Новое исследование с использованием специального электронного микроскопа с использованием образцов, охлажденных до чрезвычайно низких температур, предоставляет важную информацию для разработчиков лекарств, стремящихся уменьшить тошноту и рвоту, побочные эффекты лечения рака. Исследование, опубликованное в Nature Communications, дает представление о том, как широко используемые препараты от тошноты прикрепляются к целевому белку в желудочно-кишечном тракте. Изображения с высоким разрешением, полученные с помощью этого метода, предоставляют основные сведения о том, как лекарства прикрепляются к связывающему карману на белке, и предлагают подсказки о том, как их дизайн может быть улучшен.
Исследование было сосредоточено на конкретном классе препаратов, используемых для лечения тошноты, рвоты и синдрома раздраженного кишечника, называемых сетронами. Сетроны обычно хорошо переносятся, но некоторые больные раком не реагируют на них, объяснил руководитель исследования Судха Чакрапани, доктор философии.D., доцент кафедры физиологии и биофизики Медицинского факультета Университета Кейс Вестерн Резерв.
"Больные раком, у которых рвота появляется на более позднем этапе планов лечения – отсроченная рвота – обычно не реагируют на сетроны," Чакрапани сказал. "Постоянная потребность в лучших лекарствах." Совершенствование лекарств застопорилось из-за отсутствия моделей, показывающих, как именно такие лекарства, как сетроны, прикрепляются к своему целевому белку в организме – рецептору серотонина (3). Без точной модели разработчики лекарств не смогли точно понять, какие элементы взаимодействий сетрон-рецептор наиболее важны и как их улучшить.
Новое исследование предоставляет изображения с самым высоким на сегодняшний день разрешением сетрона, оседающего внутри связывающего кармана рецептора серотонина (3). Исследователи отслеживали взаимодействия рецептор-лекарство с точностью до миллиардной доли метра с помощью криоэлектронного микроскопа. Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) только недавно стала доступной для небольших белковых мишеней и была предметом Нобелевской премии по химии 2017 года.
Крио-ЭМ-изображения показали, что сетроны используют тот же сайт прикрепления, что и естественный связывающий партнер рецептора в организме, серотонин, но используют несколько другой сайт "поза" слегка изменяет форму рецептора. Различия помогли исследователям построить более точную модель того, как сетроны работают на молекулярном уровне.
Саид Сандип Башак, соавтор статьи, "Раньше у нас не было уверенности, чтобы смоделировать лекарство в его связующем кармане. Теперь мы можем точно это сделать. Мы также можем наблюдать за перемещением препарата в кармане с помощью моделирования молекулярной динамики."
Чакрапани сотрудничал с коллегами в Mt. Sinai для выявления наиболее стабильных взаимодействий между сетронами и рецепторами серотонина. Команда наблюдала, как сетроны крутились и крутились в кармане, обнажая ключевые части препарата и рецептор, необходимые для плотного соединения. Затем они мутировали ключевые части, что устранило сродство сетронов к рецепторам серотонина. Вместе эксперименты помогли выявить, какие части сетронов и рецепторов серотонина являются наиболее важными и могут быть наиболее многообещающими для терапевтического улучшения.
"Определение связывающего кармана и наиболее важных взаимодействий, а также ориентации лекарственного средства в связывающем кармане закладывает основу для разработки лекарств, которые будут более эффективными," – сказала Ивонн Гичеру, соавтор статьи.
Изображения с высоким разрешением были получены на криоэлектронном микроскопе Titan Krios в сотрудничестве с коллегами из Стэнфордского университета. Установка первого микроскопа Titan Krios в крио-ЭМ Ядре здесь, в Case Western Reserve, только что завершилась, и теперь он является одним из двух операционных микроскопов в северо-восточном Огайо.