«Умная химера»: как учёные превращают яд в лекарство

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и Тольяттинского государственного университета (ТГУ) в кооперации с ведущими научными центрами Германии и США разработали новые молекулы, которые открывают путь к созданию противораковых препаратов без тяжёлых побочных эффектов. Исследование посвящено технологии PROTAC – это одно из самых прорывных направлений в современной фармакологии.

Главный принцип классической таргетной терапии заключается в том, что лекарства работают как «блокировщики» – они подавляют мутантный белок в клетке. Но у такого вида лечения есть существенный недостаток: генетическая нестабильность опухоли заставляет её клетки постоянно мутировать, вырабатывая устойчивость к препарату, в результате чего он теряет свою эффективность.

Существует альтернативный подход, в основе которого лежит протеолиз – естественная система очищения клетки от «старых» или «поломанных» белков.

Фото - ТГУ

– Для этого создаётся PROTAC, молекула-химера, выполняющая роль посредника. Молекула состоит двух фрагментов-лигандов, соединённых линкером. Один «коготь» такой «химеры» цепляется за белок-мишень, который нужно уничтожить. Второй «коготь» находит в клетке специальный белок-«палач» из семейства E3-лигаз, например цереблон (CRBN). А линкер физически сближает мишень и «палача», – поясняет директор Центра медицинской химии (ЦМХ) ТГУ Александр Бунев. – Когда оба «когтя» захватывают свои цели, цереблон ставит на белок-мишень метку смерти, и клетка отправляет его в свою мусороперерабатывающую систему – протеосому.

Такой механизм выводит борьбу с болезнью на качественно новый уровень: вместо блокировки запускается программа полного уничтожения поражённых клеток. 

CRBN – ключевой компонент химерных молекул. Фундаментальную роль в понимании его работы сыграло открытие взаимодействия с лигандом талидомидом.

– Талидомид – печально известный препарат, ставший в середине XX века причиной тяжёлых врождённых пороков у детей. Оказалось, что, связываясь с цереблоном, он меняет его, заставляя атаковать совершенно другие белки-мишени, в том числе те, что отвечают за нормальное развитие эмбриона. Однако именно эта «ошибочная» активность оказалась ключом к лечению миеломы (злокачественное заболевание системы крови. – Прим.Ред.), – отмечает Александр Бунев.  – В миеломных клетках есть свои собственные «белки выживания» – Ikaros и Aiolos. Талидомид, изменяя цереблон, заставляет его распознавать и помечать на уничтожение именно эти белки.

Лишившись своих критически важных компонентов, раковая клетка погибает. Но здесь учёные столкнулись с дилеммой.

– Талидомид – отличный, но непредсказуемый «крючок» для цереблона, – продолжает Александр Бунев. – Если на его основе создать PROTAC для лечения, скажем, рака лёгких, он, попав в кровь, будет точно так же уничтожать белки Ikaros и Aiolos, которые присутствуют в здоровых кроветворных клетках, вызывая тяжёлые побочные эффекты. Отсюда родилась новая задача для современной фармацевтики –  сделать такие молекулы, которые связываются с цереблоном, но ничего в цереблоне не меняют и не подставляют под удар другие белки.

Над этой задачей успешно работает группа учёных из Санкт-Петербургского государственного университета, Центра медицинской химии Тольяттинского государственного университета и Института физики Общества Макса Планка (Мюнхен, Германия). Исследование выстроено по принципу многоэтапного конвейера. Химики в Санкт-Петербурге создают новые перспективные лиганды для цереблона, ученые ЦМХ ТГУ с помощью компьютерного моделирования и клеточных тестов проверяют, как новые молекулы проникают в клетки и взаимодействуют с ними –  в ЦМХ внушительная коллекция клеточных линий. Группа профессора Маркуса Хартмана в Германии с помощью рентгеноструктурного анализа получает точные 3D-модели связывания лигандов с цереблоном.

– Мы в ЦМХ провели Thermal Shift Assay, так называемый термический сдвиг и экспериментально доказали, что синтезированные коллегами лиганды действительно стабилизируют цереблон в клетке определённым методом. Но оставался без ответа ещё один важный вопрос. В клетке белков огромное количество – а вдруг наши лиганды заставляют CRNB уничтожать какие-то другие, ещё неизвестные науке белки? – говорит Александр Бунев.

Для ответа на него к работе подключилась исследовательская группа профессора Эрика Фишера из Гарвардской медицинской школы – это один их мировых лидеров в области количественной протеомики (область аналитической химии, посвящённая идентификации и количественному анализу белков). Метод американских исследователей позволяет «пересчитать» все тысячи белков в клетке до и после воздействия лекарства. Если концентрация какого-то белка упала – значит, он стал жертвой деградации.

Результат экспериментов был блестящим: учёные не только подтвердили, что их лиганды не трогают известные «нецелевые» белки (Ikaros, Aiolos), но и доказали, что не появляется никаких новых. Это критически важно для разработки препаратов против солидных* опухолей, где побочные эффекты со стороны крови были главным ограничением.

– Несмотря на то, что взаимодействие с учёными из других стран сейчас сопряжено с рядом трудностей, это совместное исследование получилось весьма эффективным. Мы получили универсальную методологию для поиска новых активных соединений на базе определённой химической структуры – глутаримида. И главное, мы валидировали биологически активные структуры, которые являются готовыми «строительными блоками» для конструирования полноценных «химер». То есть, наши наработки открывают дорогу для создания новых противораковых препаратов принципиально нового механизма действия, – комментирует профессор кафедры медицинской химии института химии СПбГУ Дмитрий Дарьин.

На основе полученных данных исследователи планируют осуществить масштабную работу по дизайну и синтезу новых, более эффективных соединений.

– Конечная цель – создать молекулу, которая, используя внутренние клеточные механизмы, будет прицельно уничтожать белок, жизненно важный для раковой клетки, что приведет к её гибели. Это амбициозная, но вполне достижимая перспектива, открытая благодаря нашему эффективному международному сотрудничеству, – подчеркнул Дмитрий Дарьин.

Результаты экспериментов учёные описали в статье, которую опубликовал научный журнал European Journal of Medicinal Chemistry.

Справочная информация:

PROTAC (Proteolysis-Targeting Chimeras) – технология таргетной деградации белков. В 2024 году компания Pfizer впервые подала заявку в FDA на одобрение препарата на основе этой технологии для лечения рака предстательной железы, что подтвердило её клиническую значимость.

Со¢лидные опухоли (от английского solid – твёрдый) – это большая группа новообразований, характеризующихся формированием плотной тканевой массы. Они составляют подавляющее большинство всех случаев рака.

Источник: ТГУ