ABSTRACT Serotonergic psychedelics are gaining increasing interest as potential therapeutics for a range of mental illnesses. Compounds with short-lived subjective effects may be clinically useful because dosing time would be reduced, which may improve patient access. One short-acting psychedelic is 5-MeO-DMT, which has been associated with improvement in depression and anxiety symptoms in early clinical studies. However relatively little is known about the behavioral effects and neural mechanisms of 5-MeO-DMT in animal models. Here we characterized the effects of 5-MeO-DMT on innate behaviors and dendritic architecture in mice. We showed that 5-MeO-DMT induces a dose-dependent increase in head-twitch response that is shorter in duration than that induced by psilocybin at all doses tested. 5-MeO-DMT also substantially suppresses social ultrasonic vocalizations produced during mating behavior. 5-MeO-DMT produces long-lasting increases in dendritic spine density in the mouse medial frontal cortex that are driven by an elevated rate of spine formation. However, unlike psilocybin, 5-MeO-DMT did not affect the size of dendritic spines. These data provide insights into the behavioral and neural consequences underlying the action of 5-MeO-DMT and highlight similarities and differences with those of psilocybin.

Summary Serotonergic psychedelics possess considerable therapeutic potential. Although 5-HT 2A receptor activation mediates psychedelic effects, prototypical psychedelics activate both 5-HT 2A -Gq/11 and β-arrestin2 signaling, making their respective roles unclear. To elucidate this, we developed a series of 5-HT 2A -selective ligands with varying Gq efficacies, including β-arrestin-biased ligands. We show that 5-HT 2A -Gq but not 5-HT 2A -β-arrestin2 efficacy predicts psychedelic potential, assessed using head-twitch response (HTR) magnitude in male mice. We further show that disrupting Gq-PLC signaling attenuates the HTR and a threshold level of Gq activation is required to induce psychedelic-like effects, consistent with the fact that certain 5-HT 2A partial agonists (e.g., lisuride) are non-psychedelic. Understanding the role of 5-HT 2A -Gq efficacy in psychedelic-like psychopharmacology permits rational development of non-psychedelic 5-HT 2A agonists. We also demonstrate that β-arrestin-biased 5-HT 2A receptor agonists induce receptor downregulation and tachyphylaxis, and have an anti-psychotic-like behavioral profile. Overall, 5-HT 2A receptor signaling can be fine-tuned to generate ligands with properties distinct from classical psychedelics.

Psilocybin, ketamine, and MDMA are psychoactive compounds that exert behavioral effects with distinguishable but also overlapping features. The growing interest in using these compounds as therapeutics necessitates preclinical assays that can accurately screen psychedelics and related analogs. We posit that a promising approach may be to measure drug action on markers of neural plasticity in native brain tissues. We therefore developed a pipeline for drug classification using light sheet fluorescence microscopy of immediate early gene expression at cellular resolution followed by machine learning. We tested male and female mice with a panel of drugs, including psilocybin, ketamine, 5-MeO-DMT, 6-fluoro-DET, MDMA, acute fluoxetine, chronic fluoxetine, and vehicle. In one-versus-rest classification, the exact drug was identified with 66% accuracy, significantly above the chance level of 12.5%. In one-versus-one classifications, psilocybin was discriminated from 5-MeO-DMT, ketamine, MDMA, or acute fluoxetine with >95% accuracy. We used Shapley additive explanation to pinpoint the brain regions driving the machine learning predictions. Our results support a novel approach for screening psychoactive drugs with psychedelic properties.

Bipolar disorder impacts millions of patients in the United States but the mechanistic understanding of its pathophysiology and therapeutics is incomplete. Atypical antipsychotic serotonin_2A (5-HT_2A) receptor antagonists, such as quetiapine and olanzapine, and mood-stabilizing voltage-gated sodium channel (VGSC) blockers, such as lamotrigine, carbamazepine, and valproate, show therapeutic synergy and are often prescribed in combination for the treatment of bipolar disorder. Combination therapy is a complex task for clinicians and patients, often resulting in unexpected difficulties with dosing, drug tolerances, and decreased patient compliance. Thus, an unmet need for bipolar disorder treatment is to develop a therapeutic agent that targets both 5-HT_2A receptors and VGSCs. Towards this goal, we developed a novel small molecule that simultaneously antagonizes 5-HT_2A receptors and blocks sodium current. The new compound, N-(4-bromo-2,5-dimethoxyphenethyl)-6-(4-phenylbutoxy)hexan-1-amine (XOB) antagonizes 5-HT-stimulated, G_q-mediated, calcium flux at 5-HT_2A receptors at low micromolar concentrations while displaying negligible affinity and activity at 5-HT_1A, 5-HT_2B, and 5-HT_2C receptors. At similar concentrations, XOB administration inhibits sodium current in heterologous cells and results in reduced action potential (AP) firing and VGSC-related AP properties in mouse prefrontal cortex layer V pyramidal neurons. Thus, XOB represents a new, proof-of-principle tool that can be used for future preclinical investigations and therapeutic development. This polypharmacology approach of developing a single molecule to act upon two targets, which are currently independently targeted by combination therapies, may lead to safer alternatives for the treatment of psychiatric disorders that are increasingly being found to benefit from the simultaneous targeting of multiple receptors. Significance Statement We synthesized a novel small molecule (XOB) that simultaneously antagonizes two key therapeutic targets of bipolar disorder, 5-HT_2A receptors and voltage-gated sodium channels (VGSCs), in heterologous cells, and inhibits the intrinsic excitability of mouse prefrontal cortex layer V pyramidal neurons in brain slices. XOB represents a valuable new proof-of-principle tool for future preclinical investigations and provides a novel molecular approach to the pharmacological treatment of complex neuropsychiatric disease, which often requires a combination of therapeutics for sufficient patient benefit.