Платформа. Лекарство для лекарства

Разработка нового поколения лекарственных препаратов на основе модуляторов фармакологической активности

В развитии фармакологии, как ни в каком другом разделе медицинских знаний, настоящее нельзя оторвать от прошлого, которое предостерегает от принципиальных ошибок, вооружает в поисках нового, способствует более рациональному движению вперед.

Лекарства появились на заре человечества. Практически до конца девятнадцатого столетия их получали из сырья растительного, минерального, животного и микробного происхождения, совершенствуя лишь технологию получения целебного начала. Так, Гиппократ (460 — 377 гг до н.э.), впервые создавший относительно стройное учение о причинах возникновения болезней и методах их лечения, считал, что лекарственные растения своим действием обязаны определенному оптимальному сочетанию их составных частей и поэтому растения следует использовать в том виде, в котором их создала природа.

Гиппократ успешно лечил многие болезни. Рецептуры, созданные Гиппократом, применялись в терапии на протяжении нескольких столетий. 

В  начале нашей эры учение Гиппократа было пересмотрено в работах Клавдия Галена (ок.130 — 200 гг н.э), который  предлагал использовать растения не целиком, а отделять полезные компоненты от прочих сопутствующих балластных веществ. Идеи Галена оказались весьма плодотворны. В последующие столетия и наше время совершенствовались и продолжают совершенствоваться технологии извлечения именно  полезных начал. На смену галеновым препаратам пришли неогаленовые (новогаленовые). Новогаленовые препараты в сравнении с галеновыми — это максимально очищенные от балластных веществ извлечения из растительного сырья, содержащие в своем составе весь комплекс биологически активных веществ растений. Отсутствие балластных веществ повышает сроки хранения неогаленовых препаратов, снижает побочное, вредное действие и позволяет применять их для инъекций.

В XVI веке существенные коррективы в учение Галена внес знаменитый врач средневековья Парацельс (Philippus Aureolus Theophrastus Bombast von Hohenheim, 1493 — 1541). Парацельс  считал, что нет необходимости использовать сумму биологически активных веществ, как предлагал Гален, достаточно и одного. Парацельс рассматривал жизнь как определенный химический процесс, течение которого зависит от участвующих в нем веществ. Введение одного реагента способно изменить ход химической реакции. Применительно к человеку Парацельс полагал, что если содержание веществ и обмен веществ сбалансированы, то человек здоров, если нет, то развивается болезнь, для устранения которой необходимо ввести недостающие химические соединения или устранить те, которые присутствуют в избытке. Парацельс считал, что все необходимые для больного организма вещества должны находиться вокруг него.  «Если природа, говорил он, гдето произвела на свет болезнь, то она там же заготовила средство, исцеляющее от этой болезни, которое надо только разыскать».  

Идеи Парацельса получили практическое воплощение, было обнаружено множество химических молекул в растениях, морских, животных и минеральных продуктах, лекарственные средства из которых решали задачи фармакотерапии многих заболеваний, не требуя той дополнительной компоненты, которая свойственна галеновым препаратам. 

К концу девятнадцатого века химия достигла значительной степени зрелости. Была открыта таблица Менделеева, разработана теория химической валентности, теория кислот и оснований, теория ароматических соединений, появились эффективные технологии химического синтеза сложных органических соединений. Этот несомненный прогресс дал толчок развитию химического синтеза молекул, используемых в приготовлении лекарств, положив начало созданию лекарственных средств в индустриальном обществе. Развитие химических технологий органического синтеза позволило пойти как по пути получения собственно химических молекул с биологической активностью, не имеющих природных аналогов, так и по пути модификации химических молекул, аналогов биологически активных веществ:

  • организма (гормоны, медиаторы, интерлейкины, интерфероны, колониестимулирующие факторы, ключевые метаболиты),
  • растений (алкалоиды, эфирные масла, флавоноидны и многие другие),
  • микроорганизмов (антигены, антибиотики, сигнальные молекулы межмикробных контактов, другие продукты).
 

Масштабность подхода фармакологии индустриального периода была заложена  в пионерских работах одного из ее основоположников — австрийского врача Пауля Эрлиха. В 1907 году Эрлих синтезировал препарат для лечения сифилиса — сальварсан. Это было первое в истории лекарственное средство на основе синтезированной химической молекулы, не встречающейся в царстве живого,  созданное для решения терапевтической задачи. Чтобы получить лекарство от сифилиса, Эрлих синтезировал 605 разных веществ. И только 606−й эксперимент принес удачу (альтернативное название сальварсана — «препарат 606»). В своей работе Пауль Эрлих в течение нескольких лет вел скрининговый поиск химической молекулы с необходимой  фармакологической активностью.  

Дальнейшие успехи химии, достижения биологической и медицинской науки в области открытия мишеней лекарств, природных биологически активных молекул предопределили несколько прорывных составляющих развития фармакологии. 

Прогресс в биохимии сделал возможным теоретически предсказывать удачные мишени для терапевтического воздействия, а также модификации химических структур лекарств, дающих новые соединения с новыми свойствами.

Возможности молекулярной биологии позволяли клонировать гены, кодирующие терапевтически важные биологические мишени, и с помощью генетически модифицированных организмов нарабатывать эти белки в достаточном для исследований количестве.

Совершенствование технологий химического синтеза в сочетании с компьютерным моделированием сделало возможным быструю наработку предполагаемых вариантов модифицированных соединений.

Таким образом, разработка новых лекарственных соединений стала не просто плодом работы воображения химиков, а результатом научного диалога между биологами и химиками.  Доминирующим подходом  стала  химическая модификация с целью «подправить» модель природы и получить направленное сильнодействующее начало. Создание новых лекарств было поставлено на «промышленную основу» (рис.1).

 

Рис.1. Принципиальная схема скрининга и традиционной разработки одного лекарственного средства. 

 

Однако даже при таком подходе 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 млрд USD1.

Анализ истории создания лекарств свидетельствует о наличии определенного вектора в развитии фарминдустрии, который очевиден на относительно больших промежутках времени. Фармакология индустриального периода,  испытав несомненный подъем, фазу расцвета, оказалась в состоянии кризиса (рис.2).

Рис.2. Кризис современной фарминдустрии в значениях интегративных критериев затраты и выход продукта  свидетельствуют, что увеличение затрат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы идет при снижении выхода лекарственных препаратов.

Определение причин развивающегося кризиса для поиска путей выхода из него требует критической оценки конкретных лекарственных продуктов, разработанных в этот период.   

 

После пионерских работ Пауля Эрлиха, первым прорывным успехом промышленного производства лекарств в тридцатые годы стало создание сульфаниламидных препаратов и антибиотиков.  

Сульфаниламидные препараты были открыты немецкой корпорацией I.G.Farbenindustrie Aktiengesellschaft  в ходе исследований азокрасителей — синтетических красителей, у которых была обнаружена противомикробная активность. В течение короткого времени с момента открытия у азокрасителей антибактериальной активности было синтезировано более 20 000 производных сульфаниламида, из которых в медицине нашли широкое использование лишь несколько десятков. Самые известные из них — стрептоцид, норсульфазол, сульфадимезин, этазол, сульфадиметоксин, фталазол, сульгин, бисептол. Причиной ограниченного применения сульфаниламидов в наши дни является несоизмеримость между терапевтической эффективностью и  спектром нежелательных побочных реакций, таких как аллергические реакции, гемато-, гепато-, нефротоксичность, в той или иной степени присущих практически каждому из препаратов этой группы.

Подобные негативные свойства оказались присущи и другой группе антибактериальных продуктов – антибиотикам.

Первые антибиотики появились в середине 30-х годов и представляли из себя продукты микробного синтеза. Высокая эффективность антибиотиков в начальный период их получения уменьшалась по мере их широкого использования. Химическая модификация позволяла значительно увеличить эффективность этого класса препаратов за счет оптимизации их фармакокинентики или фармакодинамики. Практически каждое десятилетие знаменуется появлением нового поколения антибиотиков. Современные  антибиотики в подавляющем большинстве представляют собой химически модифицированный природный прототип.

В настоящее время число выделенных, синтезированных и изученных антибиотиков исчисляется десятками тысяч, около 1 тысячи применяются для лечения инфекционных болезней, а также для борьбы со злокачественными новообразованиями.

Нежелательные побочные реакции современных антибиотиков занимают значительное место в инструкциях по их применению. Ситуация осложняется тем, что развивающаяся нечувствительность микроорганизмов к антибиотикам (лекарственная устойчивость) является не только результатом отбора конкретного вида микроорганизмов, а выступает как итог совместного противостояния негативному воздействию антибиотиков сообщества микроорганизмов и клеток организма человека2, что по своей сути демонстрирует проявление  закона сохранения живого. Жизнь на Земле развивалась и поддерживалась в очень жёстких условиях, преодолевая глобальные  геологические и космические катастрофы. Так, произошедшая более 2-х миллиардов лет экологическая катастрофа — насыщение атмосферы земли кислородом благодаря жизнедеятельности сине–зеленых водорослей привела к появлению в клетках митохондрий. Митохондрии, фактически являющиеся одними специализированными клетками в составе других, позволили живому адаптироваться к новым условиям.  Современные антибиотики благодаря человеку модифицированы из средств ограниченного межмикробного взаимодействия в средства тотального химического давления на живые организмы вообще, что, очевидно, способствует мобилизации механизмов противостояния систем организма. Неутешительный прогноз такого подхода очевиден.  Состязание возможностей индустрии создания синтетических антибиотиков с эволюционным потенциалом природы по нейтрализации активности последних приведет к тому, что медицинская практика может вообще остаться без этого класса препаратов — причём уже в ближайшем будущем.  

Не лучше обстоит ситуация с противовирусными препаратами, первые из которых были химически синтезированы в конце шестидесятых – семидесятых годах двадцатого столетия. Проблема в создании противовирусных средств связана с тем, что развитие лекарственной устойчивости вирусов сопоставимо с появлением новых противовирусных средств.

К крупным достижениям 40-х годов относится начало применения в качестве лекарственных средств глюкокортикостероидов. Еще в конце 30-х годов было показано, что в коре надпочечников образуются гормональные вещества стероидной структуры. На их основе посредством химической модификации  были получены эффективные стероидные лекарственные средства. Однако широкое клиническое применение стероидных гормонов продемонстрировало и палитру нежелательных побочных реакций, связанных со стероидной терапией, ведь в ряде случаев благие намерения врачей относительно быстро превращали пациента в тяжелого инвалида.

После открытия транквилизирующего действия элениума в 50–60-е годы появились десятки близких по структуре соединений, составивших большую группу современных транквилизаторов (нозепам, лоразепам, феназепам и др.), ноотропных средств, анксиолитиков, психоэнергизаторов, других групп синтетических лекарственных препаратов, воздействующих на функции центральной нервной системы.

В 50–70-е годы молекулы —  продукты химического синтеза позволили создать лекарственные средства для борьбы со злокачественными новообразованиями. В 80–90-е годы и позже появились химически синтезированные средства таргетной терапии злокачественных новообразований. Перечень фармакологических решений на основе химически синтезированных молекул — это арсенал современных средств фармакотерапии. Современный врач имеет в своем распоряжении более 30-ти тысяч лекарственных препаратов, существующих в различных лекарственных формах и воздействующих на 483 фармакологические мишени (рис.3).

 

Рис. 3. Классификация молекулярных мишеней средств современной фармакологии.  

Индустриальный подход не только  обеспечил фармакотерапию различными лекарствами, но и высветил несколько серьезных проблем, в совокупности своей предопределивших кризисное состояние фарминдустрии.

Так, образной характеристикой лекарственных средств — продуктов химических технологий стало выражение «одно лечат, другое калечат». Статистически показано, что смертность от нежелательных побочных реакций, связанных с применением лекарств, занимает пятое место3.  Из-за токсичности и побочных эффектов многие инновационные лекарственные препараты используют ограниченно, когда любой ценой необходимо иметь небольшой терапевтический выигрыш с дополнительными затратами на устранение побочных и токсических проявлений.

Положение дел в современной фармацевтической индустрии перекликается с состоянием пациента, прошедшим терапию в соответствии со стандартами лечения: постоянно растущие расходы на создание новых лекарственных препаратов перестают быть эффективными, как и часть вновь создаваемых лекарственных средств.  В этой связи, очевидно, необходимо пересмотреть как существующие методы создания новых лекарственных препаратов, так и стандарты лечения.

 

Решение вопроса  о новых подходах к стандартам лечения имеет хорошие, но отдаленные перспективы. Так, результаты изучения генетических особенностей, ассоциированных с заболеваниями, и генов, ответственных за фармакокинетику и фармакодинамику лекарств, указывают на возможность определения их активности у каждого конкретного пациента. На основе «геномного паспорта» можно будет персонифицировать лечение, воплощая в жизнь новый вариант «золотого стандарта» терапии: каждому пациенту — свое лекарство в нужное время и в нужной дозе. Однако существующие технологические возможности, законодательные барьеры, стоимость данного подхода не позволяют сегодня выйти на уровень генотипирования каждого пациента. Можно предположить, что через несколько десятилетий персонифицированная терапия получит свое практическое воплощение.

 

Фармакология также находится в поиске принципиально новых подходов создания новых поколений лекарственных препаратов. Современная фармакология располагает достаточным арсеналом эффективных лекарственных средств — одним из основных направлений ее развития  является повышение эффективности действия известных лекарственных веществ при снижении их токсичности и выраженности связанных с их применением нежелательных побочных реакций. В решении этой проблемы  выделяют  три подхода: первый — увеличение избирательности (тропности) действия лекарственных веществ (оптимизация фармакодинамики), второй —создание высоких концентраций действующего начала лекарственного вещества в микроокружении фармакологической мишени (оптимизация фармакокинетики), третий — снижение токсичности.

Третий подход в определенной степени зависим от двух первых. Действительно, если найдено фармакологическое решение, позволяющее оптимизировать фармакодинамику и/или фармакокинетику лекарственного вещества, его терапевтически эффективная доза может быть уменьшена. Следствием снижения дозы будет уменьшение токсичности — последняя у подавляющего числа лекарственных веществ зависит от их дозы («Всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза»). При общих механизмах защиты от токсического действия химических веществ в нормальных и пораженных клетках, последних отличает большая способность противостоять негативным воздействиям (включая химически чужеродные молекулы лекарственного вещества) в силу большей активности систем защиты, индуцированных болезнетворным агентом. Таким образом, терапевтически эффективные дозы для пораженных клеток, как правило, избыточны для нормальных клеток, и, в соответствии с особенностями фармакокинетики лекарственного вещества, вызывают те или иные нежелательные побочные реакции. Фармакологические же решения, в которых будет достигнуто изменение профиля токсичности или ее устранение, позволяют создать новое поколение лекарственных препаратов.

Лекарственные средства по своей природе являются биологически активными и/или агрессивными веществами, которые либо мобилизуют механизмы, ограничивающие способность клеток к восприятию воздействия лекарственного средства (лекарственная устойчивость, реализуемая клеткой), либо инициируют механизмы отбора клеток с выраженной лекарственной устойчивостью (лекарственная устойчивость, реализуемая клеточной популяцией или сообществом клеточных популяций). Снижение фармакологической активности лекарственных веществ с течением времени носит типовой характер (рис.4).

Рис.4. Графическое отражение типовой закономерности развития устойчивости к действию лекарственного средства (ЕС50 показывает концентрацию лекарственного средства, при которой эффект составляет половину от максимального).

График А — оптимальный вариант чувствительности к действию препарата, показана реакция на лекарственный препарат в минимальной, но достаточной для оказания терапевтического эффекта концентрации.

График Б — реальная реакция на препарат, взятый в среднетерапевтической дозе.  Кривая сдвигается вправо, однако максимальный ответ сохраня­ется, так как количество оставшихся доступными рецепторов еще превышает необходимое.

График В отражает эффект после воздействия большей концентрации лекарственного препарата, доступные рецепторы не являются более "избы­точными", но их достаточно для проявления максимально возможного эффекта.

Графики Г и Д иллюстрируют развитие лекарственной устойчивости, снижение максимального эффекта, несмотря на увеличение концентрации лекарственного препарата.

Увеличение терапевтической дозы лекарственного препарата лишь на какое то время позволяет пролонгировать его использование.

Типовая количественная закономерность уменьшения эффекта различных лекарственных препаратов указывает на наличие общих механизмов ее развития.

Типовой характер снижения эффективности фармакологических мишеней к действию лекарств указывает и на возможность фармакологических решений по переводу подавляющего большинства потенциальных фармакологических мишеней в конформацию, тропную к действию соответствующих молекул лекарственных препаратов, и/или оптимизации их фармакокинетики. 

Ввиду этого необходима  конкретизация возможных общих свойств фармакологических мишеней и закономерностей, обеспечивающих проявление этих свойств в норме и при патологических процессах.

Фармакологическая мишень — рецепторы, ферменты, ионные каналы, белки цитоскелета (подробнее см.рис.3) в современных фармакологических решениях прорабатывается как структурно статичный объект с определенной функциональной активностью (биохимической специфичностью). От 40 до 60% молекул пептидной природы способны выполнять функции «по совместительству», что означает способность одной и той же молекулы выполнять различные функции. Многофункциональная молекула пептидной природы подобна пластилину, может принимать различную  форму  (конформацию) в соответствии с необходимостью выполнения той или иной физиологической функции.

 Конформационные конфигурации в спектре молекул пептидной природы, необходимом для выполнения той или иной функции, могут быть заданы общим регуляторным механизмом. Скорость выполнения функции молекулами пептидной природы зависит от дополнительного специфического регуляторного воздействия (фосфорилирование, метилирование, ацетилирование, АДФ-рибозолирование и некоторые другие). 

Ниже дано описание общего механизма регуляции конформации молекул пептидной природы и его использование в  новых фармакологических решениях.
 

Для эффективного функционирования многоклеточного организма необходимо полное координированное взаимодействие между различными биологическими молекулами, надмолекулярными и субклеточными структурами, клетками, а также между составляющими его органами, которые представляют собой функционально единую целостную систему. Физиологические функции органа, системы органов и организма в целом невыполнимы обособленными специализированными клетками и, тем более, субклеточными образованиями. Одним из ключевых этапов эволюции живого явилось приобретение способности макромолекул к обратимому, специфическому межмолекулярному взаимодействию, приводящему к изменению их функциональной активности, что в итоге предопределило регулируемость физиологических процессов на различных уровнях организации биологической системы — молекулярном, надмолекулярном, субклеточном, клеточном, органном и в организме в целом. Биохимические процессы внутри клеток многоклеточного организма согласованы и, одновременно, адекватны возможностям отдельной клетки, ее способности участвовать в работе целостного организма. Подобный характер клеточного поведения в многоклеточном организме обусловлен способностью клеток вступать в регулируемые, как со стороны клетки, так и со стороны организма межклеточные, матрикс–клеточные и гуморально–клеточные взаимодействия посредством специализированных структур пептидной природы — рецепторов, которые, собственно, и определяют  межклеточные, матрикс–клеточные и гуморально–клеточные контакты. Посредством межклеточных, матрикс–клеточных и гуморально–клеточных взаимодействий из клеток различной физиологической специализации, которые согласованно регулируют метаболическую активность для выполнения необходимых функций, формируется функционально единая структура ткани, органа, организма в целом.

Структуры цитоплазматической мембраны многоклеточного организма в ходе эволюции формировались  на основе уже существующих внутриклеточных структур пептидной природы5. Модификация соответствующих генов и эволюционный отбор обеспечили как сохранение определенных доменов белковой молекулы, получивших название эволюционно-консервативных, так и способствовали появлению новых, для выполнения специализированных функций.

Наличие эволюционно–консервативных доменов в молекулах пептидной природы различного функционального назначения значимо, в числе прочего, для регуляции их конформационных перестроек и для соответствующей функциональной активности по единым принципам, едиными воздействиями.

Одними из таких эволюционно–консервативных доменов являются  домены, обогащенные серосодержащей аминокислотой — цистеином. Они обнаружены в молекулах пептидной природы различного функционального назначения, это —  внеклеточные, поверхностно–клеточные и внутриклеточные рецепторы, ферменты, ионные каналы, белки–транспортёры цитоплазматической и внутриклеточных мембран, внеклеточные регуляторные и транспортные молекулы пептидной природы, белки внеклеточного матрикса и цитоскелета, а также белки другой физиологической специализации6

Одним из  свойств остатка серы в составе цистеина эволюционно-консервативных доменов является способность к обратимой окислительно-восстановительной модификации (редокс–модификации). Остатки серы в составе цистеина эволюционно-консервативных доменов после редокс–модификации могут находится в двух состояниях, значимых для физиологической активности молекулы пептидной природы. Одно из состояний остатка серы в составе цистеина молекулы пептидной природы — восстановленное, в котором она связана с протоном водорода и представляет собой тиольную  (сульфгидрильную) группу  R–SH (где R —  любая структура пептидной природы). Другое из состояний остатка серы в составе цистеина — окисленное. В зависимости от природы окислителя и глубины окисления остатка серы, она  может подвергаться  различным химическим окислительным модификациям. Однако, физиологическое значение имеет вариант окисления, при котором  остаток серы в составе цистеина одной полипептидной последовательности ковалентно связывается с остатком серы в составе цистеина другой полипептидной последовательности, образуя дисульфидную связь — R–S–S–R7 8.  Правильность образования дисульфидных связей между множественными остатками серы различных цистеинов в пределах одной молекулы полипептидной природы или остатками серы цистеинов, принадлежащих различным молекулам пептидной природы, определяется семейством ферментов дисульфид–изомеразы9.

Таким образом, остатки серы в составе цистеинов эволюционно-консервативных доменов молекул пептидной природы участвуют в структурно-функциональной организации этих молекул, предопределяя возможность регуляторного воздействия на них по единым механизмам, едиными факторами.

Возможность редокс–модификации остатков серы в составе цистеинов эволюционно–консервативных доменов молекул пептидной природы различного функционального назначения, в различных биологических структурах во внеклеточном и внутриклеточном пространствах позволяет осуществлять регуляторное редокс–воздействие на клетки ткани, органа и организма в целом, что определяется окислительно–восстановительным окружением клеток в пределах соответствующего морфологического образования.

Редокс–окружение отражает уровень соотношения взаимопревращаемых окисленной и восстановленной специфической редокс–пары.  Редокс–окружение, образуемое взаимосвязанными редокс–парами в биологических жидкостях вне– и внутриклеточного пространства, определяется суммированием в них восстановительного потенциала и восстановительной емкостью этих редокс–пар.

Восстанавливающие эквиваленты  преобладают как во внутриклеточной, так и во внеклеточной среде, но величина  их отношения к окисляющим формам во внеклеточной среде и в ряде внутриклеточных органелл несколько ниже внутриклеточного значения в цитозоле. Вследствие этого, среда, окружающая клетки, и среда ряда внутриклеточных органелл характеризуется большей окисляющей способностью в сравнении с цитозолем10

Функционально–активные конформации молекул внутриклеточного и внеклеточного пространств адаптированы к эволюционно сложившимся особенностям окислительно–восстановительных условий. Как отмечено выше, остатки серы в составе цистеина структурных и функциональных молекул пептидной природы являются одними из важнейших точек приложения эффекторных молекул, осуществляющих редокс–модуляцию. Цистеин сосредоточен в эволюционно–консервативных доменах структурных и функциональных молекул пептидной природы. Остатки цистеина эволюционно–консервативных доменов регуляторных, структурных, каталитических молекул пептидной природы, редокс–модуляция связи серы которых приводит к изменению конформации и/или функциональной активности, получили обозначение «горячих цистеинов». Сульфгидрильные группы цистеина принимают участие в большинстве реакций в  виде меркаптидного иона RS‾. Меркаптидные ионы белков более реакционоспособны и легче подвержены окислению, чем недиссоциированные сульфгидрильные группы. Значение рКа (константы ионизации) у SH-групп белков варьирует в широких пределах и в значительной степени определяется их взаимодействием с соседними функциональными группами в молекуле. Наличие положительно заряженной группы в непосредственной близости от SH-группы понижает константу ее ионизации. Значение рКа большинства SH-групп в активных центрах ферментов составляет приблизительно 8,511. Следовательно, при физиологическом значении рН в клеточном микроокружении и клетке (~7,4) существующие сульфгидрильные  группы большинства белковых молекул остаются неионизированными из–за высокого значения рКа, поэтому они устойчивы к окислению. «Горячие цистеины»  эволюционно консервативных доменов окружены близлежащими положительно заряженными группами, вследствие чего их рКа колеблется от 4,7 до 5,4.  Таким образом, сульфгидрильная группа в их составе ионизирована даже при физиологическом значении рН и легко подвергается окислительной модификации. Функционально–активная конформация основной массы внутриклеточных молекул пептидной природы формируется при восстановление  остатков серы в составе «горячих цистеинов» до сульфгидрильных групп12 13 14.  Напротив, функционально–активная конформация основной массы внеклеточных молекул пептидной природы формируется при образовании дисульфидной связи между остатками серы «горячих цистеинов»6 13 14.

Таким образом, редокс регуляция является одним  из  универсальных эволюционно-консервативных механизмов  регуляции биохимических и физиологических процессов организма. Редокс-регуляция  определяет спектр молекул пептидной природы, необходимых для выполнения физиологической функции отдельной клеткой или группой клеток, органом, тканью или системой органов.

 

Воздействие на конформацию биологических молекул (опосредованное — через изменение  редокс–потенциала их окружения) позволит изменить конформацию широкого спектра биологических молекул, участвующих в реализации первичного и последующих  эффектов лекарственного вещества.  Сенсорными компонентами, улавливающими изменение редокс–потенциала, являются остатки серы в составе цистеина эволюционно-консервативных доменов молекул внеклеточного и внутриклеточного  пространств, включая

  • поверхностно–клеточные рецепторы,
  • ионные каналы,
  • транспортные молекулы цитоплазматической мембраны,
  • молекулы, осуществляющие процессы экзоцитоза и эдоцитоза,
  • молекулы, осуществляющие ферментативную функцию,
  • выполняющих другие биологические  реакции в системе регуляции и  клеточных функциях. 

В организме человека и других млекопитающих постоянно происходит редокс–воздействие на активность регуляторных и эффекторных молекул. Средством воздействия на остатки серы в составе цистеина эволюционно–консервативных доменов молекул внеклеточного и внутриклеточного  пространств,  являются молекулы восстановленного (GSH) и окисленного (GSSG) глутатиона. Физиологически адекватная окружающая клетки среда характеризуется большей окисляющей активностью, чем среда внутри клетки.

Схемы на рис.6 и рис.7 иллюстрируют   участие GSH и GSSG  в модификации остатков серы эволюционно–консервативных доменов рецепторов и биорегуляторов.

Рис.6. Воздействие восстановленного глутатиона (GSH) на дисульфидные сшивки в структуре функционально–активных внеклеточных биорегуляторов пептидной природы и/или их поверхностно-клеточных рецепторов приводит к формированию пула молекул, неспособных вступать в  физиологически адекватные взаимодействия.

Рис.7.  Воздействие окисленного глутатиона (GSSG) на сульфгидрильные группы в структуре функционально–неактивных внеклеточных биорегуляторов пептидной природы и/или их поверхностно-клеточных рецепторов приводит к формированию  пула молекул, способных вступать в  физиологически адекватные взаимодействия.

Хронические формы заболеваний приводят к деформации окислительно–восстановительных возможностей внеклеточной среды в сторону большей восстановленности, а внутриклеточной среды — в сторону большей окисляющей активности. Установлено, что подобные изменения редокс–окружения молекул приводят к смене типа функионально–активных молекул. На примере рецепторов — отмечается смена функционально–активного типа последних — вследствие утраты функционально активной конформации у рецепторов, высокочувствительных к лиганду и, напротив, формирование функционально активной конформации у рецепторов с более  низкой чувствительностью к лиганду. Если лиганд — молекула пептидной природы, то негативное воздействие на его структуру приведет к изменению конформации до неспособной к взаимодействию с рецептором.  В этой связи, выявление высоких концентраций лиганда в организме пациента с хроническим заболеванием не выражается в сколь либо заметном проявлении его биологической активности (рис.8).

Рис.8. Схема участия  сульфгидрильных групп и дисульфидных связей в образовании функционально неактивных (на рисунке слева) и функционально активных (на рисунке справа) конформаций лиганда и рецептора. 

Изложенное выше позволяет обосновать направления фармакологических решений повышения терапевтической эффективности известных лекарственных средств в части повышения тропности мишени к лекарственному веществу посредством модуляции редокс–потенциала (рис.9). Фармакологические решения по созданию средств, обеспечивающих нормализацию редокс–потенциала в пределах физиологически оптимальных значений, обеспечат конформационные перестройки молекул пептидной природы с приведением их к состоянию,  которое обеспечит адекватное взаимодействие с лекарственными препаратами

Рис.9. Модуляция редокс–потенциала биологической среды посредством соединений, активность которых проявляется при выходе значений редокс–потенциала за рамки физиологически оптимального диапазона. Модуляторы фармакологической активности (modulators of pharmacological activity, МРА) — соединения, способные восстановливать редокс–потенциал до физиологически оптимального диапазона. Активность МРА, сопряженная с действием молекулы лекарственного вещества, приведет к изменению его фармакологической активности.

МРА разработаны на основе  координационных соединений d–элементов с алифатическими тиолами.   МРА обладают способностью воздействовать на рецепторы (поверхностно–клеточные и внутриклеточные), ферменты, ионные каналы, белки–транспортеры цитоплазматической и внутриклеточной мембран, внеклеточные регуляторные и транспортные молекулы пептидной природы, белки цитоскелета и внеклеточного матрикса, а также другие структурные, функциональные и регуляторные молекулы, имеющие в своем составе остатки серы, способные к обратимой окислительно–восстановительной модификации (редокс–модификации)13 14.

Повышение тропности мишени к лекарству посредством МРА на субклеточном, клеточном, органном, тканевом и организменном уровнях позволяет с точки зрения молекулярных событий наполнить новым содержанием призыв к врачам «лечить не болезнь, а больного».

Результаты экспериментальных исследований и клинических наблюдений свидетельствуют, что слабая выраженность или отсутствие терапевтического эффекта и, напротив, преобладание токсического действия лекарственного препарата или препаратов, в числе прочего, обусловлены ограниченной способностью

  • поверхностно-клеточных структур клеток зоны поражения к восприятию внешнего воздействия в виде гуморальных факторов (включая гормоны, цитокины, лекарственные препараты и другие биологически активные и/или токсичные вещества), 
  • межклеточного контакта с клетками иммунной системы и нормального микроокружения, внеклеточным матриксом.

Иными словами, конечному ответу организма на действие лекарственного средства (частный, но важный случай биологически активного воздействия) предшествуют его первичные, вторичные и последующие взаимосвязанные эффекты, которые должны иметь возможность адекватно развиваться в многоклеточной системе, гомеостаз которой поддерживается регулируемостью процессов в отдельной клетке в интересах многоклеточного организма. В этой связи лекарственное средство или его вторичный продукт должны иметь возможность первичного воздействия на пораженную клетку или клетки, при этом оно должно сочетаться с возможностью контроля процессов в пораженной клетке (клетках) со стороны нормоцитов микро- и макроокружения. Таким образом, для решения одной из проблем современной фармакотерапии – достижения терапевтического эффекта без увеличения дозы лекарственного средства или средств, просматривается необходимость восстановления физиологически адекватного взаимодействия пораженных клеток с гуморальными факторами, внеклеточным матриксом и нормоцитами микроокружения. Гуморально-клеточные, межклеточные и матрикс-клеточные взаимодействия, адекватные состоянию пораженного организма, необходимы и вне зоны поражения.

Клетки вне зоны поражения подвергаются воздействию токсинов из очага поражения, а также лекарственными средствами, которые по природе своей являются биологически активными и/или агрессивными веществами. В этой связи  негативные изменения в клетках вне очага поражения (в гепатоцитах, энтероцитах, миелоцитах, клетках почек и других), обусловленные в числе прочего и действующим началом лекарственного препарата, раньше или позже проявляются  при хронических инфекционных и пролиферативно-воспалительных заболеваниях.

В соответствии с результатами исследований функционирования клеток в многоклеточной системе, в медицинской литературе молекулярные структуры, обеспечивающие способность клеток к различным взаимодействиям, определяют как информационно-транспортная система (ИТС). Схема на рис.10 иллюстрирует состояние информационно-транспортной системы клеток в зоне поражения, а также последствия этого состояния: преимущественное действие лекарственных препаратов вне зоны поражения и, соответственно, необходимость устранения подобных негативных изменений ИТС (схема на рис.8 справа). 

Рис.10. Проведение специфической терапии заболевания, без устранения типовых расстройств в информационно-транспортной системе  организма: пораженная область недостаточно доступна для лекарственных средств, увеличение дозировки последних предопределяет возникновение нежелательных побочных реакций. Напротив, сочетание специфической терапии с МРА, устраняющим типовые нарушения в информационно-транспортной системе, позволяет использовать физиологически адекватные дозы препаратов и оптимальные курсы лечения.

Применительно к клеточным и гуморальным эффекторам иммунной системы, физиологически неадекватный характер возможностей их информационно-транспортной системы проявляется снижением  элиминационных возможностей, повышением порога чувствительности гуморальных и клеточных эффекторов к чужеродности  и, как следствие, ограничивает возможности  иммунной системы осуществлять защиту от внешней агрессии,  контроль за интенсивностью мутаций и морфологическим порядком (например, контроль склерозирования).  Физиологически недостаточный уровень взаимодействия между эффекторами иммунной системы и клетками органов, осуществляющих удаление метаболического балласта из организма (в большей степени почки, в меньшей степени желудочно-кишечный тракт, кожа, бронхолегочная система) или его метаболическую утилизацию (печень) лишь усугубляет метаболический дисбаланс, предопределяет развитие аутоиммунных процессов (аутоантитела — транспортная компонента иммунной системы, связывающая нерастворимый морфологический балласт, антигенный материал, транспортирующая его в клетки печени для последующей метаболической утилизации или удаления с желчью). 

Таким образом, при использовании МРА просматривается возможность сочетанного воздействия лекарственного средства и механизмов естественной защиты организма, что делает возможным применение лекарств в более низких, физиологически адекватных дозах.

 

Murray D.D. and Shimkets R. Discovery and development of a genomic drug. Curr. Drug. Discov., 2003, 6; 27–33.  

Свердлов Е.Д. ДНК в клетке: от молекулярной иконы к проблеме «что есть жизнь». Вестник РАН, 2003, 73(6); 497–504

Pirmohamed М., Kevin B. Genetic susceptibility to adversedrug reactions. Trends Pharm. Sci., 2001, 22; 298–305.

Жуков Н.В., Тюляндин С.А. Целевая терапия в лечении солидных опухолей: практика противоречит теории. Биохимия, 73(5); 751–768.

Jeffery C.J. Moonlighting proteins. Trends. Biochem. Sci., 1999, 24; 8–11.

Albetrs B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular biology of the cell, the 4th edition. Garland Science, Taylor and Francis group, 2002.

Jordan P. A., Gibbins J.M. Extracellular Disulfide Exchange and the Regulation of cellular Function. Antioxidants & Redox signaling, 2006, 8(3&4); 312–324.

Langler R.F.,  Branch D.R. Chemical compounds that target thiol–disulfide groups on mononuclear phagocytes inhibit immune mediated phagocytosis of red blood cells. Transfusion, 2005, 45; 384–393.

Ferrari D.M., Soling H.–D. The protein disulfide isomerase family: unraveling a string of folds. Biochem. J.,  1999, 339; 1–10.

Del Bello B., Paolicchi A., Comporti M., Pompella A., Maelaro E. FASEB J., 1999, 13; 69–79.

Rhee S.G., Chae H.Z., Kim K. Peroxiredoxins: a historical overview and speculative preview of novel mechanisms and emerging concepts in cell signaling. Free Rad. Biol. Med., 2005, 38; 1534–1552.

Meister A. Glutathione metabolism and its selective modification. J. Biol. Chem., 1988, 263; 17205–17208.

Filomeni G., Aquilano K., Civitareale P., Rotilio G., Ciriolo M.R. Activation of c-jun-N-termainal kinase is required for apoptosis triggered by glutathione disulfide in neuroblastoma cells. Free Rad. Biol. Med., 2005, 39; 345–354.

Filomeni G., Rotilio G., Ciriolo M.R. Cell signalling and the glutathione redox system. Biochem. Pharmacol.,  2002, 64; 1057–1064.

 
Поиск

 
Новости