Особенности молекулярной рыбалки, или Как ищут лекарства от рака

Как ищут современные лекарства от рака, какое оружие подходит для белка-мишени, зачем найденный учеными белок заставляет клетки убивать себя и как снижающий холестерин препарат помогает уморить голодом опухолевые клетки, рассказывает Indicator.Ru.

Освещать абсолютно все научные исследования невозможно, поэтому обычно Indicator.Ru выбирает самые выдающиеся и интересные. Но за дверями сотен лабораторий по всему миру каждый день продолжается работа по созданию лекарств, в том числе и от разных видов рака. На примере «просто хороших» статей, которые выходят практически ежедневно, эксперты из ИБХ РАН рассказывают, как работают рядовые ловцы молекул и дизайнеры по таблеткам.

Рак, drugs и драг-дизайн

Найти одно лекарство от рака невозможно из-за того, что существует практически бесконечное множество его типов, которые имеют свои механизмы, поэтому рак, пожалуй, одно из самых популярных среди ученых заболеваний. И одно из самых загадочных.

Первые шаги современного охотника за лекарствами — поиск «неправильного» белка, вызывающего болезнь. «Сломанный» белок может делать это и не самостоятельно, а встраиваясь в сложные и разветвленные сети реакций и нарушая их привычный ход. В клетке постоянно бурлит кипучая активность огромного множества молекул, для каждой из которых предусмотрены свои места для жизни и свои варианты судьбы (если вы думаете, что «огромное множество» — это художественное преувеличение, вам сюда). Если в этот ансамбль врывается случайный гость, он может расстроить рисунок этого танца. Звучит не слишком устрашающе, если не думать, что от отсутствия какой-нибудь правильной молекулы в правильном месте может зависеть здоровье и жизнь человека.

Такой «сломанный» белок, вносящий в клетку анархию, и становится мишенью для медиков. Найдя мишень, ученые ищут оружие, которым можно ее поразить. Но если обычная охота чаще зависит от меткости стрелка, то в случае с лекарством оружие должно быть самонаводящимся (специфичным) и не слишком мощным: помня про целый ансамбль из молекул, в слаженную деятельность которого опасно вмешиваться наобум, не станешь стрелять из пушки по воробьям. Поэтому разработка лекарств может занимать не один десяток лет, начиная от поиска нужной молекулы и заканчивая поступлением сертифицированного препарата в продажу.

Выследив белок-виновник (он может быть и не один, тогда выбираем тот, в который проще «целиться» и который является «слабом звеном» вашей криминогенной – от слова ген, белки же в генах записаны, — цепочки) и поняв, что перед вами за «зверь», нужно создать оружие, «предназначенное» именно для него. Для этого смотрят на компьютерную модель структуры этого белка и придумывают, какие примерно молекулы и в каком месте (сайте) могут связать и обезвредить его. После этого ученые подключаются к специальным базам данных о молекулах, и компьютерные программы высчитывают энергию соединения, ловя на «удочку» структуры вашей мишени разные варианты, которые потом проверяют на практике (в пробирке, культуре, подопытных животных, и только потом на пациентах). Молекулу, которая связывается с мишенью, называют лигандом, сам процесс создания — драг-дизайном, а ловлю молекул виртуальной «удочкой» — «молекулярным докингом».

Любовь к 3-интегринам

Таким способом группой ученых из Университета Джорджии и был найден белок ProAgio, который вызывает апоптоз — самоубийство — тех клеток, в кототрых содержится интегрин αVβ₃. Интегрины — белки, которые пронизывают двойную липидную мембрану клетки насквозь и помогают клеткам взаимодействовать и общаться. «От них зависит форма клетки, ее подвижность, они участвуют в регулировке клеточного цикла. Интегрины экспрессированы на поверхности всех клеток организма за исключением эритроцитов», — комментирует Елена Свирщевская, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточных взаимодействий ИБХ РАН.

Но если они так важны для всех клеток, то почему они вдруг стали мишенью для лекарства? Интегрины состоят из двух субъединиц, α и β, каждая из которых может быть разного типа. «У млекопитающих известно 19 альфа- и 8 бета-субъединиц, — пояснила Елена Свирщевская. — Альфа-субъединицы определяют специфичность интегрина к лиганду, а бета-субъединицы связаны с компонентами цитоскелета и обеспечивают передачу сигнала в клетке. Интегрины постоянно присутствуют в мембране клетки в "сложенной" форме, при активации клетки различными стимулами интегрины распрямляются и вытягиваются, что позволяет им взаимодействовать с лигандами. У человека описано 18 альфа- и 8 бета-субъединиц, при этом каждая альфа-субъединица образует комплекс только с определенным набором бета-единиц, что в итоге порождает 24 варианта димеров».

Один из редких вариантов этих димеров — интегрин αVβ₃, который экспрессируется (производится) в деградирующей костной ткани, специальных сосудах, которые опухоль подводит к себе, чтобы наладить снабжение питательными веществами и кислородом, и при метастазировании опухоли. Связывание этого белка направило бы клетку по пути апоптоза, заставив опухоль «съесть саму себя», поэтому на него уже давно начата охота. Однако «слабое звено» его цепочки аминокислот, с которым связывается большинство существующих лигандов, — участок аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (также называемый сайтом RDG) — присутствует у множества других интегринов (αIIbβ₃, αvβ₁, αvβ₃, αvβ₅, αvβ₆, αvβ₈, α5β₁, α8β₁), которые работают в здоровых клетках и которые такой лиганд, соответственно, тоже свяжет.

Поэтому ученые из Университета Джорджии специально искали молекулу, которая будет «стрелять» в другую часть этой мишени, связываясь не с сайтом RDG, и подобрали перспективный белок, который назвали ProAgio. «Авторы предполагают, что из-за отличия места связывания ProAgio с αVβ₃ интегрином этот белок будет оказывать большую селективность и вызывать меньше побочных эффектов. Однако βA-домен присутствует и в других димерах интегринов, что требует доказательства селективности действия ProAgio. Авторы начали такую работу. Так, показали, что ProAgio не связывает aIIbβ₃», — комментирует Елена Свирщевская.

Для 2DG фенофибрат — друг, товарищ и брат

В случае с белком ProAgio исследователям предстоят длительные проверки взаимодействий с разными интегринами. После молекулу обычно модифицируют, находят наиболее эффективную форму, проводят клинические испытания, изучение побочных эффектов. Этот путь долог и полон трудностей, и самое обидное, что на одной из стадий может оказаться, что молекула совершенно не подходит для лечения из-за того, что наносит организму несоизмеримый вред. Но есть способ сделать этот путь короче. Гораздо легче, когда в качестве лиганда выступает какое-то уже хорошо изученное соединение, которое, например, используется для лечения другой болезни. И если повезет, в библиотеках таких соединений может найтись то, что отлично попадается на молекулярную «удочку». В таком случае свойства и побочные эффекты вещества будут уже во многом известны, и довести его до удобной лекарственной формы будет проще.

Таким путем пошли ученые из Университета Майами, и удача им улыбнулась. Дуэт из двух веществ, фенофибрата и 2-диокси-D-глюкозы (2-DG), оказался перспективным оружием для борьбы с опухолями без применения химио- и радиотерапии. Фенофибрат — давно известное лекарство, которое прописывают для снижения уровня холестерина в крови людям с риском сердечно-сосудистых заболеваний, а сахар 2-DG — «обманка» для раковых клеток, которую им легко спутать с обычной глюкозой, но не удастся расщепить и получить энергию. В результате клетки опухоли можно буквально «уморить голодом».

«Довольно интересный способ для лечения медленно прогрессирующих онкозаболеваний, не поддающихся традиционным подходам: химио- и радиотерапии, — оценил эту комбинацию Виктор Плешкан, научный сотрудник лаборатории структуры и функций генов человека ИБХ РАН. — Для воздействия использованы особенности опухолевых клеток, связанные с метаболизмом. Несмотря на достаточно интересные полученные результаты, в том числе уменьшение токсичности при комбинированном действии 2-диокси-D-глюкозы (2-DG) с фенофибратом, исследование находится пока на достаточно ранней фазе, чтобы можно было что-либо говорить о появлении нового препарата или способа лечения онкозаболеваний».

Жизнь с Pi

Еще один пример работы охотников за лекарствами — предложенный учеными Калифорнийского университета в Беркли для лечения трижды негативного рака молочной железы белок LAS-17. О нем нам рассказала Ольга Шилова из лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН: «В последние годы многие исследователи стали искать специфические черты метаболизма в самой опухоли, чтобы как-то на них воздействовать. Данная статья — пример довольно обстоятельного скрининга опухолевых линий в поисках потенциальной мишени. Авторы нашли "подозреваемый" фермент и сумели затормозить его работу при помощи уже известного ингибитора. Пока трудно сказать, насколько это продвинет лечение рака, потому что ухудшение метаболизма клетки действительно должно было привести к замедленному росту. Внушает оптимизм тот факт, что мыши, которым вводили данный препарат, переносили его не хуже любого другого противоопухолевого препарата».

В этом исследовании ученые проверили множество потенциальных мишеней в клетках трижды негативного рака, практически не поддающегося лечению и составляющего 10-15% случаев рака молочной железы, и выбрали очередную «жертву» — белок GSTP1 (статья, опубликованная в Cell Chemical Biology, доступна онлайн). Это белок, название которого расшифровывается как «глутатион-S-трансфераза Pi1». Исследователи полагают, что он — ключевое звено в метаболизме раковой клетки, которое регулирует реакции ее гликолиза — бескислородного пути расщепления глюкозы и получения энергии. Без него, как и в случае с 2-DG, опухоль будет «страдать от голода».

Но и здесь не все так гладко. «Основная проблема со всеми исследованиями клеточных линий — их индивидуальность и те изменения, которые могут происходить в иммортализованной клеточной линии вне зависимости от ее исходной природы. Грубо говоря, раковые клетки когда-то вынули из пациента или животного, несколько (десятков) лет культивировали in vitro. Те изменения, которые произошли с клетками, иногда можно отследить, иногда нет, но в любом случае эти изменения в метаболизме и профиле экспрессии никак не обязаны отражать свойства рака внутри пациента: они могут быть связаны с культивированием или просто быть случайными. Кроме того, в реальной опухоли все немного сложнее, чем в культуре, так что перспективы дальнейшего поиска и проверки довольно велики, как всегда в таких случаях», — объясняет Ольга Шилова.

«Но начинать с чего-то нужно, естественно, это не методическая ошибка, это один их первых шагов для данного фермента в данном типе опухолей», — резюмирует она. Это заключение подходит для всех трех наших примеров, да и для сотен других исследований, которые прямо сейчас происходят по всему миру: великое множество типов рака имеет не меньше мишеней для лечения, тех самых «сломанных» белков, ведь ломаются они в результате случайных мутаций, которые могут быть самыми разными. Раковые клетки, как и несчастливые семьи в «Анне Карениной», все несчастливы по-своему. Поэтому медики видят будущее за персонализированной медициной, а в настоящем покой им только снится.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.