Биомедицина 15 лет назад и сегодня

Илья Ясный и Пётр Власов, XXII ВЕК 

Все технологии (и биомедицинские не исключение) проходят стадию открытия, повышенных ожиданий, зачастую – спада, а затем – либо внедрения (и более трезвого отношения к ним), либо забвения, если ожидания не оправдались. Мы решили заглянуть примерно на 15 лет в прошлое (именно столько нужно биомедицинским технологиям для прохождения описанного пути), чтобы разобраться, какие из предполагаемых «прорывных» технологий начали приносить реальную пользу на сегодняшний день, а какие пока не достигли этапа практической реализации.

Взяты статьи по биологии/биотехнологиям/медицине, отобранные индексатором научных публикаций Web Of Science по следующим критериям:

Открытие в конце 1990-х явления механизма РНК-интерференции (RNAi), заключающегося в блокировании синтеза белка с определённой РНК-матрицей в случае подбора специфического (комплементарного к матрице-мишени) РНК-фрагмента («антисмысловой» РНК), было вдохновляющим событием для биомедицины. Казалось, что подбор нужных интерферирующих агентов позволит нам отключать любые гены – а значит, и соответствующие им белки – в любых клетках организма. А специфичность взаимодействия относительно длинных участков нуклеиновых кислот обеспечит высокую безопасность. Эта парадигма проецировалась, в том числе, на перспективы терапии практически любых заболеваний с помощью отключения определённых (ключевых) белков – будь то внешние патогены (бактерии и вирусы) или клетки самого человека (например, раковые).

Впоследствии были выявлены серьёзные проблемы с целевой доставкой РНК-интерферирующих молекул. Одной из проблем использования РНК в качестве терапевтического агента была её невысокая стабильность в плазме крови, где многочисленные ферменты приводят к быстрой деградации нуклеиновых кислот. Другая проблема – необходимость доставить РНК внутрь клетки, так как сильно заряженная молекула не может пройти через липидный бислой наружной клеточной мембраны. 

Решение, выглядящее очень перспективным, было подобрано довольно быстро – использование вирусных носителей, специфически «нацеленных» на нужные клетки. 

[1]: Rubinson et al., A lentivirus-based system to functionally silence genes in primary mammalian cells, stem cells and transgenic mice by RNA interference // Nat Genet. 2003. 

[2]: Yu et al., RNA interference by expression of short-interfering RNAs and hairpin RNAs in mammalian cells // PNAS 2002.

Другой способ – упаковка РНК в наношарики, которые защищали бы её от разрушения ферментами и обеспечивали проникновение в клетки.

Однако большинством препаратов, дошедших до фазы 3 клинических исследований, были обычные молекулы РНК, защищённые от деградации ферментами химической модификации.

Дальше разработчиков ждало разочарование за разочарованием. Оказалось, что РНК-препараты слишком токсичны. Даже длины в 20–30 нуклеотидов недостаточно для полной селективности по отношению к целевой РНК, и среди трёх миллиардов пар нуклеотидов в геноме человека обязательно найдутся другие мишени, связывание с которыми вызывает неприятные побочные эффекты. Кроме того, некоторая деградация РНК всё же происходит, и короткие с ещё большей вероятностью вызывают побочные эффекты. В итоге почти все те немногие препараты, что дошли до рынка, были с него отозваны, и сейчас на стадии регистрации находится только два препарата, лечащие мышечную дистрофию Дюшенна – редкое заболевание, связанное с дисфункцией белка дистрофина, компонента мышечных волокон. Данные RNAi-агенты не являются классическими интерферирующими РНК – они связываются с мРНК, кодирующей дистрофин, и заставляют рибосому пропускать неработающий участок. В результате в клетках больных людей начинает синтезироваться функционально активный дистрофин, и симптомы болезни облегчаются.

Возможно, в будущем проблемы с неспецифичным связыванием РНК и недостаточно адресной доставкой будут решены и мы увидим больше специфических препаратов на основе RNAi.

Наглядный материал

Вскоре после технологических прорывов, позволивших создавать объекты наномасштаба и оперировать ими, выяснилось, что наночастицы – особенно оксиды железа и некоторых других металлов – обладают высочайшей проникающей способностью в отношении клеток живых организмов. Предполагалось, что раковые клетки способны к более активному – в сравнении со здоровыми клетками – поглощению таковых частиц. Если частицы изготовлены из проводящего материала, то последующее воздействие мощного высокочастотного электромагнитного поля вызывает сильный нагрев частиц, что разрушает содержащие их клетки. Следует отметить, что нагрев нежелательных клеток/тканей – так называемая гипертермия – и раньше использовался в клинической практике, в том числе, в онкологии, но именно с появлением наноматериалов этот метод терапии стал выглядеть очень перспективным.

[3]: Johannsen et al., Magnetic fluid hyperthermia (MFH)reduces prostate cancer growth in the orthotopic Dunning R3327 rat model // Prostate 2005.

[4]: Latorre M, Rinaldi C, Applications of magnetic nanoparticles in medicine: magnetic fluid hyperthermia // P R Health Sci J. 2009.

[5]: Jain et al., Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: applications in biological imaging and biomedicine // J Phys Chem B 2006.

На сегодняшний день можно констатировать, что этот подход пока не вызвал революцию в лечении рака. Как это часто бывает, результаты исследований на клетках и на животных плохо переносятся на человека, хотя некоторые успехи в ранних клинических исследованиях и были достигнуты: 

[6]: Johannsen et al., Magnetic nanoparticle hyperthermia for prostate cancer // Int J Hyperthermia 2010

[7]: Johannsen et al., Thermotherapy of prostate cancer using magnetic nanoparticles: feasibility, imaging, and three-dimensional temperature distribution // Eur Urol. 2007

[8]: Maier-Hauff et al., Efficacy and safety of intratumoral thermotherapy using magnetic iron-oxide nanoparticles combined with external beam radiotherapy on patients with recurrent glioblastoma multiforme // J Neurooncol. 2011

Главной проблема клинического применения оказалась неизбирательность проникновения наночастиц в опухоль, неравномерное или неполное проникновение частиц в опухоль и сложность стандартизации самой процедуры. Оказалось, что для избирательной доставки частиц в опухоль недостаточно просто ввести их в кровоток, нужно либо вводить их прямо в опухоль, либо снабжать антителами, которые адресно направят их в опухоль. И то, и другое улучшение обладает своими недостатками и прибавляет сложности процедуре.

[9]: Dutz S, Hergt R. Magnetic particle hyperthermia--a promising tumour therapy? // Nanotechnology 2014

В итоге на настоящий момент другие способы лечения рака, о некоторых из которых речь пойдёт ниже, оказались более перспективными и развиваются быстрее.

Наглядный материал

Далее представлены несколько терапевтических решений, объединённых единством подхода: после выбора конкретной белковой мишени, чья функция важна в регуляции биохимии некоторого заболевания, к этому белку подбираются антитела, то есть тоже белковые молекулы, специфически связывающиеся с мишенью, блокирующие её функцию, меняющие ход биохимических реакций и – в идеале – останавливающие развитие болезни. 

Попытки лечить различные патологии антителами предпринимались начиная с 1960-х гг., однако использование этого подхода в терапии увенчалось успехом лишь после появления методов, «подменяющих» в выращиваемых антителах заметную их часть на человеческую – иначе антитела, полученные не в человеческом организме, сами по себе вызывают иммунный ответ у пациента, чья иммунная система распознаёт антитела как чужеродный (а значит, наверняка вредный) белковый объект. Именно потому антитела, модифицированные «подменой» своих «строительных блоков» под человеческие, получили название «гуманизированные» – «очеловеченные». В настоящее время разработаны и применяются подходы для получения полностью человеческих антител «в пробирке», минуя стадию иммунизации животных.

Бевацизумаб, препарат, впоследствии получивший медицинское название Авастин (Avastin), был плодом попыток заблокировать активность белка – эндотелиального фактора роста сосудов (vascular endothelial growth factor, VEGF), давно выбранного учёными в качестве перспективной мишени в терапии рака. Дело в том, что упомянутый белок является ключевым регулятором роста сосудов, ангиогенеза – а этот процесс активно идёт при развитии и метастазировании раковых опухолей.

[10]: Hurwitz et al., Bevacizumab plus irinotecan, fluorouracil, and leucovorin for metastatic colorectal cancer // N Engl J Med 2004

Препарат после выхода на рынок стал «блокбастером» (то есть его ежегодные продажи превысили $1 млрд) и вошёл в стандарты терапии ряда онкологических заболеваний поздней стадии: рака толстой и прямой кишки, лёгкого, почки, яичника, молочной железы и некоторых других. Исследования Авастина в различных сочетаниях активно продолжаются. Однако сейчас уже понятно, что, несмотря на то, что у части пациентов Авастин вызывает остановку роста опухоли или даже её регресс, затем у некоторых их них наступает мощный рецидив, который уже ничем не лечится. Видимо, под действием Авастина в опухоли, лишённой питательных веществ, происходит отбор наиболее злокачественных популяций раковых клеток. Кроме того, применение Авастина связано с довольно тяжёлыми побочными эффектами (так как VEGF играет роль в нормальном функционировании кровеносных сосудов и залечивании ран) – тромбозами, гипертонией и кровотечениями, особенно в желудочно-кишечном тракте. Из-за того, что риск побочных эффектов перевесил потенциальную пользу у женщин с раком молочный железы, FDA не рекомендует больше применять Авастин по этому показанию.

Рецептор эпидермального фактора роста (epidermal growth factor receptor, EGFR) стал мишенью для терапии рака, когда выяснилось, что сверхэкспрессия или просто повышенная активность этого белка (например, вследствие мутаций) посылает в клетки сигнал о неограниченном делении, и что именно такой сигнальный каскад активирован во многих типах рака. Первым широко используемым препаратом-блокатором обсуждаемой мишени стал Цетуксимаб (Cetuximab), известный также под торговым названием Эрбитукс.

[11]: Cunningham et al., Cetuximab monotherapy and cetuximab plus irinotecan in irinotecan-refractory metastatic colorectal cancer // N Engl J Med 2004

Эрбитукс и его более поздний аналог Panitumumab (Vectibix, Вектибикс) заняли довольную большую нишу в терапии раков, экспрессирующих EGFR, – в первую очередь, при раке головы и шеи, а также при раке толстой и прямой кишки. Этот подход оказался неэффективным при терапии рака лёгкого и поджелудочной железы. Применение анти-EGFR антител связано со своими побочными эффектами – в первую очередь, дерматологическими, такими как чесотка, конъюнктивит, дерматиты, кожные инфекции, так как EGFR необходим для нормального функционирования и обновления кожных и эпителиальных покровов.

Белок Her2 – тирозиновая протеинкиназа рецептора эпидермального фактора роста – играет ключевую роль во множестве клеточных сигнальных каскадов, а дисбаланс этих каскадов может привести к развитию некоторых типов рака. В 90-е годы, когда выяснилось, что повышенная экспрессия Her2 свойственна большой доле случаев рака молочной железы у женщин, начались работы по получению целевых антител к данному белку. В 2000 гг. начались активные клинические испытания этих антител в комбинации с химиотерапией. Первым антителом такого типа, вышедшим в широкую практику, стал препарат Трастузумаб (Герцептин).

[12]: Slamon et al., Use of chemotherapy plus a monoclonal antibody against HER2 for metastatic breast cancer that overexpresses HER2 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11248153 // N Engl J Med 2001

Герцептин стал блокбастером благодаря своей эффективности в лечении рака молочной железы, экспрессирующего HER2, однако у него есть и недостатки: на лечение отвечают далеко не все пациентки, его применение способно вызвать сердечную недостаточность, и со временем у многих вырабатывается устойчивость к препарату и опухоль снова начинает расти – происходит отбор на клетки, не экспрессирующие HER2. Тем не менее, Герцептин стал большим шагом вперёд по сравнению с обычной химиотерапией, позволив продлить жизнь многим пациенткам и улучшив её качество.

Как оказалось, белок, носящий название «фактор некроза опухоли – альфа» (Tumor Necrosis Factor alpha, TNF-alpha), изначально выявленный – как нетрудно догадаться по названию – в качестве важного регулятора процессов онкогенеза, ответственен за работу иммунных Т-клеток в целом, и является ключевым регулятором их активации при остром и хроническом воспалении. Подбор антител, способных специфически подавлять активность этого белка, обещал стать перспективным терапевтическим подходом. 

[13]: Ehrenstein et al., Compromised Function of Regulatory T Cells in Rheumatoid Arthritis and Reversal by Anti-TNFα Therapy // J Exp Med 2004

Начиная с 2000-х гг. для лечения ревматоидного артрита было зарегистрировано три антитела, связывающие TNF-alpha, – Инфликсимаб (Ремикейд), Адалимумаб (Хумира) и Этанерцепт (Энбрел).

Все они также получили регистрацию по псориазу, а Ремикейд и Хумира – ещё и по воспалительным заболеваниям кишечника. Упомянутые заболевания относятся к аутоиммунным – то есть иммунная система организма атакует его собственные белки, что приводит к хроническому воспалению и повреждению тканей и органов. В случае ревматоидного артрита повреждаются в основном суставы, в случае псориаза – кожа, а воспалительные заболевания кишечника поражают толстый и тонкий кишечник. Все их объединяет присутствие повышенных количеств TNF-alpha в месте поражения и кровотоке.

Все анти-TNF-агенты обладают тяжёлыми побочными эффектами, поэтому показаны только на 3-й – 4-й линии терапии у пациентов со средним или тяжёлым течением заболевания (обычно после нестероидных противовоспалительных, кортикостероидов, иммуносупрессоров). Тем не менее, препараты замедляют развитие болезни, и польза от них настолько превышает риск, что уже несколько лет подряд они занимают три верхних строчки в перечне лекарств с максимальными годовыми продажами (суммарные продажи этих трёх препаратов превышают $20 млрд).

Наглядный материал

Препарат, известный также под названием «Гливек», стал воплощением парадигмы так называемого «рационального дизайна лекарств». Этот подход стал возможен относительно недавно, с новым витком развития молекулярной биологии, физики и химии. Суть его в следующем: зная детали биохимических каскадов в клетках и участвующих в них белковых агентов, возможно подобрать структуру вещества так, чтобы оно связывалось с конкретными белками-мишенями и регулировало их активность в частности и соответствующие каскады в целом. Изучение активности белков в некоторых типах рака дало основания рассматривать в качестве потенциальных мишеней белки семейства протеиновых киназ. Первоначальный экспериментальный скрининг – масштабное тестирование большого количества молекул-кандидатов – позволил учёным отобрать вещества, блокирующие активность упомянутых белков. Последующая модификация и улучшение ингибирующих свойств привели в конце 90-х к появлению обсуждаемого препарата. 

[14]: Capdeville et al., Glivec (STI571, imatinib), a rationally developed, targeted anticancer drug // Nat Rev Drug Discov 2002

Создание Гливека позволило перевернуть терапию тяжёлых онкологических заболеваний крови, например, хронической миелогенной лейкемии и острого лимфобластного лейкоза. Эти заболевания возникают из-за хромосомной аберрации, вследствие которой в клетках костного мозга возникает белок Bcr-Abl, представляющий собой химеру двух белков, и приводящий к онкологическому перерождению клетки. Гливек был создан специально для того, чтобы блокировать активность этого белка, что позволило бороться не просто с быстро делящимися клетками, как это делает химиотерапия (убивающая, в том числе, и нормальные клетки), а – прицельно – со злокачественными клетками, ибо только они несут мутантный Bcr-Abl. Конечно, как первый опыт такого рода, Гливек оказался несовершенным, так как подавлял не только Bcr-Abl, но и ряд других белков, вызывая свои побочные эффекты. Однако он открыл дорогу целому ряду препаратов, созданных по тому же принципу.

Наглядный материал

Появившись под названием Сиролимус (Sirolimus), этот препарат природного (бактериального) происхождения изначально использовался как противогрибковый. Но впоследствии спектр его потенциальных активностей сильно расширился. В 2000 гг. исследователи обратили внимание на способность рапамицина подавлять ангиогенез – рост сосудов. Этот процесс особенно интенсивно идёт в раковых опухолях. Как выяснилось, рапамицин, ингибируя внутриклеточный белок mTOR, блокирует активность ключевого белка ангиогенеза, уже упомянутого нами ранее белка VEGF, а также угнетает активность иммунной системы. Это открыло перспективы использования рапамицина и его производных в качестве антираковых и иммуносупрессорных препаратов, в первую очередь при трансплантации, раке молочной железы, раке почки, лимфомах. 

В последние годы звучат громкие слова о достоверном эффекте продления жизни лабораторных животных с помощью этого препарата – но никаких результатов аналогичных испытаний на людях нет, что вкупе с известными побочными эффектами препарата (подавление иммунной системы, онкологические риски) даёт основания исследователям предостерегать от его использования в качестве «эликсира жизни».

[15]: Guba et al., Rapamycin inhibits primary and metastatic tumor growth by antiangiogenesis: involvement of vascular endothelial growth factor // Nat Med 2002

Амфотерицин B, антибиотик природного происхождения, был выделен и исследован ещё в 1950-е годы. Со временем выяснили, что, будучи очень большой молекулой – макроциклом – он способен встраиваться в клеточные мембраны и образовывать ионные каналы с очень высокой проводимостью. Это вызывает выход внутриклеточных компонент – в частности, таким образом можно вызвать лизис грибковых паразитов. В 2000 гг. этот препарат рассматривался как наиболее перспективный в терапии лихорадок, вызываемых грибковыми инфекциями.

[16]: Walsh et al., Liposomal amphotericin B for empirical therapy in patients with persistent fever and neutropenia. National Institute of Allergy and Infectious Diseases Mycoses Study Group // N Engl J Med 1999

[17]: Walsh et al., Voriconazole compared with liposomal amphotericin B for empirical antifungal therapy in patients with neutropenia and persistent fever // N Engl J Med 2002

[18]: Walsh et al., Caspofungin versus liposomal amphotericin B for empirical antifungal therapy in patients with persistent fever and neutropenia // N Engl J Med 2004

Несмотря на широкий список жизнеугрожающих побочных эффектов (особенно часто случаются почечная токсичность и полиорганная недостаточность), амфотерицин B и сейчас остаётся единственным средством лечения ряда системных и наиболее опасных грибковых инфекций. Позднее была разработана липосомальная форма амфотерицина B – распространённая стратегия улучшения лекарственных препаратов, состоящая в том, что молекула «упаковывается» в липосомы – шарики из липидов, внутри которых находится лекарство. Такое изменение позволило несколько снизить побочные эффекты и повысить эффективность при лечении ряда инфекций.

[19]: Moen et al., Liposomal amphotericin B: a review of its use as empirical therapy in febrile neutropenia and in the treatment of invasive fungal infections

Наглядный материал

Интерфероны были открыты в середине 20 века, и на них долгое время возлагали большие надежды как на средства лечения рака, вирусных инфекций и воспалительных заболеваний. По мере прогресса биологии и медицины стало понятно, что под названием «интерфероны» объединяются белки разных типов, однако все они выполняют сигнальную функцию при защите организма от чужеродных объектов.

Свойство интерферонов активировать иммунный ответ и приводить к уменьшению опухолей у животных, снижать у искусственно заражённых животных количество вирусных частиц дало повод утверждать, что найдено универсальное лекарство от рака и вирусных заболеваний. Конечно, как часто бывает, столь категорические заявления оказались преждевременными.

[20]: Fried et al., Peginterferon alfa-2a plus ribavirin for chronic hepatitis C virus infection

По мере исследования действия интерферонов на людях стало понятно, что как одиночные агенты они помогают далеко не всем. Кроме того, постоянное применение интерферонов невозможно, так как они вызывают эффекты, подобные гриппу и другие нежелательные явления. Если при кратковременной терапии с такими эффектами можно смириться, то для долговременного лечения, например, воспалительных заболеваний, такой препарат не подходит. Сейчас интерфероны всё ещё применяются при лечении вирусных гепатитов B и C, рассеянного склероза, некоторых видов рака, однако по мере того, как на рынок выходят всё более безопасные и эффективные лекарства, интерфероны уступают им дорогу как слишком неизбирательные. 

Наглядный материал

Рассмотренные примеры далеко не исчерпывающие – за рамками остались такие интересные и широкие темы, как тромболитики и антиоксиданты, на которые возлагали большие и не оправдавшиеся надежды при лечении инсульта; иммунотерапия рака, которая, наконец, дала реально работающие лекарства, совершившие прорыв в лечении меланомы и рака лёгких (и обещающая ещё больше); стволовые клетки, которые пока так и не позволили добиться реальных успехов. Этим темам мы постараемся посвятить следующие аналогичные обзоры.

Однако и приведённых примеров достаточно, чтобы убедиться: наибольших успехов разработка лекарств достигает в тех областях, где заложен солидный научный фундамент, где понимание механизмов развития патологий позволяет предположить, что может на них повлиять, создать модельных животных, понять, как построить программу исследований на людях. И наоборот, недостаточное понимание в настоящее время того, как работает мозг, иммунная система, как прогрессирует рак, приводит к слепым и бесплодным попыткам «нащупать» лекарство, которое по счастливой случайности сработает при болезни Альцгеймера или раке желудка. При этом, как уже говорилось выше, особенно спекулятивно звучат высказывания некоторых учёных и вообще специалистов в биомедицине и фармакологии, которые, едва открыв какой-то механизм, который им кажется важным, или, получив препарат, работающий на мышах, торопятся сообщить, что они нашли лекарство от старения или от рака. 

Надеемся, что эта статья поможет читателем более трезво относиться к таким смелым прогнозам, но и даст повод для оптимизма в отношении прогресса биомедицины в будущем.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

05.11.2015