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.