Fluorescent biosensors for subcellular pharmacokinetics
用于亚细胞药代动力学的荧光生物传感器
基本信息
- 批准号:9353864
- 负责人:
- 金额:$ 83.12万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2016
- 资助国家:美国
- 起止时间:2016-09-16 至 2021-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AcidsAcuteAddressAdverse effectsAffinityAnimalsAntidepressive AgentsAntipsychotic AgentsArrestinsBindingBiosensorBloodBrainBrain DiseasesBuffersCell membraneCellsCellular biologyCentral Nervous System AgentsCholinergic AgentsChronicCollectionComplementDataData SetDendritesDevelopmentDiffusionDirected Molecular EvolutionDisciplineDockingDopamineDrug KineticsDrug ReceptorsDrug TargetingDrug effect disorderEndoplasmic ReticulumEventFamilyFluorescenceG-Protein-Coupled ReceptorsGlutamatesGoalsGreen Fluorescent ProteinsImageIon ChannelIonsKineticsKnowledgeLibrariesLigandsLiverMajor Depressive DisorderMeasuresMediatingMental disordersMetabolic BiotransformationMolecular ChaperonesMolecular TargetMusMuscleMutagenesisNerve DegenerationNeuraxisNeurosciencesNeurotransmittersNicotineNicotinic ReceptorsOralOrganellesPeriplasmic Binding ProteinsPharmaceutical PreparationsPharmacologyPreclinical Drug EvaluationPreparationProteinsPsychiatryResearchResearch PersonnelSchizophreniaSecond Messenger SystemsSecretory VesiclesSerotonin AgentsSignal TransductionSignal Transduction PathwaySiteSliceStructureSuggestionTestingTherapeuticTherapeutic EffectTimeTissuesVesicleViral VectorWorld Health Organizationaddictionbaseburden of illnessdisability-adjusted life yearsdrug developmentexperienceexperimental studyextracellulargamma-Aminobutyric Acidhigh rewardhigh riskimprovedinnovationneuronal cell bodyneuropsychiatric disordernovel drug classnovel therapeuticsreceptor bindingreceptor upregulationrelating to nervous systemscreeningsmall moleculesuccesstooltraffickingtwo-photonuptake
项目摘要
Drug development for the central nervous system (CNS), especially for psychiatry, has slowed, partially
because we do not know the mechanisms by which some drugs exert their therapeutic or harmful effects. The
project provides data to test the hypothesis that several CNS drugs act, in addition to their acute effects, in a
slower, “inside-out” fashion. The drugs would start by binding to their classical molecular targets, but in
organelles.
By measuring neural drugs, and their target interactions, within organelles of living cells, this project
helps to test inside-out pharmacology. The experiments invent, then exploit, genetically encoded fluorescent
biosensors to measure drugs in organelles. The biosensors are bacterial and archaeal periplasmic binding
proteins (PBPs), fused to circularly permuted green fluorescent protein (cp-GFP). Sub-Approach A is a
solution-based screen of drugs x existing biosensors. The library of 92 compounds includes many orally
available drugs approved for various indications, but emphasizing psychiatry. The collection of 60 purified
biosensor proteins comprises five existing families, which now sense glutamate, dopamine, GABA, and
serotonergic drugs. Sub-Approach B utilizes “directed evolution” to improve the “hits”, toward the goal of
detecting the drugs at pharmacologically appropriate sub-micromolar concentrations. The major tools—site-
saturation mutagenesis, atomic-scale structure, computational docking, and high-through fluorescence
screening--are expected to converge on appropriate biosensors. Sub-Approach C expresses the refined
biosensors in ER and performs live-cell, time-resolved imaging while the drugs are applied extracellularly. We
begin with the simple questions, “does the drug enter the ER, and how quickly?” We then analyze signals
within organelles that also express the classical targets for the drugs. We expect a rich set of data on “kinetic
buffering” of diffusion by binding to the targets within ER, thus revealing drug-receptor interaction within
organelles of live cells. The sub-approach then graduates to mouse preparations, using viral vectors, brain
slices, and two-photon imaging in intact animals will be employed. Sub-Approaches D and E complement each
other. D extends subcellular pharmacokinetics to acidic organelles, including secretory granules and
neurotransmitter vesicles already suspected of accumulating drugs via “acid trapping”. We'll retain the PBP
portions of the biosensors, but employ additional cp-fluorescent proteins, known to function at low pH, and also
modify linkers. The result will become a collection of fluorescent biosensor platforms, each specialized to
perform best within, and targeted to, a class of organelles. Sub-approach E extends the drug biosensor
strategy to new classes of PBPs, and to new classes of drugs. We will retain the cp-fluorescent protein part of
the biosensors, but optimize the new PBPs and linkers.
The transformative overall results will produce at least ten, and as many as 100, biosensors to detect
drugs within organelles, and a clear roadmap for subcellular pharmacokinetics as a robust research tool. Data
could suggest transformative therapeutic strategies for psychiatry, addiction, and neurodegeneration.
中枢神经系统(CNS)的药物开发,尤其是精神病学药物的开发已经部分放缓
因为我们不知道某些药物发挥治疗或有害作用的机制。
项目提供数据来检验以下假设:几种中枢神经系统药物除了其急性作用外,还具有以下作用:
这些药物将以较慢的、“由内而外”的方式与它们的经典分子靶点结合。
细胞器。
通过神经测量药物及其在活细胞细胞器内的目标相互作用,该项目
有助于测试由内而外的药理学,这些实验发明并利用了基因编码的荧光。
测量细胞器中药物的生物传感器生物传感器是细菌和古细菌周质结合。
与循环排列的绿色荧光蛋白 (cp-GFP) 融合的蛋白质 (PBP) 是一种子方法 A。
基于溶液的药物筛选 x 现有生物传感器 92 种化合物库包括许多口服药物。
可供批准用于各种适应症的药物,但强调精神科 60 种纯化的集合。
生物传感器蛋白由五个现有家族组成,目前可感知谷氨酸、多巴胺、GABA 和
子方法 B 利用“定向进化”来提高“命中率”,以实现以下目标:
检测药理学上合适的亚微摩尔浓度的药物主要工具——位点——
饱和诱变、原子尺度结构、计算对接和高通量荧光
筛选——预计会集中在适当的生物传感器上,子方法 C 表达了改进后的结果。
我们在 ER 中使用生物传感器,并在药物应用于细胞外时进行活细胞、时间分辨成像。
从简单的问题开始,“药物是否进入急诊室?然后我们分析信号”
在也表达药物经典靶标的细胞器内,我们期望获得丰富的“动力学数据”。
通过与内质网内的靶标结合来缓冲“扩散”,从而揭示内质网内的药物-受体相互作用
然后,该子方法扩展到使用病毒载体、大脑的小鼠制剂。
将采用子方法 D 和 E 对完整动物进行切片和双光子成像。
其他 D 将亚细胞药代动力学扩展到酸性细胞器,包括分泌颗粒和
已经怀疑通过“酸捕获”积累药物的神经递质囊泡我们将保留 PBP。
生物传感器的一部分,但采用了额外的 CP 荧光蛋白,已知在低 pH 下起作用,并且还
修改连接器的结果将成为荧光生物传感器平台的集合,每个平台专门用于
在一类细胞器中表现最佳并针对该类细胞器 子方法 E 扩展了药物生物传感器。
我们将保留 CP 荧光蛋白部分。
生物传感器,但优化新的 PBP 和连接器。
变革性的总体结果将产生至少 10 个、最多 100 个生物传感器来检测
细胞器和药物内的数据为亚细胞药代动力学作为强大的研究工具提供了清晰的路线图。
可以为精神病学、成瘾和神经退行性疾病提出变革性的治疗策略。
项目成果
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