Drag dizajn: kako se stvaraju moderni lijekovi

Proces razvoja novog lijeka traje od 5 do 16 godina. Troškovi kliničkog ispitivanja po kandidatskom spoju iznose više od 100 milijuna dolara

Ukupni troškovi razvoja, uzimajući u obzir lijekove koji nisu stigli na tržište, često prelaze milijardu dolara.

Screening - laboratorijski (in vitro) ili kompjuterski (u silikonu) - postupak koji zahtijeva najviše resursa zbog izbora iz biblioteka dostupnih prototipskih spojeva za stvaranje lijekova. Pozitivni rezultati probira početna su točka za daljnji razvoj lijekova.

Početkom 1870-ih, njemački student medicine Paul Erlich, koji je proučavao metode selektivnog bojanja tkivnih presjeka, hipotetizirao je postojanje hemoreceptora - posebnih tkivnih struktura koje posebno u interakciji s kemikalijama, te predložio da se to može koristiti za liječenje različitih bolesti. Godine 1905. poznati engleski fiziolog i histolog John Langley predložio je koncept staničnih receptora - proteina, pod utjecajem različitih tvari koje mijenjaju njihovo stanje i na taj način kontroliraju stanicu.

Jedan od najznačajnijih uspjeha Erlicha (do tada nobelovca) bilo je otkriće salvarsana - lijeka protiv sifilisa i tripanosomioze koji je neizmjerno učinkovitiji i puno manje toksičan od anorganskih živih spojeva korištenih prije. Nakon duge potrage organskih spojeva arsena koji su izgledali obećavajući, pokazalo se da je "lijek 606", diphenamin arsenid, koji je ušao u povijest, djelotvoran.

S tim je započeo razvoj kemoterapije. Uspjesi biokemije omogućili su predviđanje uspješnih ciljeva za terapijske učinke, kao i modifikacije lijekova koji novim spojevima pružaju nova svojstva. Dakle, proučavanje svojstava i staničnih meta antibakterijskog lijeka sulfanilamida omogućilo je razvoj cijelih obitelji diuretika i lijekova za smanjenje krvnog tlaka i šećera u krvi. Međutim, Ehrlichov san o "čarobnom bazenu" - idealnom lijeku koji utječe samo na patogen i ne utječe na tijelo u cjelini, ostao je samo san. Drag dizajn je porastao na novu razinu u drugoj polovici dvadesetog stoljeća, kada razvoj lijekova nije bio samo plod mašte, već rezultat znanstvenog dijaloga između biologa i kemičara.

Proboj je bio povezan s razvojem genomike, što je omogućilo izoliranje gena koji kodiraju terapeutski važne biološke ciljeve i stvaranje dovoljne količine tih proteina za istraživanje koristeći genetski modificirane mikroorganizme.

Na molekularnoj razini, svaka bolest je poremećaj u funkcioniranju proteina i / ili gena koji ih kodiraju u jednom ili više tkiva u tijelu. Ljudski genom sadrži 12-14 tisuća gena koji kodiraju proteine. Danas je poznato oko 500 farmakoloških meta - proteina (i posljednjih godina gena) na koje je usmjereno djelovanje lijekova. Vjerojatno ih je više: na koje određene molekule u tijelu djeluju mnogi lijekovi, liječnici i farmaceuti jednostavno ne znaju. Stanična meta običnog aspirina otkrivena je nedavno - nakon 100 godina njegove uporabe! Pored toga, mnoge bolesti nastaju zbog kršenja funkcija ne jednog, već barem 5-10 povezanih proteina i gena koji ih kodira.

Ciljano pretraživanje

Osnovni pojmovi drag dizajna su meta i lijek. Meta je biološka makromolekula povezana s određenom funkcijom, čije kršenje dovodi do bolesti. Najčešće mete su proteini - receptori i enzimi. Lijek je kemijski spoj (obično niske molekularne težine) koji specifično djeluje na cilj i tako utječe na procese u stanici.

Početna faza dizajna povlačenja je odabir cilja, čijim djelovanjem se reguliraju neki biokemijski procesi, a da se ne utječu na druge. To nije uvijek moguće jer nisu sve bolesti uzrokovane neispravnošću samo jednog proteina ili gena. Posljednjih godina uporedna genomika sve se češće koristi za identificiranje ciljeva - geni koji se odnose na gene s već poznatim funkcijama u drugim organizmima identificiraju se u "tekstu" ljudske DNK. Međutim, potrebna je eksperimentalna provjera kako bi učinak na ovaj cilj dao rezultat. Jedan od načina je isključiti ciljni gen u genetski modificiranom organizmu ili stanici i vidjeti što se s njima događa. Pri traženju cilja ne treba zaboraviti na polimorfizam: bilo koji gen može postojati u nekoliko varijanti koje kodiraju proteine ​​koji se razlikuju po svojstvima bez nadiranja norme. Kao rezultat, isti lijek djeluje različito, ovisno o individualnim karakteristikama, a još više na predstavnike različitih populacija i rasa.

Odabir oružja

Proučavanje svih mogućih tvari je nerealno: postoji najmanje 1040 liganda - malih molekula koje se mogu selektivno vezati na bilo koji dio jednog proteina i promijeniti njegovu funkciju. Jednostavno nabrajanje opcija, čak i na superračunalu (i ako postoje potpune informacije o strukturi svih proteina - i oh, koliko daleko!), Trebalo bi više vremena nego što je bilo od početka svemira. Zbog toga se na strukturu potencijalnih liganda nameću brojna ograničenja koja znatno sužavaju „kemijski prostor“. U praksi se mogu koristiti uvjeti sličnosti s lijekovima (sličnosti lijekovima), koji određuju optimalan broj davatelja i akcetora vodikovih veza, molekulska masa i lipofilnost spoja. Kao početna točka, kada se traže ligandi koji se mogu vezati za određeni cilj, obično se koriste složene biblioteke, bilo kreirane od strane specijaliziranih tvrtki pod uvjetima koje je odredio programer ili dostupne u arsenalu farmaceutskih kompanija. Takve knjižnice "za sve prilike" mogu sadržavati milijune tvari.

Od tisuća dostupnih tvari s više ili manje definiranim svojstvima, moraju se izabrati stotine molekula koje, nakon daljnjih modifikacija i ispitivanja na bakterijama ili staničnim kulturama, mogu dati desetke takozvanih spojeva namijenjenih pretkliničkim studijama, uključujući ispitivanja na životinjama. Nakon ove faze probira u fazi kliničkih ispitivanja na ljudima u najboljem slučaju ostaje 1-3 lijeka. I svi potrebni testovi izdrže otprilike jednu od deset tvari. Da biste smanjili broj kvarova, važno je ne pogriješiti na samom početku rada.

Screening: odvojiti zrno od pljeva

Načelo probira je jednostavno: na posebnim staklenim slajdovima - matricama koje sadrže testni sustav u tisućama jažica mikrolitra, na primjer, ciljne molekule proteina ili čitave stanice (po potrebi genetski modificirane) - robot iskopa ispitne tvari iz pipeta slijedeći zadani program. Zatim slijedi čitanje podataka, što pokazuje u kojoj se dobro otkriva biološka aktivnost. Detektor ga može odrediti radioaktivnim signalom, fluorescencijom, polarizacijom svjetlosti i mnogim drugim parametrima.

Kao rezultat probira, broj ispitnih spojeva se smanjuje za tri do četiri reda veličine i identificiraju se aktivne molekule, nazvane prototipovi. Međutim, takva je sreća još uvijek vrlo, vrlo daleko od konačnog lijeka. Samo oni koji zadržavaju svoju aktivnost u modelnim sustavima i odgovaraju mnogim dodatnim kriterijima pružaju prekursore za daljnja istraživanja. Skriveni prototipovi prolaze različite optimizacije. To zahtijeva usku suradnju između različitih skupina istraživača: molekularnih biologa, farmakologa, molekularnih biofizičara i medicinskih kemičara. Svakom revolucijom ovog "farmakološkog ciklusa" prototip se približava prethodniku lijeka koji se testira na životinjama, a potom i na ljudima (prvenstveno radi sigurnosti).

Ne šteti!

Razvoj novih lijekova područje je medicine u koje nikada ne treba žuriti. Dovoljno je prisjetiti se priče s talidomidom, čija je upotreba dovela do rođenja djece s urođenim malformacijama udova, do njihove potpune odsutnosti. Zbog nedovoljno strogog i preciznog ispitivanja, ova nuspojava nije otkrivena tijekom kliničkih ispitivanja.

Trenutno su klinička ispitivanja novih lijekova dugotrajan, složen i skup postupak (dvije do sedam godina ispitivanja u više koraka i od 100 milijuna dolara po kandidatskom spoju). U fazi predkliničkih ispitivanja lijekovi se ispituju na toksičnost i kancerogenost, prvo u standardnom testu za ličinke drosophila, a zatim na najmanje dvije vrste laboratorijskih životinja. Toksični lijekovi, naravno, ne ulaze u kliniku, osim ako nisu namijenjeni liječenju posebno ozbiljnih bolesti i nemaju manje štetne analoge.

Osim proučavanja farmakodinamike - mehanizama djelovanja lijeka, uključujući nuspojave, ispituje i njegovu farmakokinetiku: brzinu apsorpcije u krvi, distribuciju u tijelu, kemijske transformacije (i učinak nastalih spojeva), izlučivanje iz tijela i bioraspoloživost - stupanj gubitka bioloških svojstava lijekom u tijelo.

Proces kliničkih ispitivanja novih lijekova ima puno nijansi i zahtijeva ogromnu količinu prateće dokumentacije (nekoliko tisuća stranica), dozvola, potvrda itd. Osim toga, mnogi se formalni postupci u različitim zemljama znatno razlikuju. Za rješavanje ovih mnogih problema, postoje posebne tvrtke koje prihvaćaju narudžbe farmaceutskih divova za provođenje kliničkih ispitivanja i preusmjeravaju ih u određene klinike, prateći cijeli postupak i osiguravajući da nikakve formalnosti nisu prekršene.

Roboti ubrizgavaju, a ne čovjek

U drag dizajnu, kao i u većini drugih visokotehnoloških područja, uloga računalstva i dalje raste. Odmah treba napomenuti da je nemoguće razviti novi lijek koristeći samo računala. Glavne prednosti koje u ovom slučaju pružaju računske metode su smanjenje vremena potrebno za pokretanje novog lijeka na tržište i smanjenje troškova razvoja.

Glavne računalne metode korištene u drag dizajnu su, prvo, predviđanje prostorne strukture ciljnog proteina i mehanizma njegove interakcije s lijekom; drugo, virtualno skrining (računalno skeniranje baza kemijskih tvari); i na kraju, procjena „sličnih lijekovima“ i drugih fizikalno-kemijskih karakteristika.

Vrlo često programeri ne znaju ništa o trodimenzionalnoj strukturi ciljnog proteina. U ovom slučaju, novi spojevi se grade na temelju podataka o strukturi već poznatih aktivnih liganda.

Općenito prihvaćena paradigma u biologiji i kemiji je: "struktura definira svojstva". Analizom odnosa između strukture i svojstava poznatih spojeva može se predvidjeti kemijska struktura nove molekule s željenim svojstvima. Ovaj se pristup također koristi pri modificiranju poznatih tvari radi poboljšanja njihovih svojstava, te pretraživanju liganda za određeni protein u kemijskim bibliotekama i za izradu tehničkih specifikacija za tvrtke specijalizirane za takvu usmjerenu sintezu.

Pouzdanost simulacije, kao i učinkovitost čitavog postupka konstruiranja novog lijeka, mogu se značajno povećati ako uzmemo u obzir podatke ne samo o strukturi liganda, već i o strukturi ciljnog proteina. Ovaj pristup naziva se dizajn lijekova na temelju strukture.

Ponekad se trodimenzionalna struktura meta može uspostaviti eksperimentalno - na primjer, primjenom rendgenske difrakcije. Ako je ciljna struktura još uvijek nedostupna, može se simulirati na računalu koristeći podatke o strukturi povezanih proteina.

Ni virtualna knjižnica nije potrebna knjižnica od milijun spojeva, niti skupi robot - samo napravite knjižnicu "virtualnih prototipa" lijeka. S povećanjem računalnih kapaciteta i poboljšanjem algoritama, programi će bolje procijeniti afinitet liganda za protein te će početi uzimati u obzir mobilnost proteinskih lanaca i utjecaj otapala.

Međutim, unatoč svim svojim prednostima, računalne metode imaju nekoliko ograničenja. Prije svega, rezultati dobiveni silikonom moraju biti provjereni in vitro. Osim toga, nijedna simulacija ne može uzeti u obzir sve moguće učinke lijeka na tijelo u cjelini, tako da računala ne mogu niti ukinuti niti čak značajno smanjiti pretklinička ispitivanja, a posebno klinička ispitivanja koja oduzimaju većinu vremena i novca u razvoju novog lijeka.

Perspektive dizajna povlačenja

Očito, drag dizajn je budućnost farmaceutske industrije. S razvojem genomike, ali i proteomike (znanost o funkcijama proteina), metabolomike, koja proučava metabolizam na svim razinama, od stanica do cijelog organizma, i drugih omica, broj potencijalnih meta trebao bi se povećati više puta. Na primjer, mete antimikrobnih i antivirusnih lijekova su proteini patogenih bakterija i virusa koje također treba aktivno istražiti. To dalje proširuje polje aktivnosti "lovaca na droge". Poznavanje strukture proteina omogućit će nam da pronađemo i sintetiziramo ligande male molekularne težine po mjeri koji se specifično vežu na specifična mjesta ciljeva.

Usmjereni dizajn novih lijekova postao je sada važan dio farmakologije. U skoroj budućnosti razvoj lijekova postat će točna znanost koja omogućuje ne samo pobijediti mnoge trenutno neizlječive bolesti, već i ostvariti dugogodišnji san o "zlatnom bazenu" - lijekovima koji učinkovito uklanjaju uzrok bolesti s minimalnim nuspojavama.

Članak je objavljen u časopisu Popular Mechanics (br. 7, srpanj 2007).

Preporučeno

Vivo V15 vs Vivo V15 Pro: test brzine
2019
Kako se dižu zračni brodovi
2019
Kako napraviti nož iz vode?
2019