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Molecular design of a therapeutic LSD analogue with reduced hallucinogenic potential ​

Tuck, Dunlap, Khatib et al. (2025)

DisciplineNatural science
MethodExperiment

Summary ​

Problem: 皮质树突棘密度降低是抑郁症、成瘾和精神分裂症（SCZ）等神经精神疾病的关键病理特征。致幻剂（如LSD）具有促进皮质神经元生长和增加棘密度的显著能力，但因其致幻特性，在SCZ患者或有精神病家族史的人群中被禁用。因此，亟需开发保留促神经可塑性治疗潜力但无致幻风险的非致幻性致幻剂类似物。 Approach: 作者采用理性化学设计策略，将LSD分子中吲哚环的N-H基团通过原子转置（将N,N-二甲基氨基乙基取代基从C3转置到N1）消除，设计出结构异构体(+)-JRT。通过从头全合成获得该化合物，并利用分子对接、体外药理学（放射性配体结合、BRET、psychLight生物传感器）、体外/体内神经可塑性实验以及多种行为学范式（头部抽搐反应、苯丙胺诱导高活动、前脉冲抑制等）系统评估其药理学特性、促神经可塑性能力及致幻/精神分裂症相关风险。 Finding: (+)-JRT是一种高效且高度选择性的5-HT2A受体部分激动剂，其解离速率比LSD快约10倍，且无法高效招募β-arrestin。在体外和体内实验中，(+)-JRT均能显著促进皮质神经元树突生长和棘密度增加，并能逆转慢性皮质酮诱导的树突棘丢失。行为学上，(+)-JRT不诱导头部抽搐反应（HTR），反而能阻断LSD诱导的HTR，不加剧苯环利定诱导的高活动或MK-801诱导的前脉冲抑制缺陷，且不诱导SCZ相关基因表达变化。 Significance: 该工作首次证明了通过极小的结构修饰（仅转置两个原子）可以将致幻性5-HT2A受体配体转化为非致幻性且具有治疗潜力的精神塑形原（psychoplastogen），为开发适用于SCZ等致幻剂禁忌疾病的非致幻性神经精神疾病治疗药物提供了新策略和新的化学骨架（indolonaphthyridine）。

Theoretical Framework ​

N/A

Research Design ​

本研究为实验性研究，包含体外和体内两个层面。体外实验包括：1）分子对接模拟（计算）；2）放射性配体竞争结合实验（55个CNS靶点）；3）BRET-based Gq激活实验；4）psychLight构象生物传感器实验；5）大鼠胚胎皮质神经元培养（DIV6和DIV19）用于树突生长和棘密度分析。体内实验包括：1）小鼠头部抽搐反应（HTR）实验；2）苯丙胺诱导高活动实验；3）苯环利定诱导高活动实验；4）MK-801诱导前脉冲抑制（PPI）缺陷实验；5）扫描电子显微镜连续切片（S3EM）分析mPFC棘密度和突触密度；6）Thy1-EGFP小鼠慢性皮质酮（CORT）应激模型评估棘密度恢复。主要自变量为药物处理（(+)-JRT、LSD、CLZ、vehicle等），因变量为树突复杂度（Nmax、Sholl曲线下面积）、棘密度、突触密度、HTR次数、活动量、PPI百分比、基因表达水平等。

Data & Sample ​

  • 体外神经元实验：胚胎第18天（E18）大鼠皮质神经元，DIV6和DIV19培养。
  • 体内行为学实验：小鼠（具体品系未在摘要中明确，正文提及Thy1-EGFP小鼠用于棘密度实验）。
  • S3EM实验：3只雌性动物，每条件8个27 μm³体积（棘密度）或6个视野（突触密度）。
  • 慢性CORT实验：Thy1-EGFP小鼠，每日腹腔注射CORT持续20天，随后单次给予(+)-JRT（1 mg/kg）。
  • 基因表达实验：单次给药（1 mg/kg）LSD或(+)-JRT后24小时收集PFC组织，使用SCZ相关TWAS top 250 loci基因集。
  • 数据来源：作者自行开展的实验，部分LSD结合数据来自文献值。

Analytical Strategy ​

  • 分子对接：使用已报道的5-HT2AR晶体结构（PDB: 6WGT和7WC6），计算RMSD评估结合姿势相似性。
  • 放射性配体结合实验：计算Ki值，评估对55个CNS靶点的选择性。
  • 动力学结合实验：测定kon和koff值，比较LSD、(+)-JRT和6-F-DET的解离速率。
  • BRET和psychLight实验：拟合浓度-响应曲线，计算Emax和EC50，使用log(Emax/EC50)分析配体活性比（bias）。
  • Sholl分析：计算Nmax、交叉次数、曲线下面积，评估树突复杂度。
  • 棘密度和突触密度：通过S3EM和共聚焦显微镜定量，使用双因素方差分析（2-way ANOVA）比较组间差异。
  • 行为学数据：HTR计数、活动量、PPI百分比，使用适当的统计检验（如ANOVA）。
  • 基因表达：使用SCZ相关TWAS基因集进行差异表达分析。
  • 稳健性检验：HTR阻断实验中改变LSD剂量以排除倒U型剂量-反应曲线的混淆；使用S242A5.46突变型psychLight验证受体构象差异。

Results & Findings ​

  • (+)-JRT的药理学选择性：与LSD不同，(+)-JRT和(–)-JRT对多巴胺、组胺和肾上腺素能受体无亲和力，高度选择于5-HT受体亚家族。(+)-JRT对5-HT2家族受体具有高亲和力（Ki范围2-184 nM），是5-HT2A（Emax=81%）和5-HT2B（Emax=48%）的部分激动剂，接近5-HT2C（Emax=89%）的全激动剂。这一选择性特征意味着(+)-JRT可能避免LSD因作用于多靶点而产生的副作用。
  • (+)-JRT的受体动力学与信号偏向：(+)-JRT从5-HT2A受体的解离速率比LSD快约10倍，且无法高效招募β-arrestin，尽管其能有效激活Gq信号。psychLight实验显示，(+)-JRT对野生型人源5-HT2A受体的效力和效能均低于LSD（Emax 33% vs 44%），但在S242A5.46突变型受体上这一差异减弱。配体活性比分析表明LSD对野生型受体有明显偏向，而(+)-JRT和5-HT无此偏向。这些结果支持作者的假设：消除与S2425.46的氢键相互作用改变了配体诱导的受体构象，使其不利于致幻信号传导。
  • (+)-JRT促进神经可塑性：体外实验中，(+)-JRT在促进树突生长方面与LSD相当或更优，且显著优于非典型抗精神病药氯氮平（CLZ）。(+)-JRT显著增加DIV19成熟神经元棘密度，且该效应可被5-HT2受体拮抗剂酮色林阻断，表明其通过5-HT2受体介导。体内实验中，单次给予(+)-JRT（1 mg/kg）使mPFC棘密度增加46%、突触密度增加18%，且能完全逆转慢性CORT诱导的层2/3 mPFC树突棘丢失。这些结果直接支持(+)-JRT作为精神塑形原的治疗潜力，尤其是在SCZ等以皮质萎缩为特征的疾病中。
  • (+)-JRT不加剧SCZ阳性症状相关行为：与LSD不同，(+)-JRT在所有测试剂量下均不诱导HTR，且预处理能完全阻断LSD诱导的HTR（在所有LSD剂量下均有效）。(+)-JRT不加剧苯环利定诱导的高活动，不诱导PPI缺陷（与LSD形成鲜明对比），且不产生血清素综合征样反应。在雌性（而非雄性）小鼠中，(+)-JRT能减弱苯丙胺诱导的高活动，提示其可能通过5-HT2C激动作用调节多巴胺能过度活跃状态。这些行为学结果一致表明(+)-JRT的致幻潜力显著低于LSD。
  • (+)-JRT不促进SCZ相关基因表达：单次给予(+)-JRT后24小时，PFC中SCZ相关TWAS基因集未出现差异表达，而LSD则导致相关基因表达失调。这一结果在转录组水平上进一步支持(+)-JRT的安全性。
  • 意外发现：(+)-JRT在雌性而非雄性小鼠中减弱苯丙胺诱导的高活动，作者将其归因于人类中观察到的抗精神病药反应的性别差异。此外，(+)-JRT对5-HT7受体同时具有激动和拮抗活性，这一复杂药理特征的具体功能意义尚待阐明。

Limitations ​

  • 作者未在摘要中明确列出局限性，但根据正文内容可推断：1）HTR实验虽与人类致幻效力高度相关，但仍是间接指标，无法完全预测人类主观致幻体验；2）(+)-JRT对5-HT2B受体的部分激动活性（Emax=48%）可能涉及心脏瓣膜病风险，需进一步评估；3）行为学实验主要在小鼠中进行，跨物种外推需谨慎；4）基因表达分析仅考察了单次给药后24小时的时间点，长期效应未知；5）(+)-JRT在雌性小鼠中减弱苯丙胺高活动的性别特异性效应机制尚不清楚。

Key Contributions ​

  • 首次报道了通过原子转置策略（仅转置两个原子）将LSD转化为非致幻性类似物(+)-JRT，证明了极小结构修饰可产生深远的药理学功能差异。
  • 开发了(+)-JRT的从头全合成路线（12步，总产率11%），为无法通过半合成获得的ergoline类似物提供了合成途径。
  • 建立了indolonaphthyridine核心作为构建非致幻性精神塑形原的新化学骨架。
  • 证明了(+)-JRT在体外和体内均具有强大的促神经可塑性效应，包括促进树突生长、棘密度增加和突触形成，并能逆转慢性应激诱导的皮质萎缩。
  • 通过多种行为学范式（HTR、PPI、苯丙胺/苯环利定诱导高活动）和基因表达分析，系统证明了(+)-JRT不加剧SCZ相关病理特征，且能阻断LSD诱导的HTR。
  • 揭示了消除5-HT2A受体中与S2425.46的氢键相互作用可加速配体解离、改变信号偏向（降低β-arrestin招募），从而降低致幻潜力的机制。

Key Claims ​

"By transposing only two atoms, we have created JRT, an exceptionally potent analogue of LSD with lower hallucinogenic potential, improved pharmacological selectivity, and the ability to produce a wide range of therapeutic effects." (Significance)

"In addition to promoting spinogenesis in the cortex, (+)-JRT produces therapeutic effects in behavioral assays relevant to depression and cognition without exacerbating behavioral and gene expression signatures relevant to psychosis." (Abstract)

"Our work establishes the indolonaphthyridine core as a scaffold for the construction of nonhallucinogenic psychoplastogens and demonstrates that exceedingly small structural modifications to hallucinogenic 5-HT2A receptor ligands can have profound functional consequences and be used to improve efficacy and safety profiles." (Introduction)

"Unlike LSD, (+)-JRT did not induce a robust HTR compared to vehicle control at any dose." (Results, Head-Twitch Response section)

"A single administration of (+)-JRT led to a 46% increase in dendritic spine density and an 18% increase in synapse density within the mPFC, though synapse size remained unchanged." (Results, Neuroplasticity section)

My Notes ​