Эффекты психоделиков объяснили действием на внутриклеточные рецепторы к серотонину

Американские исследователи выяснили возможный механизм действия психоделиков. По их данным, эти вещества могут действовать на внутриклеточные рецепторы к серотонину, в отличие от самого этого нейромедиатора. В итоге происходит рост нейронов и формирование новых связей между ними, что повышает нейропластичность. Публикация об этом появилась в журнале Science.

В последнее десятилетие возрождается интерес к психоделическим препаратам, активирующим серотониновые 5-HT2A-рецепторы, — производным триптамина (например, ЛСД, псилоцибин, диметилтриптамин) и замещенного фенилэтиламина (например, мескалин). В пилотных исследованиях они в сочетании с психотерапией быстро и эффективно помогали при депрессии (за это в США они получили статус прорывной терапии), алкогольной зависимости, обсессивно-компульсивном расстройстве и других психических заболеваниях. Разные научные группы показывали, что действие этих веществ может быть связано с изменением активности ограды мозга, увеличением количества синапсов, повышением экспрессии связанных с нейрогенезом и нейропластичностью генов, ростом дендритных шипиков и другими нейрофизиологическими явлениями. Схожие процессы происходят и под действием диссоциативного препарата кетамина и его производных, которые блокируют глутаматные NMDA-рецепторы, и также эффективны при депрессии, из-за чего их несмотря на различное рецепторное действие иногда объединяют с психоделиками в группу психопластогенов. Механизмы, лежащие в основе подобных нейрофизиологических изменений находятся в стадии изучения; показано, что они могут вовлекать внутриклеточные сигнальные пути TrkB и mTOR, а также глутаматные AMPA-рецепторы. При этом оставалось неизвестным, почему психоделические стимуляторы серотониновых рецепторов обладают такими эффектами, а сам эндогенный серотонин и некоторые другие 5-HT2A-агонисты их не производят. Понимание этой специфики действия теоретически могло бы помочь в разработке более безопасных и эффективных лекарств для лечения психических расстройств.

Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники Университета Калифорнии в Дэвисе и Медицинского колледжа Висконсина под руководством Дэвида Олсона (David Olson) оттолкнулись от физико-химических свойств молекул: в отличие от психоделиков серотонин не может проникать сквозь неполярные клеточные мембраны путем пассивной диффузии. Для начала они вводили психоделик 5-метокси-N,N-диметилтриптамин (5-MeO-DMT) обычным мышам и нокаутным животным, лишенным 5-HT2A-рецепторов. Через сутки повышение плотности дендритных шипиков в пирамидальных нейронах пятого слоя префронтальной коры наблюдалось только у обычных мышей, что подтвердило связь нейропластичности именно с этим типом рецепторов.

Для выяснения зависимости нейрогенеза от химической структуры 5-HT2A-агонистов исследователи обрабатывали крысиные эмбриональные корковые нейроны триптамином, серотонином (5-гидрокситриптамином) и 5-метокситриптамином, а также их моно- и диметилированными по азоту аминогруппы производными с последующим анализом морфологии нейронов по Шоллю. В качестве негативного контроля использовали плацебо, позитивного — кетамин. Оказалось, что рост и ветвистость нейронов возрастают со степенью метилирования препаратов, что хорошо коррелирует с их клиническим эффектом (неметилированные молекулы непсихоактивны, диметилированные — мощные психоделики). В то же время, по данным тест-систем, основанных на накоплении меченого тритием инозитолфосфата, биофлуоресценции (PsychLight2) и биолюминесцентном резонансном переносе энергии (BRET), от силы активации 5-HT2A-рецепторов психопластогенность не зависела. Зато она четко коррелировала с липофильностью молекул (а значит, и со способностью проникать сквозь клеточные мембраны), которая выше всего у N,N-диметилированных производных. На основании этого авторы работы предположили, что за психоделические эффекты может отвечать внутриклеточный пул серотониновых рецепторов.

Для уточнения этого вопроса авторы работы вводили ген 5-HT2A-рецептора, ко-экспрессирующийся с геном флуоресцентного красителя ECFP, в культуру человеческих почечных эмбриональных клеток (HEK293T) и корковых нейронов, оценивая взаиморасположение рецепторов и окрашенных Cellbrite Steady наружных цитоплазматических мембран клеток. Полученную картину сравнивали с экспрессией помеченного ECFP бета2-адренорецептора, который всегда располагается только на поверхности клетки, а также чистого ECFP. Оказалось, что в почках 5-HT2A-рецепторы, как и бета2-адренорецепторы, находятся на цитоплазматических мембранах, однако в нейронах большинство из них локализованы внутриклеточно. Дополнительные опыты с маркерами различных клеточных органелл показали, что этот пул рецепторов тесно связан с аппаратом Гольджи.

После этого исследователи обрабатывали крысиные эмбриональные корковые нейроны липофильными диметилтриптамином, псилоцином и селективным антагонистом 5-HT2A-рецепторов кетансерином, а также их ионизированными липофобными аналогами: N,N,N-триметилтриптамином, псилоцибином и метилированным по азоту пиперидинового кольца кетансерином. Выяснилось, что на рост дендритов и их шипиков влияет только первая группа соединений; эффекты их ионизированных аналогов проявлялись лишь при электропорации, позволяющей заряженным молекулам проникать через клеточную мембрану. Таким образом, за повышение нейропластичности при использовании психоделиков отвечают именно внутриклеточные рецепторы, что было подтверждено дополнительными экспериментами с флуоресцентными метками.

Далее авторы работы использовали электропорацию, чтобы выяснить, произведет ли психопластогенный эффект серотонин, если ввести его внутрь клетки. Оказалось, что в таких условиях он способствует росту дендритов и шипиков практически так же, как диметилтриптамин. Аналогичная картина наблюдалась при встраивании в клеточную мембрану активного транспортера серотонина SERT.

В завершение исследователи перешли к экспериментам in vivo на трансгенных мышах, экспрессирующих маркер аксональных процессов в зрелых нейронах (Thy1-GFP). Им в медиальную префронтальную кору (где много 5-HT2A-рецепторов) ввели на вирусном векторе управляемый ген SERT с красителем. Спустя три недели животным сделали инъекцию пара-хлорамфетамина (PCA), высвобождающего эндогенный серотонин, и пронаблюдали у них значительное увеличение плотности дендритных шипиков по сравнению с контрольной группой. В отдельной серии экспериментов такие мыши после введения PCA набирали больше баллов в тестах NIL (novelty induced locomotion, подвижность в новой обстановке) и FST (forced swim test, тест принудительного плавания), что напоминает действие антидепрессантов.

Таким образом, повышенная нейропластичность и связанные с ней клинические эффекты психоделиков обусловлены их липофильностью и способностью действовать на внутриклеточные 5-HT2A-рецепторы. В перспективе понимание этого может помочь в разработке новых лекарств от депрессии, зависимостей и других психоневрологических расстройств. Как пишут авторы работы, полученные результаты также указывают на то, что эндогенным лигандом для внутриклеточных 5-HT2A-рецепторов в корковых нейронах может служить не серотонин, а некое неуточненное пока вещество.

В 2017 году американские исследователи опубликовали объяснение того, почему ЛСД обладает выраженным и длительным действием в крайне малых дозах. Проведенное ими моделирование показало, что, попадая в 5-HT2A-рецептор, это вещество изменяет его конфигурацию так, что оказывается в своеобразной молекулярной ловушке.