Роль биоорганической химии в создании лекарственных средств (стр. 2 )

Такой исследовательский путь прошли новые противоопухолевые средства растительного происхождения на основе алкалоидов таксола (паклитаксель), выделенного в 1971 г. из коры тихоокеанского тиса, камптотецина, выделенного из коры китайского дерева Camptotheca acuminate. Они нашли широкое применение в клинической практике для лечения резистентных опухолей. Паклитоксель признан наиболее важным открытием в химиотерапии для лечения некоторых форм рака за последние 20 лет. Препараты из морских асцидий - экстеинасцидин (ЕТ-723) и асцидидемин, прошли все стадии клинических испытаний на тысячах онкологических больных, и их массовое применение планируется в ближайшие годы.

Карибская асцидия морская струя Ecteinascidia turbinata.

Image courtesy of S. Lopez-Legintil, University of North Carolina, USA.

Трабектидин состоит из 3-х тетрагидрохинолиновых частей, 8 колец, включая одно 10-членное гетероциклическое кольцо, содержащее цистеиновый остаток, и 7 хиральных центров.

Трабектидин (эктеинасцидин-743, Yondelis®, ET-743) – тетрагидроизохинолиновый алкалоид, выделенный из асцидии Ecteinascidia turbinata. Как лекарственное средство разработано фирмой PharmaMar (Zeltia) в партнерстве с фирмой Johnson & Johnson Pharmaceutical Research & Development LLC. В Университете Иллинойса был разработан синтез этого препарата, а фирма PharmaMar имеет лицензию на применение этого полусинтетического препарата.

Трабектидин взаимодействует с малой бороздкой ДНК и в положении N2 алкилирует гуанин, который изгибается в направлении большой бороздки. Таким способом этот лекарственный препарата оказывает влияние на различные факторы транскрипции, которые принимают участие в клеточной пролиферации, ососбенно через систему экцизионной репарации, сопряженной с транскрипцией. Трабектидин блокирует клеточный цикл в G2-фазе, в товремя как клетки в G1-фазе – наиболее чувствительны к этому препарату. Он также ингибирует суперэкспрессию гена множественной лекарственной резистентности-1 (MDR-1), кодирующего P-гликопротеин – главный фактор, ответственный за развитие клеточной резистентности к противоопухолевым препаратам.

Молекулярно-динамическая модель, показывающая алкилирование ДНК эктеинасцидином-743 при N-2 гуанина в малой бороздке. Кольца A и C соответствуют кольцам A и C тетрагидрохинолина молекулы эксеинасцидина.

Примером низкомолекулярного препарата специфически ингибирующего работу аномальных белков опухолевых клеток, ответственных за их неограниченный рост является гливек,4-[(4-метил-1-пиперазинил)метил]-N-[4-метил-3-[[4-(3-пиридинил)-2пиримидинил]амино]-фенил]бензамид метансульфанат. Молекулярный вес 589.7. Его структурная формула представлена ниже: Иматиниб мезилат растворим в водных буферах  ? pH 5.5, но очень слабо растворим в нейтральных и щелочных водных буферах.

Структурная формула иматиниб мезилата, специфического блокатора онкогенного рецептора, вызывающего заболевание хроническим лейкозом.

Гливек® (иматиниб мезилат) является тирозинкиназным ингибитором, который предотвращает сигналы роста в опухолевых клетках посредством связывания с поврежденными BCR-ABL рецепторами и блокирования связывания ATP. При отсутствии энергии предоставляемой ATФ, белок BCR-ABL не способен осуществлять киназную активность. Поэтому Гливек® замедляет рост опухоли и вызывает апоптоз в опухолевых клетках.

Гливек® был разработан для лечения хронической миелоидной лейкемии (ХМЛ). При ХМЛ, хромосомная перестановка (реаранжировка) в белых кровяных тельцах связывает два гена вместе. Это создает онкоген, который производит протеин с поврежденными тирозин-киназными рецепторами BCR-ABL, который сигнализирует клеткам расти и делиться, даже если отсутствуют факторы роста. Результатом является сверхпродукция недоразвитых белых кровяных телец.

Гливек® был одобрен FDA для лечения ХМЛ с 10 мая 2001 года. 1 февраля 2002 года FDA одобрило использование Гливека® для лечения желудочно-кишечных стромальных опухолей (ЖКСО), которые CD117-позитивны и неоперабельные или метастатичные.

Таким образом, основными задачами, решаемыми современной биохимией и биоорганической химией, которые связаны с синтезом, выделением и изучением механизма действия БАВ,  являются:

выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования, противоточного распределения и т. п.;

установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физической органической химии с применением масс-спектроскопии, различных видов оптической спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др.;

химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных, с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической активности;

биологическое тестирование полученных соединений in vitro и in vivo, определение спектра их биологической активности  и изучение их механизма действия с выходом на молекулярные мишени;

выяснение физиологической роли природных веществ в организме-продуценте;

разработка и внедрение препаратов, ценных для практического использования в современных медицине (лекарственные средства и биологически активные добавки), косметике, сельском хозяйстве и биотехнологиях.

Современные методы биохимии, используемые для анализа активности БАВ

Одна из главных задач XXI века – остановить пандемическое распространение болезней цивилизации: сердечно-сосудистых, ишемической болезни сердца, диабета, метаболического синдрома, онкологических заболеваний. Что должна сделать биохимия для решения этой задачи? Во-первых, уметь своевременно определять генетическую предрасположенность к возникновению наиболее серьезных патологий. Многие такие патологии могут вызваться мутациями. Во-вторых, с высокой достоверностью определять количественный показатель риска возникновения патологий, когда они еще находятся в клинически бессимптомном состоянии. Это позволит проводить мероприятия, предупреждающие развитие заболеваний. И, в-третьих, за счет динамического измерения новых биомаркеров проводить отслеживание реакции организма на терапию лекарственными средствами. Эти задачи уже успешно решаются. И происходит это благодаря революционным достижениям биологии XXI века – ее назвали многомерной биологией (high dimensional biology).

На основе современных методов анализа рецепторов, белков и нуклеиновых кислот последнее время стали быстро развиваться новые области науки – рецептология, транскриптомика, протеомика, метаболомика, функциоанльная геномика и биоинформатика, которые позволяют проводить более полное исследование любой биологической системы в норме, при различных патологиях и под воздействием лекарственных средств и БАВ. Эти направления в современной науке будут играть определяющую роль в разработке и выяснении механизма действия лекарственных веществ и БАВ. Начнем с рецептологии, которая оперирует понятием рецептор.

       Рецепторы, по образному выражению, глаза и уши клетки. Они представляют собой клеточные структуры, в основном, белковой природы, которые связывают химические мессенджеры (эндогенные лиганды) и передают информацию в виде сигналов внутрь клетки. Эти сигналы изменяют поведение и функциональную активность клетки. Эндогенные лиганды связываются с рецепторными белками на специфических участках, которые обладают способностью взаимодействовать с этим лигандом селективно и с высоким сродством. При многих болезнях увеличение или уменьшение рецепторного сигнала может снижать тяжесть заболевания или боль. Поэтому ученые, работающие в этой области, разрабатывают лекарственные средства, которые имитируют связывание эндогенных лигандов с рецепторами или блокируют их связывание. Эти лекарственные средства обычно связываются с той же самой областью, что и эндогенные лиганды.

Сегодня около половины распространяемых на рынке лекарственных средств действуют на определенные клеточные мишени. Некесколько тысяч рецепторов для низкомолекулярных соединений, пептидных гормонов и других БАВ обнаружены в организме млекопитающих, а многие рецепторы ядерных гормонов, факторы роста, циклин-зависимые киназы, ферменты сигнального каскада, транспортеры и лиганд-управляемые ионные каналы представляют богатую коллекцию перспективных рецепторов-мишеней для будущих лекарственных средств. Реализация проекта «Геном человека» выявила и добавила сотни новых потенциальных мишеней, поэтому можно ожидать, что разработка новых лекарственных средств на основе анализа лиганд-рецепторных взаимодействий получит широкое распространение в ближайшем будущем.

Методы геномики, транскриптомики, протеомики и метаболомики как основа для изучения  механизма действия БАВ

Геномика – идентификация всех генов человека и нарушений в них, приводящих либо к наследственным заболеваниям, либо к предрасположенности к ним.

Транскриптомика – идентификация всех матричных РНК, кодирующих белки, определение количества каждой индивидуальной мРНК, определение закономерностей экспрессии всех генов, кодирующих белки. Анализ транскриптома, определение качественного и количественного профиля всех синтезированных РНК, отражает синтез кодируемых ими белков, а так же синтез рибосомальных, транспортных и других РНК. Сравнение транскриптомов нормальных и патологических образцов позволяет идентифицировать новые маркеры, прослеживать изменение их уровней во времени, судить о динамике патологии, об эффективности проводимого лечения и прогнозировать его результат. Предполагается, что каждая болезнь, характеризуется своим, так сказать, «штрих-кодом» – уникальным паттерном уровней транскрипции набора генов, характерного именно для данной болезни. Анализируют транскриптомы не методом «прищуренного глаза», а с помощью компьютерных методов распознавания образов.