Forskare vid University of Michigan har utvecklat ett nytt verktyg för att bättre förstå hur kemikalier som dopamin och adrenalin interagerar med nervceller.
Dessa kemikalier är bland ett brett utbud av signaler som bearbetas i hjärnan genom G-proteinkopplade receptorer (GPCR), proteiner som sitter på ytan av nervceller för att ta emot meddelanden – i form av proteiner, sockerarter, fetter, till och med ljus – som informerar cellulärt beteende.
Resultaten publiceras i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
GPCR är involverade i ett enormt antal biologiska funktioner, vilket gör dem till ett utmärkt mål för behandling av sjukdomar; mer än en tredjedel av FDA-godkända läkemedel riktar sig mot GPCR. Men för att fullt ut förstå hur olika molekyler interagerar med GPCR måste forskarna kunna detektera dessa molekyler i hela hjärnan med hög rumslig upplösning.
”Utmaningen inom vårt område har varit att uppnå rätt balans mellan en detaljerad vy och hela bilden av hjärnan”, säger Wenjing Wang, neurovetare vid U-M Life Sciences Institute.
Peng Li, som tillhör LSI-fakulteten, förklarade att de flesta befintliga verktyg kan upptäcka en neural modulator antingen i en liten del av hjärnan med hög rumslig upplösning eller i hela hjärnan med mycket låg upplösning.
”Men vi måste identifiera de celler som svarar på neuromodulatorerna i olika hjärnregioner, med hög upplösning”, säger han.
I studien presenterade Wang, Li och kollegor ett nytt kemiskt verktyg som uppnår båda målen för tre kemikalier som alla riktar sig till GPCR.
Wangs laboratorium vid LSI använder protein engineering för att utveckla tekniker som kan upptäcka hur signalmolekyler färdas i hjärnan för att nå och interagera med specifika nervceller. De har tidigare skapat ett verktyg för att avslöja förekomsten av opioider, en annan GPCR-bindningspartner, på cellulär nivå.
När molekylen detekteras skapar verktyget en permanent fluorescerande markering i cellerna. På så sätt kan forskarna se de specifika celler som är markerade, liksom hela bilden av celler i hela hjärnan.
Det senaste arbetet breddar användningsområdet för den sensorn för att upptäcka flera typer av GPCR-aktivatorer, utöver bara opioider. Hittills har teamet testat verktyget med opioider och epinefrin i odlade nervceller och i musmodeller. Teamet har också utökat verktyget till att använda både grön och röd fluorescens, vilket gör det möjligt att spåra flera molekyler samtidigt.
”Från att bara ha detekterat opioider har vi nu ett verktyg som vi enkelt kan börja modulera för olika signaler som interagerar med GPCR”, säger Wang, som också är biträdande professor i kemi vid U-M College of Literature, Science and the Arts. ”Målet är att så småningom även kunna studera samspelet mellan olika signalvägar samtidigt.”
Teamet varnar för att även om verktyget ger viktiga visualiseringar av hur signaler färdas genom nervceller för analys post mortem, kan det inte användas för att spåra kemikalier i realtid, eftersom det tar flera timmar innan fluorescensen visas. Men det erbjuder en ny väg framåt för att förbättra förståelsen av neuronal signalering och GPCRs roll som läkemedelsmål.
”Idealiskt sett siktar vi på att kunna skapa en hjärnkarta för flera neuromodulatorer samtidigt, vilket ger en omfattande förståelse för platserna för neuromodulering”, säger Li, som också är biträdande professor vid U-M School of Dentistry.
Ytterligare information: Kayla Kroning et al, Single-chain fluorescent integrators for mapping G-protein-coupled receptor agonists, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2307090121
