Как работают дизайнеры лекарственных средств
Недавно самые мощные российские суперкомпьютеры "Ломоносов" и "Ломоносов-II" помогли найти лекарство от смертельного заболевания и смоделировали соединение, которое нейтрализует сильное отравляющее вещество. Мы поговорили с одним из главных участников этих исследований, доктором химических наук Андреем Головиным.
Алгоритм вместо волшебства
Наше тело - биохимическая фабрика, в которой происходит огромное количество реакций разной сложности. Одни из главных участников этих процессов - белки, как часто говорят про них школьные учителя, "строительный материал любого организма". Порой в работе белков случается сбой: они становятся менее активными и перестают участвовать в химических реакциях или, наоборот, разгоняются настолько, что провоцируют совершенно ненужные взаимодействия. Такое нарушение, как правило, и является причиной заболевания.
Современный метод создания медицинских препаратов - драгдизайн (от англ. drug - лекарство, design - проектирование) основан как раз на поиске точного места поломки (мишени) и конструировании активной молекулы (действующего лекарственного вещества), которая должна добраться до цели и починить поломку.
Ситуация осложняется тем, что белки делятся на множество типов. К ним относятся, например, большинство ферментов, некоторые гормоны и рецепторы клеток, ионные каналы, антитела. Каждый тип белков выполняет свою функцию и участвует в свойственных только ему реакциях. Сбой может произойти в работе любого из них, то есть для каждой специфической мишени должно быть свое лекарство. Глупо ведь пытаться пробить бронированную стену пневматическими пулями. На выбор пули - активной молекулы - влияет и незыблемое биохимическое правило: структура молекулы определяет ее свойства. Значит, чтобы найти лекарственное вещество, которое с наибольшей вероятностью поможет устранить нарушение в работе организма, хорошо бы создать как можно больше (например, несколько миллионов) молекул с неповторяющимися структурами и посмотреть, как они будут взаимодействовать с мишенью. А дальше отобрать пару-тройку самых успешных молекул - кандидатов в лекарства.
Одна только мысль о ручном переборе этих молекул и проведении нескольких миллионов экспериментов пугает сильнее, чем когда-то задача, поставленная Золушке злой мачехой: перебрать семь мешков фасоли и отделить темную от светлой. По счастью, у ученых, создающих лекарства, есть своя фея-крестная - алгоритмы обработки больших данных, которые достаточно быстро позволяют создать компьютерные модели нужных молекул и предсказать их взаимодействия с белком-мишенью.
По данным американского Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA), в США 90% разрешенных медикаментов проектируются на компьютере. По России точных данных нет, однако, судя по отдельным примерам, в освоении технологий драгдизайна мы не отстаем.
Конструктор из ДНК
Едва ли не самые интересные отечественные эксперименты по конструированию новых лекарств проводятся, конечно же, с использованием мощнейших российских суперкомпьютеров - первого и второго "Ломоносовых", которые принадлежат МГУ и расположены на его территории. В работе участвует большой коллектив ученых, при этом не все они из МГУ и далеко не все разбираются в драгдизайне и компьютерном моделировании. Этой частью исследований руководит старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, преподаватель факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Андрей Головин.
- Мы занимаемся необычным драгдизайном, - уточняет он. - Подавляющее большинство медицинских препаратов сегодня создается на основе низкомолекулярных соединений, то есть когда в качестве действующего вещества выступают малые молекулы - химические соединения с низкой молекулярной массой, очень маленьких размеров, что позволяет им пробираться через мембраны клеток и атаковать внутриклеточные мишени. При этом не все низкомолекулярные соединения хорошо выводятся из организма - иногда они накапливаются в тканях и могут навредить. К тому же, чтобы дизайн был рациональным и отбор молекул для воздействия на мишень шел в правильном направлении, нужно все время проверять и подтверждать результаты компьютерного моделирования настоящими экспериментами.
Синтез одной проверочной малой молекулы стоит очень дорого, и фармкомпании обычно не проводят живые контрольные эксперименты - отчасти поэтому эффективность классического драгдизайна не всегда бывает высокой. Мы же в качестве действующего вещества используем большие молекулы - биополимеры, белки и фрагменты ДНК. Обобщенно этот класс молекул еще называется аптамеры. Да, из-за своего размера они не пролезают внутрь, но могут воздействовать на мишени на поверхности клетки - стимулировать работу ее рецепторов или, наоборот, подавлять их. Могут захватывать ферменты, гормоны. Ингибировать антитела и предотвращать иммунный ответ организма, если это требуется. Аптамеры быстро и без проблем выводятся из организма. А синтезировать маленькие цепочки ДНК для экспериментальной проверки компьютерных расчетов очень просто и совсем не дорого.
Конечно, ДНК тут используется не как носитель генетической информации, а как удобный, пластичный материал и действующий лекарственный компонент, которому можно придать форму, которая точно подойдет для продуктивного контакта с мишенью. Создать такой конструктор из обычной двойной спирали ДНК невозможно: это слишком стабильная структура. Однако еще в 1990-е годы двойную спираль научились разрывать на две полимерные цепочки, а точнее, синтезировать в виде одной полимерной нити, которая в результате начинала взаимодействовать сама с собой и приобретать новые, причудливые формы.
- Чтобы подобрать форму аптамера, способную наиболее выгодным образом связаться с мишенью, нужны серьезные вычислительные мощности и обработка огромного количества данных, - говорит Андрей. - ДНК состоит из множества повторяющихся кусочков - нуклеотидов, их расположение определяет форму молекулы. Значит, чтобы подобрать действенную форму, нужно перебрать множество комбинаций. Допустим, для исследований нужен участок ДНК длиной в 30 нуклеотидов - количество их комбинаций равно примерно 1018, то есть квинтиллиону, или 1 000 000 000 000 000 000. Это слишком много, чтобы перебирать все варианты, - область поиска нужно как-то сузить.
Соотносить с мишенью весь квинтиллион вариаций ДНК-аптамера - задача неблагодарная даже для суперкомпьютеров. Они, конечно, справятся, но биоинформатики не любят грузить машинные мозги, когда можно чуть сильнее напрячь свои и найти оптимальный подход.
- Одной комбинаторикой - сравниванием всего со всем - в драгдизайне не обойтись, - отмечает Головин. - Иногда надо и голову включать. Чтобы уменьшить это страшное число с восемнадцатью нулями, нужно, опираясь на знания биохимии, прикинуть, какими должны быть основные параметры кандидатов в лекарства. В итоге мы отсекаем заведомо неподходящие комбинации ДНК-аптамеров и сокращаем библиотеку данных до тысяч или даже сотен вариантов. А дальше уже моделируем взаимодействие каждого аптамера с мишенью и извлекаем из белого шума значимые данные. Так мы с коллегами нашли молекулу RA-36, которая стала активным компонентом нового лекарства для профилактики тромбоза.
Мишень для этого препарата - фермент тромбин, который отвечает за свертываемость крови. При некоторых нарушениях возникает избыток этого фермента, что способствует образованию в сосудах тромбов - кровяных сгустков и пробок. Оторвавшийся тромб может закупорить сосуд сердца, вызвать аневризму, разрыв сосуда или привести к другим смертельно опасным последствиям. Для борьбы с тромбозом есть немало лекарств на основе низкомолекулярных соединений, однако они как раз накапливаются в тканях организма и при внезапном выбросе могут серьезно навредить. ДНК-препарат RA-36 абсолютно безопасен, что не так давно доказали результаты доклинических испытаний на обезьянах-мармозетках. Все участвовавшие в экспериментах зверьки живы и здоровы.
Мутанты против яда
Другое серьезное исследование, потребовавшее огромных вычислительных мощностей, связано с антителами - белковыми соединениями, которые организм производит в ответ на попадание в кровь чужеродных белков, вирусов, бактерий или связанных с белками токсинов. Антитела распознают их и активизируют иммунную систему для борьбы с врагами.
- Еще 1990-е годы биохимик и ныне академик Александр Габибов из Института биоорганической химии РАН нашел очень интересные абзимы - антитела, обладающие каталитической активностью, то есть способные ускорять реакцию других соединений, не принимая в них участия и оставаясь в сохранности. Представляете, какие это открывает перспективы для медицины? - интригует Андрей Головин. - Сейчас некоторые онкологические заболевания лечат с помощью антител. Принцип действия у них такой: попадая в организм, они связывают раковую клетку и отдают ее на растерзание иммунной системе. Сами антитела при этом остаются в связанном состоянии и тоже погибают. Но вообразите, что разработали антитело, которое не просто намертво связывает раковую клетку, а захватывает ее, кромсает - запускает в ней что-то вроде реакции самоуничтожения, переходит к другой клетке. И так тысячу раз. Из таких серийных убийц могут получиться отличные препараты от некоторых видов рака, а также противоядия.
Габибов и его коллеги работали над этим абзимом около 20 лет, создавали его мутантные версии с разными свойствами. И надеялись, что одна из них станет основой для важнейшего противоракового препарата. В 2011 году, когда ученые собрали библиотеку примерно в 100 000 000 мутантов, академик обнаружил, что один из них ослабляет действие такого фосфорорганического соединения, как параоксон. По сути, это яд, который до определенного момента широко использовался как средство борьбы с насекомыми, однако потом был запрещен из-за высокой токсичности. Сейчас ученые используют его как прототип химического оружия, чтобы создавать антидоты.
- Группа Габибова проделала огромную работу, но чтобы понять, можно ли значительно повысить активность по нейтрализации параоксона, нужно было перейти к компьютерному моделированию. Когда ученые не знают, что им делать с большими комбинациями данных, на белых конях появляемся мы, биоинформатики и драгдизайнеры, - смеется Андрей. - Нам удалось разработать метод, уменьшивший библиотеку мутантов до десятков миллионов, потом до ста с чем-то тысяч, дальше до ста пятидесяти… В итоге осталось только два мутанта этого абзима. Причем оба увеличивали скорость реакции, нейтрализующей параоксон, в 200 раз! В принципе, это исследование может привести к созданию антител, которые вводятся внутривенно и позволяют без последствий вдыхать яд во время химической атаки. Хочется думать, что это лекарство не понадобится, но разработать его будет интересно.
По этой теме у Габибова, Головина и коллектива ученых ИБХ РАН и МГУ год назад вышла публикация в авторитетном журнале Science Advances. В исследовании были задействованы мощности обоих суперкомпьютеров - разумеется, не всех его ядер, их все-таки слишком много, к тому же они часто заняты другими исследовательскими группами. Чтобы создать метод сокращения первоначальной библиотеки абзимов, Головину и его команде потребовалось около полугода, на отбор из миллиона мутантов двух подходящих ушло примерно столько же.
- Проведение таких исследований cовсем без компьютеров немыслимо, - утверждает биоинформатик. - Допустим, один экспериментатор может сделать одного мутанта… в лучшем случае за месяц. Выходит, одна вариация абзима равна одному человеко-месяцу. А мутантов в первой выборке было сто миллионов. Ну, можно привлечь к этой работе взрослую часть населения Китая, освободив от всего остального. Но потом выяснится, что что-то не работает. Мне, конечно, было бы обидно, если б не получилось предсказать удачные формы абзима в компьютерной модели, но если бы результатов не принес реальный эксперимент, на который потрачено колоссальное количество усилий, было бы совсем досадно.
Научный фестиваль Nauka 0+
6-8 октября в Москве пройдет фестиваль Nauka 0+. На 90 площадках понятным, "человеческим" языком будут рассказывать о том, чем занимаются ученые, как научный поиск улучшает качество жизни, какие перспективы он открывает. Подробнее узнать о мероприятих Nauka 0+ можно в специальном номере журнала "Кот Шрёдингера".