Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Попав в кровеносную систему, цисплатин вступает в сложные реакции со многими веществами, присутствующими в крови, – такими как сахара, белки и жиры. Особенно заметны результаты его взаимодействия с белками, содержащими серу, близкую к тяжелым металлам, в данном случае платине. Помимо реакции со всеми этими биомолекулами, не снижающими эффективности цисплатина, выстраивается также сложное равновесие с ионами, растворенными в биологических жидкостях.
Внутри клетки концентрация ионов хлора намного ниже, чем в межклеточном пространстве, поэтому, как только цисплатин проникнет через клеточную мембрану, два хлорид-иона удаляются, заменяясь водой. А гидролизованная форма проникает сквозь мембрану клеточного ядра и связывается с ДНК.
Молекула ДНК состоит из трех основных элементов: нуклеотидов (аденин, тимин, цитозин и гуанин), сахара (дезоксирибоза) и фосфатных групп. Сахаро-фосфатные цепочки составляют внешний каркас двойной спирали, а нуклеотиды (или азотистые основания) встроены внутрь и служат кодирующим элементом (передатчиком информации) ДНК.
Цисплатин встраивается мостиком между двумя гуанинами или гуанином и аденином.
Этот мостик грубо искажает геометрию ДНК, порой изгибая двойную спираль почти на 40°, угол препятствует репликации и передаче информации о синтезе соединений, необходимых для выживания клетки.
В процессе деления ДНК чрезвычайно важен момент разделения нитей – так, чтобы каждая смогла послужить «формой» для синтеза новой двойной спирали. Это разделение возможно благодаря особым ферментам, ДНК-полимеразам, раскрывающим двойную спираль почти как молнию на куртке. Если эту фазу раскрытия заблокировать, деление ДНК прекратится и вместе с ним и клеточный митоз, то есть процесс деления клеток. Опухолевые клетки размножаются гораздо быстрее, чем здоровые, поэтому очевидно, что они страдают от воздействия цисплатина сильнее всех. Блокируется также и транскрипция, то есть процесс передачи генетической информации ДНК в дополнительную нить РНК, обеспечивающую непрерывный синтез белков. Блокировка транскрипции, таким образом, означает и прекращение синтеза белков клеткой – а эти белки необходимы для ее нормального функционирования.
В момент, когда платина связывается с ДНК, судьба клеток еще не решена окончательно. Возможны на самом деле две ситуации: или повреждение ДНК приводит клетку к апоптозу, или она еще может восстановиться. Это надо подчеркнуть особо: смерть клетки вызвана не невозможностью репликации или транскрипции, но запуском механизма апоптоза после того, как повреждение будет обнаружено механизмом клеточного контроля.
Несмотря на то что цисплатин спас огромное количество жизней, он не всегда эффективен. Некоторые клетки изначально оказываются устойчивы к его воздействию, другие постепенно становятся такими в ходе терапии. Механизмы, обеспечивающие эту устойчивость, многочисленны и не до конца понятны. Один весьма распространенный механизм состоит в вовлечении во взаимодействие с цисплатином некоторых веществ, содержащих серу – а ее концентрация как раз высока именно в опухолевых клетках; он дезактивирует значительную часть лекарства. Другая важная проблема – доставка препарата непосредственно в клетку и из нее, как правило осуществляющаяся посредством некоторых протеинов, присутствующих на клеточной мембране. В некоторых опухолевых клетках часть этих белков может отсутствовать, поэтому цисплатин не может проникнуть внутрь, в то время как в иных клетках действуют, наоборот, настоящие «молекулярные насосы», выбрасывающие все подряд наружу.
Но даже если все препятствия преодолены и цисплатин присоединился к ДНК, еще ничто не говорит за то, что он сможет развернуть свою разрушительную деятельность. ДНК на самом деле постоянно защищается от мутаций, в ней существуют механизмы, способные исправить дефекты и повреждения, – мы рассматривали один несколько страниц назад.
В этом процессе главную роль играет протеин р53, чья функция состоит в регулировании клеточных циклов и которой часто отключен в опухолевых клетках. Если в ходе клеточного митоза обнаруживаются повреждения, они задействуют ряд протеинов, включающих обычно спящий р53. Во время митоза клетка должна пройти через серию проверок, во время которых процесс воспроизводства клетки временно блокируется для контроля правильной последовательности событий и исправления возможных ошибок. Связывание ДНК с цисплатином как раз и приводит к активации р53 и каскаду реакций по исправлению нарушений или запрограммированной смерти клетки. Механизмы, благодаря которым р53 удается оценить повреждения, а следовательно, и вероятность восстановления, до сих пор слишком слабо изучены.
Что ждет нас в будущем?
Несмотря на огромные достоинства цисплатина, он обладает и серьезными побочными действиями, которые препятствуют его широкому распространению. Среди них, несомненно, и токсичное воздействие на почки, и воздействие на нервную систему, хотя сегодня их удается снижать благодаря развитию специальных защитных средств – таких как амифостин, и комбинированию цисплатина с другими противоопухолевыми препаратами. Лечение этим препаратом продолжает быть крайне тягостно для пациента, вынужденного проходить длинные сеансы химиотерапии, требующие госпитализации и помощи врачей и специального персонала. Другая крупная проблема связана с природной или спровоцированной устойчивостью многих опухолей к лечению и возникновению в некоторых случаях вторичных опухолей. Несмотря на то что лечение цисплатином оказало огромное воздействие на современную химиотерапию и лежит и поныне в основе терапии многих твердых опухолей, ученые надеются найти новые вещества, которые бы не имели побочных эффектов вообще или хотя бы были существенно менее токсичны, с которыми бы не возникали проблемы устойчивости и которые бы пациент мог принимать непосредственно на дому и лучше всего перорально. При разработке новых лекарственных средств на базе платины было важно определить связь между структурой молекулы и ее фармакологическим действием так, чтобы дальнейшие исследования шли более быстро и целенаправленно.
Вещества, синтезированные на этой основе, к сожалению, обладают недостатком – они напоминают цисплатин как с точки зрения фармакологических свойств, так и по побочным эффектам.
Из тысяч разных синтезированных и тестированных веществ самым подходящим оказался карбоплатин. Он был создан впервые в 1973 году, но клиническое его использование было одобрено FDA только в 1989 году.
В карбоплатине два связующих хлорида заменены одним хелатом (это часть молекулы, прицепляющаяся к другим ее частям не одним, а сразу двумя оконечностями, в точности как сделал бы клешнями держащийся за два конца краб), и это обеспечивает ему большую стабильность. Как мы уже видели ранее, одной из причин высокой токсичности цисплатина было то, что почти моментально
