О лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН и о создании новых лекарств
Замечательная статья за авторством д.х.н., проф. В.П.Краснова "С чего начинается лекарство" была опубликована 26.08.2019 в газете "Наука Урала" - http://www.uran.ru/node/5697
Я от себя добавлю (так сказать, свой взгляд). Ещё будучи студентом 2-ого курса я начал работать в Институте органического синтеза Уральского отделения Российской академии наук (ИОС УрО РАН) в лаборатории химии аминокислот, которая позже стала называться лабораторией асимметрического синтеза, под руководством заведующего лабораторией - доктора химических наук (д.х.н.), профессора Краснова Виктора Павловича.
Традиционно в нашей лаборатории занимались химической модификацией аминокислот. Аминокислоты - это «кирпичики», из которых построены белки всей живой материи. Они всегда привлекали огромный интерес учёных различных специальностей. В лаборатории профессора Краснова В.П. ранее разрабатывали противоопухолевые препараты, относящиеся к классу нитрозоалкилмочевин. Было установлено, что создание гибридной молекулы, сочетающей в своей структуре фрагмент нитрозомочевины и фрагмент аминокислоты позволяет повысить эффективность таких противоопухолевых препаратов. Фрагмент нитрозомочевины при попадании в опухолевую клетку вызывает её гибель, а фрагмент аминокислоты обеспечивает наилучший транспорт всей молекулы именно в опухолевые клетки, так как они для своего роста поглощают много аминокислот из окружающей среды (требуют много питательных веществ для своего роста). Оказалось, что наилучшими аминокислотами для таких противоопухолевых препаратов являются лизин и орнитин. На их основе было создано два препарата Лизомустин и Ормустин. В 2000 году было получено разрешение Министерства здравоохранения РФ на медицинское применение препарата Лизомустин для лечения меланомы кожи и рака лёгкого. Надо отметить, что работы по созданию Лизомустина велись в ИОС УрО РАН много лет, с 1974 года, тогда институт назывался Институт химии УНЦ АН СССР. Очень радостно, что одно соединение удалось довести собственно до лекарственного препарата.
В настоящее время в лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН совместно с коллегами-онкологами ведутся работы по созданию технологии синтеза и по доклиническому исследованию препарата Ормустин, который отличается от Лизомустина спектром действия (разные опухоли требуют разной химиотерапии).
Стоит сказать немного, почему создание нового лекарственного препарата - такой длительный и трудоёмкий процесс. Вначале химики синтезируют много новых химических соединений. Они их синтезируют не бессистемно, а исходя из теоретических предпосылок. Например, введение в молекулу определённых групп-фармакофоров обусловливает определённую биологическую активность (как правило, но не всегда). Например, как уже говорилось выше: нитрозомочевинная группа в составе молекулы органического соединения придаёт противоопухолевые свойства, фрагмент нитрофурана придаёт противобактериальные свойства (Фурагин, Фуразолидон, Фурацилин и т.д.). Кроме концепции фармакофоров в теории создания новых лекарственных средств (Drug design) используется много разных других концепций, например, компьютерное моделирование взаимодействий «вещество-мишень», правила Липински (сформулированные Кристофером Липински в 1997 году) и т.д.
Вторым этапом создания лекарства является исследование биологической активности. Этим занимаются биологии и медики. Исследования ведут или на культурах клеток, выращенных на питательной среде (так называемые методы in vitro, то есть «в стекле», «в пробирке»), или на живых организмах (in vivo). На данном этапе выявляют соединения-лидеры или хит-соединения. Затем химики в лаборатории получают эти соединения-лидеры в больших количествах (как правило, сотни граммов), разрабатывают оптимальные методы их синтеза, выделения и очистки, и передают образцы на углубленное исследование биологической активности на животных. На этом этапе кроме специфического лекарственного действия (противоопухолевого, противотуберкулёзного, противогрибкового, антигистаминного и т.д., и т.д.) биологи исследуют острую токсичность, определяют переносимость данного препарата в терапевтических дозах. Определяют оптимальную форму введения препарата в организм, так называемую лекарственную форму. Часть соединений отсеивается на этом этапе.
Химики тем временем, начинают синтезировать разнообразные новые химические соединения «вокруг» соединения-лидера. Ибо, как правило, небольшие изменения в структуре активной молекулы приводят к сохранению целевой биологической активности, но изменяют такие свойства как растворимость, биологическая доступность, фармакокинетические характеристики. За рубежом, когда патентуют биологически активные соединения, то зачастую делают так называемый «зонтичный патент», который охватывает сразу много (сотни!) близких по строению соединений, имеющих небольшие отличия в структуре. Это делается в частности для осложнения жизни конкурентам, которые могут запатентовать близкое по структуре соединение, отталкиваясь уже от известного соединения-лидера.
Доклинические испытания нового лекарства включают в себя исследование его стабильности при хранении и в растворах, исследование острой и хронической токсичности на животных и т.д.
И только лишь немногим «счастливчикам» удаётся дойти до клинических испытаний - исследования на добровольцах. Часть лекарств отсеивается и на этом этапе тоже: или специфическое лекарственное действие недостаточно выражено, или серьёзные побочные эффекты.
Но, несмотря на все эти трудности, противоопухолевый препарат Лизомустин, назначаемый при меланоме кожи и раке лёгкого, был выпущен на рынок! Первые партии субстанции Лизомустина получали в стенах ИОС УрО РАН, а затем стерилизовали и упаковывали в Москве (Лизомустин вводится в виде внутривенных инъекций). Затем передали технологию производства субстанции на завод. Поскольку это препарат для химиотерапии, то лечение им проводят в условиях стационара.
Большой вклад в создание Лизомустина внесли медики из РОНЦ им. Н.Н. Блохина РАМН (сейчас НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России).
А вот другой потенциальный противоопухолевый препарат под названием Глутасар так и не удалось довести до вывода его на рынок. Глутасар разрабатывали в ИОС УрО РАН с 1970-х годов. Он относится к классу алкилирующих противоопухолевых препаратов с азотипритной активной группой. В структуру молекулы Глутасара входит фрагмент известного противоопухолевого препарата Сарколизин и фрагмент глутаминовой кислоты, который помогает попадать Глутасару в опухолевые клетки, увеличивает селективность накопления именно в опухолевых клетках по сравнению со здоровыми. Сарколизин, нужный для получения Глутасара, ранее производился и применялся в Советском Союзе, сейчас по некоторым данным производство Сарколизина в России отсутствует, но за рубежом производится препарат Мелфалан, очень схожий с Сарколизином по структуре.
Интерес к классу алкилирующих противоопухолевых препаратов тем не менее не угас, и в лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН совместно с московскими коллегами из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН) разрабатываются наноразмерные системы доставки таких противоопухолевых препаратов (Сарколизина и Мелфалана) в опухолевую ткань.
Другим важным направлением работы лаборатории асимметрического синтеза ИОС УрО РАН является работа по созданию новых противотуберкулёзных препаратов. Работы ведутся совместно с коллегами из Уральского научно-исследовательского института фтизиопульмонологии Минздрава России (г. Екатеринбург).
Выраженную противотуберкулёзную активность в опытах in vitro показали полученные в лаборатории асимметрического синтеза конъюгаты аминокислот и коротких пептидов с пуринами. Пурины - это азотсодержащие гетероциклические соединения, довольно широко представленные в природе. Они входят в состав ДНК и РНК, в состав ферментов (например, кофермент NAD), алкалоидов (кофеин и др.), а также мочевой кислоты. Конъюгаты пуринов с аминокислотами и пептидами проявили активность против разных штаммов микобактерии туберкулёза, в том числе против природного штамма с множественной лекарственной устойчивостью, который был выделен у больных Уральского региона. Нами было выбрано одно соединение-лидер, испытанное in vivo на морских свинках. К сожалению, хорошая активность этого соединения против микобактерий, выращенных на питательной среде, не подтвердилась в опытах на животных, что, возможно, связано с разложением соединения в желудочно-кишечном тракте. Работы над созданием новых противотуберкулёзных соединений подобного строения продолжаются.
Поскольку среди производных пурина известны противовирусные препараты (Ацикловир, Валацикловир, Тенофовир и т.д.), то ряд синтезированных нами пуриновых соединений были протестированы на активность против вируса герпеса. Исследования проводились в Национальном исследовательском центре эпидемиологии и микробиологии имени почётного академика Н. Ф. Гамалеи Минздрава России (НИЦЭМ им. Н. Ф. Гамалеи Минздрава России) и в Научно-исследовательском институте вирусологии им. Д. И. Ивановского РАМН. Некоторые полученные нами соединения по своей активности против вируса герпеса не уступают препаратам сравнения. Работы в этом направлении продолжаются.
Финансовую поддержку исследований производных пурина нам оказывает Российский научный фонд (РНФ), созданный в конце 2013 года. На деньги РНФ мы закупаем химические реактивы, растворители, кое-какое оборудование для органического синтеза и лабораторную посуду. Одним из требований РНФ является публикация результатов исследований в высокорейтинговых мировых научных журналах, что подстёгивает нас соответствовать в своей работе мировому уровню.
Возвращаясь к истории лаборатории асимметрического синтеза, хочется вернуться в 1990-е годы, когда российская наука переживала не лучшие времена из-за недофинансирования. В те годы был заключён контракт с южнокорейской фирмой Самсунг по разработке метода синтеза Левофлоксацина - мощного противобактериального препарата фторхинолонового ряда. Уральские химики решили поставленную перед ними задачу, совместно с корейцами получили патент на метод синтеза Левофлоксацина. В начале 2010-х годов в рамках стратегии «Фарма-2020» было решено вернуться к тематике синтеза Левофлоксацина и разработать собственную (российскую и защищённую патентами) технологию производства данного препарата. Большая роль в этих исследованиях принадлежит директору ИОС УрО РАН академику Валерию Николаевичу Чарушину, который был идейным вдохновителем этой работы и плотно её курировал. Работы проводились совместно с Химико-технологическим институтом (ХТИ) УрФУ - часть стадий многостадийного синтеза проводили в ИОС УрО РАН (лаборатория гетероциклических соединений и лаборатория асимметрического синтеза), часть - на кафедре органической химии ХТИ УрФУ. Крупнолабораторный метод синтеза Левофлоксацина был разработан и защищён патентами. То есть сейчас в России есть собственная технология производства Левофлоксацина. Однако данная технология к сожалению экономически менее эффективна, чем существующие зарубежные технологии, и в настоящее время дешевле закупать Левофлоксацин за рубежом.
Из контракта с Самсунгом родилось ещё одно важное направление, развиваемое в лаборатории асимметрического синтеза УрО РАН уже более 20-и лет, - исследования в области так называемого кинетического разделения. Это направление научных исследований тесно связано с такими фундаментальными понятиями как хиральность и оптическая активность. Хиральными называют органические соединения, молекулы которых могут существовать в виде так называемых энантиомеров (ранее их называли оптическими антиподами). Энантиомерные молекулы относятся друг к другу как предмет и его зеркальное отображение, которые не совпадают друг с другом (как правая и левая ладони). Само явление существования таких оптических антиподов называется хиральностью. Это явление широко распространено в живой природе. Практически все природные аминокислоты относятся к L-ряду, а природные сахара, напротив, к D-ряду. А поскольку ферменты имеют белковую природу, то есть построены из фрагментов аминокислот, то разные энантиомеры реагируют по-разному с тем или иным ферментом и, следовательно, имеют разную биологическую активность. В этой связи необходимо вспомнить историю препарата Талидомид, который продавался в Европе с 1956 по 1962 годы в виде рацемата (смеси двух энантиомеров) в качестве успокоительного средства, разрешённого даже беременным. Однако когда стали появляться дети с врождёнными уродствами, то было выяснено, что один из энантиомеров Талидомида обладает мощным тератогенным эффектом (вызывает уродства плода). В настоящее время при разработке новых лекарств, которые могут существовать в виде смеси энантиомеров, исследуют их нежелательное действие (токсичность, тератогенность, канцерогенность и т.д.) каждого энантиомера по отдельности. В связи с этим возникает необходимость разделения энантиомеров химическими методами, что, однако, довольно трудно. Для разделения энантиомеров используют хроматографические колонки с хиральным сорбентом, когда энантиомеры сорбируются по-разному, а также метод кинетического разделения, когда энантиомеры реагируют с разной скоростью с каким-либо химическим веществом. Последний метод и получил развитие в лаборатории асимметрического синтеза. По этой теме было защищено несколько кандидатских диссертаций, написано много научных статей, издана книга на русском языке и глава в книге на английском языке.
Другим методом получения индивидуальных энантиомеров служит асимметрический синтез, когда хиральность возникает в ходе химической реакции под действием какого-либо оптически активного предшественника. Существенный прогресс в развитии методов асимметрического синтеза в органической химии был достигнут в последние несколько десятилетий. Лаборатория асимметрического синтеза ИОС УрО РАН тоже внесла свой вклад в эту область научного знания.
В данной заметке я не могу не упомянуть отечественный противовирусный препарат Триазавирин, рекомендованный для лечения гриппа. Триазавирин был разработан Химико-технологическим институтом УрФУ совместно с ИОС УрО РАН, а также с коллегами-вирусологами, прошёл клинические испытания и был выпущен на рынок в конце 2014 года. Реально появился в аптеках! Наша лаборатория асимметрического синтеза УрО РАН принимала участие в разработке методов анализа Триазавирина с использованием хроматографической техники. В настоящее время ведутся работы по созданию соединений, структурно близких Триазавирину, которые имеют другой спектр противовирусной активности.
В заключение хочу отметить, что именно понимание фундаментальных основ и тонких механизмов взаимодействия органических соединений позволяют разрабатывать рациональные подходы к синтезу тех или иных полезных продуктов, в нашем случае - биологически активных соединений для создания на их основе новых лекарственных средств.