Dradesign: Hur moderna läkemedel skapas

Processen att utveckla en ny medicin tar från 5 till 16 år. Kostnader för klinisk testning per kandidatförening är mer än 100 miljoner dollar

Den totala kostnaden för utveckling, med hänsyn till läkemedel som inte har nått marknaden, överstiger ofta en miljard dollar.

Screening - laboratorium (in vitro) eller dator (i silico) - det mest resurskrävande förfarandet för att välja från biblioteken för tillgängliga prototypföreningar för att skapa läkemedel. Positiva screeningsresultat är utgångspunkten för ytterligare läkemedelsutveckling.

I början av 1870-talet ansåg en tysk medicinsk student Paul Erlich, som studerade metoderna för selektiv färgning av vävnadssektioner, förekomsten av kemoreceptorer - speciella vävnadsstrukturer som specifikt interagerar med kemikalier och föreslog att detta kan användas för att behandla olika sjukdomar. År 1905 föreslog den berömda engelska fysiologen och histologen John Langley begreppet cellulära receptorer - proteiner, under påverkan av olika ämnen som ändrar deras tillstånd och därmed kontrollerar cellen.

En av de viktigaste framgångarna för Erlich (vid den tiden Nobelpristagaren) var upptäckten av salvarsan - ett anti-syfilis- och trypanosomiasisläkemedel som är omöjligt effektivare och mycket mindre giftigt än oorganiska kvicksilverföreningar som använts tidigare. Efter en lång sökning av organiska arsenikföreningar som verkade lovande visade "läkemedlet 606", difenaminarsenid, som minskade i historien, sig vara effektivt.

Med detta började utvecklingen av kemoterapi. Framgångarna med biokemi gjorde det möjligt att förutsäga framgångsrika mål för terapeutiska effekter, liksom läkemedelsmodifieringar som ger nya föreningar nya egenskaper. Således har studien av egenskaper och cellulära mål för det antibakteriella läkemedlet sulfanilamid möjliggjort utvecklingen av hela familjer av diuretika och läkemedel för att sänka blodtrycket och blodsockret. Ehrlichs dröm om en "magisk pool" - en idealisk medicin som endast påverkar patogenen och inte påverkar kroppen som helhet, förblev bara en dröm. Dragdesign steg till en ny nivå under andra hälften av det tjugonde århundradet, då läkemedelsutveckling inte bara var ett fantasifigur, utan resultatet av en vetenskaplig dialog mellan biologer och kemister.

Genombrottet var förknippat med utvecklingen av genomik, som gjorde det möjligt att isolera gener som kodar terapeutiskt viktiga biologiska mål, och att generera en tillräcklig mängd av dessa proteiner för forskning med användning av genetiskt modifierade mikroorganismer.

På molekylnivå är varje sjukdom en störning av funktionen hos proteiner och / eller gener som kodar dem i en eller flera vävnader i kroppen. Det mänskliga genomet innehåller 12-14 tusen gener som kodar för proteiner. I dag är cirka 500 farmakologiska mål kända - proteiner (och, under senare år, gener), som läkemedlets verkan riktar sig till. Det finns förmodligen fler av dem: på vilka specifika molekyler i kroppen som många läkemedel verkar, vet läkare och farmaceuter helt enkelt inte. Det cellulära målet för vanligt aspirin upptäcktes nyligen - efter 100 års användning! Dessutom orsakas många sjukdomar av brott mot funktionerna hos inte en, utan åtminstone 5-10 relaterade proteiner och generna som kodar för dem.

Målsökning

De grundläggande koncepten för dragdesign är målet och medicinen. Ett mål är en biologisk makromolekyl associerad med en specifik funktion, vars kränkning leder till en sjukdom. De vanligaste målen är proteiner - receptorer och enzymer. En medicin är en kemisk förening (vanligtvis låg molekylvikt) som specifikt interagerar med dess mål och därmed påverkar processerna inuti cellen.

Det första steget i dragdesign är valet av ett mål, vars åtgärd reglerar vissa biokemiska processer utan att påverka andra. Detta är inte alltid möjligt, eftersom inte alla sjukdomar orsakas av att bara ett protein eller gen fungerar. Under senare år har jämförande genomik använts mer och mer ofta för att identifiera mål - gener relaterade till gener med redan kända funktioner i andra organismer identifieras i "texten" av mänskligt DNA. En experimentell verifiering är dock nödvändig för att påverkan på detta mål ger resultat. Ett sätt är att stänga av målgenen i en genetiskt modifierad organisme eller cell och se vad som händer med dem. När man söker efter ett mål bör man inte glömma polymorfism: någon gen kan existera i flera varianter som kodar för proteiner som skiljer sig i egenskaper utan att gå utöver normen. Som ett resultat verkar samma medicin på olika sätt beroende på individuella egenskaper, och ännu mer på representanter för olika populationer och raser.

Vapenval

Studien av alla möjliga substanser är orealistisk: det finns minst 1040 ligander - små molekyler som selektivt kan binda till någon del av ett av proteinerna och ändra dess funktion. En enkel uppräkning av alternativ, även på en superdator (och om det fanns fullständig information om strukturen för alla proteiner - och åh, hur långt bort!) Skulle ta mer tid än det har varit sedan universums början. Därför införs ett antal begränsningar för strukturen hos potentiella ligander, som avsevärt minskar det "kemiska utrymmet". I praktiken kan du använda villkoren för likhet med läkemedel (läkemedelslikhet), som bestämmer det optimala antalet givare och acceptorer av vätebindningar, molekylvikt och lipofilicitet hos föreningen. Som utgångspunkt används föreningsbibliotek vanligtvis när man söker efter ligander som kan binda till ett givet mål, antingen skapat av ett specialiserat företag under de villkor som anges av utvecklaren eller som är tillgängliga i ett farmaceutiskt företags arsenal. Sådana bibliotek "för alla tillfällen" kan innehålla miljontals ämnen.

Av de tusentals tillgängliga ämnen med mer eller mindre definierade egenskaper måste hundratals molekyler väljas som efter ytterligare modifiering och testning av bakterier eller cellkulturer kan ge dussintals så kallade kandidatföreningar avsedda för prekliniska studier, inklusive djurförsök. Efter denna fas av screening vid skedet av kliniska prövningar hos människor återstår i bästa fall 1-3 läkemedel. Och alla nödvändiga tester tål ungefär en av tio ämnen. För att minska antalet fel är det viktigt att inte göra ett misstag i början av arbetet.

Screening: Separera kornen från taffeln

Screeningsprincipen är enkel: på speciella glideskivor - matriser som innehåller ett testsystem i tusentals mikroliterbrunnar, till exempel målproteinmolekyler eller hela celler (genetiskt modifierade vid behov) - roboten gräver ut testämnena från pipetter efter ett visst program. Sedan finns det en dataavläsning, som indikerar i vilken brunn den biologiska aktiviteten upptäcks. En detektor kan bestämma den genom en radioaktiv signal, fluorescens, ljuspolarisering och många andra parametrar.

Som ett resultat av screening reduceras antalet testföreningar med tre till fyra storleksordningar och aktiva molekyler identifieras, kallade prototyper. Men så lycka är fortfarande mycket, mycket långt ifrån den slutliga medicinen. Endast de som behåller sin aktivitet i modellsystem och passar många ytterligare kriterier ger läkemedelsprekursorer för vidare forskning. Screeningprototyper genomgår olika optimeringar. Detta kräver ett nära samarbete mellan olika forskargrupper: molekylärbiologer, farmakologer, molekylärbiofysiker och medicinska kemister. Med varje revolution i denna "farmakologiska cykel" närmar sig prototypen föregångaren till läkemedlet, som testas på djur och sedan på människor (främst för säkerhet).

Gör ingen skada!

Utvecklingen av nya läkemedel är ett medicinområde där man aldrig ska rusa. Det räcker med att komma ihåg historien med talidomid, vars användning ledde till att barn föddes med medfödda missbildningar i lemmarna, till dess fullständiga frånvaro. På grund av otillräckligt rigorös och noggrann testning upptäcktes inte denna biverkning under kliniska prövningar.

För närvarande är kliniska prövningar av nya läkemedel en lång, komplex och dyr procedur (två till sju års flerstegstester och från 100 miljoner dollar per kandidatförening). I skedet av prekliniska studier testas läkemedlen för toxicitet och cancerframkallande egenskaper, först i standardtestet för Drosophila-larver och därefter i minst två typer av laboratoriedjur. Giftiga läkemedel kommer naturligtvis inte in i kliniken, såvida de inte är avsedda för behandling av särskilt allvarliga sjukdomar och har inte mindre skadliga analoger.

Förutom att studera farmakodynamik - läkemedlets verkan, inklusive biverkningar - undersöker den dess farmakokinetik: absorptionshastigheten i blodet, distribution i kroppen, kemiska transformationer (och effekten av de bildade föreningarna), utsöndring från kroppen och biotillgänglighet - graden av förlust av biologiska egenskaper av läkemedlet in i kroppen.

Processen med kliniska prövningar av nya läkemedel har många nyanser och kräver en enorm mängd underlag (flera tusen sidor), tillstånd, certifikat etc. Dessutom skiljer sig många formella förfaranden i olika länder markant. För att ta itu med dessa många frågor finns det specialföretag som accepterar beställningar från läkemedelsjättarna för att genomföra kliniska prövningar och omdirigera dem till specifika kliniker, som följer hela processen och säkerställer att inga formaliteter bryts.

Robotar injicerar, inte man

I dragdesign, som i de flesta andra högteknologiska områden, fortsätter datorns roll att öka. Det bör omedelbart noteras att det är omöjligt att utveckla ett nytt läkemedel med bara datorer. De viktigaste fördelarna som beräkningsmetoderna ger i detta fall är en minskning av tiden det tar att lansera ett nytt läkemedel på marknaden och en minskning av utvecklingskostnaden.

De viktigaste datormetoderna som används vid dragkonstruktion förutsätter för det första den rumsliga strukturen hos målproteinet och mekanismen för dess interaktion med läkemedlet; för det andra, virtuell screening (datorscanning av kemiska sammansatta baser); och slutligen en bedömning av "läkemedelsliknande" och andra fysikalisk-kemiska egenskaper.

Mycket ofta vet inte utvecklare något om målproteinets tredimensionella struktur. I detta fall konstrueras nya föreningar baserade på information om strukturen för redan kända aktiva ligander.

Det allmänt accepterade paradigmet inom biologi och kemi är: "struktur definierar egenskaper". Genom att analysera förhållandet mellan strukturen och egenskaperna hos kända föreningar kan den kemiska strukturen för en ny molekyl med de önskade egenskaperna förutsägas. Detta tillvägagångssätt används också vid modifiering av kända ämnen för att förbättra deras egenskaper, och när man söker efter ligander efter ett specifikt protein i kemiska bibliotek, och när man utarbetar tekniska specifikationer för företag som specialiserar sig på sådan riktad syntes.

Simuleringens tillförlitlighet, liksom effektiviteten i hela processen för att konstruera ett nytt läkemedel, kan ökas avsevärt om vi tar hänsyn till data inte bara om liganders struktur utan också för målproteinets struktur. Denna metod kallas Structure-Based Drug Design.

Ibland kan målets tredimensionella struktur upprättas experimentellt - till exempel med röntgendiffraktionsanalys. Om målstrukturen fortfarande inte är tillgänglig kan den simuleras på en dator med information om strukturen för relaterade proteiner.

Varken ett bibliotek med en miljon föreningar eller en dyr robot behövs för virtuell screening - skapa bara ett bibliotek med "virtuella prototyper" av läkemedlet. Med en ökning av datorkapacitet och förbättring av algoritmer kommer program att bättre utvärdera ligandens affinitet för proteinet, och de kommer att börja ta hänsyn till rörlighet hos proteinkedjor och påverkan av lösningsmedlet.

Trots alla dess fördelar har datormetoder dock flera begränsningar. Först och främst måste resultaten som erhållits i silico verifieras in vitro. Dessutom kan ingen simulering ta hänsyn till alla möjliga effekter av ett läkemedel på kroppen i sin helhet, så datorer varken kan avskaffa eller ens betydligt minska prekliniska tester, och särskilt kliniska prövningar, som tar större delen av tiden och pengarna för att utveckla ett nytt läkemedel.

Perspektiv på dragdesign

Uppenbarligen är dragdesign läkemedelsindustrins framtid. Med utvecklingen av genomics, såväl som proteomics (vetenskapen om proteinernas funktioner), metabolomics, som studerar metabolism på alla nivåer, från celler till hela organismen och andra omics, bör antalet potentiella mål öka många gånger. Till exempel är mål för antimikrobiella och antivirala läkemedel proteiner av patogena bakterier och virus, som också måste undersökas aktivt. Detta utvidgar verksamhetsområdet för ”drogjägare”. Att känna till strukturen hos proteiner kommer att göra det möjligt för oss att hitta och syntetisera skräddarsydda ligander med låg molekylvikt som specifikt binder till specifika platser för mål.

Riktningsdesignen för nya läkemedel har nu blivit en viktig del av farmakologin. I en nära framtid kommer utvecklingen av läkemedel att bli en exakt vetenskap, som tillåter inte bara att besegra många för närvarande obotliga sjukdomar, utan också förverkliga den långvariga drömmen om en "gyllene pool" - läkemedel som effektivt eliminerar orsaken till sjukdomen med minimala biverkningar.

Artikeln publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 7, juli 2007).

Rekommenderas

Elon Musk visade en nästan färdig tunnel under Los Angeles: video
2019
Svärd gjorda av is, svärd för robotar och andra ovanliga svärd
2019
De mest högteknologiska rånen
2019