокторант Университета Джонса Хопкинса У. Дилан Хейл, доктор философии, работавший в лабораториях Туми и Хуганир, провел большую часть экспериментов и анализов в Центре криоЭМ Бекмана при Джонсе Хопкинсе, где они сильно охлаждают биологические молекулы и делают изображения при различных температурах.

Для исследования ученые проанализировали миллионы изображений АМРА-рецепторов в клетках головного мозга мышей и крыс, а также их взаимодействие с первоначально обнаруженной версией препарата перампанел GYKI-52466. «Эти взаимодействия происходят в очень крошечном масштабе, примерно от 1 до 2 ангстрем», — говорит Туми.

Они изучили связывание препарата GYKI-52466 с глутаматом и без него. Они также провели электрические записи потока ионов и физиологические исследования на мышах в дополнение к криоЭМ-изображениям.

Ученые использовали инструменты искусственного интеллекта и машинного обучения для усреднения и объединения криоЭМ-изображений в трехмерную реконструкцию рецептора.

Когда глутамат связывается с рецептором AMPA в одном из четырех положений, нить рецептора опускается вниз и открывает ионный канал, обеспечивая поток ионов, подобно тому, как тянущая цепь высвобождает воду из насадки для душа.

Исследователи обнаружили, что два из четырех положений связывания глутамата являются наиболее важными для способности препарата GYKI-52466 блокировать поток ионов.

«Препарат связывается с рецептором AMPA и предотвращает открытие ионного канала, блокируя способность глутамата тянуть нить, открывающую ионный канал», — говорит Туми. «Похоже, что он отделяет области связывания глутамата друг от друга и переводит рецептор в десенсибилизированное состояние».

Хуганир также планирует работать с Туми, чтобы использовать криоЭМ для изучения того, что происходит с рецептором AMPA, когда он мутирует.

«Мы хотим знать, что не так со структурой рецептора, которая отключает его функцию», — говорит Хуганир. «Теоретически мы могли бы разработать лекарства, которые сделают рецептор более активным и помогут лечить состояния, при которых структура рецептора изменяется».