Статья. «Фармацевтический скрининг в России: прямой или обратный?» (О.В.Корзинов, К.В.Балакин, А.А.Иващенко) («Ремедиум», 2007, N 12)

«Ремедиум», 2007, N 12

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СКРИНИНГ В РОССИИ:
ПРЯМОЙ ИЛИ ОБРАТНЫЙ?

Россия берет курс на развитие наукоемких секторов экономики. Несмотря на то, что масштабный проект под названием «Нанотехнологии» является бесспорным фаворитом высокотехнологической гонки, имеющей своей целью переход к инновационному развитию страны, поддержка развития «наук о живом» также принадлежит к числу приоритетных направлений.

В ТОЧКЕ БИФУРКАЦИИ

Одной из самых существенных областей «наук о живом» — и по объему производства, и по социальной значимости — является разработка лекарств. В мировой индустрии принято разделять лекарственные субстанции (ЛС) на две большие группы. В первую группу входят ЛС, представляющие собою биологические макромолекулы (например, антитела, рибозимы, антисмысловые олигонуклеотиды) или их модифицированные производные. Ко второй обычно относят низкомолекулярные лекарства, как правило, синтетического происхождения. Разработкой больших биомолекул занимаются биотехнологические компании, разработкой малых молекул — фармацевтические. В настоящей статье речь пойдет о втором типе ЛС, хотя в большинстве случаев выводы и заключения могут распространяться на все лекарства, независимо от их специфики, т.к. эволюционный путь разработки всех ЛС начинается с исследований на уровне молекул и клеток, а конечная цель состоит в терапии заболеваний и улучшении качества жизни населения. Переход к инновационной экономике неизбежно связан с коренной перестройкой многих общественных норм и институтов — законодательных, экономических и даже культурных. По стечению обстоятельств эти изменения сегодня накладываются на революционные сдвиги в другой сфере, относящейся к технологиям разработки ЛС. Фактически, мы имеем дело с феноменом создания лекарств на стыке экономических и научно-технических эпох. В соответствии с теорией развития, такое состояние знаменует переход от эволюционного развития системы, представляющего собой непрерывный нелинейный процесс, к состоянию неопределенности. В таких точках (точках бифуркации) неизбежны существенная перестройка системы и появление у нее новых целей. Причем в точке бифуркации возникает ситуация выбора одного из многих путей развития, когда возможно скачкообразное развитие системы и рождение принципиально новых сущностей. От выбора, который нам предстоит сделать в этой точке, зависит будущее отечественной фарминдустрии.

КАК РАЗРАБАТЫВАЮТ НОВЫЕ ЛЕКАРСТВА

Кратко рассмотрим некоторые особенности процесса создания новых лекарств. Для начала выясним, что именно подразумевается под понятием «новое лекарство». В международном фармсообществе обычно определяют следующие типы новых лекарств: — инновационное лекарство («innovative drug») — лекарство нового вида, обычно обладающее ярко выраженными преимуществами или сниженными побочными эффектами по сравнению с другими препаратами; — терапевтический аналог («me-too drug») — лекарство, обладающее ограниченными или весьма незначительными отличиями от существующих лекарств данного вида, но защищенное патентом; — дополнительная (расширенная) линия («line extention») — новые одобренные области применения ЛС (индикации) или улучшенная/альтернативная формуляция существующего препарата. Разработка инновационного лекарства в современной фарминдустрии — процесс длительный и дорогостоящий. Для специалистов не является секретом, что содержимое ампул или блистеров проходит путь, начинающийся с идентификации биологической мишени, проходящий через многолетние синтетические и биологические исследования в лабораториях и заканчивающийся длительным процессом регистрации в регулирующих органах. В таблице 1 показан процесс разработки инновационных лекарств в координатах «продолжительность — стоимость».

Таблица 1

Относительная стоимость и продолжительность этапов разработки фармпрепарата (источник: McKinsey & Co, Lehman Brothers, PhRMA, FDA)

                Ранние Докли-       Клинические      Регист-  Все                  этапы  нические      испытания       рация   этапы                 разра- исследо-                                                    ботки  вания    Фаза 1 Фаза 2 Фаза 3                                                                                    Длительность,  5,5     1,0     1,5    2,0    2,5     1,5   14,0   

лет

Относительная 19% 10% 15% 22% 31% 3% 100% стоимость

Если оперировать абсолютными цифрами, то затраты на вывод одного нового препарата на рынок в среднем составляют от 500 до 800 млн. долл., а длительность полного цикла разработки составляет 12-15 лет. И это далеко не предел. Необходимо отметить, что речь идет о совокупных расходах фармкомпаний при условии, что в параллельной разработке находятся сразу несколько проектов. В англоязычной литературе для обозначения принципа параллелизации проектов часто используют выражение project pipeline, или труба проектов. На рисунке 1 показано, сколько проектов необходимо инициировать, чтобы хотя бы один из них увенчался появлением финального ЛС на аптечном прилавке. Так, для выпуска всего одного лекарственного препарата фирма-разработчик должна иметь по результатам ранних этапов разработки в среднем 75 соединений-лидеров, т.е. веществ, показавших подтвержденную активность в первичных моделях биологической активности (например, на выделенных биомишенях или клетках). Исследования такого масштаба в настоящее время под силу лишь единичным крупнейшим транснациональным корпорациям. Но даже такие корпорации чаще всего предпочитают делегировать исследования ранних этапов другим, как правило, средним или малым компаниям, а сами концентрируются на предклинических и клинических испытаниях. И уж совершенно ясно, что такая стратегия малопригодна для российских разработчиков и производителей фармпродукции, переживающих сегодня далеко не лучшие времена.

Рисунок 1. Количество параллельных проектов, необходимых для вывода на рынок одного ЛС

80 75
ч
и 70
с
л 60
о

50
п
р 40
о
е 30
к

 т       20            о                           10 в       10                            5         6         5                                                                        0                                                                       Ранние     Доклини-   Фаза I  Фаза II   Фаза III               этапы      ческие              разработки  испытания

4% 10% 20% 33% 60%

вероятность успеха

«ГЕНОМНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ» И РАЗРАБОТКА ЛЕКАРСТВ

Помимо многомиллионных бюджетов, для создания инновационных лекарств необходимы огромный научный опыт и многолетняя активная научно-исследовательская деятельность как академического сообщества, так и представителей отраслевой прикладной науки. Не секрет, что с 90-х годов прошлого века российские научные школы были больше заняты процессом поиска средств для выживания, нежели разработкой новых лекарств. НИИ и государственные лаборатории, проводившие работу в данном направлении, за последние два десятилетия в значительной степени утратили свой потенциал, а все, что можно назвать новыми разработками, было получено благодаря заделу, оставшемуся еще с советских времен. Казалось бы, рассчитывать на быстрое создание отечественных инновационных лекарств не приходится. Но так ли это на самом деле? Существует значительное количество ЛС, в т.ч. оригинальных российских препаратов, чьи терапевтические свойства были показаны на практике, но при этом до сих пор отсутствует точное понимание механизма их действия. В 50-90-е годы прошлого века высокая фармакологическая активность и отсутствие выраженных побочных эффектов считались разработчиками ЛС и представителями национальных регуляторных институтов достаточным основанием для создания нового лекарства. Такая ситуация консервировалась недостаточно развитой научно-технической базой исследований, а также дефицитом теоретических знаний о принципах действия лекарственного соединения на организм человека. «Геномная революция», свершившаяся в конце XX столетия, привела к коренному сдвигу многих представлений о процессе разработки лекарств. Технологические изменения оказались настолько велики, что повсеместно стали говорить о наступлении новой, «постгеномной» эры в фармразработках. Одним из последствий стало осознание того, что при разработке новых лекарств исследователи должны выявить молекулярно-биологические механизмы его терапевтического действия. Иными словами, в процессе разработки нужно установить биологические мишени для действия лекарственного соединения. Знание биомишени не только позволяет глубже понять причины наблюдаемых фармакологических эффектов. Во многих случаях благодаря такому пониманию удается оценивать потенциальные токсические свойства соединений, а также находить новые терапевтические индикации активного соединения. Для разработчиков лекарств чрезвычайно важным является также то, что знание биомишени позволяет более направленно и эффективно проводить поиск и оптимизацию новых серий соединений, исходя из информации, полученной при первичных биоиспытаниях. Подобные изменения в научно-теоретических концепциях нашли свое отражение и в законодательных установках: к настоящему времени в большинстве технологически развитых стран на законодательном уровне установлена необходимость выявления молекулярно-биологического механизма действия лекарственных кандидатов. Как ни странно это звучит, но при всех известных достижениях традиционной научной школы, «классический» путь изыскания новых лекарств в прошлом был во многом связан с удачей ученого, подметившего положительный эффект тех или иных соединений, а не с систематическим и целенаправленным поиском. Но времена и технологии меняются, и понимание изменений, вызванных «геномной революцией», вплотную приводят нас к идее, которая может определить одно из перспективных направлений развития российской фармотрасли в ближайшие годы.

ЛЕКАРСТВА И ИХ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИШЕНИ

Прежде всего, попытаемся выяснить молекулярно-биологические основы предлагаемого подхода. Для этого нужно понять, что является мишенью для действия лекарств в организме человека. В наиболее общем смысле, лекарственные препараты воздействуют на различные биологические системы организма и вызывают ингибирование или активацию ферментов, гормонов, мембранных рецепторов и т.д., участвующих в инициации и развитии патологических состояний. Типичный механизм действия лекарственного соединения можно схематично продемонстрировать на примере препарата гефитиниб (Иресса), разработанного и выведенного на рынок компанией AstraZeneca в сотрудничестве с рядом академических исследовательских учреждений США (рис. 2 — не приводится).

Рисунок 2. Механизм действия препарата Иресса — ингибитора РЭФР

Рисунок не приводится.

Введение в организм препарата Иресса вызывает ингибирование специфической белковой молекулы — рецептора эпидермального фактора роста (РЭФР), который индуцирует клеточный рост опухолевых образований при раке легкого. В результате происходит подавление роста опухолевых клеток и, как следствие, прекращение развития опухоли в целом. В данном случае РЭФР является биомишенью для лекарственного соединения. Взаимодействие биомишени и лекарственного соединения является молекулярно-биологической основой поиска ЛС. В таблице 2 представлены наиболее типичные биомишени и заболевания, в развитии которых они задействованы.

Таблица 2

Типичные биомишени и области их терапевтической «ответственности»

      Биомишени           Показания         Примеры лекарственных                                                   препаратов                                                                             Рецепторы,        Болезни центральной    Атенолол, буторфанол,     связанные с       нервной системы,       валсартан, гидроксизин,   G-белками         сердечно-сосудистые    дезлоратадин,                               заболевания, мигрени,  домперидон,                                 диабет, опухоли        золмитриптан,                                                      ирбесартан, йохимбин,                                              клемастин, клозапин,                                               кодеин, лозартан,                                                  лоратадин, эналаприл                                                                         Ядерные рецепторы Опухолевые,            Бетаметазон,                                воспалительные и       гидрокортизон,                              дерматологические      изотретиноин, кломифен,                     заболевания, болезни   мегестрол, эстрадиол                        эндокринной и                                                      мочеполовой систем,                                                диабет                                                                                                              Ионные каналы     Сердечно-сосудистые    Амиодарон, верапамил,                       заболевания            глимепирид, дилтиазем,                                             ибутилид, индапамид,                                               лацидипин, натеглинид,                                             нимодипин, нифедипин,                                              ропивакаин                                                                                   Тирозиновые       Опухолевые,            Гефитиниб, иматиниб,      киназы            дерматологические,     лефлюномид                                  воспалительные                                                     заболевания                                                                                                         Протеазные        ВИЧ, воспалительные,   Аргатробан, атазанавир,   ферменты          сосудистые и           индинавир, камостат,                        опухолевые заболевания ксимелагатран,                                                     нелфинавир, сивелестат,                                            фосампренавир                                                                                Фосфодиэстеразные Респираторные и        Анагрелид, варденафил,    ферменты          сердечно-сосудистые    дротаверин, кофеин,                         заболевания,           силденафил, тадалафил                       расстройства                                                       мочеполовой системы                             

Поиск биомишеней является первым и важнейшим этапом в сложном процессе создания новых ЛС. Следующий этап — это испытание различных низкомолекулярных лигандов (как правило, больших библиотек соединений) на их активность по отношению к одной или нескольким выбранным биомишеням. Этот процесс составляет основу современных систем высокопроизводительного, или прямого, скрининга. Однако произнести фразу «обнаружить биомишень» просто, а вот реализовать такой поиск на практике порою исключительно трудно. Именно этот этап стал камнем преткновения для огромного числа проектов по поиску новых ЛС. На помощь приходит технология обратного скрининга.

ОБРАТНЫЙ СКРИНИНГ

Одним из перспективных подходов к решению задачи создания отечественных инновационных лекарств является т.н. обратный скрининг. В отличие от стандартного (прямого) биологического скрининга больших библиотек химических соединений на одной или нескольких биологических мишенях (как правило, выделенные белковые ферменты или рецепторы), в рамках концепции обратного скрининга одно или несколько соединений, обладающих доказанными фармакологическими эффектами, но неизвестными (или не до конца понятными) механизмами действия, тестируются на большой панели биомишеней. Последние, как правило, соответствуют определенному спектру патологических состояний. Активность тестируемого соединения по отношению к одной или нескольким биомишеням из данной панели позволяет либо уточнять механизмы действия этого вещества, либо находить новые потенциальные области его терапевтического применения (новые индикации). В последнем случае возможно создание инновационного препарата, причем со значительно меньшими затратами, чем при традиционном пути создания новых лекарств. Как вариант, возникает задача получения химически модифицированных аналогов исходного соединения, обладающих улучшенными фармакологическими параметрами, пониженной токсичностью, оптимизированной фармакокинетикой и пр. Варианты практического воплощения описанной стратегии проиллюстрированы ни рисунке 3. При помощи обратного скрининга соединение А, обладающее подтвержденной физиологической активностью (например, ингибирование роста злокачественной опухоли на животной модели in vivo), может быть протестировано на панели биомишеней, относящихся к противоопухолевой активности, а также к другим потенциальным терапевтическим индикациям (например, противовоспалительная активность). В результате может быть обнаружена биологическая мишень для действия данного соединения (например, фермент семейства протеиновых киназ), что позволит далее перейти к следующим этапам разработки, например клиническим испытаниям. В ходе обратного скрининга не исключена вероятность нахождения альтернативных биомишеней, не относящихся к подавлению роста опухолей. В этом случае возможно обнаружение новых потенциальных терапевтических индикаций соединения А.

Рисунок 3. Концепция обратного скрининга

                        "об-                          рат-           - выяснение механизма                        ный"         >   действия                                       - нахождение альтернативных                          с              биомишеней соединение A         >   к         соединение B         >   р         >  - нахождение биомишеней, соединения C + D     >   и              относящихся к другим                          н              терапевтическим индикациям                          и            - нахождение "next-in-class"                          н              аналогов                          г         >  - нахождение новых                                         терапевтических индикаций 

Соединение B, являющееся патентованной лекарственной субстанцией, может быть протестировано на панели биомишеней, относящихся к широкой потенциальной сфере терапевтического применения. В случае нахождения биомишеней отклика для этого вещества, не относящихся к его известной фармакологической активности, появляются серьезные предпосылки для новых терапевтических индикаций с возможностью патентования. Дополнительная возможность связана с обнаружением модифицированных структурных аналогов вещества B, обладающих аналогичным или новым профилем фармакологической активности. Именно в этом состоит суть стратегии создания next-in-class (в переводе с английского — следующий в классе) лекарств. Еще один сходный вариант связан с тестированием смеси веществ C и D, являющихся патентованными лекарственными субстанциями с определенными клинически совместимыми терапевтическими индикациями. Как и в случае с веществом B, при помощи обратного скрининга возможно обнаружение новых патентоспособных терапевтических индикаций. Во всех описанных примерах разработчикам удается минимизировать затраты, связанные с ранними стадиями разработки, а также (в случае лекарственных субстанций B-D) с рядом дорогостоящих этапов клинических испытаний. Возможная экономия ресурсов по сравнению с полным циклом разработки ЛС «с нуля» (табл. 1) может составить от 20 до 90%. На словах все это звучит достаточно понятно и просто. На практике же для осуществления обратного скрининга требуется применение целого комплекса передовых научно-исследовательских технологий, относящихся к области геномики, протеомики, комбинаторного химического синтеза, робототехники, молекулярной биологии, компьютерного анализа данных и др. Рассмотрим далее один из перспективных подходов к обратному скринингу, иллюстрирующий сложность стоящих перед исследователями задач.

ТЕСТ-СИСТЕМЫ ОБРАТНОГО СКРИНИНГА НА ОСНОВЕ БЕЛКОВЫХ МИКРОЧИПОВ

Технология обратного скрининга позволяет решать целый ряд различных задач, среди которых наибольший интерес представляет анализ механизмов действия лекарственных соединений с использованием панели биологических мишеней. Один из наиболее популярных подходов связан с применением специальных тест-систем на основе белковых микрочипов. Общая схема функционирования белкового микрочипа приведена на рисунке 4 (не приводится).

Рисунок 4. Исследование механизма действия соединения при помощи белкового микрочипа

Рисунок не приводится.

Микрочип состоит из определенного количества микроячеек, каждая из которых содержит индивидуальную белковую биомишень, ковалентно привязанную к микроячейке при помощи специальной химической линкерной системы. Анализируемое лекарственное соединение добавляют к каждой микроячейке, после чего определяют наличие взаимодействия между биомишенью и соединением при помощи различных методов детекции. Способы детекции весьма разнообразны. Как правило, применяются методы, основанные на регистрации флуоресцентного, хемилюминесцентного или радиоактивного сигнала. Эта методика дает возможность проводить единовременный анализ большого количества биологических объектов с использованием одного или нескольких тестируемых соединений. В настоящее время разрабатываются белковые микрочипы, содержащие в своей структуре тысячи индивидуальных микроячеек, что позволяет проводить огромное количество микроэкспериментов. Так, например, был проведен интересный эксперимент с применением белкового микрочипа, содержащего в своей структуре более 100 индивидуальных киназных ферментов, в число которых входили тирозиновые (ТК), циклин-зависимые (CDK), Rho-зависимые (ROCK), чекпойнт (СНК) и другие наиболее значимые классы протеиновых киназ. В качестве лекарственных соединений использовались десятки коммерчески доступных киназных ингибиторов, обладающих нано- и микромолярной активностью, например роттлерин, вортманнин, кверцетин, рапамицин и др. Эксперимент проводили на базе рабочей ВПС станции Biomek 2000 с использованием стандартных 96-луночных микроплат. Рекомбинантные белки были получены с использованием методов генной инженерии и выделены при помощи аффинной хроматографии. В качестве киназных субстратов выступали небольшие пептидные молекулы. Применение стратегии конкурентного связывания с активным АТФ-сайтом ферментов позволило обнаружить несколько высокоселективных лекарственных соединений, обладающих нано- и микромолярной активностью, например вортманнин, U0126, PD184352 и SB 202190. Также было установлено, что некоторые агенты относятся к ингибиторам с неоднозначным механизмом действия, например роттлерин, рапамицин и Y27632. Эти соединения эффективно связываются и подавляют активность сразу нескольких киназных ферментов. Существенным является тот факт, что мишень-специфичный профиль большинства лекарственных соединений, использованных в этой работе, не может быть непосредственно определен на основании только структурного и генетического подобия исследуемых ферментов. Дело в том, что практически любая белковая макромолекула представляет собой динамическую, а не статическую систему с высокой степенью конформационной подвижности. Кроме того, существует огромное количество внутриклеточных факторов, существенным образом влияющих на поведение и структурную организацию любого белка, например многочисленные мутационные процессы, которые в данном случае приводят к созданию резистентных форм киназных ферментов. Очевидно, что ситуация, в которой активные агенты, имеющие сходную химическую структуру, обладают совершенно разным профилем биологической активности, составляет не менее актуальную проблему в области изучения механизмов действия лекарственных препаратов.

РОССИЙСКАЯ ФАРМАЦЕВТИКА: ПОИСК СОБСТВЕННОГО ПУТИ

Дискуссии по поводу национальной безопасности, в т.ч. зависимости от поставок ЛС, ведутся в России все чаще и чаще. Планы по созданию национальной фармацевтической госкорпорации только подтверждают озабоченность государства состоянием дел в этой области. Однако одними усилиями по консолидации имеющихся активов и государственным регулированием импорта не решить эту проблему: сегодня как никогда требуется национальная стратегия производства лекарств, основанная, прежде всего, на разработке собственных новых препаратов. С похожими проблемами сталкиваются многие развивающиеся страны. Так, в Индии, которая на протяжении многих лет является одним из главных производителей дженериков (лекарств с истекшим сроком действия патента), была поставлена государственная задача разработки собственных инновационных молекул и перехода от производства субстанций к комплексной разработке готовых ЛС. Акцент был сделан на более низкой себестоимости труда индийских ученых и большом опыте в фармацевтике. Однако разработать новое лекарство в одиночку не удалось. Большинство инновационных молекул были проданы транснациональным компаниям на самых ранних стадиях исследований. Исключения составили противотуберкулезные агенты, в частности благодаря государственной поддержке в этой области. Однако Россия — не Индия. Есть надежда и реальные предпосылки, что нашим ученым под силу довести свои разработки до конечного потребителя. Безусловно, чтобы добиться успеха в этом направлении, потребуются значительные временные и финансовые ресурсы, учитывая существующие требования и стандарты, предъявляемые к исследованиям международными организациями. Более реальным в среднесрочной перспективе видится создание национальных брэндов, в т.ч. на базе имеющихся препаратов. Концепция «обратного скрининга» может быть альтернативной стратегией наполнения собственного ассортимента лекарств. Следует подчеркнуть, что не стоит отождествлять обратный скрининг с созданием препаратов «me-too». Ведь анализируя результаты такого скрининга, можно не только модифицировать имеющиеся молекулы и патентовать их, но и получить огромное научное поле для дальнейших исследований и создания ЛС «next-in-class» — препаратов нового поколения. Подведем краткие итоги вышесказанному. Российские разработчики и производители лекарств оказались сегодня в непростом положении. Засилье «дженериковых» технологий, материально-техническое отставание отечественной науки, ценовое давление производителей из Юго-Восточной Азии — вот далеко не полный список проблем. В этой ситуации приходится рассчитывать на свои собственные внутренние резервы, главными среди которых остаются высококвалифицированные ученые-исследователи, а также нарождающиеся научно-исследовательские компании новой волны. На помощь отечественным разработчикам приходят также новейшие исследовательские технологии «постгеномной эры» и передовые научные концепции, позволяющие рационализировать традиционные подходы к разработке столь необходимых стране лекарств. По мнению авторов, представленная в настоящей статье концепция обратного скрининга создает реальные предпосылки для решения как минимум двух важнейших задач: перехода на высокотехнологичные методы разработки и эффективного создания собственных инновационных лекарств. Преодоление неустойчивого равновесия, характерного для точки бифуркации, сопровождается скачкообразным и труднопредсказуемым изменением всей системы. От наших решений сегодня зависит, как наша фарминдустрия преодолеет этот этап и какими путями пойдет ее дальнейшее развитие.

Центр высоких технологий ХимРар,
г. Химки, Московская обл.
О.В.КОРЗИНОВ,
К.В.БАЛАКИН,
А.А.ИВАЩЕНКО
Подписано в печать
16.11.2007