Пошук і валідація молекулярних мішеней – початкові етапи розробки нових ліків. Чи проводяться такі наукові дослідження в Україні?

Упродовж надзвичайно тривалого історичного періоду – від античності до наших днів – процес відкриття нових ліків перетворився з випадкового в раціональний, що базується на останніх досягненнях молекулярної біології, медичної хімії та комп’ютерних розрахунках.

У процесі розробки нових ліків надзвичайно важливими є початкові етапи, на яких відбувається правильний вибір і валідація (перевірка) молекулярної мішені. Інститут молекулярної біології і генетики НАН України під керівництвом академіка НАН України Г.В. Єльської є унікальним науковим центром, де органічно поєднаний інтелектуальний потенціал молекулярних біологів, медичних хіміків і спеціалістів у галузі комп’ютерних розрахунків. Зокрема, у цій науковій установі працює велика кількість висококваліфікованих фахівців, які володіють відповідними молекулярно-генетичними методами для пошуку та валідації терапевтичної мішені.

За одним із найбільш поширених визначень, терапевтична мішень – це ключова молекула, задіяна в метаболічному або сигнальному шляху клітини, що специфічно бере участь у розвитку певної хвороби.

Терапевтична мішень повинна мати такі властивості:

1) передусім, мішень для пошуку ліків – це біологічна молекула, наприклад білок;
2) біомолекула має спеціальні сайти для зв’язування з іншими молекулами, зокрема хімічними сполуками;
3) структура біомолекули може змінюватися під час взаємодії з низькомолекулярною речовиною, і ці зміни, як правило, є зворотними;
4) у зв’язку зі зміною структури біомолекули спостерігаються певні фізіологічні відповіді, тобто відбувається певна регуляція статусу клітини, тканини, органу чи організму;
5) фізіологічні відповіді мають терапевтичний ефект при патологічних станах;
6) експресія, активність і структура біомолекули можуть змінюватися під час перебігу хвороби;
7) низькомолекулярні сполуки, що зв’язуються з біомолекулами, у перспективі можуть бути ліками.

Валідація нової мішені є початковим етапом створення ліків. Вона не тільки допомагає в пошуку нових препаратів, а й дає змогу краще зрозуміти патогенез хвороби, в якому задіяна мішень. В основному, виділяють 5 етапів валідації:

1) виявлення цікавої біомолекули;
2) оцінка її потенціалу як мішені (валідація мішені);
3) вибір методу для вимірювання біологічної активності;
4) залучення технології високопродуктивного скринінгу для ідентифікації сполук-«хітів» і лідерних сполук;
5) оптимізація лідерної сполуки.

Drug,P20discovery.png.pagespeed.ce.AxZQEH4eLDПроцес відкриття ліків починається з ідентифікації мішені, тобто виявлення того, що певна біологічна молекула пов’язана з розвитком патології. Для цього вивчаються механізми функціонування мішені і розвитку хвороби, молекулярні та біохімічні шляхи розвитку патології, аналізуються маркери хвороби і проводиться функціональний аналіз ролі мішені в розвитку хвороби.

Валідація нової мішені є важливим етапом створення ліків, вона може допомогти не лише в пошуку нових препаратів, а й дозволить краще зрозуміти патогенез хвороби, в якому задіяна мішень. Важливим підходом валідації потенційних мішеней є експериментальні дослідження процесів передачі сигналу в клітині та між клітинами і їх порушень за умови розвитку хвороби. Для цього використовують специфічні антитіла, що зв’язуються з певним білком і свідчать про його роль у клітині чи в патологічному процесі. Широкого поширення в науковій практиці набули такі молекулярно-генетичні методи, як нокаут та сайленсинг гена.

Нокаут гена – це метод молекулярної генетики, при якому з організму видаляють або роблять непрацездатним певний ген. Відмінність між нокаутним і нормальним організмом свідчить про функції виключеного гена і відповідного білка, що є продуктом цього гена.

Сайленсинг гена (пригнічення експресії генів) – це загальний термін, що описує епігенетичний процес регуляції генів. При цьому послідовність нуклеотидів не змінюється, а лише припиняється експресія відповідного гена. Сайленсинг генів може відбуватися як на рівні транскрипції, так і на посттранскрипційному рівні.

Сайленсинг генів на рівні транскрипції є результатом модифікації гістонів у гетерохроматині, яка призводить до того, що відповідні ділянки ДНК стають недоступними для апарата транскрипції (РНК-полімерази) і транскрипційних факторів.

Сайленсинг генів на посттранскрипційному рівні є результатом руйнування (деградації) мРНК відповідних генів. Руйнування мРНК попереджує трансляцію та формування продукту гена (як правило, поліпептиду, білка). Загальний механізм посттранскрипційного сайленсингу генів – це шлях РНК-інтерференції (RNAi).

Після ідентифікації та валідації цікавої біологічної мішені починається пошук адекватного методу для вимірювання біологічної активності. Діапазон потенційних мішеней величезний – від ферментів і рецепторів до клітинних систем, що представляють цілий біохімічний шлях. Кількість методів теж повинна бути відповідною. Після того як метод для визначення біологічної активності мішені розроблений або дібраний, можна проводити тестування сполук.

Важливим ключовим етапом є застосування технології високопродуктивного скринінгу, що повинна бути чутливою, стабільною, високовідтворюваною і придатною для скринування тисяч і навіть мільйонів зразків. В ідеалі деякі сполуки-«хіти» повинні бути знайдені в процесі первинного скринінгу. Потім проводять повторний скринінг, щоб виключити несправжні позитивні результати. Наступним кроком є ідентифікація «хітів» з урахуванням хімічних характеристик, таких як стабільність, токсичність in vitro та in vivo, фармакологічної оцінки, і особливо, їх ефектів на клітинах і тваринах.

Дослідження активності сполуки потрібно проводити на трьох рівнях: молекулярному, клітинному й організмовому (модельних тваринах). Більшість моделей високопродуктивного скринінгу є безклітинними системами. Наприклад, скринінг інгібіторів певного ферменту за звичай передбачає змішування ферменту і сполуки разом, щоб оцінити вплив досліджуваної речовини на каталітичний процес. Результати, отримані на цьому рівні, не завжди є достовірними, оскільки існує велика кількість передбачуваних і непередбачуваних факторів. Однак вірні результати, отримані на цьому рівні, свідчать принаймні про те, що «хіти» дійсно взаємодіють із мішенню.

Між клітинними та безклітинними системами існує величезна різниця. На клітинному рівні за допомогою низькомолекулярних сполук може бути підтверджена важливість мішені в розвитку певної патології. Дія низькомолекулярних сполук на клітинні системи є підтвердженням передбачуваного ефекту цих речовин.

Модельні тварини використовуються для доведення активності сполуки на організмовому рівні. Якщо «хіт»-сполука має терапевтичний ефект, вона може вважатися надзвичайно перспективною. Але досить часто така сполука не має ефекту на тваринній моделі, проте здобуті результати потрібно інтерпретувати дуже обережно.

Слід звернути увагу на те, що могла бути використана невірна тваринна модель чи були помилковими дібраний спосіб доставки або саме дозування. Можливо, переглянувши деякі умови експерименту, зрештою вдасться досягти бажаного результату.

Таким чином, початкові етапи розробки лікарських засобів здійснюються на рівні науково-дослідних інститутів. Далі залучаються фармацевтичні компанії, що продовжують процес за власною схемою.

Отже, в Україні є потужна наукова основа для розробки ефективних лікарських препаратів. При належному фінансуванні й управлінні за західним зразком можна досягти конкретних практичних результатів у цьому напрямку. Важливо зазначити, що для пошуку нових терапевтичних мішеней західні компанії можуть використовувати так звані формати аутсорсингу. Вартість досліджень у цьому форматі для фірм набагато нижча, ніж у тому випадку, якби роботи проводились у їхніх власних лабораторіях. Західні компанії вже присутні на українському ринку медичних послуг. У форматі аутсорсингу вони активно використовують наші лікарні для клінічних досліджень своїх нових ліків.

Потенційні ж інвестори українського походження для фінансування наукових проектів у галузі розробки нових ліків в найближчому майбутньому і не проглядаються… Основна причина такої безвиході з українськими науковими розробками – це повна відсутність в Україні приватних інвестиційних фондів із кваліфікованим персоналом у галузі трансферу технологій. Лише такі фонди можуть гарантувати приватним інвесторам прибутки в разі фінансування новітніх технологій розробки ліків.

Сергій Ярмолюк,
доктор хімічних наук, професор,
завідувач відділу комбінаторної хімії
Інституту молекулярної біології і генетики НАН України