Сделано из живого

Человек – часть природы, и он всегда искал в ней средства от болезней. Даже некоторые животные способны «лечить» себя, поедая растения. Такое самолечение называют зоофармакгнозией. В 1996 году биолог Майкл Хаффман (Michael Huffman) наблюдал в Танзании за шимпанзе, зараженным паразитами и страдающим запором. Примат жевал листья ядовитого растения, которого обычно избегал, а на следующий день выздоровел.

Первые лекарства, созданные человеком, тоже были натурального происхождения. Попытки лечить болезни травами, глиной и другими средствами начались, вероятно, еще в палеолите. В XX веке произошла лекарственная революция – в ее результате нас и сегодня лечит природа, но уже не только с помощью растительных экстрактов. Дело в биопрепаратах – лекарственных средствах, полученных с помощью живых организмов.

Шимпанзе ест растение из семейства Phytolaccaceae, известное своими терапевтическими свойствами и используемое в фармацевтической промышленности. Фото: J.-M. KRIEF, lapresse.ca

Какие бывают лекарственные препараты?

Органические молекулы, которые используются в качестве активных веществ, можно разделить на два класса – малые и большие. Их можно рассматривать и как два поколения лекарственных средств. У малых сравнительно низкая молекулярная масса, до 900 Дальтон. Именно они лежат в основе почти всех лекарственных средств на сегодняшнем рынке. К ним относятся и вторичные метаболиты растений, бактерий и грибов, которые человек использовал в качестве лекарств. Вторичными их назвали, потому что для жизни организмов они не необходимы, так как не участвуют в росте или развитии. Таким метаболитом является антибиотик пенициллин, помогающий плесени избавиться от бактерий-конкурентов. Другие примеры – статины, сдерживающие образование новых атеросклеротических бляшек, и кортикостероиды – аналоги природных стероидов, подавляющие воспалительный процесс.

Именно с малых молекул в XIX веке началась современная фармакология: в 1897 году Феликсом Хоффманом был синтезирован аспирин, первое синтетическое лекарственное вещество. Синтез маленьких молекул прост, иногда он сводится к одной реакции. Поэтому вещества из этой группы называют химическими препаратами, противопоставляя биопрепаратам.

За более чем столетнюю историю исследования малые молекулы нашли применение и в противоопухолевой терапии, в том числе и таргетной – когда терапевтическая молекула не просто сдерживает размножение всех быстроделящихся клеток, а избирательно блокирует конкретные механизмы роста и деления раковой клетки. Благодаря этому достигается более высокая эффективность и реже возникают побочные эффекты. Так работают иматиниб, вемурафениб и другие препараты, всего их более тридцати.

Иллюстрация: Hakan Mellstedt, researchgate.net

Биопрепараты или большие молекулы

Многие термины в биологии и медицине не имеют однозначной интерпретации. Это касается и биопрепаратов (больших молекул): непонятно, относить ли к ним кровь и ее компоненты, тканевые и органные трансплантаты, стволовые клетки. Мы будем придерживаться классификации, согласно которой к биопрепаратам относятся молекулы весом более 900 Дальтон, полученные методами биотехнологии с помощью живых организмов. А клеточную и генную терапию рассматривать отдельно, а не как биопрепараты, хоть они и тесно переплетаются.

Что же отличает биопрепараты (большие молекулы) от классических малых? Конечно, не только масса и размер. Прежде всего, способ производства: биопрепараты получают из живых организмов или с их помощью. Иногда они сложны настолько, что их производство состоит из сотен этапов.

Рекомбинантная ДНК – основа биопрепаратов

Большинство биопрепаратов: гормоны, антитела, интерфероны, ферменты, рекомбинантные вакцины – имеют белковую природу. Белки – это зачастую огромные молекулы, состоящие из сотен аминокислот. У них сложнейшая структура, и химический синтез большинства из них невозможен. Лучшая фабрика по производству белков – рибосома: органелла, присутствующая в любой живой клетке. В ней всю работу по производству новых белков выполняют другие белки, ферменты. Человеку же остается только создать условия для их работы и любоваться результатом. Важнейшие ферменты – аминоацил-тРНК-синтетазы, соединяющие аминокислоты в цепь. Но как заставить клетку синтезировать необходимый человеку белок? Для этого используют рекомбинантную ДНК.

ДНК – это молекула, состоящая из четырех видов мономеров, нуклеотидов. Их обозначают буквами А, Т, Г, Ц, и различные их комбинации содержат инструкцию (ген) по созданию белков любого организма. С помощью генной инженерии можно добавить новые инструкции в ДНК. Необходимый ген получают, вырезая из ДНК. Например, это может быть ген, ответственный за синтез белка инсулина. Затем нужный ген внедряют в ДНК, чаще всего используют кольцевую бактериальную ДНК. Эти этапы также проводят с помощью ферментов – рестриктаз и лигаз. Полученную рекомбинантную ДНК, то есть ДНК бактерии + нужный нам ген, внедряют в клетку бактерии-хозяина (или даже клетки млекопитающих). На этом генная инженерия заканчивается. Отбирают клетки, которые успешно прошли трансформацию, обеспечивают им необходимые условия для деления и синтеза белка, а затем физико-химическими методами выделяют полученный белок.

Гормоны

Первым рекомбинантным белком стал инсулин, полученный в 1978 году. Клеткой-хозяином послужила кишечная палочка E. Coli, а в 1982 году продукт выпустили на рынок под названием хумулин (human – человек). Препарат стал революционным: до этого инсулин получали из поджелудочных желез свиней. При этом приходилось уделять много внимания очистке инсулина от примесей, содержащихся в животном сырье. Кроме того, свиной инсулин отличается от человеческого на одну аминокислоту. С помощью химических методов ее можно заменить на «человеческую», но биотехнологическое получение эффективнее. Хотя животные инсулины применяются до сих пор, они гораздо чаще вызывают аллергические реакции – от 5 до 30 % случаев для разных препаратов. Это связано с тем, что обеспечить высокую чистоту – сложно и дорого. Иммунный ответ вызывают оставшиеся белковые примеси.

За последние 30 лет созданы различные модификации инсулина. Они производятся так же, как и обычный, но с помощью генной инженерии изменяют состав молекулы, а с ней и свойства препарата. Можно отметить гларгин, в котором заменены две аминокислоты, – у него пролонгированное действие, и он активен около суток. Другая модификация, инсулин деглудек, обеспечивает более ровную концентрацию на всем периоде действия и работает до двух суток и более. Такие препараты позволяют реже производить инъекции, не опасаясь побочных эффектов: гипер- или гипогликемии.

Еще один гормон, который нам подарила биотехнология, – это гормон роста соматотропин. До 1985 года его получали из гипофизов умерших людей, из-за чего препарата на рынке было крайне мало, и он применялся в исключительных случаях – чаще всего для лечения идиопатической низкорослости у детей. В 1985 году среди людей, которые 10–15 лет назад получали такой гормон, были обнаружены случаи болезни Крейтцфельдта-Якоба. Это заболевание вызывается прионами и часто встречается в племенах, практикующих каннибализм. После этого трупный соматотропин отозвали с рынка и больше не применяли. Уже в том же году впервые был получен рекомбинантный гормон роста и разработан соматотропин с замедленным высвобождением. Он позволял делать инъекции 2–4 раза в месяц вместо ежедневного применения. Однако его перестали выпускать из-за финансовой неэффективности, поэтому сейчас на рынке есть только классический рекомбинатный гормон роста.

Большинство известных инфекций вызывают бактерии, грибы, вирусы и простейшие. Но в 1982 году были открыты совершенно иные инфекционные агенты – прионы. Удивительно, что они являются не живыми организмами, способными размножаться, дышать и питаться, а всего лишь белковыми молекулами. При проникновении в организм они ломают структуру здоровых белков, и те теряют свою функциональность. Такой же механизм лежит в основе нейродегенеративных заболеваний, например, болезни Альцгеймера. Прионные заболевания поражают нервную систему, имеют примерно те же симптомы, что и нейродегенеративные болезни, и часто смертельны.

Ферменты

У этих катализаторов химических реакций в живых клетках тоже белковая природа. Они участвуют во всех процессах нашего организма: копировании ДНК, пищеварении, синтезе белков. О связи между ферментами и наследственными болезнями догадались еще в начале XX века. Если в результате какой-то мутации меняется последовательность гена, то может измениться и последовательность аминокислот в белке. Это иногда приводит к снижению его активности. Один из примеров – фенилкетонурия. При этом заболевании нарушается метаболизм аминокислоты фенилаланина, накапливаются токсины, в норме не образующиеся в организме. В результате появляются тяжелейшие психические отклонения. Сегодня фенилкетонурия лечится низкобелковой диетой, но на подходе и генная терапия, и рекомбинантная фенилаланин-4-гидроксилаза. Сейчас препарат на последних стадиях клинических испытаний.

Ферменты (в том числе и рекомбинантные) применяются и в промышленности и кулинарии. Например, для удаления белков с поверхности контактных линз, производства сыров, пива и фруктовых соков.

Еще один недуг, который мы лечим рекомбинантными ферментами, – муковисцидоз или кистозный фиброз – системное наследственное заболевание. При нем у человека поражены железы внешней секреции, нарушены функции органов дыхания и кишечника. Для симптоматической терапии этой болезни применяют рекомбинантную человеческую дорназа-альфу. Препарат вводят с помощью небулайзера (устройство для проведения ингаляции), и он улучшает функцию легких пациентов. Природный аналог фермента в норме содержится в крови человека и расщепляет внеклеточную ДНК. При муковисцидозе у больных в бронхах накапливается вязкий гнойный секрет с высоким содержанием ДНК. Ее расщепление дорназой-альфа уменьшает вязкость, облегчая его откашливание.

В косметологии тоже используются рекомбинантные ферменты: гиалуронидаза (против посттравматических отеков и для расщепления филлеров), коллагеназа (для борьбы с рубцами), липаза (для уменьшения жировой ткани), кератиназа (при пилинге).

Лечение рака с помощью моноклональных антител

Антитела – еще один вид белков, продукт нашей иммунной системы. Моноклональные антитела отличаются от поликлональных тем, что их получают из одной клеточной линии. Они являются клонами друг друга, восходя к одной клетке-прародительнице, и нацелены на конкретную мишень. В организме каждое природное антитело связывается только с одним антигеном. Когда это происходит, иммунная система получает сигнал, запускающий программу уничтожения вражеского организма. В случае опухолей ее выполняют Т-киллеры, один из видов клеток иммунной системы лимфоцитов. Т-киллер можно «выключить», заблокировав рецептор PD-1 (рецепторы, кстати, тоже белки). Этот механизм нужен, чтобы избежать атаки иммунитета на свой же организм. Многие раковые клетки умеют скрываться от иммунной системы с помощью белка PD-L1, притворяясь клетками организма. PD-L1 блокирует рецептор PD-1. Именно с этим борются моноклональные антитела. Так, биопрепарат атезолизумаб связывается с PD-L1 опухоли и блокирует его взаимодействие с рецепторами PD-1 антитела. В результате Т-киллеры снова «видят» опухоль и убивают ее.

Есть и другие противоопухолевые моноклональные антитела, не только иммунотерапевтические. Например, трастузумаб – средство против агрессивной формы рака молочной железы. Повышенная экспрессия гена ERBB2 (соответствующий белок – HER2) ассоциирована с агрессивностью опухоли и неблагоприятным прогнозом. Функция HER2 состоит в регуляции роста и деления клеток. В здоровой клетке есть две копии гена этого белка, в раковой – намного больше. Это приводит к нарушению регуляции роста клеток, быстрому увеличению опухоли и устойчивости к гормональной и химиотерапии. Трастузумаб, как троянский конь, доставляет в HER-2-позитивные клетки токсин эмтанзин. Он препятствует синтезу белка тубулина, из которого построены микротрубочки, образующие цитоскелет клетки и обеспечивающие расхождение хромосом во время деления. В результате раковая клетка оказывается не способна делиться и расти. В 1998 году трастузумаб был одобрен под коммерческим названием «герцептин».

Ученый держит стеклянную бутылку, в которой выращивают моноклональные антитела. Их можно неограниченно выращивать в лабораториях. Фото: Linda Bartlett, visualsonline.cancer.gov

Биопрепараты используются в терапии уже больше сорока лет. За это время они полностью изменили медицину, отменив многим смертельный приговор. Например, моноклональные антитела спасли экс-президента США Джимми Картера от четвертой стадии меланомы с метастазами в головном мозге. Рекомбинантный фермент дорназа-альфа – важнейший препарат для больных муковисцидозом без аналогов. Бич европейских монархов – гемофилия – сегодня не является проблемой: рекомбинантные факторы свертываемости позволяют больным вести нормальный образ жизни. Биопрепараты делают невозможное возможным, это настоящая магия, которая и не снилась алхимикам Средневековья. Но и магия не может быть лишена недостатков.

Один из главных – крайне высокая стоимость многих биопрепаратов. Часто их невозможно купить без поддержки государства или благотворительных фондов. В последние годы из-за того, что истекают сроки патентов на оригинальные разработки, начали выпускать более дешевые аналоги популярных биопрепаратов. Разработка аналога при этом стоит в 5–10 раз меньше, чем разработка оригинального лекарства.

Малые терапевтические молекулы, как правило, не вызывают иммунного ответа, в отличие от огромных молекул биопрепаратов. Из-за этого пациентам и врачам приходится сталкиваться с разнообразными побочными эффектами, иногда смертельными. Например, люди, проходящие терапию биопрепаратами, немного более склонны к развитию серьезных инфекций.

Крупные молекулы не проходят через гематоэнцефалический барьер, который защищает спинной и головной мозг от циркулирующих в крови токсинов, микробов и других опасных веществ и клеток. Поэтому мишени биопрепаратов в головном мозге часто все еще недоступны. Да и в целом они хуже проникают в клетки, по сравнению с малыми молекулами.

Моноклональные антитела спасли миллионы жизней, но и их потенциал не безграничен: опухоли избегают иммунных клеток другими путями. Кроме того, они не лишены побочных эффектов, как и традиционная химиотерапия.

Несмотря на все минусы, биопрепараты становятся более дешевыми, безопасными и таргетными. Недавно FDA одобрило моноклональные антитела против вируса Эболы, мигрени и еще десять биопрепаратов. В 2021 году начались продажи адуканумаба, первого за 20 лет препарата против болезни Альцгеймера. А совсем скоро нас ждет выпуск бимекизумаба против псориаза, который имеет все шансы стать лучшим лекарством от этого аутоиммунного заболевания.