Рациональная разработка новых лекарств в индустрии, в свою очередь, облегчается, когда фундаментальная биохимическая природа нормальных и болезненных процессов более широко, хотя и не полностью, изучена в академических лабораториях и становится понятной

В большинстве случаев новые лекарства создаются в промышленных, а не в академических лабораториях. Эти два процесса дополняют один другой, так как отличаются разными подходами к решению одной и той же проблемы. Сотрудники академических лабораторий часто с большим интересом используют открытия ученых индустриальных центров в качестве инструмента при выяснении основных механизмов действия препаратов. Открытия в области индустрии вносят большой вклад в фундаментальные исследования в области фармакологии: так были открыты механизмы действия, например, таких препаратов, как ацетилсалициловая кислота, циметидин. Рациональная разработка новых лекарств в индустрии, в свою очередь, облегчается, когда фундаментальная биохимическая природа нормальных и болезненных процессов более широко, хотя и не полностью, изучена в академических лабораториях и становится понятной. Например, создание блокаторов гистаминовых рецепторов зависело от познания того, что гистамин высвобождается в организме и служит медиатором при развитии крапивницы, сенной лихорадки, а также участвует в нормальной секреции кислоты в желудке. Эффективность аллопуринола при подагре могла быть предсказана благодаря установленным путям синтеза в организме мочевой кислоты.

Исцеление человека от рака , весьма вероятно, станет возможным, если станут известны детали биохимических процессов в злокачественных и интактных клетках, а не вследствие эмпирического тестирования десятков тысяч химических веществ, взятых случайно или потому, что они имеют отношение к существующим относительно неселективным и неэффективным противораковым препаратам. Лекарственные вещества тестируются на животных, у которых рак вызывают искусственно, или на линиях животных, которые были выведены специально для получения этого заболевания с высокой частотой, а также на культурах ткани (хотя в этих условиях клетки приобретают новые свойства). Чаще всего цель исследований в фармацевтической промышленности может быть сформулирована просто: создание прибыльных лекарств . Для того чтобы препарат стал прибыльным, он должен быть и полезным и безопасным, а эти его качества в конечном итоге оцениваются клиницистом. Задача фармаколога заключается в предсказании этих свойств по экспериментальным данным на животных с учетом ограничений, возможностей факультетов и их сотрудников. Эта задача должна быть выполнена таким образом, чтобы была сведена к минимуму возможность пропуска полезного лекарственного вещества; другими словами, скринирующие программы должны быть эффективными. Было отмечено, что создатели лекарств пытаются ограничиться «подделками», для того «чтобы ввести в заблуждение» организм больного; и в этом имеется доля истины. Наибольшие трудности экспериментальной фармакологии заключаются в такой организации экспериментов на животных, чтобы можно было собрать максимальное количество информации при использовании относительно малого числа животных и чтобы эта информация имела отношение к человеческой физиологии и патологии. Например, особенно трудно спланировать эксперименты на животных для тестирования лекарств, если их возможная эффективность направлена на коррекцию психических нарушений у человека, но относительно легко при изучении антикоагулянтных эффектов, так как тромбоциты у животных и человека имеют сходные механизмы и определить способность свертывания крови несложно.

Разработка лекарств

Лекарственные вещества можно планировать ; эта цель может быть достигнута довольно часто. Различают четыре принципиальных подхода к разработке лекарственных веществ.

1. Синтез аналогов или антагонистов естественных гормонов, аутакоидов или медиаторных субстанций, или молекул, изменяющих изученные биохимические процессы, позволяет создать принципиально новые средства, оказывающие терапевтическое действие, например блокаторы Н2-гистаминовых рецепторов, дофаминовые агонисты и антагонисты, блокаторы кальциевых каналов и простагландины. Продуктивность такого подхода к решению проблемы создания новых эффективных лекарств служит веским аргументом в пользу необходимости проведения фундаментальных научных исследований и всесторонней их поддержки со стороны общества. Только понимание сущности процессов, происходящих в здоровом организме, и их нарушение при заболевании позволяет решить вопрос о путях воздействия на организм для достижения здоровья и счастья человечества (тот факт, что вполне серьезные попытки изучения могут ни к чему не привести, лишь обосновывает необходимость дальнейших и более совершенных исследований, а не отказ от них или прекращение их).
2. Изменение структуру известных лекарств, вероятно, позволит создать массу препаратов, обладающих сходными свойствами, но принципиально не отличающихся друг от друга. Однако модификация молекулы, произведенная целенаправленно, может привести к изменениям в структуре столь важным, что это позволяет устранить в лекарстве одни свойства и придать ему совершенно новую активность, что приводит к созданию принципиально новых лекарственных средств, например сульфаниламидов (противобактериальные), производных сульфомочевины (гипогликемические), тиазидных соединений (диуретики), диакарба (ингибитор карбоангидразы), ацетазоламида, применяемого при глаукоме. Все они происходят от первых сульфаниламидов, синтезированных в 30-е годы.
3. Рандомизированный скрининг. Принципиально новые химические вещества, синтезированные или полученные из природных источников, подвергаются скринирующему исследованию на животных с помощь набора тестов, предназначенных для выполнения интересующих исследователя эффектов. Подобный скрининг в настоящее время представляет собой очень сложное исследование.
4. Выявление новых свойств у лекарств, уже применяющихся в клинике, в результате тщательного обследования и наблюдения за их действием на различные системы организма. Например, таким образом было установлено гипотензивное свойство бета-адреноблокаторов, противотромботическая активность у ацетилсалициловой кислоты.

Процесс создания нового лекарства

Процесс создания нового лекарства можно представить следующим образом. A. Идея или гипотеза. Б. Синтез веществ. B. Исследования на животных [разные (мыши, крысы, морские свинки, кролики, кошки, собаки, обезьяны) при исследовании разных веществ]. I. Фармакология. 1. Свойство, лежащее в основе предполагаемого терапевтического действия. 2. Другие виды действия: классификация по основным физиологическим системам. 3. Взаимодействие с другими лекарственными средствами, с которыми в дальнейшем возможно сочетанное использование (эти исследования можно проводить на последних этапах изучения). 4. Фармакокинетика: токсикологические исследования не могут проводиться в достаточной степени удовлетворительно без данных о фармакокинетике вещества в организме тех видов животных, на которых проводят изучение токсичности. II. Токсикологические методы исследования. 1. Однократное введение дозы (острая токсичность). 2. Повторное введение вещества (подострая, промежуточная и хроническая токсичность). 3. Обычные исследования по токсичности: а) по крайней мере, используют два вида млекопитающих (только один из них относится к грызунам); б) по крайней мере, два разных пути введения, из них один, которым предполагается пользоваться при лечении человека; в) регистрация признаков проявления токсичности с изучением механизма развития смерти; определяют характер поражения (органов-мишеней), т. е. недостаточно указать, что доза, в 10 раз большая той, что предложена для лечения больного, не вызывала повреждения в организме животных. 4. Продолжительность исследований при повторном введении препарата: 5. Изучение токсичности на животных при повторном введении лекарственного вещества обычно подразделяют на два периода: кратковременный (2-4 нед), при котором получают ориентировочную информацию для планирования дальнейших опытов, и длительный: а) применение трех доз: малая, близкая к предполагаемой терапевтической у человека, максимальная для выявления предполагаемой токсичности и промежуточная; б) если лекарственное вещество представляет собой предшественник (пролекарство), т.е. в исходном виде инертно и требуется, чтобы оно подверглось метаболическим превращениям в организме для перехода в активную форму, то необходимо, чтобы у каждого вида экспериментальных животных также было установлено его превращение в активную форму; в) препарат следует вводить животным в течение 7 дней. В прошлом, однако, это происходило по-другому. Очевидно, некоторым фирмам было удобно принять в качестве примера для подражания 5-дневную рабочую неделю для человека как вполне подходящую для проведения экспериментов на животных той же продолжительности; г) контролируемые исследования (мониторинг) на животных должны включать в себя следующее: определение объема потребляемого корма, массы тела, изменения поведенческих реакций и состояния, исследование крови, биохимические показатели и анализ мочи (для определения функции органа), а также другой контроль, в частности визуальный за соответствующими особенностями данного препарата либо за его приемом животными; д) всем животным, погибшим во время исследования, необходимо произвести аутопсию (следует помнить о необходимости предупреждения каннибализма животных), так как это чревато потерей потенциально ценных данных; е) по завершении периода исследования всех животных забивают, а их органы подвергают гистологическим исследованиям; перечень тканей, необходимых для проведения исследования (в Великобритании), составляет 30 наименований; ж) существуют исключения для большинства или для всего перечисленного выше; например, практически невозможно изучить такой терапевтический эффект, как развитие гипогликемии, так как она может быть вызвана применением очень высокой дозы препарата; не всегда возможно изучить токсические изменения в органах-мишенях. III. Специальные токсикологические методы исследования. 1. Мутагенность. Бактериологические тесты на мутагенность позволяют определить очаг мутации (парные в генах-регуляторах и повреждения клеточных макромолекул). Их требуется проводить всегда. Недостаточно подвергать микроорганизмы воздействию препаратов только в условиях in vitro, так как в организме животных или человека могут образовываться метаболиты лекарственного вещества, обладающие мутагенными свойствами. Необходимы тесты, разработанные на животных, например внутрибрюшинное введение микроорганизмов.2. Проведения исследований на канцерогенность не требуется до начала ранних фаз испытания на человеке, если только отсутствуют серьезные основания предполагать вероятность канцерогенного действия препарата: например, при исследовании на мутагенность получен положительный результат, структура препарата и его метаболитов у человека позволяет предположить его канцерогенность или гистопатологические изменения в органах, полученные при изучении хронической токсичности, заставляют подозревать вероятность мутаций. Если предполагается, что человек будет получать лекарственное средство более года, тогда в эксперименте исследование на канцерогенность должно проводиться в полном объеме (на протяжении почти всей жизни животного). Изучение канцерогенности (онкогенности) включает в себя: а) исследования на двух видах животных с установленной низкой частотой развития спонтанных опухолей; б) получение необходимых данных о метаболизме лекарственного средства; в) использование трех доз: высокой, но с учетом минимального токсического воздействия; низкой, превосходящей терапевтическую (фармакологически эффективная доза) в 2-3 приема; промежуточную (средняя геометрическая между высокой и низкой дозами); г) продолжительность исследования у крыс – 24 мес (и дополнительно в течение 6 мес для оценки результатов), у мышей и хомяков – 18 мес, т. е. на протяжении большего периода их жизни. По мере продолжительности исследования повышается ценность животных, так как их падеж при эпидемиях или по другим причинам, не имеющим отношения к проводимому исследованию, вызывает необходимость повторного изучения; это может на многие годы затянуть программу испытаний на безопасность препарата; д) после завершения тестов, согласно имеющимся инструкциям (в Великобритании), должно быть проведено гистологическое исследование 30 видов тканей организма; однако этот список неисчерпаем и следует принимать во внимание особые обстоятельства, возникающие при исследовании; е) определение: новообразованием (опухолью) считают популяцию патологических клеток с неконтролируемой обычно повышенной пролиферативной активностью и с другими менее четкими морфологическими и функциональными изменениями; они развиваются независимо от фактора, индуцировавшего их возникновение (за исключением индуцированных вирусом опухолей); злокачественная опухоль проникает в окружающие ткани и/или метастазирует; ж) интерпретация полученных результатов; самым достоверным методом, доказывающим опасность изучения канцерогенности вещества для человека, является эпидемиологическое исследование; несмотря на то что большинство веществ, канцерогенных для человека, оказались канцерогенными и для животных, все же неизвестно, насколько вещества, канцерогенные для животных, канцерогенны и для человека. «Экстраполяция на человека данных, полученных в эксперименте, – трудная, а иногда и произвольная процедура…»

«Вероятность риска канцерогенности у человека увеличивается, если обнаруживают большой размер злокачественных опухолей, распространяющихся на специфические ткани, при этом животное получало исследуемое вещество тем же путем, каким его получает и человек, а доза вещества равна или меньше той, что вызывает минимальную токсичность. При прочих обстоятельствах исследуемое вещество считается слабым канцерогеном, и риск его применения сопоставляется с его ценностью в качестве лечебного средства». з) существует настоятельная необходимость в разработке кратковременных тестов для определения канцерогенности исследуемого вещества. Это важно не только потому, что позволит удешевить исследования, но и ускорит их выполнение до начала введения препарата человеку. Однако доступные в настоящее время кратковременные методы исследования на мутагенность не могут заменить официально требуемое изучение канцерогенности на животных в том объеме, который позволит установить потенциальную канцерогенность препарата. Положительные результаты, полученные при кратковременном исследовании, всегда требуют проведения исследования в полном, официально требуемом объеме. Если же результаты кратковременных наблюдений были отрицательными и препарат не проявил мутагенных свойств, это не исключает необходимости выявления его канцерогенности по полной программе. Может возникнуть вопрос: почему новое соединение можно назначить человеку до завершения требуемых полных по объему исследований на канцерогенность. Ответы бывают следующими: опыты на животных имеют неопределенное предсказательное значение, обязательное завершение полных исследований на канцерогенность сделало бы разработку социально желаемого препарата до чрезвычайности дорогостоящей и даже привело бы к риску прекращения его разработки. Это могло бы задержать разработку полезного лекарственного препарата, а в то же время все возрастающее число тестов было бы проведено с веществами, которые в конечном итоге были бы запрещены по каким-либо другим причинам. Все это может представляться кому-то правильным или неправильным, но такова проблема, существующая в действительности.

IV. Влияние на репродуктивные процессы. Проводится с целью определения токсического воздействия на: мужские и женские гаметы; внутриматочный гомеостаз; эмбриогенез; плод; метаболизм в организме матери, что приводит к поражению плода; рост и развитие матки; роды; постнатальное развитие, сосательный рефлекс новорожденного и лактацию; отдаленные эффекты у потомства, например на поведение, генеративную функцию; последующее поколение. При изучении некоторых эффектов необходимо проведение эксперимента не менее чем на двух видах животных (например, при исследовании эмбриотоксичности), в других случаях достаточно одного вида (например, при определении влияния на перинатальное развитие, плодовитость). Как правило, при проведении эксперимента используют три дозы. Исследования фармакокинетики следует проводить на беременных животных, а концентрацию лекарственного вещества определяют как в организме самки, так и ее плода. Результаты аутопсии и гистологического исследования, предусмотренных при изучении влияния на репродуктивную функцию, служат основным документом при лабораторных исследованиях.

Этические вопросы использования животных при создании лекарств

Многие исследования проводятся на анестезированных животных, забитых «гуманными» методами, или на изолированных органах животных. Однако в настоящее время не существует другой модели, в которой сочетались бы взаимозависимость системы функционирования различных органов и метаболизм с образованием биологически активных продуктов превращения. Серьезные сомнения могут возникать в отношении токсикологических опытов, причиняющих животному много страданий. Все они будут совершенно неоправданными, если в результате не будут получены данные, полезные для человека. Во многих отношениях функции животных сходны с таковыми у человека, однако существуют и заметные различия.

Статистическая значимость

Если предполагается, что один метод лечения эффективнее другого, то для того, чтобы выяснить истину (в этом только кажущаяся странность), следует начать с проверки гипотезы о том, что методы в равной степени эффективны или же неэффективны. В этом случае можно говорить о гипотезе отсутствия различия (нулевая гипотеза). Так, если лечение проводилось в двух разных группах больных (сравнение между больными) или если каждый больной прошел курс лечения каждым из препаратов (сравнение на тех же больных) и при этом было обнаружено, что один из методов лечения эффективнее другого, то необходимо установить, действительно ли полученная разница обусловлена преимуществом одного метода перед другим. Статистический тест на достоверность показывает, как часто различие в величинах могло бы быть обусловлено случайностью (случайные воздействия), если в реальности отсутствует различие между методами лечения. Если же результаты теста таковы, что полученное статистическое различие все же маловероятно, так как в действительности оно отсутствует, то врач может самостоятельно решить вопрос о том, чему следует доверять, или по крайней мере поступить так, как если бы было установлено реальное преимущество одного из методов, и признать это в практической деятельности. Различия могут быть статистически достоверными, но клинически не имеющими большого значения.

Тест на статистическую достоверность в клиническом исследовании

В равной мере выявление различий может показать их отсутствие в эффективности двух методов лечения, хотя все же имеется шанс, что в действительности оно все же существует. При правильно спланированном клиническом исследовании возможно вычислить вероятность того, можно ли не заметить реального различия при определенной его величине после завершения данного объема исследований. В клинической практике следует иметь в виду, что если результаты теста на статистическую достоверность правильности «нулевой гипотезы» свидетельствуют об отсутствии различий между методами лечения только в пяти случаях при 100-кратном проведении эксперимента, то такое различие можно принять за достаточное доказательство того, что «нулевая гипотеза», по всей вероятности, неправомочна (но не невозможна), тогда как на самом деле реальное различие между методами лечения имеется. Такой уровень вероятности в терапевтических испытаниях выражается как статистически значимые различия или значимые при 5% уровне, или при р=0,05 (р означает процент, разделенный на 100, т. е. случайная пропорция).Статистическая значимость просто означает небольшую вероятность отсутствия разницы в эффективности двух методов лечения. Если при проведении математического анализа обнаруживают, что гипотеза отсутствия различий верна для наблюдаемых отклонений или еще более выраженных только однажды при 100-кратном повторении эксперимента, обычно считают, что полученные результаты статистически высокодостоверны при 1% уровне, или при р=0,01. Статистические тесты не представляют собой доказательства преимуществ того или иного метода, так как они свидетельствуют только о вероятности. Клиницист имеет право признать результаты испытания правильными при их статистической значимости (р=0,05), если у него есть достаточно доказанное теоретическое обоснование для того, чтобы ожидать подобный результат. В то же время врач может отказаться признать вывод, полученный на основании анализа, если он теоретически невозможен либо противоречит его клиническому опыту, несмотря на то что различие окажется статистически высокозначимым (р=0,001). И это будет благоразумным. Важно не оказаться в «тисках» статистических показателей, но не менее важно избежать игнорирования очевидных данных. Статистику можно определить как комплекс методов для принятия мудрого решения перед лицом неопределенности. Правильно используемый статистический анализ – очень ценный инструмент для совершенствования методов лечения. Многие исследователи считают, что статистически значимые результаты исследования – это все, что необходимо получить (редакторы стараются публиковать результаты испытаний со статистически значимыми и отвергают со статистически незначимыми различиями, так как исследования при отсутствии различий кажутся им неинтересными). Это неверно. Следует оценивать ошибки терапевтических экспериментов двух типов. I тип – выявление различий в эффективности методов лечения, хотя в действительности они отсутствуют; II тип – различие не выявлено, тогда как в действительности оно есть, причем настолько выражено, что у врачей возникает вопрос: чем оно вызвано? Клиницисту следует решить также вопрос о том, принимает ли он ошибку II типа и с каким уровнем вероятности, если он должен использовать данные исследований для лечения больных. Таким образом, только указание на статистическую значимость различия в эффективности двух методов лечения не может дать ответ на вопрос о выборе наиболее эффективного из них. Например, результаты исследований свидетельствуют о том, что статистическая достоверность различий отсутствует. Это означает, что сравниваемые между собой величины не имеют при данных условиях различий, но при других условиях, например при увеличении числа наблюдений, статистическая достоверность могла бы приобрести большую значимость, т. е. вероятность стать статистически значимым, что служит интересам клиницистов, так как позволяет доказать преимущество метода, который представляется более ценным. Отсутствие статистической достоверности различий по-разному интерпретируется в зависимости от числа обследованных больных, например 50 или 500. При увеличении числа наблюдений вероятность достоверности увеличивается. При небольшом числе такая возможность значительно меньше, хотя может быть важна клинически, несмотря на то, что изменение регистрируемого показателя реакции на лечение само по себе невелико. Статистически недостоверный результат можно интерпретировать как не имеющий клинического значения, если, по данным сообщения, доверительный интервал между полученными результатами о различии методов лечения узкий. Клинические испытания предусматривают измерение таких показателей, как боль, отеки, АД, частота приступов болей в сердце. Указание на 95% доверительный интервал для средних значений различия между двумя методами лечения означает: а) совместимость наименьших и наибольших истинных значений конкретных данных (например, эффективность метода лечения) при 5% уровне достоверности; б) диапазон, внутри которого с определенностью (95%) находятся истинные или действительно важные значения, например, разницы эффективности метода лечения. Доверительные интервалы свидетельствуют о точности проведенного исследования, а их большой диапазон – о недостаточной информативности независимо от достоверности или недостоверности зарегистрированного различия. Он предупреждает не придавать большого значения или доверия результатам небольших по объему исследований. Доверительные интервалы особенно полезны при интерпретации данных таких исследований, так как они указывают на степень неопределенности полученных результатов, например при определении разницы между двумя средними величинами (имеется или отсутствует статистическое различие). Использование средних данных в сочетании с доверительным интервалом позволяет получить правильную оценку. Так, например, если разница в эффективности двух методов лечения статистически недостоверна, а доверительный интервал для средних значений широк, то подобное различие совместимо с правомочностью «нулевой гипотезы», т. е. отсутствует реальное различие между методами лечения или частота существенного нежелательного или основного положительного эффекта, что представляется очень важным. Такая ситуация возникает лишь при небольшом числе наблюдений, ее можно избежать, если только заранее рассчитать минимальное число наблюдений, необходимое для установления с высокой вероятностью полезного эффекта, ранее определенного клиницистом, либо его отсутствие. Результаты исследования, не позволяющие прийти к определенному заключению, бесполезны и неэтичны, так как создают риск для больных, занимают у специалистов время и требуют неоправданных финансовых затрат. Спланированное исследование должно быть информативным (иметь адекватную «силу»), например, обеспечить по крайней мере 80% шанса выявления желаемого эффекта при узком доверительном интервале и 5% статистической достоверности (р=0,05). Бесполезно начинать исследования с шансом обеспечить установление цели, стоящей перед исследователями менее чем в 50% случаев, т. е. если его предсказательная «сила» слишком мала. Однако такие небольшие по объему исследования проводятся нередко, а их результаты публикуются без указания доверительных интервалов, варьирующих показателей средних, которые обнаружили бы их несостоятельность. При проведении исследований отчет должен содержать определенные сведения.

1. Наблюдаемое различие эффективности лечения в двух группах статистически недостоверно (р>0,05), но этот результат совместим (95% доверительный интервал) с существующим реальным различием в широком диапазоне: от +30 до – 20% (т. е. при почти одинаковой величине значений противоположного знака); широкий диапазон разброса свидетельствует о том, что результаты исследований оказались бесполезными, так как не только диапазон колебаний в различии эффекта широк, но и полученные значения в различии эффекта неотличимы от нуля («крутятся» вокруг нуля).
2. Наблюдаемое различие между группами, получающими разное лечение, статистически достоверно (р<0,05), но результат совместим с существующими различиями от 2 до 35% (в одном и том же направлении); при таком широком диапазоне различий можно не получить объективной оценки, так как клинически полезные различия в эффекте могут устанавливаться только в пределах 20%.

Если же диапазон колебаний узкий, например 30-38% и значения выше клинически необходимой минимальной величины (20%), что признается клинически важным и статистически значимым, то можно признать, что получена надежная информация, которую следует признать ценной (если она будет подтверждена данными других исследований) для обоснования рекомендаций по лечению больных. Если все сообщения в журналах сопровождались подобной информацией о статистической достоверности и доверительных интервалах, в литературе было бы меньше бесполезных и даже дезориентирующих сведений по терапевтическим испытаниям, так как редакторы отказывали бы в публикации материалов, не содержащих ценных сведений по оценке самих авторов.

Объем терапевтического исследования, число участников

До начала терапевтического исследования необходимо решить вопрос о времени его прекращения. Необходимое число больных, участвующих в нем, зависит от различий, принимаемых за клинически важные, которые следует стремиться установить заранее. Если исследователь может предварительно определить желаемое различие в эффективности лечения (как если бы он уже завершил испытание и обсуждает важность полученных результатов), то можно подсчитать число больных, необходимое для того, чтобы получить клинически значимое различие, если в действительности оно реально может существовать. Это получило название концепции разрешающей способности (силы) клинического исследования (возможность определения статистически значимого различия в пользу более подходящего метода лечения, когда различия равны или превышают клинически полезные, в которых заинтересованы врачи). Очевидно, что такой подсчет следует произвести до начала испытания, а не после его завершения, когда выявится, что его разрешающая способность слишком мала и что испытание оказалось бесполезным. Излишняя уверенность в возможности определения очень малых различий способна привести к необходимости проведения невероятно больших по объему исследований. Часто необходимо идти на компромисс, принимая во внимание имеющееся в распоряжении исследователей число больных (что обычно завышается), выполнимость задач и реальную оценку действительно имеющего клиническое значение различия. Клиницист, намеренный использовать в терапевтических исследованиях фиксированную группу больных, обычно для решения вопроса о необходимом числе участников прибегает к консультации статистика. Такая оценка может оказаться правильной, если врач сообщит статистику о величине различий, которое ему интересно определить, и о том допустимом риске, который связан с ошибками I и II типов, т. е. ошибками анализа результатов, выражающихся в признании различия, когда оно отсутствует (I тип), и к его невыявлению, когда оно существует (II тип). Результат такого подсчета обычно вызывает у клинициста шок, так как он имеет очень смутное представление об этом и обычно полон энтузиазма в отношении ожидаемого лечебного эффекта. Он начинает в таких случаях говорить о своем желании на самом деле определить «любое» различие, хотя бы и небольшое, что будет «вполне доказано», чтобы принять его за реально существующее. Однако то, что врачу может показаться вполне умеренными требованиями, на самом деле приводит к необходимости включить в испытание невероятно большое число больных. Два момента будут вполне достаточны. Если летальность составляет 20% (например, при столбняке в некоторых регионах мира), то в испытании должно участвовать около 1000 больных (подобные исследования проводились). Исследование, в котором будет с 5% достоверностью установлено преимущество одного из методов лечения (при этом эффективность последнего увеличивается с 75 до 85%), должно быть проведено на 500 участниках; в этом случае его разрешающая способность составит 80%. Ясно, что чем большее различие ожидается, тем меньше потребуется больных, участвующих в исследовании, а чем меньше ожидаемое различие, тем число их больше (эти расчеты с очевидностью показывают, почему контролируемые методы оценки лечебного эффекта лекарственных препаратов все чаще привлекают внимание исследователей). Четко проведенное исследование, позволяющее получить умеренную степень вероятности того, что его результаты подтверждаются другими исследователями, следует предпочесть исследованию, целью которого служит определение эффективности метода лечения с абсолютной надежностью. Подобное исследование или критерий неудач из-за скуки и других человеческих слабостей обеспечит получение результатов, когда испытуемое лекарственное средство уже устареет. Обычно спланированное исследование проводится с периодическим статистическим анализом (еженедельным или ежемесячным), и как только получают статистически достоверные различия в эффективности лечения, его можно считать завершенным. Однако, к сожалению, невозможно проводить лечение одновременно и периодически проводить статистическую обработку получаемых результатов с целью установить «как идут дела» или для того, чтобы прервать исследование, когда разница в результатах станет достоверной. Испытание должно быть завершено с точки зрения не только оценки результатов, но и во времени, так как ситуация может изменяться, в связи с чем могут изменяться и статистические данные; поэтому краткосрочные исследования могут быть дезориентирующими и не соответствовать истинности сравниваемых средств. Подтверждение результатов другими исследователями необходимо для прогресса не только терапии, но и науки вообще. Неразумно, достигнув недостаточного уровня статистической значимости различия (например, р-0,06), стремиться получить согласованный уровень статистической значимости (например, р=0,05) с помощью небольшого увеличения числа больных, включенных в исследования, надеясь на то, что это позволит получить р=0,05 или менее. Не следует умышленно пользоваться таким приемом для получения достоверного различия. Только возможности самих методов лечения должны быть единственными факторами, обусловливающими получение определенных результатов. Однако это лишь теоретические рассуждения, а практически нет исследователя, который в течение многих месяцев лечил бы больных, не удостоверившись в том, что происходит в наблюдаемых группах с точки зрения статистических методов оценки, и который не испытал бы при этом влияния результатов статистического анализа на принятие решения о целесообразности окончания или продолжения исследования. Строго говоря, это не согласуется со статистическими принципами, но, без сомнения, такое поведение клиницистов еще наблюдается. Это наводит на мысль о том, что самым простым решением было бы оставить все как есть, а большинство опубликованных значений мысленно признать за удвоенную величину (по сравнению с тем, что есть на самом деле). Единственной совершенно этичной и обоснованной альтернативой такому положению было бы привлечение к исследованиям квалифицированного статистика, который смог бы еженедельно подвергать данные компьютеризованному анализу для последовательного планирования. Последовательное планирование. Этот вид планирования был введен в практику в связи с очевидной необходимостью дополнительной коррекции плана исследований, которая позволила бы продолжить или прекратить их при получении статистически достоверных результатов либо при нежелательности дальнейшего их проведения. Существенная особенность такого планирования заключается в том, что испытание ограничивают заранее определенным временем, тогда как исследователю, согласно результатам, полученным к определенному моменту, следовало бы самому решать, что этот момент наступил (немногие из них могут удержаться от самостоятельного выбора момента, когда различие статистически значимо, что неизбежно приводит к получению с большой частотой положительных результатов). Метод последовательного анализа позволяет продолжить испытания, но он не лишен недостатков: например, в избранный момент необходимо получить один определенный конечный результат, хотя при многих испытаниях, например при оценке противоревматических средств, требуется оценка многих показателей. Был найден компромиссный вариант между испытанием на фиксированной группе больных и испытанием с последовательным планированием. Это позволяет проводить формальный статистический анализ в несколько заранее определенных этапов и принимать решение о продолжении или прекращении исследования. Проведение таких промежуточных анализов уменьшает статистическую достоверность, но несущественно, если их производить меньше четырех раз на протяжении длительного периода (поскольку промежуточный анализ проводят с учетом более высокого, избыточного уровня ошибки I типа, поэтому общий риск ее, принятый при планировании, к окончанию испытаний не увеличивается). Такое модифицированное последовательное планирование отражает реальные условия практической медицины и обеспечивает разумное сочетание требований статистики и медицины.Консультация статистика при планировании исследования необходима, так как по его завершении она уже не может повысить его разрешающую возможность. Тест значимости различий обоснованно может быть применен только к эксперименту, в котором единственной переменной, систематически различающейся в группах, служит эффект изучаемого препарата. Погрешности при отборе больных, их группировке, обследовании и оценке наблюдаемых под влиянием лечения изменений важнейших показателей приводят к бессмысленности статистической обработки результатов. Статистическая обработка старых историй болезни чаще ведет к заблуждениям, чем приносит пользу, и не имеет научного значения.

Чувствительность клинических методов исследований

К сожалению, клинические исследования не относятся к настолько чувствительным методам, как того хотелось бы клиницистам. Клинические испытания, в которых сравнивают показатель смертности в группах с соотношением 1:3 или более, высокодостоверны, но при разнице в соотношении менее 2:3 эффективность препаратов устанавливается с большим трудом. Эти суммарные соотношения очень важны, и все организаторы клинических исследований должны их учитывать. В связи с этим наиболее частая ошибка заключается в попытке провести исследование, при котором разница в смертности в двух сравниваемых группах не будет превышать 2:3.

Совершенно очевидно, что результаты одного исследования редко позволяют получить окончательный ответ на поставленный врачами вопрос. Подтверждающие результаты, полученные исследователями других центров, играют основную роль в установлении действительной эффективности лекарственных средств. Если при проведении исследования в многочисленных группах результаты варьируют, то пытаются собрать все материалы вместе и подвергнуть данные соответствующей статистической обработке (но нельзя просто суммировать группы). Обобщенный анализ может оказаться поучительным. Однако при этом избранные для анализа результаты должны быть высокого качества, а с обобщенными результатами следует обращаться с осторожностью.

Конечно, определённую часть накручивает аптека, другую возьмёт себе компания - дистрибьютор лекарства, немало потратит производитель на маркетинг - продвижение и рекламу препарата. Посчитайте ещё реальные затраты производителя на разработку и производство препарата.

На вопрос, что же вызывает увеличение стоимости лекарственных препаратов, отвечает
Светлана Завидова, исполнительный директор Ассоциации организаций по клиническим исследованиям .

Но есть самая весомая статья расходов, на которой экономить - пациенту во вред. Это клинические исследования препаратов, которые должны доказать: лекарство безопасное и эффективное.

У жизненного цикла лекарства долгий и трудный путь - от момента первой работы учёных по подбору нужной молекулы вещества до вывода препарата на рынок. 10 тысяч молекул-кандидатов участвуют в скрининге. И, наконец, до финишной ленточки доходит одно-единственное вещество, которое и станет препаратом.

На первом этапе производители препарата проводят доклинические исследования на лабораторных животных и специальных биологических моделях. Здесь главное - получить верную информацию о безопасности вещества и оценить его способность оказывать желаемый эффект. Если он отсутствует, препарат на клинические исследования не попадёт. Но насколько действенен препарат, можно будет доказать лишь на следующем этапе - клинических исследованиях с непосредственным участием людей. И избежать столь долгой цепочки испытаний никак нельзя, как показала печальная история, случившаяся в Европе.

Талидомидовая трагедия

Почти 60 лет тому назад немецкая фармацевтическая компания Chemie Grunenthal разработала препарат талидомид.

Сначала его хотели применять как лекарство против судорог. Но медиков впечатлило другое действие препарата - успокоительное. Врачи посчитали изобретение талидомида серьёзным прорывом в лечении бессонницы.

Были проведены опыты на грызунах. Передозировка не убивала лабораторных животных, что позволило считать препарат безопасным. Однако седативного воздействия лекарство не оказывало на мышей, поэтому представителям фармкомпании пришлось изготовить особую клетку, которая использовалась для измерения малейших движений животных. Несмотря на то, что грызуны после приёма пилюль бодрствовали, их движения замедлялись в большей степени, чем у тех животных, которым вводили другие успокоительные средства. Комиссия убедилась в эффективности и безопасности предложенных таблеток и дала лицензию на производство.

Через 2 года после этого препарат был официально выпущен в продажу в Европе и ряде других стран. В общей сложности талидомид продавался в 46 государствах под 37 разными названиями. Никаких дополнительных независимых исследований препарата ни в одной стране не проводилось.

В 1958 году производители, не проведя никаких исследований, голословно заявили, что талидомид - лучшее средство для беременных, склонных к расстройствам сна. И то было роковой ошибкой. Уже спустя 9 месяцев в Европе начали рождаться малыши с различными уродствами - отсутствием ушных раковин, верхних или нижних конечностей, дефектами глаз и мимической мускулатуры. Кроме того, талидомид влиял на формирование внутренних органов, разрушительным образом действуя на сердце, печень, почки, пищеварительную и мочеполовую системы младенца, а также мог приводить к рождению детей с эпилепсией, аутизмом.

По разным подсчётам, жертвами стали от 8000 до 12 000 детей, матери которых принимали препараты талидомида во время беременности. 7 тысяч младенцев умерли в первые минуты жизни. Пожалуй, это была одна из самых скандальных историй, связанных с побочными эффектами от какого-либо препарата. В дальнейшем оказалось, что у зародышей обезьян талидомид вызывает такие же уродства, что и у человека. Этот пример ещё раз доказывает необходимость проверки каждого нового лекарства, даже если исследования - очень длительный и дорогостоящий процесс.

Как происходят клинические исследования

При регистрации препарата специалисты должны оценить все доказательства, которые были добыты на предшествующих этапах исследования. Клинические испытания должны в первую очередь подтвердить безопасность применения препарата у человека, а затем эффективность того, как препарат влияет на конкретного больного.

Причём в первую фазу клинических исследований привлекаются 20-100 здоровых добровольцев. На них проверяются переносимость препарата, фармакокинетика (химические превращения лекарства в организме), фармакодинамика (механизм действия лекарства на организм).

Во второй фазе лекарство испытывается уже на 100-500 пациентах, что позволяет подобрать дозировку, продумать схемы приёма препаратов, оценить эффективность нового лекарства, проверить первые гипотезы.

Как правило, на этой стадии уже проводятся международные исследования, потому что задача фармкомпании как можно быстрее вывести препарат на рынок и набрать необходимый пул пациентов, для которых разрабатывается препарат. Быстрее всего это можно сделать, если привлечь разные страны. Для производителя это необходимый задел на то, чтобы потом не медля выйти на международный рынок.

До 3000 пациентов и более может быть привлечено к третьей, самой массовой фазе исследований, когда подтверждается эффективность препарата для определённого показания в определённой популяции.

После регистрации проходит четвёртая фаза исследований. Круг пациентов расширяется, фармкомпании могут собрать дополнительную информацию по безопасности препарата, проследить взаимодействие его с другими лекарствами. Уважающая себя компания, как, например, отечественная «НПО Петровакс Фарм», будет продолжать проводить пострегистрационные клинические и наблюдательные исследования, несмотря на накопленный опыт применения препаратов на рынке, чтобы оценить эффективность и безопасность в разных группах пациентов, сравнить с существующими аналогами, изучить возможность расширения показаний к применению.

20 лет на всё про всё

Если препарат, который только появился на рынке, изобретён и синтезирован впервые, он называется оригинальным. В течение 20 лет он защищён патентом - другие производители не могут выпускать и продавать лекарства с тем же действующим веществом. По истечении этого времени химическая формула лекарства может копироваться другими производителями. Они регистрируют препарат с тем же действующим веществом, но уже под другим торговым наименованием. Так появляются лекарства-дженерики.

Задача производителя оригинального препарата - как можно быстрее вый-ти на рынок, ведь у него всего 20 лет на всё про всё. Но первый этап - исследования и регистрация - занимает до 10, а иногда и более лет. В оставшееся до окончания патента время производителю оригинального препарата необходимо окупить затраты на этапе разработки (от поиска действующей молекулы до завершения клинических испытаний). А они, по данным Ассоциации американских фармпроизводителей, могут составлять астрономические суммы - 1,8-2,4 млрд долларов. Именно поэтому разработкой новых препаратов занимаются только наиболее крупные компании - мелким это просто не по карману.

Что касается дженериков, то, конечно, их проще выводить на рынок. Хотя клинические исследования проводятся, но идут они по упрощённой схеме: уже не проверяется весь процесс эффективности, задача - посмотреть, как быстро вещество попадает в системный кровоток, с той же скоростью, как у оригинального препарата, или медленнее, каким образом оно потом выводится. Механизм более простого вывода дженерика на рынок оправдан, поскольку государство заинтересовано в получении дешёвых препаратов и повышении их доступности на рынке. И при соблюдении надлежащих условий контроля за качеством дженерик становится совершенно нормальным лекарством, порою в несколько раз дешевле оригинального.

Миф о «подопытных кроликах»

У нас распространено заблуждение, что Россия используется как полигон для испытания новых препаратов. Если посмотреть на цифры, это совсем не так. Доля участия нашей страны в международных клинических исследованиях составляет всего 1%. Здесь лидируют другие страны - Бельгия, Швейцария, Израиль, Швеция, США. Чаще всего Россия принимает участие в исследовании препаратов для лечения онкологических, неврологических, ревматологических, инфекционных и пульмонологических заболеваний.

Как уже объяснялось, участие нашей страны в клинических исследованиях - шанс для неё получить необходимые инновационные препараты одной из первых. Потенциал возможностей провести клинические испытания на территории нашей страны огромный. Но зарубежные компании сталкиваются с бюрократическими препонами при получении разрешающих документов. И если фармкомпании необходимо набрать 1000 пациентов для второй фазы исследований, то частенько к моменту, когда наконец в России выдаётся долгожданное разрешение, оказывается, уже набрано необходимое число больных в других странах.

Как решить проблему дороговизны лекарств

Но всё же как сделать, чтобы человеку были доступны хорошие инновационные препараты? Здесь заботу о своих гражданах должно проявить государство. Оно обязано участвовать в ценообразовании на лекарства, поскольку их доступность для населения является составной частью социальной политики и здравоохранения.

Государство, пытаясь стабилизировать и регулировать цены на определённые препараты, создало так называемый Перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных препаратов (ЖНВЛП). Но порой этот перечень в России существует только на бумаге, на практике оказываясь бесполезным, потому что бюджета на его реализацию не заложено. Лекарства, внесённые в этот перечень, составляют едва ли не треть всех обращающихся на рынке средств. Однако среди них есть неэффективные и бесполезные, которые никак нельзя назвать жизненно важными.

В идеальном варианте государство должно составить список лекарств, стоимость которых оно готово возмещать покупателям в рамках компенсации стоимости лечения. А пока поход в аптеку становится разорением для карманов большинства россиян.

Как создают лекарства?

XIX век - начало XX века

То, что ивовая кора может унимать жар и боль, знали еще знахари. Но официально европейские врачи ее не применяли. Они ввозили из-за границы хинин, которым и лечили лихорадку.

Так было до тех пор, пока в историю болеутоляющих и жаропонижающих средств не вмешалась политика.

Наполеон установил для Англии экономическую блокаду и закрыл материк для английских торговых судов. Из-за этого хинин перестал поступать и вспомнили об иве. И довольно быстро из нее получили салициловую кислоту.

Но увы… Эта кислота в чистом виде имела неприятный вкус, вызывала тошноту, рвоту и была причиной сильных болей в желудке.

Многие эскулапы пытались улучшить переносимость салициловой кислоты, сохранив при этом ее отменные свойства. Но удалось это лишь немецкому химику Феликсу Хоффману.

Его отец страдал мучительными болями от хронического ревматизма и почти не мог двигаться. Желая облегчить страдания отца, Хоффман-младший начал работать над улучшением салициловой кислоты.

Он обрабатывал природное вещество разными известными на тот момент способами. Ацетилсалициловая кислота оказалась самой удачной модификацией. Выпущенная затем под названием «аспирин», она стала одним из самых знаменитых медикаментов на свете. Любопытно, что механизм действия аспирина обнаружили лишь после 100 лет его применения.

Середина XX века

Самые известные лекарства, дошедшие до нас

Его открыл канадский хирург Фред Бантинг. Он изучал на животных свойства экстрактов из поджелудочной железы. Каково же было его удивление, когда после введения такой вытяжки выжила собака, умиравшая от сахарного диабета. Ученый предположил, что какое-то вещество из поджелудочной железы снижает уровень сахара в крови. И через некоторое время проверил свое открытие на друге-медике, который страдал сахарным диабетом.

Новый препарат вызвал у больного друга прилив энергии и бодрости.

А анализы показали уменьшение содержания сахара в крови. С тех пор инсулин - главное средство борьбы с тяжелым сахарным диабетом.

Пенициллин

Антибиотик пенициллин был открыт в 1929 году английским микробиологом Александром Флемингом. Однажды, изучая свойства стафилококков, он забыл на лабораторном столе чашку с культурой бактерий.

Возвратившись, ученый обнаружил в чашке плесень. К его удивлению, она подавила рост микробов. Исследователя озарила догадка: плесень выделяет вещество, убивающее бактерии.

Это вещество он назвал «в честь» плесневого гриба пенициллиума, с которым работал. Испытания на животных показали, что пенициллин действительно эффективно убивает микробов. А при введении в кровь не приносит организму вреда.

Первое успешное применение пенициллина произошло в Америке. Лекарство спасло жизнь молодой женщины, матери троих детей. Температура выше 40 °С держалась у нее 11 дней, и она медленно погибала. Но чудо-лекарство привело ее в сознание уже на второй день применения. Женщина выжила и дожила до глубокой старости.

С тех пор пенициллин спас миллионы людей во всем мире. И продолжает использоваться до сих пор.

Конец ХХ века - ХХI век

Направленную разработку новых лекарственных препаратов с заранее заданными свойствами за неимением короткого и удобного русского термина называют драг-дизайном(drug — лекарство, design — проектирование, конструирование).

Редакция ПМ

Процесс разработки нового лекарства занимает от 5 до 16 лет. Затраты на клиническое тестирование одного соединения-кандидата составляют более 100 миллионов долларов США

Суммарная стоимость разработки, с учетом препаратов, не достигших рынка, часто превышает 1 миллиард долларов

Скрининг — лабораторный (in vitro) или компьютерный (in silico) — наиболее ресурсоемкая процедура по выбору из библиотек доступных соединений прототипов для создания лекарств. Положительные результаты скрининга являются отправной точкой для дальнейшего процесса разработки лекарства

В начале 1870-х годов немецкий студент-медик Пауль Эрлих, изучавший методы избирательного окрашивания срезов тканей, выдвинул гипотезу о существовании хеморецепторов — специальных тканевых структур, специфически взаимодействующих с химическими веществами, и предположил, что это можно использовать для лечения различных заболеваний. В 1905 году известный английский физиолог и гистолог Джон Лэнгли предложил концепцию клеточных рецепторов — белков, под действием различных веществ меняющих свое состояние и за счет этого управляющих работой клетки.

Одним из самых существенных успехов Эрлиха (к тому времени нобелевского лауреата) было открытие сальварсана — средства против сифилиса и трипаносомоза, неизмеримо более эффективного и намного менее токсичного, чем применявшиеся до того неорганические соединения ртути. После долгого перебора казавшихся перспективными органических соединений мышьяка эффективным оказался вошедший в историю «препарат 606» — дифенамина арсенид.

С этого началось развитие химиотерапии. Успехи биохимии позволили предсказывать удачные мишени для терапевтического воздействия, а также модификации лекарств, дающих новые соединения с новыми свойствами. Так, изучение свойств и клеточных мишеней антибактериального препарата сульфаниламида позволило разработать целые семейства мочегонных средств и препаратов для снижения артериального давления и уровня сахара в крови. Однако мечта Эрлиха о «волшебной пуле» — идеальном лекарстве, поражающем только возбудителя болезни и не затрагивающем организм в целом, оставалась лишь мечтой. Драг-дизайн поднялся на новый уровень во второй половине ХХ века, когда разработка лекарств стала не просто плодом работы воображения, а результатом научного диалога между биологами и химиками.

Прорыв был связан с развитием геномики, позволившей выделять гены, кодирующие терапевтически важные биологические мишени, и нарабатывать достаточное для исследований количество этих белков с помощью генетически модифицированных микроорганизмов.

На молекулярном уровне любая болезнь — это нарушение работы белков и/или кодирующих их генов в одной или нескольких тканях организма. Геном человека содержит 12−14 тысяч генов, кодирующих белки. Сегодня известно около 500 фармакологических мишеней — белков (а в последние годы и генов), на которые направлено действие лекарств. Вероятно, их больше: на какие именно молекулы в организме действуют многие препараты, врачи и фармацевты просто не знают. Клеточную мишень обычного аспирина обнаружили совсем недавно — после 100 лет его применения! К тому же многие заболевания обусловлены нарушением функций не одного, а как минимум 5−10 связанных между собой белков и кодирующих их генов.

Поиск мишени

Основные понятия драг-дизайна — мишень и лекарство. Мишень — это биологическая макромолекула, связанная с определенной функцией, нарушение которой приводит к заболеванию. Чаще всего мишенями являются белки — рецепторы и ферменты. Лекарство — это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее со своей мишенью и тем самым влияющее на процессы внутри клетки.

Начальный этап драг-дизайна — выбор мишени, действие на которую регулирует одни биохимические процессы, не затрагивая других. Это не всегда возможно, поскольку далеко не все заболевания вызваны неправильной работой только одного белка или гена. В последние годы для идентификации мишеней все чаще используют данные сравнительной геномики — в «тексте» ДНК человека выявляют гены, родственные генам с уже известными функциями в других организмах. Впрочем, необходима экспериментальная проверка того, что воздействие именно на эту мишень даст результат. Один из способов — «выключить» ген мишени в генетически модифицированном организме или клетке и посмотреть, что с ними станет. При поиске мишени не следует забывать о полиморфизме: любой ген может существовать в нескольких вариантах, кодирующих белки, которые различаются по свойствам, не выходя за пределы нормы. В результате одно и то же лекарство по‑разному действует в зависимости от индивидуальных особенностей и тем более — на представителей разных популяций и рас.

Выбор оружия

Исследование всех возможных веществ нереально: существует не менее 1040 лигандов — малых молекул, способных избирательно связаться с каким-либо участком одного из белков и изменить его функцию. Простой перебор вариантов, даже на суперкомпьютере (и при наличии полной информации о строении всех белков — а до этого ох как далеко!) занял бы больше времени, чем прошло с начала мироздания. Поэтому на структуру потенциальных лигандов накладывают ряд ограничений, которые существенно сужают «химическое пространство». На практике можно использовать условия сходства с лекарствами (drug-likeness), определяющие оптимальное число доноров и акцепторов водородной связи, молекулярный вес и липофильность соединения. В качестве отправной точки при поиске лигандов, способных связываться с заданной мишенью, обычно используют библиотеки соединений, либо созданные специализированной фирмой по условиям, заданным разработчиком, либо имеющиеся в арсенале фармацевтической компании. Такие библиотеки «на все случаи жизни» могут содержать миллионы веществ.

Из тысяч доступных веществ с более-менее определенными свойствами необходимо выбрать сотни молекул, способных после дальнейшей модификации и испытаний на бактериях или культурах клеток дать десятки так называемых кандидатных соединений, предназначенных для доклинических исследований, включая тестирование на животных. После этого этапа отсева на стадию клинических испытаний на людях остается в лучшем случае 1−3 препарата. А все положенные испытания выдерживает примерно одно из десяти веществ. Чтобы уменьшить число неудач, важно не ошибиться в самом начале работы.

Скрининг: отделим зерна от плевел

Принцип скрининга прост: на особые предметные стекла — плашки, содержащие в тысячах микролитровых лунок тестовую систему, например молекулы белка-мишени или целые клетки (при необходимости — генетически модифицированные), — робот раскапывает из пипеток исследуемые вещества, следуя заданной программе. Потом происходит считывание данных, говорящее о том, в какой лунке обнаружена биологическая активность. Детектор может определять ее по радиоактивному сигналу, флюоресценции, поляризации света и многим другим параметрам.

В результате скрининга количество тестируемых соединений сокращается на три-четыре порядка и выявляются активные молекулы, называемые прототипами. Однако такие удачи еще очень и очень далеки от конечного лекарства. Лишь те из них, которые сохраняют свою активность в модельных системах и подходят под множество дополнительных критериев, дают предшественников лекарств для дальнейших исследований. Прототипы, полученные в результате скрининга, подвергают разнообразным оптимизациям. Для этого необходимо тесное сотрудничество между различными группами исследователей: молекулярными биологами, фармакологами, молекулярными биофизиками и медицинскими химиками. С каждым оборотом такого «фармакологического цикла» прототип приближается к предшественнику лекарства, который тестируется на животных, а потом и на людях (прежде всего на безопасность).

Не навреди!

Разработка новых лекарственных препаратов — область медицины, в которой ни в коем случае не следует спешить. Достаточно вспомнить историю с талидомидом, применение которого приводило к рождению детей с врожденными пороками конечностей, вплоть до их полного отсутствия. Из-за недостаточно тщательного и аккуратного тестирования этот побочный эффект не был выявлен во время клинических исследований.

В настоящее время клинические испытания новых препаратов — это длительная, сложная и дорогая процедура (два-семь лет многоэтапных проверок и от $100 млн. на одно соединение-кандидат). На стадии преклинических испытаний препараты исследуют на токсичность и канцерогенность, вначале — в стандартном тесте на личинках дрозофил, а затем, как минимум, на двух видах лабораторных животных. Токсичные препараты, само собой, в клинику не попадают, за исключением тех случаев, когда они предназначены для терапии особо тяжелых заболеваний и не имеют менее вредных аналогов.

Кроме изучения фармакодинамики — механизмов действия препарата, в том числе побочных эффектов, — исследуют его фармакокинетику: скорость всасывания в кровь, распределение по организму, химические превращения (и действие образовавшихся соединений), выведение из организма и биодоступность — степень потери препаратом биологических свойств при введении в организм.

Процесс клинических исследований новых препаратов имеет очень много нюансов и требует огромного количества сопроводительной документации (несколько тысяч страниц), разрешений, сертификатов и т. д. Кроме того, многие формальные процедуры в разных странах заметно различаются. Для решения этих многочисленных вопросов существуют специальные компании, которые принимают от фармацевтических гигантов заказы на проведение клинических испытаний и перенаправляют их в конкретные клиники, сопровождая весь процесс и следя, чтобы никакие формальности не были нарушены.

Вкалывают роботы, а не человек

В драг-дизайне, как и в большинстве других наукоемких областей, продолжает увеличиваться роль вычислительной техники. Следует сразу оговорить, что разработать новый лекарственный препарат, используя только компьютеры, невозможно. Основные преимущества, которые дают вычислительные методы в данном случае, — это сокращение времени выпуска нового лекарства на рынок и снижение стоимости разработки.

Основные компьютерные методы, используемые в драг-дизайне, это, во‑первых, предсказание пространственной структуры белка-мишени и механизма его взаимодействия с лекарством; во‑вторых, виртуальный скрининг (компьютерное сканирование баз химических соединений); и наконец, оценка «похожести на лекарство» и других физико-химических характеристик.

Очень часто о трехмерной структуре белка-мишени разработчикам ничего не известно. В этом случае новые соединения конструируют, исходя из информации о структуре уже известных активных лигандов.

Общепринятая в биологии и химии парадигма гласит: «структура определяет свойства». Анализируя связи между структурой и свойствами известных соединений, можно предсказать химическую структуру новой молекулы, обладающей желаемыми свойствами. Этот подход используется и при модификации известных веществ с целью улучшения их свойств, и при поиске в химических библиотеках лигандов к определенному белку, и при составлении технических заданий фирмам, специализирующимся на таком направленном синтезе.

Достоверность моделирования, как и эффективность всего процесса конструирования нового лекарства, можно существенно повысить, если учитывать данные не только о структуре лигандов, но и о структуре белка-мишени. Такой подход называют структурно-подкрепленным драг-дизайном (Structure-Based Drug Design).

Иногда трехмерное строение мишени можно установить экспериментально — например, с помощью рентгеноструктурного анализа. Если структура мишени все же недоступна, ее можно смоделировать на компьютере, используя информацию о строении родственных белков.

Для виртуального скрининга не нужны ни библиотека из миллиона соединений, ни дорогостоящий робот — достаточно создать библиотеку «виртуальных прототипов» лекарства. С увеличением компьютерных мощностей и совершенствованием алгоритмов программы будут лучше оценивать сродство лиганда к белку, начнут учитывать подвижность белковых цепей и влияние растворителя.

Однако, несмотря на все свои преимущества, компьютерные методы имеют ряд ограничений. Прежде всего, результаты, полученные in silico, обязательно должны быть проверены in vitro. Кроме того, никакое моделирование не может учесть все возможные влияния лекарственного препарата на организм в целом, поэтому компьютеры не в силах ни упразднить, ни даже существенно сократить преклиническое тестирование и тем более клинические испытания, занимающие основную долю времени и средств в разработке нового препарата.

Перспективы драг-дизайна

Очевидно, что драг-дизайн — это будущее фармакологической промышленности. По мере развития геномики, а также протеомики (науки о функциях белков), метаболомики, изучающей обмен веществ на всех уровнях, от клетки до целого организма, и других «омик» количество потенциальных мишеней должно увеличиться во много раз. Например, мишенями для антимикробных и антивирусных препаратов являются белки патогенных бактерий и вирусов, которые также необходимо активно исследовать. Это дополнительно расширяет поле деятельности «охотников за лекарствами». Знание структуры белков позволит находить и синтезировать на заказ низкомолекулярные лиганды, специфически связывающиеся с определенными участками мишеней.

Направленное конструирование новых лекарственных препаратов уже сейчас стало важнейшей частью фармакологии. В недалеком будущем разработка лекарств станет точной наукой, позволяющей не только победить многие неизлечимые в настоящее время заболевания, но и осуществить давнишнюю мечту о «золотой пуле» — лекарствах, которые с минимальным побочным действием эффективно устраняют причину болезни.

Статья дает базовое представление о том, как в современном мире создаются лекарства. Рассмотрены история драг-дизайна, основные понятия, термины и технологии, применяющиеся в этой сфере. Особое внимание уделено роли вычислительной техники в этом наукоемком процессе. Описаны методы поиска и валидации биологических мишеней для лекарственных препаратов, высокопроизводительный скрининг, процессы клинических и доклинических испытаний лекарств а также применение компьютерных алгоритмов.

Драг-дизайн: история

Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, как этот процесс называют, калькируя с английского за неимением такого же короткого и удобного русского термина, драг-дизайн (drug - лекарственный препарат, design - проектирование, конструирование) - сравнительно молодая дисциплина, но все же не настолько молодая, как это принято считать .

Рисунок 1. Пауль Эрлих, впервые выдвинувший гипотезу о существовании хеморецепторов и их возможного использования в медицине.

Национальная библиотека медицины США

К концу девятнадцатого века химия достигла значительной степени зрелости. Была открыта таблица Менделеева, разработана теория химической валентности, теория кислот и оснований, теория ароматических соединений. Этот несомненный прогресс дал толчок и медицине. Новые химические продукты - синтетические краски, производные смол, начали использоваться в медицине для дифференциального окрашивания биологических тканей. В 1872–1874 годах в Страсбурге, в лаборатории известного анатома Вильгельма Валдеера, студент-медик Пауль Эрлих (рис. 1), изучавший селективную окраску тканей, впервые выдвинул гипотезу о существовании хеморецепторов - специальных тканевых структур, специфически взаимодействующих с химическими веществами, и постулировал возможность использования этого феномена в терапии различных заболеваний. Позже, в 1905 году, эта концепция была расширена Дж. Лэнгли, предложившим модель рецептора как генератора внутриклеточных биологических импульсов, который активируется агонистами и инактивируется антагонистами.

Этот момент можно считать рождением хемотерапии и новым витком в фармакологии, и в 20-м веке это привело к беспрецедентному успеху в клинической медицине. Одним из самых громких достижений фармакологической промышленности 20-го века можно по праву назвать пенициллин, антибиотик, открытый в 1929 году Александром Флемингом и исследованный впоследствии Чейном и Флори. Пенициллин, обладающий антибактериальным действием, сослужил человечеству незаменимую службу в годы Второй мировой войны, сохранив жизни миллионам раненых.

Пораженные успехом пенициллина, многие фармацевтические компании открыли собственные микробиологические подразделения, возлагая на них надежды по открытию новых антибиотиков и других лекарств. Последовавшие успехи биохимии привели к тому, что стало возможным теоретически предсказывать удачные мишени для терапевтического воздействия, а также модификации химических структур лекарств, дающих новые соединения с новыми свойствами. Так, антибиотик сульфаниламид в результате ряда исследований дал начало целым семействам гипогликемических, диуретических и антигипертензивных препаратов. Драг-дизайн поднялся на качественно новый уровень, когда разработка новых лекарственных соединений стала не просто плодом работы воображения химиков, а результатом научного диалога между биологами и химиками.

Новый прорыв был связан с развитием молекулярной биологии, позволившей привлечь к разработкам информацию о геноме, клонировать гены, кодирующие терапевтически важные биологические мишени и экспрессировать их белковые продукты.

Завершение ознаменовавшего начало нового тысячелетия проекта «геном человека», в результате которого была прочитана полная информация, содержащаяся в ДНК человека, явилось настоящим триумфом раздела биологической науки, получившей название «геномика». Геномика дает совершенно новый подход к поиску новых терапевтически важных мишеней, позволяя искать их непосредственно в нуклеотидном тексте генома.

Геном человека содержит 12000–14000 генов, кодирующих секретируемые белки. На данный момент в фармацевтической промышленности используется не более 500 мишеней. Существуют исследования, говорящие, что многие заболевания являются «мультифакторными», то есть обуславливаются дисфункцией не одного белка или гена, а 5–10 связанных между собой белков и кодирующих их генов. Исходя из этих соображений можно заключить, что количество исследуемых мишеней должно увеличиться минимум в 5 раз.

Биохимическая классификация исследуемых в настоящее время биологических мишеней и их численное соотношение представлены на рисунке 2. Особо следует отметить, что бóльшую (>60%) долю рецепторов составляют мембранные G-белок сопряженные рецепторы (GPCR , G-protein coupled receptors ), а суммарный объем продаж лекарств, направленных на взаимодействие с ними, равняется 65 млрд. долл. ежегодно, и продолжает расти.

Основные понятия

Рисунок 3. Три типа влияния лигандов на клеточный ответ: увеличение ответа (положительный агонгист ), постоянство ответа, но конкурирование за связывании с другими лигандами (нейтральный агонист ) и уменьшение ответа (антагонист ).

Основные понятия, используемые в драг-дизайне - это мишень и лекарство . Мишень - это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определенной функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определенное воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени - это рецепторы и ферменты. Лекарство - это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью.

Если в качестве мишени выступает рецептор, то лекарство будет, скорее всего, его лигандом, то есть соединением, специфическим образом взаимодействующим с активным сайтом рецептора. В отсутствие лиганда рецептор характеризуется собственным уровнем клеточного ответа - так называемой базальной активностью.

По типу модификации клеточного ответа лиганды делят на три группы (рис. 3):

1. Агонисты увеличивают клеточный ответ.
2. Нейтральные агонисты связываются с рецептором, но не изменяют клеточный ответ по сравнению с базальным уровнем.
3. Обратные агонисты, или антагонисты понижают клеточный ответ.

Степень взаимодействия лиганда с мишенью измеряют аффинностью, или сродством. Аффинность равна концентрации лиганда, при которой половина мишеней связана с лигандом. Биологической же характеристикой лиганда является его активность, то есть та концентрация лиганда, при которой клеточный ответ равен половине максимального.

Определение и валидация мишени

Один из самых ранних и самых важных этапов драг-дизайна - выбрать правильную мишень, воздействуя на которую можно специфическим образом регулировать одни биохимические процессы, по возможности не затрагивая при этом другие. Однако, как уже было сказано, такое не всегда возможно: далеко не все заболевания являются следствием дисфункции только одного белка или гена.

С наступлением постгеномной эры, определение мишеней происходит с использованием методов сравнительной и функциональной геномики. На основании филогенетического анализа в геноме человека выявляются гены, родственные генам, функции чьих белковых продуктов уже известны, и эти гены могут быть клонированы для дальнейшего исследования.

Однако мишени, чьи функции определены лишь гипотетически, не могут служить отправной точкой для дальнейших исследований. Необходима многоступенчатая экспериментальная валидация, в результате которой может быть понята конкретная биологическая функция мишени применительно к фенотипическим проявлениям исследуемой болезни.

Существует несколько методов экспериментальной валидации мишеней:

• геномные методы заключаются в подавлении синтеза мишени в тестовой системе путем получения мутантов с генным нокаутом (в которых ген мишени попросту отсутствует) или использования РНК-антисмысловых последовательностей, «выключающих» тот или иной ген;
• мишени можно инактивировать с помощью моноклональных антител или облучая мишень, модифицированную хромофором, лазерным излучением;
• мишени можно инактивировать с помощью низкомолекулярных лигандов-ингибиторов;
• также можно непосредственно производить валидацию мишени, устанавливая ее взаимодействие с тем или иным соединением методом плазмонного резонанса.

Уровень валидации мишени повышается с числом модельных животных (специальных генетических линий лабораторных животных), в которых модификация мишени приводит к желаемому фенотипическому проявлению. Высшим уровнем валидации является, несомненно, демонстрация того, что модификация мишени (например, блокирование или нокаут рецептора или ингибирование фермента) приводит к клинически идентифицируемым и воспроизводимым симптомам у человека, однако, понятно, такое можно наблюдать достаточно редко.

Кроме того, при выборе мишени не следует забывать о таком явлении, как полиморфизм - то есть о том, что ген может существовать в разных изоформах у разных популяций или рас людей, что приведет к разному эффекту лекарства на разных больных.

Когда мишень уже найдена и проверена на валидность, начинаются непосредственные исследования, результатом которых являются многочисленные структуры химических соединений, лишь немногим из которых суждено стать лекарствами.

Исследование всех возможных с химической точки зрения лигандов («химическое пространство») невозможно: простая прикидка показывает, что возможно не менее 10 40 различных лигандов, в то время как с момента возникновения вселенной прошло лишь ~10 17 секунд. Поэтому на возможную структуру лигандов накладывается ряд ограничений, который существенно сужает химическое пространство (оставляя его, тем не менее, совершенно необъятным). В частности, для сужения химического пространства накладываются условия подобия лекарству (drug-likeness ), которые в простом случае можно выразить правилом пяти Липинского, согласно которому соединение, чтобы «быть похожим» на лекарство, должно:

• иметь менее пяти атомов-доноров водородной связи;
• обладать молекулярным весом менее 500;
• иметь липофильность (log P - коэффициент распределения вещества на границе раздела вода-октанол) менее 5;
• иметь суммарно не более 10 атомов азота и кислорода (грубая оценка количества акцепторов водородной связи).

В качестве стартового набора лигандов, исследуемых на способность связываться с мишенью, обычно используют так называемые библиотеки соединений, либо поставляемые на коммерческой основе специализирующимися на этом компаниями, либо содержащиеся в арсенале фармацевтической компании, проводящей разработку нового лекарства или заказавшей его у сторонней фирмы. Такие библиотеки содержат тысячи и миллионы соединений. Этого, конечно, совершенно недостаточно для тестирования всех возможных вариантов, но этого, как правило, и не требуется. Задачей на этом этапе исследования является выявление соединений, способных после дальнейшей модификации, оптимизации и тестирования дать «кандидат» - соединение, предназначенное для тестирования на животных (доклинические исследования) и на людях (клинические исследования).

Этот этап осуществляется с помощью высокопроизводительного скрининга (in vitro ) или его компьютерного (in silico ) анализа - высокопроизводительного докинга.

Комбинаторная химия и высокопроизводительный скрининг

Скринингом называется оптимизированная конвейеризованная процедура, в результате которой большое количество химических соединений (>10 000) проверяется на аффинность или активность по отношению к специальной тестовой (имитирующей биологическую) системе. По производительности различают разные виды скрининга:

• низкопроизводительный (10000–50000 образцов);
• среднепроизводительный (50000–100000 образцов);
• высокопроизводительный (100000–5000000+ образцов).

Для скрининга как для «промышленной» процедуры очень критична эффективность, стоимость и время, потраченное на операцию. Как правило, скрининг производится на роботизированных установках, способных работать в круглосуточном и круглогодичном режиме (рис. 4).

Рисунок 4. Аппаратура, используемая для высокопроизводительного скрининга. А - Роботизированная пипетка, в автоматическом высокопроизводительном режиме наносящая образцы тестируемых соединений в плашку с системой для скрининга. Типичное количество углублений на плашке - тысячи. Объем системы в одной лунке - микролитры. Объем вносимого образца - нанолитры. Б - Установка для высокопроизводительного скрининга и считывания флуоресцентного сигнала Mark II Scarina. Работает с плашками, содержащими 2048 углублений (NanoCarrier). Полностью автоматическая (работает в круглосуточном режиме). Производительность - более 100 000 лунок (образцов) в день.

Принцип скрининга достаточно прост: в плашки, содержащие тестовую систему (например, иммобилизованная мишень или специальным образом модифицированные целые клетки), робот раскапывает из пипетки исследуемые вещества (или смесь веществ), следуя заданной программе. Причем на одной плашке могут находиться тысячи «лунок» с тестовой системой, и объем такой лунки может быть очень мал, так же как и объем вносимой пробы (микро- или даже нанолитры).

Потом происходит считывание данных с плашки, говорящее о том, в какой лунке обнаружена биологическая активность, а в какой - нет. В зависимости от используемой технологии детектор может считывать радиоактивный сигнал, флюоресценцию (если система построена с использованием флуоресцентных белков), биолюминесценцию (если используется люциферин-люциферазная система или ее аналоги), поляризацию излучения и многие другие параметры.

Обычно в результате скрининга количество тестируемых соединений сокращается на 3–4 порядка. Соединения, для которых в процессе скрининга выявлена активность выше заданного значения, называются прототипами. Однако следует понимать, что такие «удачи» еще очень и очень далеки от конечного лекарства. Лишь те из них, которые сохраняют свою активность в модельных системах и удовлетворяют целому ряду критериев, дают предшественников лекарств, которые используются для дальнейших исследований.

Как уже было сказано, даже библиотеки, содержащие более миллиона соединений, не в состоянии представить все возможное химическое пространство лигандов. Поэтому при проведении скрининга можно выбрать две различные стратегии: диверсификационный скрининг и сфокусированный скрининг . Различие между ними заключается в составе используемых библиотек соединений: в диверсификационном варианте используют как можно более непохожие друг на друга лиганды с целью охватить как можно большую область химического пространства, при сфокусированном же, наоборот, используют библиотеки родственных соединений, полученных методами комбинаторной химии, что позволяет, зная приблизительную структуру лиганда, выбрать более оптимальный его вариант. Здравый смысл подсказывает, что в масштабном проекте по созданию нового лекарственного препарата следует использовать оба этих подхода последовательно - сначала диверсификационный, с целью определения максимально различных классов удачных соединений, а потом - сфокусированный, с целью оптимизации структуры этих соединений и получения рабочих прототипов.

Если для мишени известно так называемое биологическое пространство, то есть какие-либо характеристики лигандов (размер, гидрофобность и т.д.), которые могут с ней связываться, то при составлении библиотеки тестируемых соединений выбирают лиганды, попадающие в «пересечение» биологического и химического пространств, так как это заведомо повышает эффективность процедуры.

Структуры прототипов, полученные в результате скрининга, далее подвергаются разнообразным оптимизациям, проводимым в современных исследованиях, как правило, в тесном сотрудничестве между различными группами исследователей: молекулярными биологами, фармакологами, моделистами и медицинскими химиками (рис. 5).

Рисунок 5. Фармакологический цикл. Группа молекулярной биологии отвечает за получение мутантных мишеней, группа фармакологии - за измерение данных по активности и аффинности синтезированных лигандов на мишенях дикого типа и мутантных, группа моделирования - за построение моделей мишеней, предсказание их мутаций и предсказание структур лигандов, группа медицинской химии - за синтез лигандов.

С каждым оборотом такого «фармакологического цикла» прототип приближается к предшественнику и затем к кандидату, который уже тестируется непосредственно на животных (доклинические испытания) и на людях - в процессе клинических испытаний.

Таким образом, роль скрининга заключается в существенном сокращении (на несколько порядков) выборки прототипов (рис. 6).

Рисунок 6. Роль высокопроизводительного скрининга в разработке нового лекарственного препарата. Скрининг, будь то его лабораторный (in vitro ) или компьютерный (in silico ) вариант, - главная и наиболее ресурсоемкая процедура по выбору стартовых структур лекарств (прототипов) из библиотек доступных соединений. Выходные данные скрининга часто являются отправной точкой для дальнейшего процесса разработки лекарства.

Клинические исследования

Медицина - это область, в которой ни в коем случае не следует спешить. В особенности, если речь идет о разработке новых лекарственных препаратов. Достаточно вспомнить историю с препаратом Талидамидом, разработанным в конце 50-х в Германии, применение которого беременными женщинами приводило к рождению детей с врожденными пороками конечностей, вплоть до их полного отсутствия. Этот побочный эффект не был вовремя выявлен во время клинических исследований в силу недостаточно тщательного и аккуратного тестирования.

Поэтому в настоящее время процедура тестирования лекарств достаточно сложна, дорога и требует значительного времени (2–7 лет тестирования в клинике и от 100 миллионов долларов на одно соединение-кандидат, см. рис. 7).

Рисунок 7. Процесс разработки нового лекарства занимает от 5 до 16 лет. Затраты на клиническое тестирование одного соединения-кандидата составляют более 100 миллионов долларов США. Суммарная стоимость разработки, с учетом препаратов, не достигших рынка, часто превышает 1 миллиард долларов.

Прежде всего, еще до поступления в клинику, препараты исследуются на токсичность и канцерогенность, причем исследования должны проводиться, кроме систем in vitro , как минимум на двух видах лабораторных животных. Токсичные препараты, само собой, в клинику не попадают, за исключением тех случаев, когда они предназначены для терапии особо тяжелых заболеваний и не имеют пока менее токсичных аналогов.

Кроме того, препараты подвергаются фармакокинетическим исследованиям, то есть тестируются на такие физиологические и биохимические характеристики, как поглощение, распределение, метаболизм и выведение (по-английски обозначается аббревиатурой ADME - Absorption, Distribution, Metabolism and Extraction ). Биодоступность, например, является подхарактеристикой введения препарата в организм, характеризующая степень потери им биологических свойств при введении в организм. Так, инсулин, принимаемый перорально (через рот), имеет низкую биодоступность, так как, будучи белком, расщепляется желудочными ферментами. Поэтому инсулин вводят либо подкожно, либо внутримышечно. По этой же причине часто разрабатывают препараты, действующие аналогично своим природным прототипам, но имеющие небелковую природу.

Юридически процесс клинических исследований новых препаратов имеет очень много нюансов, так как они требуют огромного количества сопроводительной документации (в сумме несколько тысяч страниц), разрешений, сертификаций и т.д. Кроме того, многие формальные процедуры сильно разнятся в разных странах в силу различного законодательства. Поэтому, для решения этих многочисленных вопросов, существуют специальные компании, принимающие от крупных фармацевтических компаний заказ на проведение клинических испытаний и перенаправляющие их в конкретные клиники, сопровождая весь процесс полной документацией и следя, чтобы никакие формальности не были нарушены.

Роль вычислительной техники в драг-дизайне

В настоящее время в драг-дизайне, как и в большинстве других наукоемких областей, продолжает увеличиваться роль вычислительной техники. Следует сразу оговорить, что современный уровень развития компьютерных методик не позволяет разработать новый лекарственный препарат, используя только компьютеры. Основные преимущества, которые дают вычислительные методы в данном случае - это сокращение времени выпуска нового лекарства на рынок и снижение стоимости разработки.

Основные компьютерные методы, используемые в драг-дизайне, это:

• молекулярное моделирование (ММ);
• виртуальный скрининг;
• дизайн новых лекарственных препаратов de novo ;
• оценка свойств «подобия лекарству»;
• моделирование связывания лиганд-мишень.

Методы ММ, основывающиеся на структуре лиганда

В случае, если ничего не известно про трехмерную структуру мишени (что случается достаточно часто), прибегают к методикам создания новых соединений исходя из информации о структуре уже известных лигандов и данных по их активности.

Подход основывается на общепринятой в химии и биологии парадигме, гласящей, что структура определяет свойства. Основываясь на анализе корреляций между структурой известных соединений и их свойствами, можно предсказать структуру нового соединения, обладающего желаемыми свойствами (или же, наоборот, для известной структуры предсказать свойства). Причем, этот подход используется как при модификации известных структур с целью улучшения их свойств, так и при поиске новых соединений используя скрининг библиотек соединений.

Методы определения похожести молекул (или методы отпечатков пальцев) состоят в дискретном учете определенных свойств молекулы, называемых дескрипторами (например, число доноров водородной связи, число бензольных колец, наличие определенного заместителя в определенном положении и т.д.) и сравнивании получившегося «отпечатка» с отпечатком молекулы с известными свойствами (используемой в качестве образца). Степень похожести выражается коэффициентом Танимото, изменяющимся в диапазоне 0–1. Высокая похожесть предполагает близость свойств сравниваемых молекул, и наоборот.

Методы, основывающиеся на известных координатах атомов лиганда, называются методами количественной связи между структурой и активностью (QSAR , Quantitative Structure-Activity Relationship ). Один из наиболее используемых методов этой группы - метод сравнительного анализа молекулярных полей (CoMFA , Comparative Molecular Field Analysis ). Этот метод заключается в приближении трехмерной структуры лиганда набором молекулярных полей, отдельно характеризующих его стерические, электростатические, донорно-акцепторные и другие свойства. CoMFA модель строится на основании множественного регрессионного анализа лигандов с известной активностью и описывает лиганд, который должен хорошо связываться с исследуемой мишенью, в терминах молекулярных полей. Полученный набор полей говорит, в каком месте у лиганда должен быть объемный заместитель, а в каком - маленький, в каком полярный, а в каком - нет, в каком донор водородной связи, а в каком - акцептор, и т.д.

Модель может использоваться в задачах виртуального скрининга библиотек соединений, выступая в данном случае аналогом фармакофора. Самым главным недостатком этого метода является то, что он обладает высокой предсказательной силой лишь на близких классах соединений; при попытке же предсказать активность соединения другой химической природы, чем лиганды, использовавшиеся для построения модели, результат может оказаться недостаточно достоверным.

Схема возможного процесса создания нового лекарства, основывающегося на структуре лиганда, приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Пример молекулярного моделирования, основывающегося на структуре лиганда. Для циклического пептида уротензина II (внизу слева ) определена трехмерная структура методом ЯМР спектроскопии водного раствора (вверху слева ). Пространственное взаиморасположение аминокислотных остатков мотива ТРП-ЛИЗ-ТИР, являющегося важным для биологической функции, было использовано для построения модели фармакофора (вверху справа ). В результате виртуального скрининга найдено новое соединение, демонстрирующее биологическую активность (внизу справа ).

Очевидно, что достоверность моделирования, как и эффективность всего процесса конструирования нового лекарства, можно существенно повысить, если учитывать данные не только о структуре лигандов, но и о структуре белка-мишени. Методы, учитывающие эти данные, носят общее название «драг-дизайн, основывающийся на структурной информации» (SBDD , Structure-Based Drug Design ).

Методы ММ, основывающиеся на структуре белка

В связи с растущим потенциалом структурной биологии, все чаще можно установить экспериментальную трехмерную структуру мишени, или построить ее молекулярную модель, основываясь на гомологии с белком, чья трехмерная структура уже определена.

Наиболее часто используемые методы определения трехмерной структуры биомакромолекул с высоким разрешением (Часто, когда экспериментальная структура мишени все же недоступна, прибегают к моделированию на основании гомологии - методу, для которого показано, что построенная им модель обладает достаточно высоким качеством, если гомология между структурным шаблоном и моделируемым белком не ниже 40%.

Особенно часто к моделированию по гомологии прибегают при разработке лекарств, направленных на G-белок сопряженные рецепторы, так как они, будучи мембранными белками, очень плохо поддаются кристаллизации, а методу ЯМР пока недоступны такие большие белки. Для этого семейства рецепторов известна структура только одного белка - бычьего родопсина, полученная в 2000 г. в Стэнфорде, которая и используется в качестве структурного шаблона в подавляющем числе исследований .

Обычно при исследовании, базирующемся на структурных данных, учитывают также данные по мутагенезу мишени, чтобы установить, какие аминокислотные остатки наиболее важны для функционирования белка и связывания лигандов. Эти сведения особенно ценны при оптимизации построенной модели, которая, будучи лишь производной от структуры белка-шаблона, не может учитывать всей биологической специфики моделируемого объекта.

Трехмерная структура мишени, кроме того, что может объяснить молекулярный механизм взаимодействия лиганда с белком, используется в задачах молекулярного докинга, или компьютерном моделировании взаимодействия лиганда с белком. Докинг использует в качестве стартовой информации трехмерную структуру белка (на данном этапе развития технологии, как правило, конформационно неподвижную), и структуру лиганда, конформационная подвижность и взаиморасположение с рецептором которого моделируется в процессе докинга. Результатом докинга является конформация лиганда, наилучшим образом взаимодействующая с белковым сайтом связывания, с точки зрения оценочной функции докинга, приближающей свободную энергию связывания лиганда. Реально, в силу множества приближений, оценочная функция далеко не всегда коррелирует с соответствующей экспериментальной энергией связывания.

Докинг позволяет сократить затраты средств и времени за счет проведения процедуры, аналогичной высокопроизводительному скринингу, на компьютерных комплексах. Эта процедура называется виртуальным скринингом, и основным ее преимуществом является то, что для реальных фармакологических испытаний нужно приобретать не целую библиотеку, состоящую из миллиона соединений, а только «виртуальные прототипы». Обычно же, с целью избежания ошибок, скрининг и докинг используются одновременно, взаимно дополняя друг друга (рис. 9).

Рисунок 9. Два варианта совместного использования высокопроизводительного скрининга и молекулярного моделирования. Сверху: последовательный итеративный скрининг. На каждом шаге процедуры используется сравнительно небольшой набор лигандов; по результатам скрининга строится модель, объясняющая связь между структурой и активностью. Модель используется для выбора следующего набора лигандов для тестирования. Снизу: «разовый» скрининг. На каждом шаге модель строится по обучающей выборке и используется для предсказаний на тестовой выборке.

С увеличением компьютерных мощностей и появлением более корректных и физичных алгоритмов, докинг будет лучше оценивать энергию связывания белка с лигандом, начнет учитывать подвижность белковых цепей и влияние растворителя. Однако, неизвестно, сможет ли виртуальный скрининг когда-нибудь полностью заменить реальный биохимический эксперимент; если да - то для этого необходим, очевидно, качественно новый уровень алгоритмов, неспособных на сегодняшний день абсолютно корректно описать взаимодействие лиганда с белком.

Одно из явлений, иллюстрирующих несовершенство алгоритмов докинга, - парадокс похожести. Этот парадокс заключается в том, что соединения, структурно совсем немного различающиеся, могут иметь драматически различную активность, и в то же время с точки зрения алгоритмов докинга быть практически неразличимыми.

Прототипы лекарства можно получать не только выбирая из уже подготовленной базы данных соединений. Если есть структура мишени (или хотя бы трехмерная модель фармакофора), возможно построение лигандов de novo, используя общие принципы межмолекулярного взаимодействия. При этом подходе в сайт связывания лиганда помещается один или несколько базовых молекулярных фрагментов, и лиганд последовательно «наращивается» в сайте связывания, подвергаясь оптимизации на каждом шаге алгоритма. Полученные структуры, так же, как и при докинге, оцениваются с помощью эмпирических оценочных функций.

Ограничения применения компьютерных методов

Несмотря на всю свою перспективность, компьютерные методы имеют ряд ограничений, которые необходимо иметь ввиду, чтобы правильно представлять себе возможности этих методов.

Прежде всего, хотя идеология in silico подразумевает проведение полноценных компьютерных экспериментов, то есть экспериментов, результаты которых ценны и достоверны сами по себе, необходима обязательная экспериментальная проверка полученных результатов. То есть, подразумевается тесное сотрудничество научных групп, проводящих компьютерный эксперимент, с другими экспериментальными группами (рис. 5).

Кроме того, компьютерные методы пока не в силах учесть всего разнообразия влияния лекарственного препарата на организм человека, поэтому эти методы не в силах ни упразднить, ни даже существенно сократить клиническое тестирование, занимающее основную долю времени в разработке нового препарата.

Таким образом, на сегодняшний день роль компьютерных методов в драг-дизайне сводится к ускорению и удешевлению исследований, предшествующих клиническим испытаниям.

Перспектива драг-дизайна