Цивилизация
Валерий Фокин, профессор исследовательского института Скриппс (Калифорния, США) и руководитель лаборатории химического синтеза биофармкластера «Северный» МФТИ, по прошлогоднему прогнозу агентства Thomson Reuters, был назван вероятным претендентом на Нобелевскую премию по химии в 2013 году. Его последняя разработка предназначена для таргетной (целенаправленной) терапии. Для этого он предложил использовать молекулы со странным названием сиглеки. Они позволяют доставлять лекарство точно по адресу — в те клетки, в которые нужно, и ни в какие другие. О сути своего исследования Валерий Фокин рассказал «Газете.Ru».
— Что собой представляют эти замечательные сиглеки?
— Сиглеки — это рецепторы сиаловой кислоты. Они присутствуют на поверхности некоторых клеток, в том числе белых кровяных клеток, лейкоцитов. Сиглеки распознают определенные комбинации углеводов (сиаловая кислота — это тоже производное из семейства углеводов) и
обеспечивают эндоцитоз — транспорт в клетку того, что распознали, включая все то, что висит у них «на хвосте».
Что эти вещества делают в клетке, иногда известно, иногда нет. Среди них есть вещества, ответственные за рост клетки, за их размножение, за стоп-сигналы. Они достаточно большие — это трансмембранные белки, у которых есть домен распознавания сигнала, есть внутримембранный домен, есть внутриклеточный — в цитоплазме.
Человеческих рецепторов известно сейчас 15 разновидностей, мышиных — 9, они слегка отличаются по строению.
В институте Скриппс мы сотрудничаем с Джеймсом Полсоном, экспертом в области сиглеков, который давно занимается их биологией. Вместе с ним и его коллегами мы поставили задачу найти селективные (избирательные) лиганды — вещества, которые связываются с рецепторами, малые молекулы, которые были бы уникальны для каких-то подтипов этих рецепторов.
На разных клетках сидят разные рецепторы, и по их разновидностям В-клетки отличаются от Т-клеток, от моноцитов, нейтрофилов.
Иными словами, на моноцитах — квадратный разъем, на нейтрофилах — прямоугольный, на В-клетках — ромбический, на Т-клетках — зигзагообразный. Соответственно, и «вилки» для всех нужны разные.
Если найти такие, специфические для каждого типа клеток лиганды, то можно привязать к ним что-то, что мы хотим внедрить внутрь клетки. Самое простое — для того чтобы клетку убить, например, раковую. Это, конечно, достаточно примитивный подход, так как убить легче, чем сделать что-то другое. Но сначала давайте попробуем ввести в клетку хотя бы цитотоксический агент.
Разновидность злокачественного заболевания крови — В-лимфома — сейчас лечится цитотоксиками. Например, доксорубицин убивает злокачественные клетки достаточно эффективно, но попутно убивает и многие другие, вызывая достаточно серьезные побочные эффекты.
Вопрос в том, можем ли мы доставить его только в нужные клетки, в В-лимфоциты, не затрагивая другие. Лекарство нужно как-то упаковать, например, в липосому (жирный шарик). Сейчас изготавливают липосомы, менее заметные для иммунной системы, чтобы не вызывать иммунную реакцию, а также продлить время циркуляции препарата в крови. Но даже если лекарство доставляют упакованным в липосомы, оно попадает в другие органы, например, в кожу, и вызывает серьезные побочные эффекты.
Мы присоединяем липосому, начиненную доксорубицином, к селективному лиганду, который доставляет ее только в нужные клетки — и никуда более.
— Но липосомы уже использовали для таргетной терапии? Чем ваша методика лучше?
— Это правда, идея таргетной терапии возникла очень давно. Еще в 1890-х годах появилась концепция Пауля Эрлиха — «магическая пуля», которая убивает только больное и оставляет здоровое. Как инструменты доставки лекарства сейчас используются липосомы, различные наночастицы, белки и даже неорганические материалы.
Многие из этих методов достаточно эффективны, но по-настоящему таргетной терапией они не являются.
Как правило, попадание лекарства в раковую опухоль основано на том, что раковая клетка обладает повышенным метаболизмом, поэтому быстрее поглощает все, что вводят в организм. Липосомы, например, тяготеют к «жирным хвостам», торчащим из мембраны клетки. Они могут быть более селективны, чем обычная химиотерапия, но это все рано пассивная доставка. Она может работать на твердых опухолях, но с онкологическими заболеваниями крови, где клетки циркулируют, практически не работает.
Мы надеемся, что наш метод позволит доставлять лекарства именно туда, куда нужно, не затрагивая больше никакие клетки.
Селективность у этих лигандов очень высокая (константа взаимодействия с данным рецептором может быть в 1000 раз выше, чем для «голого» препарата).
— Но при этом мы, например, в случае В-лимфомы поражаем все В-клетки?
— При В-лимфоме стараются убирать все В-клетки. При лечении гематологической онкологии убирают все клетки данного типа. Но мы работаем и над тем, чтобы дифференцировать разные клетки, например, в случае аутоиммунных заболеваний. Потому что для лечения многих гематологических раковых заболеваний существуют достаточно эффективные протоколы, а
лечить, например, ревматоидный артрит, аллергию, астму мы, к сожалению, практически не можем, тем более целенаправленно.
В этом случае нужно не просто убивать клетки, а модифицировать их более мягкими препаратами. Например, было показано, что понижение количества циркулирующих В-клеток дает положительные результаты в лечении ревматоидного артрита. Также было бы интересно влиять на дифференцировку стволовых клеток, в которых тоже есть сиглеки.
Дальше нужно понять, как много таких лигандов требуется на каждую липосому, чтобы не вводить лишнего? Насколько они стабильны? Сколько цитотоксика нужно? Чтобы ответить на эти вопросы, нужны эксперименты на животных.
— И что показали эксперименты на животных?
— Мыши с В-лимфомой, которых не лечили ничем, погибают в среднем через семь недель. Вторая группа мышей получала доксорубицин в нетаргетных липосомах, и они прожили вдвое дольше.
А мыши, которые получали таргетную терапию, вышли в ремиссию, они выжили.
И когда потом исследовали их костный мозг, в нем не было избытка несозревших В-клеток, костный мозг выглядел здоровым, нормальным. Потребовалось всего две инъекции препарата в таргетных липосомах — на первый и на третий день. И все.
Вместе с коллегами из Скриппс мы собрали «библиотеку» лигандов для сиглеков, разработали методы их получения и тестирования. Получить один лиганд для В-клеток мало, неизвестно, как он поведет себя в организме человека. Нужна еще парочка запасных вариантов. Потому что то, что делается в лаборатории, и то, что внедряется в промышленность, — это зачастую две разные вещи.
Если мы можем сделать 500 мг лекарства, но не сможем сделать полкило, то это заведомо тупиковый вариант. Такие исследования помогают науке, но не могут быть внедрены в промышленном масштабе.
— Вся ваша работа делается в институте Скриппс?
— И здесь, и там. Это совместный проект.
— Расскажите, за какие исследования вас в прошлом году называли очень вероятным кандидатом на Нобелевскую премию?
— Мы разработали новые химические реакции для получения соединений из реагентов, которые а) совершенно не природные, в природе не встречаются и б) позволяют исследовать процессы, происходящие в живых системах, при этом на них не влияя.
Для исследования сложных живых систем необходимы некие химические репортеры, которые с места событий в реальном времени могли бы передавать, что там происходит.
То есть должна происходить какая-то химическая реакция, позволяющая обнаружить соединение, за которым мы следим, например белок или нуклеиновая кислота.
— Но для такой цели используются флуоресцирующие белки.
— Безусловно, и достаточно успешно используются. К сожалению, они, во-первых, не обладают селективностью. Во-вторых, белок — это большая молекула. Если вы привешиваете его к той молекуле, за которой следите, это неизбежно влияет на ее свойства. А если у нас есть совсем небольшой репортер, состоящий всего из нескольких атомов, то вероятность того, что вы повлияете на свойства белка, в котором 200 тыс. атомов, очень мала.
Какие же химические группы мы можем использовать в этих целях? Вся химия развивалась по пути подражания природе.
Мы многому научились на этом пути, но, если быть совсем честными, то лучше, чем природа, мы мало что научились делать.
В последние годы стала развиваться область биоортогональной химии, то есть изучение как раз тех самых соединений, присутствия которых живые организмы просто не замечают.
Возникает такой социоонтологический вопрос: можем ли мы наблюдать за процессами в клетке, оставаясь совершенно сторонними наблюдателями, не влияя на них? Если абсолютно строго, то ответ будет отрицательным. Но стремиться к такому можно, и можно даже преуспеть.
Среди таких хорошо известных химикам групп — органические азиды. Это три атома азота, связанные друг с другом в цепочку. Они не используются живыми организмами, потому что их биосинтез слишком дорого обойдется. В живые организмы эти группы до недавнего времени никто не вводил, а когда попробовали — выяснили, что их можно встроить и в белки, и в нуклеиновые кислоты, и в липиды, практически не повлияв на свойства этих строительных кирпичиков жизни. Мы разработали новую реакцию, реакцию азид-ацетилетового циклоприсоединения в присутствии медных катализаторов. Она позволяет присоединять к этим группам практически любые метки и проводить саму реакцию прямо в организме.
— А как сделать видимыми эти молекулы?
— Например, посредством флуоресцентного красителя. Теперь для его введения уже достаточно маленькой группы (того самого азида), которая ковалентно свяжет краситель с биологическим объектом. Сейчас эти технологии уже внедрены и широко используются для слежения за синтезом и белков, и нуклеиновых кислот, и липидов, и сахаров. Реакция простая — аскорбиновая кислота, медный купорос, азид, ацетилен. Сложность в том, чтобы провести ее при самых низких концентрациях реагентов, и провести быстро, в течение нескольких минут, избежав нежелательных побочных эффектов. То есть чтобы не испортить жизнь клетке.
Таким образом, вы можете следить за тем, где оказался белок с азидом или же фрагмент ДНК с ацетиленом (введенным в нее через модифицированный уридин). Если использовать последовательно разные красители, то можно увидеть, в какой последовательности образуются новые молекулы в разных частях клетки.