Компьютерное конструирование лекарств
|
Сотрудники Научно-исследовательского института биомедицинской химии РАМН разрабатывают компьютерные программы и применяют их для поиска и создания новых лекарств. В чем суть компьютерного конструирования лекарств? Какие изменения появились в этих технологиях за последние годы? Мы попросили ответить на эти вопросы заместителя директора института по научной работе, руководителя лаборатории структурно-функционального конструирования лекарств, профессора Владимира ПОРОЙКОВА.
- Несмотря на успехи медицинской науки, для лечения многих из широко распространенных заболеваний до сих пор нет эффективных лекарственных препаратов. Это СПИД, гепатит С, артриты, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера и многие другие. Даже простудные заболевания с трудом поддаются лечению. Появляются новые штаммы вирусов и патогенных микроорганизмов, устойчивые к действию имеющихся лекарств (например, микобактерии туберкулеза). Во многих случаях используемые в медицинской практике препараты обладают серьезными побочными эффектами. Разработка нового лекарства требует длительного времени - от 8 до 12 лет. Это обусловлено высоким и постоянно возрастающим уровнем требований к безопасности и эффективности. Поэтому создание нового препарата требует немалых средств. За рубежом эта цифра оценивается в 350-500 млн $. В России затраты существенно ниже, но тем не менее по нашим меркам достаточно велики. К тому же высока вероятность получения отрицательного результата: разрабатываемое фармакологическое средство может оказаться токсичным, а данные, полученные на экспериментальных животных, могут не подтвердиться в клинике и др. Поэтому все фармацевтические фирмы очень заинтересованы в получении новых технологий, которые бы снижали и риск получения негативных результатов, и время, затрачиваемое на разработку, и стоимость разработки. Разработчики лекарств всегда были заинтересованы в выявлении уникальных веществ, которые обладают существенной новизной по сравнению с известными препаратами. Поиск базовых структур новых лекарств имеет своей целью выявление веществ из химических классов, где исследуемая активность никогда не была найдена ранее. Акцент "на новые вещества" преобладал в стратегии поиска препаратов ранее, а сейчас наряду с этим исследования сместились в сторону поиска новых мишеней для действия лекарств. Под мишенью понимается биологическая макромолекула, например белок, который связан с патогенезом конкретного заболевания. Например, у вирусов имеются белки, "выключение" которых приводит к гибели вируса. Они могут рассматриваться как мишени для действия новых лекарств. К примеру, при расшифровке генома вируса гепатита С был обнаружен белок протеаза, который участвует в поддержании жизненного цикла этого вируса. Если бы удалось найти ингибиторы данной протеазы, которые бы убивали вирус, но практически не действовали бы на аналогичные белки организма человека, такие вещества стали бы эффективным средством для лечения гепатита С. Подобные подходы развиваются сегодня для лечения многих бактериальных и вирусных инфекций. На рубеже XX-XXI веков усилиями молекулярной биологии достигнута уникальная ситуация, когда полностью расшифрованы геномы около 30 микроорганизмов, еще более 100 находятся в стадии расшифровки. К 2001-2002 годам будет полностью расшифрован геном человека. Это создало новые условия для систематического поиска макромолекул-мишеней действия новых лекарств. Этим занимается специальная область науки - биоинформатика, которая сравнивает между собой генетические последовательности и первичные структуры белков, имеющихся в различных патогенных организмах с набором последовательностей у человека в норме и при патологиях. На этой основе выявляются потенциальные мишени действия лекарств. После выявления подобной мишени встает задача поиска лигандов - веществ, действующих на данный белок (ингибиторы или активаторы). Здесь в дело вступают компьютерные методы конструирования лекарств. При так называемом прямом поиске лигандов необходимо определить пространственную структуру макромолекулы-мишени. Это может быть сделано либо экспериментальными методами, либо путем компьютерного моделирования. Первый путь достаточно долог и далеко не всегда приводит к успеху, поскольку очень многие белки трудно выделить в интактном (неповрежденном) виде. В настоящее время разрыв между количеством белков с расшифрованной первичной структурой и известной пространственной структурой составляет несколько порядков, поэтому столь важное значение имеет разработка методов компьютерного моделирования пространственной структуры. Подобные методы достаточно успешны, если удается осуществить моделирование по гомологии, когда среди белков с известной пространственной структурой находится макромолекула, "похожая" по аминокислотной последовательности на новую изучаемую макромолекулу-мишень. После получения трехмерной структуры макромолекулы-мишени и установления особенностей ее активного центра, можно проводить поиск веществ в базах данных образцов химических соединений, которые потенциально являются лигандами данной макромолекулы-мишени. Если подобные лиганды выявляются, то их рассматривают в качестве вероятных базовых структур нового лекарства. После экспериментального подтверждения биологической активности у базовых структур, опять-таки с помощью компьютерных методов, проводится так называемая оптимизация свойств базовой структуры. При этом конструируются, синтезируются и тестируются на биологическую активность аналоги первоначально открытой базовой структуры, обладающие более высокой биологической активностью, более низкой токсичностью и лучшей биодоступностью. Если трехмерную структуру макромолекулы-мишени не удается определить экспериментально или построить ее модель с помощью компьютерных методов, остается путь поиска первоначальных базовых структур с помощью экспериментального высокопроизводительного скрининга. В настоящее время за рубежом для этой цели используются роботизированные установки, позволяющие тестировать до 100 тыс. веществ на 100-200 мишеней в течение недели. Если базовые структуры выявляются при таком скрининге, то далее их можно использовать в качестве обучающей выборки для поиска веществ-аналогов (по биологическому действию) с помощью комплексных методов в базах данных, содержащих многие миллионы химических соединений. Одним из ведущих в России в данной области является Институт биомедицинской химии РАМН, где разрабатываются и применяются методы биоинформатики и конструирования лекарств. Здесь имеется три специализированные лаборатории: микросомального окисления, которой руководит академик РАМН А.Арчаков, молекулярно-графического конструирования лекарств (профессор А.Иванов) и структурно-функционального конструирования лекарств (профессор В.Поройков). Ведущиеся в этих лабораториях разработки охватывают весь цикл применения компьютерных методов для конструирования лекарств - от нахождения макромолекулы-мишени до выявления действующих на нее лигандов. Для этих целей применяются компьютерные программы и базы данных, доступные в Интернете, коммерческие, распространяемые специализированными фирмами, и собственные оригинальные, разработанные в институте. К последним относится, например, база данных по цитохромам P450, являющимся основными ферментами метаболизма лекарственных веществ в организме человека. В этой базе данных наряду с аминокислотными последовательностями цитохромов Р450 содержится также информация об их субстратах, ингибиторах и активаторах. На основе этой информации можно анализировать взаимодействия лекарств в организме человека и искать участки аминокислотной последовательности, ответственные за проявление той или иной функции. Другим примером разработки института является DockSearch - программа для поиска базовых структур новых лекарств в базах данных образцов химических соединений. Эта программа позволяет не только выявить вещества, предположительно связывающиеся с изучаемой макромолекулой-мишенью, но и оценить их силу связывания, что дает возможность отобрать наиболее перспективные соединения для экспериментальных исследований. Еще одним примером оригинальной программы является программа SIMEST - для оценки сходства низкомолекулярных химических соединений с эндогенными биорегуляторами, разработанная кандидатом биологических наук Ю.Бородиной. Используя эту программу, можно выявлять базовые структуры новых лекарств и, с другой стороны, оценивать вероятные побочные эффекты у новых веществ - кандидатов в лекарства. Среди мишеней, рассматриваемых в институте, - цитохромы Р450, моноаминооксидазы А и В, нейроминидаза вируса гриппа, NS3/NS4 протеаза вируса гепатита С, пролилэндопептидаза и другие. Для некоторых из этих мишеней уже удалось сконструировать (выявить в базе данных известных образцов химических соединений) вероятные ингибиторы, которые в настоящее время переданы на экспериментальные исследования. Для других - осуществляются поиск новых мишеней и моделирование их трехмерной структуры. Записала Светлана ГАЛИМОВА. |