Создание новых препаратов: на пути к рациональному дизайну
На протяжении веков человечество занималось поиском эффективных лекарственных средств. Однако лишь недавно случайность и удача перестали быть главными «движущими силами» этого процесса. Создание новых лекарств становится все более целенаправленным
Люди накапливали знания о лечебных свойствах тех или иных природных веществ, преимущественно растительного происхождения, опытным путем определяя, когда собирать, как заготавливать и обрабатывать лекарственные растения для достижения максимального лечебного эффекта.
С развитием естествознания предметом пристального внимания стали активные компоненты природных лекарств. Их выделили в чистом виде, изучили и классифицировали, однако для полного удовлетворения потребностей медицины этого было недостаточно.
Качественный скачок в фармакологии произошел во второй половине XIX века благодаря успехам органического синтеза. Во все увеличивающемся потоке разнообразных синтетических соединений удалось выявить эффективные лекарства, которые широко используют и сегодня, такие как ацетилсалициловая кислота, N-ацетил-пара-аминофенон (парацетамол), пара-ацетаминофенетол (фенацетин) и др. Механизм их действия на организм оставался неясным. А значит, по-прежнему отсутствовали ориентиры для целенаправленного поиска новых препаратов и совершенствования имеющихся.
Революционной можно назвать идею немецкого врача и бактериолога Пауля Эрлиха. В начале ХХ века он задался целью сконструировать молекулу, которая была бы ядовитой для конкретной болезнетворной бактерии и безопасной для человека. Сначала Эрлих нашел подходящую молекулу-прототип — соединение с требуемой, хотя и слабой активностью, а затем методом проб и ошибок, анализируя сотни производных молекулы-прототипа, пытался повысить ее активность и снизить токсичность для человека. Не имея представления о механизмах патогенного действия микроба, о различиях между бактерией и млекопитающим на молекулярном уровне, Эрлих после многолетних трудов все-таки получил препарат сальварсан, длительное время используемый для лечения сифилиса. Огромная заслуга ученого заключалась еще и в том, что, создавая сальварсан и его усовершенствованный вариант неосальварсан, он на много лет вперед определил стратегию и тактику разработки новых синтетических лекарств.
Скрининг
В XX веке соединения с полезной с точки зрения медицины биологической активностью открывали либо «по старинке» — случайно, либо методом перебора. Второй путь обоснован и относительно результативен, однако требовал времени, терпения и огромных финансовых затрат. Химики-органики синтезировали множество новых соединений или модифицировали природные вещества и передавали их на тестирование биологам. Те в поисках молекул, обладающих физиологической активностью, проводили предварительный отбор — скрининг (англ. screening — просеивание, отсев). Чтобы выявить одно перспективное соединение, нужно протестировать около 50 тыс. веществ. Для экспериментов, которые проводились на животных, требовалось большое количество исследуемого вещества, и биологические испытания затягивались на годы. Получалось, что химики поставляли новые соединения быстрее, чем их тестировали. Сотни тысяч новых веществ «пылились» на полках, ожидая своего часа.
Между тем, биохимия и фармакология не стояли на месте. Углублялись знания о структуре белков и других биополимеров, развивалась энзимология, постепенно расшифровывались клеточные и молекулярные основы патогенеза многих заболеваний. Становилось более-менее ясно, на какую молекулу-мишень и каким образом следует воздействовать. Как выяснилось, такой мишенью обычно является белок (рецептор или фермент), иногда нуклеиновые кислоты и др.
Благодаря прогрессу молекулярной биологии и генной инженерии в последние 20 лет в распоряжении ученых появился такой мощный инструмент, как молекулярное клонирование. Теперь, выделив ген, кодирующий белок-мишень, последний они могли получить в чистом виде и в нужном количестве для создания тест-систем. Отпала необходимость проводить первые этапы скрининга с использованием лабораторных животных, а «расход» тестируемого вещества сократился до миллиграммов. Фактически тесты стали проводить на уровне молекул. Если химическое соединение специфично взаимодействовало с белком-мишенью, его отбирали для дальнейших испытаний в более сложных системах. Подобная схема значительно ускорила процесс скрининга биологически активных соединений и даже позволила его автоматизировать, тестирование стали выполнять на роботизированных установках. И если два десятилетия назад крупнейшие фармацевтические компании проверяли порядка 10 тысяч соединений в год на один тип биологической активности, то теперь – до 100 тысяч образцов в день. Путем высокопроизводительного скрининга определяют биологическую активность различных веществ и больших серий однотипных молекул, называемых библиотеками, проводят поиск соединений-лидеров с наилучшими характеристиками.
Новая технология скрининга полностью изменила ситуацию: теперь химики не успевали обеспечивать материал для испытаний. Остро встал вопрос о новой технологии органического синтеза.
Комбинаторный синтез
В 1991 году была предложена «комбинаторная химия» – новая технология органического синтеза. Если в классическом синтезе соединения создаются одно за другим, то в комбинаторной химии происходит одновременный («параллельный») синтез всей библиотеки путем случайного сочетания исходных веществ. Внеся в реакционный раствор два десятка реактантов, можно получить в одной «колбе» сотню соединений — результат всех химически возможных взаимодействий. Начальное тестирование этих веществ можно проводить прямо в смеси — технология высокопроизводительного скрининга позволяет. В случае позитивных результатов теста проводят идентификацию активного соединения.
За полтора века существования органического синтеза в химической литературе были описаны около 12 миллионов соединений, а благодаря комбинаторной химии это число может быть удвоено менее чем за год. Однако следует отметить, что комбинаторная химия является не научным направлением, а прикладной технологией, ориентированной на поиск лекарственных средств. В сочетании с высокопроизводительным скринингом она резко увеличивает количество потенциальных «кандидатов» на роль эффективных лекарств, экономит время и средства, которые ранее тратились на отсеивание бесперспективных соединений.
Технологии комбинаторного синтеза и высокопроизводительного скрининга незаменимы, если молекула-мишень малоизучена, и неясно, какого типа вещества могут с ней взаимодействовать. В целом, «коэффициент полезного действия» данных методов невысок: из 20 млн синтезированных соединений применение в клинической практике нашли немногим более ста. В связи с этим возникла идея сначала теоретически предсказать структуру вещества с нужной физиологической активностью, а затем его синтезировать. Ведь для сотен белков известны трехмерная структура, локализация участков связывания естественными лигандами, природа и расположение каталитически активных групп. А современные расчетные методы позволяют моделировать поведение белков в растворе, их взаимодействия с другими молекулами и между собой. Так нельзя ли от синтеза соединений с заданной структурой перейти к созданию веществ с заданными свойствами?
Решить проблему попытались с помощью новой поддисциплины органической химии, объединившей достижения химии, биологии и медицины и получившей название «лекарственная химия». Ее задача — рациональный дизайн лекарств (англ. drug design).
Дизайн лекарств: первые стадии
Стратегия рационального дизайна лекарств включает следующие этапы: 1) поиск или «конструирование» соединений-лидеров, или структурных прототипов — химических соединений с желаемой, но не оптимальной физиологической активностью; 2) оптимизация соединения-лидера; 3) разработка эффективного лекарства и лекарственной формы.
Поиск прототипов зависит от того, что известно о биомишени, с которой должно взаимодействовать будущее лекарство. О целенаправленном же дизайне можно говорить, лишь, когда известна структура молекулы-мишени. Шансы на успех возрастают, если имеется информация о каком-нибудь воздействующем на данную мишень веществе, например, о природном субстрате или ингибиторе фермента. В первом случае, когда известна лишь структура биомишени, используют методику, называемую de novo дизайн. На компьютере создают пространственную модель молекулы-мишени, в том числе предполагаемого участка связывания потенциального лекарства. А затем подбирают молекулы, соответствующие участку связывания по размеру, структурной геометрии и способные образовывать с ним связи – водородные, электростатические и др. Если известны структуры и биомишени, и воздействующей на нее молекулы, то, по сути, остается лишь модифицировать структуру активной молекула для получения ее активных синтетических аналогов. Смоделировав потенциально активную молекулу, ее синтезируют, испытывают на активность и, обнаружив таковую, используют в качестве соединения-лидера.
На втором этапе создания лекарства соединение-лидер необходимо оптимизировать — повысить его активность, селективность, устранить токсичность и др. С этой целью необходимо опять менять различные элементы его структуры. Можно, конечно, синтезировать и тестировать на физиологическую активность множество его структурных аналогов, однако это потребует много времени и средств. На помощь вновь приходят вычислительные методы: компьютерное моделирование и программы, позволяющие предсказывать свойства соединения исходя из его структуры и, наоборот, структуру молекулы исходя из требуемых свойств.
Подобные программы предлагают варианты модификаций молекулы-лидера с целью придания ей заданных свойств — замены атомов и групп, присоединение различных фрагментов, дополнительные внутримолекулярные сшивки и др.
Процесс поиска соединений с заданной физиологической активностью по-прежнему требует интеллектуальных усилий и финансовых затрат, однако с каждым годом становиться все более рациональным и эффективным. Обнаружение или конструирование физиологически активной молекулы — это лишь первые шаги в создании нового лекарственного препарата. Ведь он должен оказывать действие не в пробирке, а в организме больного. Поэтому дальнейшая оптимизация потенциального лекарства направлена на то, чтобы сделать его удобным для клинического применения и добиться заданных фармакокинетических характеристик. Этот интереснейший этап разработки нового препарата — тема наших дальнейших публикаций.
Подготовила Татьяна Ткаченко
“Фармацевт Практик”, №9, 2005
