Лекарства против рака: каждый случай – уникальный
На мышах и людях
Анастасия Казанцева, STRF.RU
«Ни у меня, ни у кого бы то ни было в мире не существует лекарства, которое бы работало от рака вообще, – говорит биолог Владимир Катанаев. – По-видимому, такое лекарство невозможно в принципе, потому что каждый случай рака – это отдельное заболевание». Создать лекарство от рака невозможно, потому что такой болезни нет. Более того, заболеваний «рак лёгких» или «лейкоз» не существует тоже. Болезни «мелкоклеточный рак лёгких» или «острый миелобластный лейкоз» пока ещё существуют, но и их – для эффективного лечения – разделяют на десятки разновидностей в зависимости от того, какие именно молекулы работают неправильно.
СПРАВКА:
Катанаев Владимир Леонидович, кандидат биологических наук, профессор фармакологии Университета Лозанны (Швейцария), руководитель исследовательской группы в Университете Констанца (Германия) и руководитель группы генетики развития Института белка РАН. В четверг, 11 ноября, Катанаев прочёл в Политехническом музее публичную лекцию «Современные подходы к разработке лекарств против рака».
«Мы можем вырабатывать средство, которое будет работать против определённых групп случаев рака», – поясняет Катанаев. Лекарства, которые разрабатывают сегодня, основаны на детальном изучении механизмов повреждения клетки, и для их создания требуется перебрать миллион веществ, привлечь сотню специалистов, тысячу подопытных животных, найти десяток лет, миллиард долларов. Именно поэтому современные лекарства против рака стоят очень дорого. Зато они эффективно работают – как правило.
Внутренний враг
Существование рака – это неизбежное следствие строения нашего тела. Клетки должны сохранять способность к делению, при делении не могут не возникать ошибки, некоторые из них приводят к злокачественному перерождению клеток. Нормальные клетки делятся тогда, когда получают такой приказ от организма. После деления они дифференцируются и выполняют свои функции. Злокачественные клетки делятся бесконтрольно, а специализироваться и работать вовсе отказываются.
Для того чтобы клетка могла «слушаться», в ней существуют системы для получения и обработки сигналов. Их не так много: выделяют 17 основных типов, и все они работают по похожим принципам. Сигнальная молекула (например, гормон) связывается с белком-рецептором на мембране клетки. После этого внутриклеточная часть рецептора изменяется и запускает цепь химических превращений – сигнальный каскад. Во многих случаях эта цепь реакций приводит к тому, что активируется (или, наоборот, блокируется) какой-нибудь транскрипционный фактор – белок, способный связываться с ДНК и влиять на работу генов. А изменение активности генов уже может привести к любой заданной цели – росту, делению, специализации, запрограммированной гибели, движению, увеличению синтеза какого-нибудь вещества.
Слайд из презентации лекции
После того как сигнальная молекула связывается с белком-рецептором на мембране клетки, он запускает сигнальный каскад: изменение одного белка активирует изменение другого, затем третьего и так далее. Во многих случаях последний участник этой цепочки работает в ядре клетки, активируя или подавляя синтез какого-либо гена или группы генов. «Эта картинка, однако, является сильно упрощённой, потому что в реальности мы имеем дело с очень сложной сетью активаций и ингибирований белков», – отмечает Катанаев.
Для возникновения рака наибольшее значение имеют пять типов сигнальных каскадов. Они названы по именам сигнальных молекул или рецепторов: Wnt, TGFbeta (receptor serine/threonine kinase), hedgehog, receptor tyrosine kinase и Notch/Delta pathway. Эти пять каскадов хорошо знакомы любому студенту биофака: их подробно разбирают в курсе биологии развития, потому что их основная роль – участие в эмбриогенезе, стимуляция активного деления клеток в заданное время в нужном месте. У взрослого человека эти сигнальные пути в норме почти никогда не включаются. Если в результате каких-либо мутаций эмбриональный сигнальный путь начнёт работать в клетках взрослого человека, эти клетки начнут расти так же активно, как они бы делали это в организме эмбриона. Взрослому такой активный рост клеток совершенно не нужен. Если в организме эмбриона работали сложные многоступенчатые системы контроля, позволяющие своевременно остановить деление и приступить к дифференциации клеток, то у взрослого системы регуляции этих сигнальных каскадов не работают. Поэтому включение эмбрионального сигнального каскада в непредназначенное для него время – одна из основных причин развития опухолей.
Соответственно, один из наиболее перспективных подходов к разработке лекарств против рака – это изучение эмбриональных сигнальных каскадов и поиск веществ, способных подавлять их работу у взрослого человека. Именно в этом направлении работает лаборатория Владимира Катанаева и ещё сотни лабораторий и десятки фармкомпаний по всему миру.
Найти, улучшить и испытать
Чтобы разработать современное лекарство, нужно сначала выбрать мишень. Это может быть нарушенный белок, слишком активный ген или целый сигнальный каскад со всеми его белками и генами. После того как учёные собрали достаточно информации, чтобы утверждать, что чрезмерная активация данного процесса связана с развитием рака (или другой исследуемой болезни), начинается поиск способов его подавления.
Для этого с помощью методов генной инженерии создаются клетки, в которых исследуемый сигнальный каскад активно работает и при этом проявляет себя каким-нибудь легко заметным образом (например, такие клетки светятся). А после этого начинается высокопроизводительный скрининг: на клетки воздействуют различными веществами и смотрят, какое из них сможет подавить работу сигнального каскада.
Следует представлять себе масштаб работы. «У вас есть, предположим, пятьдесят тысяч, сто тысяч, миллион разных химических веществ – это библиотека соединений. И вы предполагаете, что среди этих веществ есть одно или два, которые способны выполнять нужную вам функцию, а именно – ингибировать ваш белок-мишень», – поясняет Катанаев. Количество веществ зависит от того, насколько большую библиотеку соединений может купить у производителя исследовательская лаборатория. Чем больше веществ удастся проверить, тем больше шансов, что какие-то из них подойдут.
После проведения скрининга учёные выбирают несколько веществ, которые лучше всего подавляют работу сигнального каскада. Эти вещества нужно тщательно исследовать: понять, с какими именно молекулами они связываются, не задействованы ли эти молекулы в каких-нибудь жизненно важных процессах во всех клетках, не распадаются ли на составные части в крови. После этого возможна оптимизация найденного вещества – его химическая модификация с целью сохранения его положительных свойств и избавления от отрицательных. Затем можно приступать к испытаниям на животных.
На этом этапе нужно выяснить, насколько токсично новое лекарство (если мышь умирает от него быстрее, чем от рака, то испытания можно не продолжать), оценить дозировку и эффективность. Для этих исследований чаще всего используются голые мыши, nude mice – это лабораторная линия, у которой в результате мутации не только пропадает шерсть, но и практически не работает тимус и, соответственно, не производятся Т-лимфоциты. Такие животные не отторгают человеческие раковые клетки, пересаженные в их организм, и поэтому служат стандартным объектом для исследования методов борьбы с раком. Правда, работать с этими мышами труднее, чем с обычными: для них требуется стерильный виварий, потому что их иммунная система практически не функционирует, и они могут умереть от любой инфекции.
Если лекарство эффективно подавляло опухоли у мышей и не вызывало у них сильных побочных эффектов, начинаются клинические испытания первой фазы. В них обычно участвует не более 50 людей. Это могут быть здоровые добровольцы или люди, больные раком на терминальной стадии (то есть болезнь у них зашла так далеко, что существующая медицина не может помочь им ничем, кроме обезболивания). Катанаев поясняет: «На этом этапе – может быть, это даже немного цинично будет звучать – ставится цель не спасти человека, а убедиться, что вещество его не убьёт».
Во второй фазе клинических испытаний участвуют несколько сотен пациентов. Здесь анализируется эффективность вещества, оценивается оптимальная доза, изучаются побочные реакции. В испытаниях третьей фазы принимают участие тысячи пациентов, это позволяет детально изучить воздействие лекарства, его побочные эффекты и сочетаемость с другими препаратами.
После этого все полученные данные о производстве лекарства и опыте его применения предоставляются в государственное учреждение, которое занимается регистрацией лекарственных средств. В США это FDA, в России – Росздравнадзор. При положительной оценке совокупности данных о лекарственном средстве разрешается его выход на рынок.
После выхода на рынок компания проводит клинические испытания четвёртой фазы: мониторинг возможных отрицательных последствий нового лекарства и сбор информации, направленный на дальнейшее улучшение использования нового препарата.
Понятно, что провести вещество через все эти этапы может только очень крупная корпорация. К примеру, рассказывая про лекарство, созданное фирмой Novartis, Катанаев сравнил её обороты с Газпромом: «Здесь интересно упомянуть вообще, каков объём продаж вот этого фармацевтического гиганта Novartis. В 2009 году он составил 28,5 миллиарда долларов США. А поскольку сейчас в нашей стране активно говорят о том, что необходимо развивать бигфарму, интересно просто сопоставить масштаб. Что такое бигфарма настоящая? Например, на сайте Газпрома за 2008 год я обнаружил данные, что объём продаж составил 82 миллиарда долларов США. У Novartis продажи лекарств сравнимы по объёму. Соответственно, для того чтобы в России создать бигфарму, нужно создать фирму, которая по своему масштабу будет сопоставима с Газпромом».
Лекарства уже есть
Владимир Катанаев рассказал о двух лекарствах, основанных на подавлении работы эмбриональных сигнальных каскадов. Первое из них, Gleveec, уже вышло на рынок. Этот препарат ингибирует тирозинкиназу, участвующую в одном из пяти типов эмбриональных сигнальных путей, тирозинкиназном каскаде. Активация тирозинкиназного каскада у взрослого человека происходит в результате мутации, при которой меняются местами фрагменты девятой и двадцать второй хромосом. После такой мутации начинает производиться новая разновидность тирозинкиназы, белок BCR-ABL. Он начинает непрерывно работать, активирует размножение клеток в костном мозге и приводит к развитию хронического миелобластного лейкоза.
Другое лекарство называется GDC-0449. Рыночного «имени» у него пока нет, потому что оно ещё не прошло регистрацию, сейчас проводятся клинические испытания второй фазы. Это вещество подавляет hedgehog-зависимый каскад. В переводе с английского hedgehog – это ёж. Сигнальную молекулу, лежащую в основе каскада, назвали так, потому что при нарушениях этого каскада личинка дрозофилы покрывается колючими щетинками и становится похожей на ежа. Когда аналогичные сигнальные белки открыли у млекопитающих, один из них назвали Sonic the Hedgehog в честь ёжика из видеоигры. Сейчас многие исследователи предлагают переименовать белок, потому что считают, что пациентам совсем не смешно узнавать, что в их заболевании виноват ёж Соник. Активация hedgehog-зависимого каскада может приводить к развитию базалиомы (разновидность рака кожи) или медуллобластомы (разновидность рака мозга, обычно развивается в мозжечке). При клинических испытаниях первой фазы (при лечении терминальных больных) лекарство оказалось эффективным для обеих разновидностей рака, тем не менее на рынок его будут выводить только для базалиомы: дело в том, что медуллобластома обычно развивается у детей и подростков, а опыты на мышатах показали, что отключение hedgehog-зависимого каскада в юном возрасте приводит к тяжёлым нарушениям развития и допустимо только для взрослых животных и людей.
Катанаев завершает свою лекцию тем, что ещё раз поясняет, что в современной разработке лекарств невозможно обойтись без крупных фармкомпаний. «Я показал вам процесс разработки лекарств. Собственно, этот процесс в среднем занимает около 10 лет и стоит порядка миллиарда долларов США, и понятно, что бигфарма способна провести этот процесс от начала и до конца. Однако в него на разных этапах могут включаться и другие игроки. Например, академические лаборатории. Я сказал, что каждый следующий этап всё более дорогостоящий, и академические лаборатории, и малые компании, стартапы – они не могут позволить себе проводить клинические испытания из-за их крайней дороговизны. Однако они могут провести вещество вплоть до предклинических испытаний на животных моделях, и если всё проходит успешно, то эти вещества затем продаются крупным фармкомпаниям, у которых уже достаточно средств для того, чтобы провести вещество через все следующие этапы».
Опухоли и люди
Рак – это то, что случится с каждым человеком (если он доживёт), и поэтому аудитория, конечно, задавала Владимиру Катанаеву массу вопросов, в том числе совершенно дурацких и очень эмоциональных («модель, – говорят, – выбрана изначально не очень чтоб уж очень!!!»). Лектор проявляет фантастическое, немыслимое уважение ко всем слушателям, очень серьёзно отвечает на каждый вопрос, даже если его нет, а есть только бурное неприятие эмоционально неприятной темы.
Хотя в самом начале лекции Катанаев предупредил, что он биолог, а не врач и вопросы по выбору стратегии лечения нужно задавать медицинским работникам, он всё же коснулся этой темы, отвечая на вопрос о том, существуют ли сегодня на российском рынке препараты, о которых он рассказывал. Кроме того, собравшиеся интересовались работой эмбриональных каскадов в норме, компьютерным моделированием, персонализацией лекарств. Диалог между лектором и аудиторией прекратился только тогда, когда сотрудники Политехнического музея попытались выяснить, можно ли закрывать его на ночь.
Некоторые цитаты из ответов Катанаева на вопросы слушателей:
«Ситуация такова, что наиболее действенным методом лечения любых форм рака является хирургический. Если этот рак диагностирован на раннем этапе и если мы не говорим о разных формах рака крови, где, собственно, хирургически вырезать нечего. Соответственно, если пациент попадает в больницу с формой рака, которая подвергается… которая доступна хирургическому воздействию, у онколога нет выбора: он, естественно, пойдёт к хирургу, и они вырежут эту опухоль. Также существуют стандартные пакеты воздействия – это химиотерапия прежде всего. А вещества, которые выводятся на рынок сейчас, – это в каком-то смысле всё ещё пионерские терапевтические средства, и я не знаю, насколько хорошо онкологи разных стран, может быть, в российской глубинке, будут осведомлены о тех или иных препаратах, а также насколько они могут быть доступны в этой российской глубинке».
«Такой подход [компьютерное моделирование] имеет право на существование и, более того, активно используется. У него есть свои ограничения, потому что для такого компьютерного моделирования требуется знать конкретную трёхмерную структуру белка-мишени, против которого вы хотите найти ваше лекарство. Именно поэтому, кстати, крупные фармацевтические компании имеют собственные очень большие отделы по кристаллизации. И очень часто имеет место такой синергический подход, когда высокопроизводительный скрининг сочетается с рациональным дизайном на тех или иных этапах. Например, часто происходит первый этап, который я описал, когда скринируется библиотека и находятся исходные хиты. А вот второй этап, уже их оптимизация, часто вовлекает в себя как раз компьютерное моделирование, которое позволяет предсказать, какие группы можно насадить на исходное вещество для того, чтобы улучшить исходные свойства и избавиться от исходных плохих свойств. Здесь активно используется компьютерное моделирование. […] Другое ограничение компьютерного моделирования как подхода состоит в том, что вы заранее ограничиваете себя одним белком. Если мы говорили о hedgehog-зависимом сигнальном каскаде, применяя это компьютерное моделирование, вы бы сказали так: хорошо, я считаю, что белок Gli, например, четвёртый основной участник этого каскада, является самым важным, и разработка веществ, которые будут связываться с ним, считается ключом к поиску, нахождению эффективных лекарств. Вы его кристаллизовали, решили его трёхмерную структуру, посадили специалистов по молекулярному докингу за суперкомпьютеры, они вам нашли нужное вещество, вы синтезировали такое вещество, подтвердили его активность. Затем даёте его в культуру клеток или организм, оказывается, что оно недостаточно эффективно, менее, чем вы ожидали. А если вы исходно в качестве мишени используете не один белок, а весь путь сигнальный, то ваши шансы на то, что вы найдёте эффективно работающее вещество, которое вы сможете довести до лекарства, повышаются. […] Очень часто, когда вы проводите скрининг, используя в виде мишени целый сигнальный путь, вы находите очень неожиданные вещи, а именно: вы находите вещество, которое очень эффективно подавляет этот сигнальный каскад. Затем вы начинаете исследовать, на что же оно, собственно, действует. И оказывается, что оно действует не на первое, не на второе, не на третье, не на четвёртое из тех веществ, которые вы ожидали, тех белков, которые вы ожидали, а на белок, который вообще был совершенно нов и не известен своим участием в этом сигнальном каскаде».
«Эти пять сигнальных путей – они в различной степени активны в разных участках взрослого организма. Например, вот Wnt-зависимый сигнальный каскад – он реактивируется у беременных женщин в молочной железе. Увеличение количества молокопроизводящих клеток, которое необходимо для питания младенца, происходит при новом запуске Wnt-зависимого сигнального каскада. Здесь момент очень тонкий, потому что, с одной стороны, этот каскад нужен для нормального функционирования, жизнедеятельности человека, а с другой стороны, если он переактивирован или активируется не тогда, когда женщина беременна, а тогда, когда она вроде бы нормальна… в смысле, pardon, не беременна, то тогда как раз у вас оказывается высокий риск развития рака, и 50 процентов всех случаев рака молочной железы как раз связаны с активацией Wnt/Frizzled-зависимого сигнального каскада».
«Всё большую популярность набирает идея персонализации лекарств, как минимум выраженная в том, что каждому больному необходима выработка… подбор определённой дозы. То есть если стандартно всей группе больных даётся одна и та же доза, то идея состоит в том, что, прежде, чем давать лекарство, нужно провести определённые исследования, анализы, когда вот этому больному дозу нужно давать в два раза больше, чем в норме, а этому, наоборот, достаточно дозы в два раза меньше. Это также относится к сочетанию лекарств. Эта идея, повторюсь, набирает популярность, я не могу сказать, насколько она широко используется в повседневной медицинской практике, я думаю, что нешироко. Но, наверное, будет использоваться всё больше и больше».
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
16.11.2010