Kwantumsimulatie toont: lithium-isotopen kunnen hersenen verschillend raken

Lithium wordt sinds de jaren vijftig voorgeschreven om de stemmingswisselingen van bipolaire stoornis te dempen. Het middel werkt, maar artsen en wetenschappers weten nog altijd niet precies via welk molecuulmechanisme dat gebeurt. Een team van de Universiteit van Surrey onderzocht nu een onverwachte verklaring: het gedrag van de atoomkern van lithium zelf.

Twee soorten lithium, één verschil

Lithium komt in de natuur voor in twee stabiele varianten, lithium-6 en lithium-7. Scheikundig zijn deze isotopen vrijwel niet van elkaar te onderscheiden: ze hebben hetzelfde aantal protonen en reageren met andere stoffen op dezelfde manier. Toch verschillen hun atoomkernen in een kwantummechanische eigenschap die bepaalt hoe de kern zich als een microscopisch magneetje gedraagt. Eerdere proeven met ratten lieten al zien dat de twee varianten niet evenveel effect hebben op hyperactief gedrag. Hoe dat kon, bleef echter een raadsel.

Reactie met vitamine C in het brein

Met kwantumchemie bouwden de onderzoekers een model van een chemische reactie die zich mogelijk in hersencellen afspeelt. Daarin speelt flavine een rol, een molecuul afgeleid van vitamine B2 dat helpt bij het doorgeven van elektronen in cellen. Dat molecuul reageert met een afsplitsing van vitamine C, een stof die in grote hoeveelheden aanwezig is in neuronen en de hersenen beschermt tegen schadelijke chemische processen. Deze afsplitsing, een zogeheten radicaal, kan zijn magnetische toestand relatief lang vasthouden, waardoor er voldoende tijd is voor kwantumeffecten om de uitkomst van de reactie te beïnvloeden. De simulaties toonden dat lithium-6 en lithium-7 door hun verschillende kernspin deze reactie elk op een eigen manier bijsturen, en dat de grootte van dat verschil overeenkomt met wat eerder in de dierproeven werd gemeten.

Nog geen bewijs, wel een aanwijzing

De onderzoekers benadrukken dat ze geen bewijs hebben geleverd dat dit mechanisme verantwoordelijk is voor de werking van lithium bij bipolaire stoornis. Wel toonden ze aan dat het idee natuurkundig plausibel is binnen een molecuulsysteem dat ook echt in de hersenen voorkomt. Volgens eerste auteur Amina Mouhamed is het fascinerend dat twee scheikundig nagenoeg identieke vormen van lithium via een kwantumeigenschap van hun kern mogelijk ander gedrag veroorzaken. Mede-onderzoeker Marco Sacchi noemt lithium een bijzonder medicijn waarvan de precieze werking na decennia gebruik nog grotendeels onbekend is. Vervolgonderzoek moet nu in het laboratorium uitwijzen of het voorspelde verschil tussen de twee isotopen ook in echte biologische systemen optreedt. Als dat bevestigd wordt, zou dat een nieuwe weg openen om medicijnen te verfijnen door simpelweg de isotopensamenstelling aan te passen.