Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №01 за 2009 год
«Пули» Пауля Эрлиха
Буквально столетие назад врачам приходилось обходиться лекарствами, многие из которых не были специфическими, и их действие лишь ослабляло неприятные проявления болезни, или же они просто укрепляли организм, который и сам постепенно справлялся с недугом. Качественный прорыв в этом вопросе был сделан в начале ХХ века. Основателем современной фармакологии стал Пауль Эрлих, получивший в 1908 году Нобелевскую премию за открытия в иммунологии. Занимаясь методами окраски гистологических и микробиологических препаратов, он по-иному взглянул на известный факт, что одна и та же химическая молекула хорошо связывается с клетками одного типа и игнорирует все остальные. Это привело ученого к пониманию принципа специфического взаимодействия (принципа «ключ — замок») — одного из китов, на которых стоит современная биология. Продолжая аналогию, он предположил, что можно найти молекулу, которая будет воздействовать на определенный биологический объект (например, убивать возбудителя болезни или раковые клетки) и не будет влиять на любые другие объекты. Такие, тогда гипотетические, молекулы автор теории назвал «магическими пулями». Руководствуясь этим принципом, в лаборатории Эрлиха впервые в истории стали целенаправленно искать лекарственные вещества против конкретной болезни. Самым эффективным в воздействии оказалось средство против сифилиса, которое широко применялось в течение нескольких десятилетий. Кроме того, были найдены специфические лекарства против сонной болезни и малярии, которые также действовали на причины этих болезней, убивая одноклеточных паразитов — трипаносому и малярийного плазмодия.
Выбор цели
Широкая публика придерживается мнения, что лекарства создаются в научных институтах и университетах. Однако это справедливо лишь от части. Разработкой конкретных лекарств обычно занимаются крупные фармацевтические компании. Конечно, знания о причинах болезней, которые добываются в научных центрах, служат фундаментом для создания лекарств. Их принято публиковать в открытых научно-медицинских изданиях. Похожие работы часто ведутся параллельно несколькими группами ученых, но первооткрывателем считается тот, кто опередил других в печати. А вот обнародование промежуточных результатов во время разработки лекарства не принято. Это все равно что передать противнику секретную информацию. Ведь разработка нового лекарственного препарата от начала до конца и его легальный выпуск на рынок могут оказаться не по карману даже самым богатым университетам. Учитывая стоимость всех испытаний (которые требует законодательство на Западе), а также расходы на изучение веществ, которые потом оказались непригодными, выпуск на рынок принципиально нового лекарства обходится разработчику, по разным оценкам, в 1—1,7 миллиарда долларов. И именно финансовые трудности могут отодвинуть открытие на долгие годы.
Чтобы заинтересовать спонсоров, многие биологические научные статьи заканчиваются оптимистическими фразами: «Наши результаты касаются причин болезни такой-то и могут быть использованы при разработке лекарств против нее». Правда, описание молекулярных основ какой-либо патологии вовсе не гарантирует возможности создания лекарства. Чтобы полететь на Луну, недостаточно знать, как меняются ее фазы. Так и фундаментальные исследования, как правило, не дают результатов, которые можно сразу запатентовать и продать (потому-то их финансируют государство и некоммерческие организации). Для фирм-разработчиков результаты фундаментальных исследований нужны главным образом для того, чтобы выбрать мишень — биомолекулу или другую структуру в организме, виновную или хотя бы причастную к развитию определенной патологии. Иными словами, лекарство разрабатывают не против абстрактной болезни, а против конкретной молекулы-мишени.
Химическая лотерея и молекулярный дизайн
Далеко не всегда научных знаний достаточно для того, чтобы предположить, какая молекула должна воздействовать на данную биологическую мишень. В такой ситуации был Пауль Эрлих. Он ничего не мог знать о молекулярных характеристиках факторов, вызывающих болезни. В его время совершенно точно были известны только «виновники» инфекционных болезней. И Эрлих взялся за бледную спирохету — возбудителя сифилиса, в те времена практически неизлечимого. Оставалось одно — перебирать наугад молекулы с разной структурой в надежде, что какая-то окажется эффективной: гарантированный способ вытащить счастливый лотерейный билет — это купить их все. В его лаборатории стали синтезировать множество различных органических соединений и методично проверять, как они влияют на возбудителя заболевания. Повезло сравнительно быстро: эффективным оказалось соединение с порядковым номером 606. Его назвали сальварсан. Он стал первым эффективным средством против сифилиса, которое широко применялось на протяжении нескольких десятилетий. В наше время скрининг, то есть перебор соединений наугад, уже не такой каторжный труд, как было в недалеком прошлом. Современные автоматизированные методы позволяют за сутки протестировать, как воздействуют на данную мишень десятки тысяч соединений. Специальный робот со скоростью пулемета капает тестируемые вещества в сотни лунок планшетов, а автоматический измерительный прибор, ридер, детектирует сигнал (есть/нет взаимодействие с мишенью) и записывает результаты в компьютерные базы данных. Немногие соединения, которые покажут какой-то эффект (их называют «хиты»), отбирают для дальнейших исследований.
Молекула натурального артемизинина — препарата из горькой полыни, высокоэффективного при всех типах малярийного плазмодия, включая штаммы, резистентные к другим противомалярийным препаратам. Фото: SPL/EAST NEWS
Иногда возможен другой подход. В последние десятилетия благодаря стараниям «фундаментальных» ученых становятся известными трехмерные структуры все большего количества биологических молекул, в том числе тех, которые могут служить мишенями для лекарств. На основе накопленных сведений можно предсказывать структуру молекулы, которая должна специфически взаимодействовать с данной биологической мишенью. Используя принцип биологического взаимодействия «ключ — замок», ученые проектируют «молекулу-отмычку». Этот подход называется рациональным дизайном. Он оказался эффективен, в частности, при создании ряда химиотерапевтических препаратов против ВИЧ. Их создавали так: в масштабных фундаментальных исследованиях была досконально изучена структура ВИЧ-протеазы — белка, который совершенно необходим для формирования правильной структуры других белков вируса СПИДа. ВИЧ-протеаза не похожа на собственные белки человеческого организма, а значит, является подходящей мишенью. Затем ученые «спроектировали» и синтезировали молекулы, которые благодаря своей специфической структуре взаимодействуют с ВИЧ-протеазой и препятствуют биологической активности. В результате «правильные» белки не синтезируются, и вирус не может размножаться. Именно «антипротеазные» лекарства позволяют сдерживать размножение ВИЧ в организме больного СПИДом, являясь одним из двух компонентов так называемой высокоактивной антиретровирусной терапии.
После того как путем скрининга и рационального дизайна или их комбинации идентифицирован ряд молекул — кандидатов в лекарства, которые воздействуют на мишень, наступает черед детального их изучения в лаборатории. Это необходимо потому, что, во-первых, автоматизированное тестирование могло дать ложный положительный результат. Во-вторых, будущее лекарство должно иметь целый ряд «дополнительных» свойств: растворяться в воде, проникать, как правило, внутрь живой клетки (где находится большинство мишеней), не быть очень токсичным, не вызывать сильного иммунного ответа, не слишком быстро разрушаться в кишечнике и кровяном русле… Кроме того, если соединение воздействует на биомолекулу в пробирке, это совсем не значит, что оно так же будет действовать и в живой клетке. На клетках человека, которые выращивают в специальных инкубаторах, можно тестировать некоторые свойства будущих лекарств, например общую токсичность. Но без опытов на целом организме нельзя выяснить, как вещество всасывается в кишечнике, как выводится из организма через почки или разрушается в печени, переносится ли оно кровью, не вызывает ли аномалий развития, не разрушает ли определенные органы и ткани. Все это проверяется сериями опытов на животных. Ведь в конечном итоге лекарство должно лечить организм, а не отдельную клетку.
В яблочко
Пример идеально рассчитанного выбора мишени — фермент, который расщепляет жиры в пищеварительном тракте. На него действует одно из лекарств против ожирения. До встречи с мишенью он не должен всасываться в кишечник, что само по себе исключает существенную проблему достижения лекарством своей мишени. Кроме того, минимизируется риск побочных эффектов — молекула лекарства просто не может добраться до физиологически важных структур организма. Никаких нагрузок на почки и печень, никаких проблем выведения из организма. Ну и выбор самой болезни — в яблочко: в богатых странах десятки процентов взрослых имеют избыточный вес, лекарства отпускаются без рецепта, а диагноз каждый ставит себе сам, глядя на весы.
