Los científicos saben desde hace décadas que los opioides alivian el dolor al unirse a interruptores moleculares en el cerebro llamados receptores opioides mu (que se pronuncian «mew-opioides»). Lo que no sabían hasta ahora era exactamente qué sucederá después.
Un equipo dirigido por biólogos de la Facultad de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC, en colaboración con la Facultad de Medicina Keck de la USC, capturó estos receptores en mitad de la acción, creando el equivalente molecular de una película en cámara lenta. Su descubrimiento, publicado esta semana en naturaleza y con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud, podría ayudar a los científicos a diseñar analgésicos menos adictivos y desarrollar antídotos de sobredosis de acción más prolongada como la naloxona, más conocida por su marca Narcan.
«Es como ver un motor funcionando en cámara súper lenta», dijo el autor correspondiente del estudio, Cornelius Gati, profesor asistente de ciencias biológicas, química y biología cuantitativa y computacional en la USC Dornsife. «Finalmente podemos ver qué partes se mueven cuando un fármaco opioide se une al receptor y cómo Narcan literalmente bloquea el mecanismo antes de que el proceso pueda comenzar».
Una película molecular de opioides en movimiento
Para capturar estos eventos moleculares fugaces, el equipo de Gati utilizó microscopía crioelectrónica (crio-EM), una técnica que congela moléculas instantáneamente y luego toma imágenes de ellas con una resolución casi atómica. El método permitió a los investigadores ver cómo el receptor y su molécula asociada, una «proteína G» que transmite señales dentro de la célula, cambian de forma cuando un opioide se une al receptor y lo activa.
El equipo realizó sus experimentos utilizando las instalaciones crio-EM internas de la USC ubicadas en el Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC.
«Antes de esto, los científicos sólo tenían dos imágenes fijas de este receptor: una apagada y otra encendida», dijo Saif Khan, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en el laboratorio de Gati. «Ahora podemos ver todo lo que sucede en el medio. Es como pasar de dos instantáneas a un libro animado que finalmente revela el movimiento completo».
Dentro de un conjunto de ocho modelos 3D únicos y 16 imágenes crio-EM 3D, el equipo capturó seis estados de receptores diferentes, cada uno de los cuales representa un paso diferente en cómo los fármacos opioides y sus antídotos afectan la función de sus receptores.
Cómo se encienden los opioides y Narcan apaga la señal
El receptor opioide mu es parte de una gran familia de proteínas llamadas receptores acoplados a proteína G (GPCR), que ayudan a regular todo, desde el dolor hasta el estado de ánimo, la frecuencia cardíaca y el metabolismo. Cuando un fármaco opioide se une al receptor, desencadena la liberación de una pequeña molécula llamada PIB de su proteína G, lo que desencadena una cascada de señales que activan las vías del cuerpo para aliviar el dolor.
Pero cuando esta señalización va demasiado lejos, puede ralentizar la respiración y producir euforia, efectos que subyacen tanto a la sobredosis como a la adicción.
Los investigadores descubrieron que diferentes fármacos influyen en este proceso de diferentes maneras. La loperamida, un potente opioide que no cruza la barrera hematoencefálica, cambia el receptor a una forma estructural que libera rápidamente PIB, esencialmente activando el interruptor. En cambio, Narcan bloquea el receptor en lo que el equipo de Gati llama un estado «latente», como presionar un botón de pausa molecular antes de que se pueda liberar el PIB.
«Los científicos pensaban que medicamentos como Narcan impedían que el receptor se comunicara con su proteína G», dijo Khan. «Ahora vemos que la conversación comienza, nunca termina porque Narcan la interrumpe».
El avance del receptor de opioides apunta a nuevas vías de descubrimiento de fármacos
A pesar de la creciente conciencia sobre sus peligrosos efectos secundarios, los opioides siguen prescribiéndose ampliamente: se calcula que en 2023 se surtirán 125 millones de recetas en Estados Unidos, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de Estados Unidos. Más de 80.000 estadounidenses murieron por sobredosis de opioides ese año.
Narcan es el antídoto estándar que utilizan los socorristas para salvar vidas, pero con los nuevos opioides sintéticos como el fentanilo, cientos de veces más potentes que la morfina, es posible que los pacientes no siempre respondan con la suficiente rapidez. Debido a que los tratamientos actuales desaparecen más rápidamente que los opioides que contrarrestan, los pacientes suelen necesitar dosis múltiples.
Saber exactamente cómo interactúa Narcan con el receptor podría guiar a los químicos a diseñar antídotos más duraderos o de acción más rápida, mientras que comprender la mecánica paso a paso del receptor podría ayudar a ajustar los analgésicos opioides para que alivien el dolor sin causar efectos secundarios peligrosos, como dificultad para respirar.
«Si podemos diseñar fármacos que activen sólo una parte de esta maquinaria molecular», afirmó Gati, «podríamos conservar lo bueno, el alivio del dolor, y perder lo malo, como la adicción y la depresión respiratoria».
Gati añadió que las implicaciones van mucho más allá de los opioides. El receptor opioide mu pertenece a una de las familias más grandes de objetivos farmacológicos en el cuerpo humano, y aproximadamente un tercio de todos los medicamentos recetados, implicados en todo, desde la regulación del estado de ánimo hasta el metabolismo, actúan sobre estos GPCR.
«Este es un modelo para comprender cómo funciona toda una clase de receptores», dijo. «Si podemos mapear estos movimientos moleculares de los opioides, podemos aplicar los mismos principios para diseñar mejores medicamentos para las enfermedades cardíacas, la depresión y la diabetes».
Las imágenes producidas por el equipo de Gati se encuentran entre las vistas más detalladas jamás obtenidas de un complejo de receptores de opioides. Cada instantánea reveló cambios sutiles en la forma en que el receptor capta la proteína G, libera PIB y abre la vía que desencadena la activación.
Los investigadores también utilizaron simulaciones por computadora para ver cómo se mueven las moléculas en tiempo real, confirmando que las transiciones capturadas en forma congelada coinciden con el comportamiento natural del receptor.
«Las proteínas son como pequeñas máquinas moleculares», dijo Khan. «Y la mejor manera de entender cómo funciona una máquina es verla en movimiento. Eso es lo que finalmente hemos podido hacer: ver este receptor funcionando a nanoescala, en tiempo real».
Un nuevo capítulo en la historia de los opioides
Si bien los hallazgos no resolverán la crisis de los opioides de la noche a la mañana, proporcionan algo que el campo ha carecido durante mucho tiempo: una hoja de ruta detallada de cómo funcionan los medicamentos y antídotos opioides de adentro hacia afuera.
«Esta es ciencia básica, pero es el tipo de ciencia básica que puede transformar la medicina», dijo Gati, quien también ocupa un puesto conjunto en farmacología y ciencias farmacéuticas en la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Alfred E. Mann de la USC. «Al comprender estos receptores con tanto detalle, finalmente podremos comenzar a diseñar fármacos que sean tan inteligentes como las moléculas a las que se dirigen».
Sobre el estudio
Además de Gati y Khan, los autores del estudio incluyen a Aaliyah Tyson, Mohsen Ranjbar, Jaskaran Singh y Gye Won Han de USC Dornsife y Zixin Zhang de la Facultad de Medicina Keck de USC.
La investigación fue financiada por la subvención R01AT012075 del Instituto Nacional de Salud.
