Поиск и валидация молекулярных мишеней – начальные этапы разработки новых лекарств. Проводятся ли такие научные исследования в Украине?

В течение очень длительного исторического периода – от античности до наших дней – процесс открытия новых лекарств превратился из случайного в рациональный, основанный на последних достижениях молекулярной биологии, медицинской химии и компьютерных расчетах.

В процессе разработки новых лекарств чрезвычайно важны начальные этапы, на которых происходит правильный выбор и валидация (проверка) молекулярной мишени. Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины под руководством академика НАН Украины В. Ельской является уникальным научным центром, где органично совмещен интеллектуальный потенциал молекулярных биологов, медицинских химиков и специалистов в области компьютерных расчетов. В частности, в этой научном учреждении работает большое количество высококвалифицированных специалистов, владеющих соответствующими молекулярно-генетическими методами для поиска и валидации терапевтической мишени.

По одному из наиболее распространенных определений, терапевтическая мишень – это ключевая молекула, задействованная в метаболическом или сигнальном пути клетки, специфически участвующая в развитии определенной болезни.

Терапевтическая мишень должна иметь следующие свойства:

1) прежде всего, мишень для поиска лекарств – это биологическая молекула, например белок;

2) биомолекула имеет специальные сайты для связывания с другими молекулами, в частности химическими соединениями;

3) структура биомолекулы может изменяться при взаимодействии с низкомолекулярными веществами, и эти изменения, как правило, являются обратимыми;

4) в связи с изменением структуры биомолекулы наблюдаются определенные физиологические ответы, то есть происходит определенная регуляция статуса клетки, ткани, органа или организма;

5) физиологические ответы обладают терапевтическим эффектом при патологических состояниях;

6) экспрессия, активность и структура биомолекулы могут изменяться во время течения болезни;

7) низкомолекулярные соединения, которые связываются с биомолекулами, в перспективе могут быть лекарствами.

Валидация новой мишени является начальным этапом создания лекарств. Она не только помогает в поиске новых препаратов, но и позволяет лучше понять патогенез болезни, в котором задействована мишень. В основном, выделяют 5 этапов валидации:

1) выявление интересной биомолекулы;

2) оценка ее потенциала как мишени (валидация мишени);

3) выбор метода для измерения биологической активности;

4) привлечение технологии высокопроизводительного скрининга для идентификации соединений-«хитов» и лидерных соединений;

5) оптимизация лидерного соединения.

Drug,P20discovery.png.pagespeed.ce.AxZQEH4eLD

Процесс открытия белков начинается с идентификации мишени, то есть выявление того, что определенная биологическая молекула связана с развитием патологии. Для этого изучаются механизмы функционирования мишени и развития болезни, молекулярные и биохимические пути развития патологии, анализируются маркеры болезни и проводится функциональный анализ роли мишени в развитии болезни.

Валидация новой мишени является важным этапом создания лекарств, она может помочь не только в поиске новых препаратов, но и позволит лучше понять патогенез болезни, в котором задействована мишень. Важным подходом валидации потенциальных мишеней является экспериментальные исследования процессов передачи сигнала в клетке и между клетками и их нарушений при развитии болезни. Для этого используют специфические антитела, которые связываются с определенным белком и свидетельствуют о его роли в клетке или в патологическом процессе. Широкое распространение в научной практике получили такие молекулярно-генетические методы, как нокаут и сайленсинг гена.

Нокаут гена – это метод молекулярной генетики, при котором из организма удаляют или делают нетрудоспособным определенный ген. Различие между нокаутным и нормальным организмом свидетельствует о функциях исключенного гена и соответствующего белка, который является продуктом этого гена.

Сайленсинг гена (подавление экспрессии генов) – это общий термин, описывающий эпигенетический процесс регуляции генов. При этом последовательность нуклеотидов не меняется, а только прекращается экспрессия соответствующего гена. Сайленсинг генов может происходить как на уровне транскрипции, так и на посттранскрипционном уровне.

Сайленсинг генов на уровне транскрипции является результатом модификации гистонов в гетерохроматины, которая приводит к тому, что соответствующие участки ДНК становятся недоступными для аппарата транскрипции (РНК-полимеразы) и транскрипционных факторов.

Сайленсинг генов на посттранскрипционном уровне является результатом разрушения (деградации) мРНК соответствующих генов. Разрушение мРНК предупреждает трансляцию и формирование продукта гена (как правило, полипептида, белка). Общий механизм посттранскрипционного сайленсингу генов – это путь РНК-интерференции (RNAi).

После идентификации и валидации интересной биологической мишени начинается поиск адекватного метода для измерения биологической активности. Диапазон потенциальных мишеней огромен – от ферментов и рецепторов до клеточных систем, представляющих целый биохимический путь. Количество методов тоже должно быть соответствующим. После того как метод для определения биологической активности мишени разработан или подобран, можно проводить тестирование соединений.

Важным ключевым этапом является применение технологии высокопроизводительного скрининга, которая должна быть чувствительной, стабильной, высоковоспроизводительной и пригодной для скрина тысяч и даже миллионов образцов. В идеале некоторые соединения-«хиты» должны быть найдены в процессе первичного скрининга. Затем проводят повторный скрининг, чтобы исключить ложные положительные результаты. Следующим шагом является идентификация «хитов» с учетом химических характеристик, таких как стабильность, токсичность in vitro и in vivo, фармакологической оценки, и особенно, их эффектов на клетках и животных.

Исследование активности соединения нужно проводить на трех уровнях: молекулярном, клеточном и организменном (модельных животных). Большинство моделей высокопроизводительного скрининга является бесклеточными системами. Например, скрининг ингибиторов определенного фермента обычно предусматривает смешивание фермента и соединения вместе, чтобы оценить влияние исследуемого вещества на каталитический процесс. Результаты, полученные на этом уровне, не всегда являются достоверными, поскольку существует большое количество предполагаемых и непредсказуемых факторов. Однако верные результаты, полученные на этом уровне, свидетельствуют по крайней мере о том, что «хиты» действительно взаимодействуют с мишенью.

Между клеточными и бесклеточными системами существует огромная разница. На клеточном уровне с помощью низкомолекулярных соединений может быть подтверждена важность мишени в развитии определенной патологии. Действие низкомолекулярных соединений на клеточные системы является подтверждением предполагаемого эффекта этих веществ.

 Модельные животные используются для доказательства активности соединения на организменном уровне. Если «хит»-соединение имеет терапевтический эффект, оно может считаться чрезвычайно перспективной. Но довольно часто такое соединение не имеет эффекта на животной модели, однако полученные результаты нужно интерпретировать очень осторожно.

Следует обратить внимание на то, что могла быть использована неверная животная модель, либо были ошибочными подобранный способ доставки или же сама дозировка. Возможно, просмотрев некоторые условия эксперимента, в конце концов, удастся достичь желаемого результата.

Таким образом, начальные этапы разработки лекарственных средств осуществляются на уровне научно-исследовательских институтов. Далее привлекаются фармацевтические компании, которые продолжают процесс по собственной схеме.

Итак, в Украине есть мощная научная основа для разработки эффективных лекарственных препаратов. При должном финансировании и управлении по западному образцу можно достичь конкретных практических результатов в этом направлении. Важно отметить, что для поиска новых терапевтических мишеней западные компании могут использовать так называемые форматы аутсорсинга. Стоимость исследований в этом формате для фирм гораздо ниже, чем в том случае, если работы проводились в их собственных лабораториях. Западные компании уже присутствуют на украинском рынке медицинских услуг. В формате аутсорсинга они активно используют наши больницы для клинических исследований своих новых лекарств.

Потенциальные же инвесторы украинского происхождения для финансирования научных проектов в области разработки новых лекарств в ближайшем будущем и не просматриваются…Основная причина такой безысходности с украинскими научными разработками – это полное отсутствие в Украине частных инвестиционных фондов с квалифицированным персоналом в области трансфера технологий. Только такие фонды могут гарантировать частным инвесторам прибыли в случае финансирования новейших технологий разработки лекарств.

Сергей Ярмолюк,
доктор химических наук, профессор,
заведующий отделом комбинаторной химии
Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины