The affinities of olanzapine, clozapine, haloperidol, and four potential antipsychotics were compared on binding to the neuronal receptors of a number of neurotransmitters. In both rat tissues and cell lines transfected with human receptors olanzapine had high affinity for dopamine D1, D2, D4, serotonin (5HT)2A, 5HT2C, 5HT3, alpha 1-adrenergic, histamine H1, and five muscarinic receptor subtypes. Olanzapine had lower affinity for alpha 2-adrenergic receptors and relatively low affinity for 5HT1 subtypes, GABAA, beta-adrenergic receptors, and benzodiazepine binding sites. The receptor binding affinities for olanzapine was quite similar in tissues from rat and human brain. The binding profile of olanzapine was comparable to the atypical antipsychotic clozapine, while the binding profiles for haloperidol, resperidone, remoxipride, Org 5222, and seroquel were substantially different from that of clozapine. The receptor binding profile of olanzapine is consistent with the antidopaminergic, antiserotonergic, and antimuscarinic activity observed in animal models and predicts atypical antipsychotic activity in man.

Although the principal brain target that all antipsychotic drugs attach to is the dopamine D2 receptor, traditional or typical antipsychotics, by attaching to it, induce extrapyramidal signs and symptoms (EPS). They also, by binding to the D2 receptor, elevate serum prolactin. Atypical antipsychotics given in dosages within the clinically effective range do not bring about these adverse clinical effects. To understand how these drugs work, it is important to examine the atypical antipsychotics' mechanism of action and how it differs from that of the more typical drugs.This review analyzes the affinities, the occupancies, and the dissociation time-course of various antipsychotics at dopamine D2 receptors and at serotonin (5-HT) receptors, both in the test tube and in live patients.Of the 31 antipsychotics examined, the older traditional antipsychotics such as trifluperazine, pimozide, chlorpromazine, fluphenazine, haloperidol, and flupenthixol bind more tightly than dopamine itself to the dopamine D2 receptor, with dissociation constants that are lower than that for dopamine. The newer, atypical antipsychotics such as quetiapine, remoxipride, clozapine, olanzapine, sertindole, ziprasidone, and amisulpride all bind more loosely than dopamine to the dopamine D2 receptor and have dissociation constants higher than that for dopamine. These tight and loose binding data agree with the rates of antipsychotic dissociation from the human-cloned D2 receptor. For instance, radioactive haloperidol, chlorpromazine, and raclopride all dissociate very slowly over a 30-minute time span, while radioactive quetiapine, clozapine, remoxipride, and amisulpride dissociate rapidly, in less than 60 seconds. These data also match clinical brain-imaging findings that show haloperidol remaining constantly bound to D2 in humans undergoing 2 positron emission tomography (PET) scans 24 hours apart. Conversely, the occupation of D2 by clozapine or quetiapine has mostly disappeared after 24 hours.Atypicals clinically help patients by transiently occupying D2 receptors and then rapidly dissociating to allow normal dopamine neurotransmission. This keeps prolactin levels normal, spares cognition, and obviates EPS. One theory of atypicality is that the newer drugs block 5-HT2A receptors at the same time as they block dopamine receptors and that, somehow, this serotonin-dopamine balance confers atypicality. This, however, is not borne out by the results. While 5-HT2A receptors are readily blocked at low dosages of most atypical antipsychotic drugs (with the important exceptions of remoxipride and amisulpride, neither of which is available for use in Canada) the dosages at which this happens are below those needed to alleviate psychosis. In fact, the antipsychotic threshold occupancy of D2 for antipsychotic action remains at about 65% for both typical and atypical antipsychotic drugs, regardless of whether 5-HT2A receptors are blocked or not. At the same time, the antipsychotic threshold occupancy of D2 for eliciting EPS remains at about 80% for both typical and atypical antipsychotics, regardless of the occupancy of 5-HT2A receptors.The "fast-off-D2" theory, on the other hand, predicts which antipsychotic compounds will or will not produce EPS and hyperprolactinemia and which compounds present a relatively low risk for tardive dyskinesia. This theory also explains why L-dopa psychosis responds to low atypical antipsychotic dosages, and it suggests various individualized treatment strategies.

Neuroleptic (antipsychotic) drugs inhibited the electrically stimulated release of [ 3 H]dopamine from rat striatal slices. The concentrations for 50 percent inhibition (ranging from 11.5 nanomolar for spiroperidol to 800 nanomolar for thioridazine) correlated closely with the average daily dosages of 25 neuroleptic drugs used clinically for schizophrenia. The correlation includes butyrophenones, phenothiazines, reserpine, pimozide, clozapine, and (+)-butaclamol. Clinically inactive isomers [ trans -thiothixene, trans -flupenthixol, and (-)-butaclamol] required 20 to 1000 times higher concentrations than the active isomers to inhibit release. Compared to the inhibition of [ 3 H]dopamine release, much higher neuroleptic concentrations were needed to inhibit the electrically stimulated release of other neurotransmitters—[ 3 H]acetylcholine, [ 3 H]GABA (γ-aminobutyric acid). The neuroleptic drugs may block the presynaptic coupling between impulse and neurosecretion.

In order to test the suggestion that antipsychotic drugs act by blocking dopamine receptors in the brain, the direct effects of such neuroleptic drugs were tested on the stereospecific binding of [3H]dopamine and of [3H]haloperidol to rat brain striata and their subfractions. The stereospecific component of binding was defined as that amount of [3h]dopamine or [3H]haloperidol bound in the presence of (-)-butaclamol (an inactive drug) minus that bound in the presence of (+)-butaclamol (a potent neuroleptic drug); 100 nM butaclamol was used for the [3H]haloperidol assay, while 1 muM butaclamol was used for the [3H]dopamine assay. Various antipsychotic drugs inhibited this stereospecific component in both the dopamine and haloperidol assays. These inhibitory potencies correlated with the clinical doses used for controlling schizophrenia.

Physiological and pharmacological criteria have divided dopamine receptors into D1 and D2 subtypes, and genes encoding these subtypes have recently been cloned. Based on the sequences of the cloned receptors, we prepared oligodeoxynucleotide probes to map the cellular expression of the corresponding mRNAs in rat brain by in situ hybridization histochemistry. These mRNAs showed largely overlapping yet distinct patterns of expression. The highest levels of expression for both mRNAs were observed in the caudate-putamen, nucleus accumbens, and olfactory tubercle. Within the caudate-putamen, 47 +/- 6% and 46 +/- 5% of the medium-sized neurons (10-15 microns) expressed the D1 and D2 mRNAs, respectively, and only the D2 mRNA was observed in the larger neurons (greater than 20 microns). The D1 and D2 mRNAs were expressed in most cortical regions, with the highest levels in the prefrontal and entorhinal cortices. Within neocortex, D1 mRNA was observed primarily in layer 6 and D2 mRNA in layers 4-5. Within the amygdala, D1 mRNA was observed in the intercalated nuclei, and D2 mRNA in the central nucleus. Within the hypothalamus, D1 mRNA was observed in the suprachiasmatic nucleus and D2 mRNA in many of the dopaminergic cell groups. Within the septum, globus pallidus, superior and inferior colliculi, mammillary bodies, and substantia nigra only D2 mRNA was detected. These data provide insight into the neuroanatomical basis of the differential effects of drugs that act on D1 or D2 receptors.