Содержащееся в кораллах бактерицидное вещество может стать эффективным средством борьбы с туберкулезом. Ученые выяснили, что искусственно синтезированный аналог этого вещества работает лучше природного и, более того, он не вредит человеку и преодолевает устойчивость вызывающей туберкулез палочки Коха к антибиотикам. Результаты работы исследовательской группы, поддержанной грантом Российского научного фонда, были опубликованы в журнале Chemistry-A European Journal, еще несколько статей готовятся к публикации. Руководитель исследовательского проекта Александр Рубцов рассказал отделу науки о проделанной работе и о том, какие еще проблемы ученым предстоит решить.
Что такое туберкулез?
Инфекционная природа туберкулеза была доказана немецким ученым Робертом Кохом еще в 1882 году. Именно он открыл вызывающую болезнь микобактерию Mycobacterium tuberculosis (или палочку Коха). Латинский префикс myco- может переводиться как «гриб», так и «воск»: в данном случае он обозначает «воскоподобные» компоненты, содержащиеся в клеточной стенке и защищающие бактерию. При активной форме туберкулеза палочка Коха быстро размножается в различных органах человека (чаще всего — в легких), отравляя организм продуктами своей жизнедеятельности.
Вместе с кровью и лимфой она распространяется по всему организму.
Методы борьбы с туберкулезом делятся на два направления: вакцинация и создание новых лекарств. Идея проекта, поддержанного РНФ, состоит в том, чтобы изучить механизм воздействия нового класса веществ на микобактерии, что в будущем может позволить создать новый класс антибиотиков. Проект направлен на поиск новых механизмов воздействия на микобактерии с целью последующего создания высокоэффективных и нетоксичных противотуберкулезных веществ.
Лекарства токсичны, бактерия устойчива
«Множество людей умирает от токсичности используемых лекарств. Для более эффективной борьбы с туберкулезом нужны менее токсичные лекарства. Второй проблемой является множественная лекарственная устойчивость бактерии Mycobacterium tuberculosis», — рассказывает руководитель проекта Александр Рубцов. В проекте задействованы микробиологи, медицинские микробиологи, химики-синтетики, а также ведется сотрудничество с профессором Андреем Малковым из Университета Лафборо, Великобритания (Loughborough University).
«Оборудование, закупленное на выделенные по программе развития Пермского национального исследовательского университета средства, позволяет проводить исследования на современном уровне, но без поддержки РНФ проводить эти исследования было бы практически невозможно, — рассказывает Александр Рубцов. — Только за 2015 год большая часть гранта была израсходована на закупку химических реактивов, бактериальных сред и различных расходных материалов для работы приборов. Комплексно закупленное оборудование по программе НИУ и по гранту РНФ позволяет вывести проводимые исследования на совершенно другой уровень, работать в передовых областях развития науки и публиковать полученные результаты в ведущих мировых журналах».
У бактерии M. tuberculosis развивается множественная лекарственная устойчивость к противомикробным препаратам. Микобактерия приспосабливается к действию антибиотика, быстро мутируя и сводя его действие на нет. В результате больной зарабатывает себе лекарственную устойчивость к тому препарату, которым лечился. Этот же принцип заложен в основу действия противотуберкулезной вакцины БЦЖ (русская транскрипция названия культуры Bacillum Calmette Guerin, BCG).
Диагностируется туберкулез известной реакцией Манту, «пуговкой», которою все так боялись намочить в школе.
Сейчас на первый план выходят новые методы диагностики туберкулеза: молекулярные экспресс-тесты ХpertMTB/RIF.
Кораллы против туберкулеза
Ранее учеными было обнаружено, что в морских кораллах содержится относящееся к классу терпенов вещество, обладающее сильным бактерицидным эффектом. Терпены — это класс углеводородов — продуктов биосинтеза с общей формулой (C5H8)n с углеродным скелетом, формально являющихся производными изопрена (C5H8). Количество атомов углерода в формуле любого терпена кратно пяти: чтобы получить более сложные терпены, нужно «сложить» несколько молекул изопрена. Например, большинство монотерпенов (C10H16) являются основными компонентами эфирных масел. Названия всех терпенов происходят от латинского названия того природного объекта, из которого они выделены: бетулин (лат. Bétula — береза), ментол (лат. Méntha — мята).
Основными компонентами эфирных масел являются терпены, но не все терпены — эфирные масла. Например, каучук является политерпеном, но никак не эфирным маслом.
Среди большого количества соединений одним из наиболее перспективных в борьбе с M. tuberculosis является дитерпен под названием erogorgiane (C20H32), полученный из морских кораллов класса Pseudopterogorgia elisabethae. Проблема его выделения из природного источника заключалась в том, что для получения достаточного количества erogorgiane требовалось переработать огромный объем биомассы редкого вида кораллов. Поэтому для дальнейшего практического использования это соединение необходимо было синтезировать.
Для получения искомого дитерпена использовали метод асимметрического синтеза. Асимметрическим центром (или стереоцентром) в органической молекуле является не что иное, как атом углерода. Асимметрический он потому, что в расположении связанных с углеродом атомов могут быть некоторые различия. Например, в метане СН4 их нет: все четыре атома водорода связаны с атомом углерода одинаковыми химическими связями, то есть молекула метана симметрична. В том случае если углерод окружают разные атомы и их группировки, то случайная перемена их мест в молекуле может сильно повлиять на ее химические свойства.
Зеркальные молекулы
Некоторые органические молекулы отличаются только тем, что являются зеркальными отражениями друг друга. Такие вещества называются стереоизомерами, они обладают хиральностью — их невозможно повернуть так, чтобы левая и правая части полностью совпали друг с другом, подобно тому, как наша правая рука никогда не совпадет с левой, как бы мы их ни вращали. Кстати, слово «хиральность» произошло от древнегреческого χειρ — «рука». Это явление приводит к тому, что одна молекула к биологической мишени подходит, другая — нет, подобно трехмерной мозаике.
Поэтому для лекарств важно, чтобы у асимметрических центров была строго определенная конфигурация.
В результате синтеза получается смесь двух «зеркальных» стереоизомеров. Природа умнее: вещества, образующиеся естественным путем, более чистые, они состоят из одного стереоизомера. Задача химиков-синтетиков состоит в том, чтобы сместить равновесие реакции в сторону определенного стереоизомера, как в природе. Для этого используют органокатализаторы — органические вещества, благодаря добавке которых образуется один изомер.
Чтобы проверить, какой из стереоизомеров активнее действует на M. tuberculosis, ученые синтезировали разные стереоизомеры и затем проверяли их активность. Оказалось, что лучшим является именно синтетический аналог природного erogorgiane.
Используемые в настоящее время лекарственные препараты и соединения, проходящие клинические испытания, не имеют ничего общего по структуре с дитерпеном. Тем не менее полученные в 2015 году результаты показали, что дитерпен erogorgiane показывает перспективную противотуберкулезную активность против штаммов M. tuberculosis с множественной лекарственной устойчивостью. Терпены, как правило, не токсичны для человека в количестве более 3 г на килограмм веса. По крайней мере, острая токсичность, обнаруживающаяся в течение 24 часов после введения препарата, не проявляется.
Далеко ли до лекарства?
«Каков механизм действия терпенов на бактерии?» — этот вопрос является главным на пути создания нового лекарства, и пока открыт.
«О создании лекарства, активным компонентом которого будет дитерпен erogorgiane, имеет смысл говорить, когда мы полностью изучим механизм его действия на бактерию. Именно это является целью нашего проекта. Изобретение новых лекарств — процесс дорогостоящий и протяженный, как правило, он затягивается на 10–15 лет», — объясняет Александр Рубцов.
На создание одного лекарства требуется от $500 млн до $3 млрд.
Моделируя и изучая свойства новых веществ и механизмы их взаимодействия с «мишенью» (в данном случае ею является бактерия Mycobacterium tuberculosis), ученые находят активное вещество (hit-compound), которое может быть использовано для производства нового лекарственного средства. Далее полученное соединение дорабатывается до соединения-прототипа (lead compound) путем улучшения его свойств (проникающие свойства, растворимость в воде, химическая устойчивость в организме человека и др.). Тем временем фармтехнологи определяют, в каком виде должно быть лекарство, чтобы его эффективность была максимальной. Когда оптимальные свойства соединения подобраны, наступает время испытания препарата. Сначала его активность, токсичность, мутагенность проверяются на животных — этот этап получил название доклинических испытаний. Затем лекарство патентуется, и за этим следуют три фазы клинических испытаний лекарства на людях.
