Лекарство от алкоголизма потенциально эффективно против COVID-19

Сначала коротко

Проблема: Разработка и испытания новых препаратов против коронавируса может занять от четырёх до семи лет. Но миллионы пациентов нужно лечить здесь и сейчас. Врачи вслепую ищут действенные средства и их комбинации. Однако химики могут предсказать, какие из уже существующих лекарств потенциально наиболее эффективны.

Решение: Российские учёные создали особый метод молекулярного моделирования «докинг по поверхности». С его помощью они «обошли» всю поверхность жизненно важного для SARS-CoV-2 белка, сопоставив её с множеством известных лекарств. Оказалось, существуют два препарата, потенциально способные «выключить» работу фермента и приостановить размножение коронавируса. Одним из них лечат алкогольную зависимость, а вторым рак. 

Теперь подробнее

Группа химиков из НИУ ВШЭ и Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН обнаружила с помощью молекулярного моделирования, что два давно известных лекарственных средства — дисульфирам , применяющийся для лечения алкоголизма, и нератиниб, экспериментальный препарат против рака молочной железы, могут использоваться и для борьбы с коронавирусом SARS-CoV-2. Потенциально оба препарата являются ковалентными ингибиторами белка — главной протеазы коронавируса (M^pro) — ключевого фермента, отвечающего за репликацию SARS-CoV-2 (копирование его генетического материала и сборку новых вирусных частиц). Статья об открытии опубликована в июльском номере журнала Mendeleev Communications.

О чём речь?

Впервые коронавирус был выделен у пациента с ОРВИ в далёком 1965 году, но с по-настоящему опасными представителями этого семейства человечество столкнулось лишь чуть менее двух десятков лет назад. Увы, из-за того что в 2002-2004 году первая эпидемия SARS-CoV не вышла за пределы Азии (главным образом Китая), а вспышка MERS в 2012-2015 годах серьёзно ударила лишь по Саудовской Аравии и Корее, мировая фармацевтическая индустрия практически не приложила усилий для разработки эффективных препаратов против коронавирусов. Интенсивные разработки тестов и лекарственных средств велись почти исключительно для нужд ветеринарии.

Во время предыдущих эпидемий применялись препараты широкого спектра действия. Опыт врачей в китайском Ухане показал, что этого недостаточно. Врачи-клиницисты по всему миру на свой страх и риск стали испытывать разные экспериментальные протоколы, применяя средства против ВИЧ (лопинавир и ритонавир), малярии (хлорохин и гидроксихлорохин) и других заболеваний. Однако, по сути, поиск препаратов шёл вслепую. 

При этом мировая фарминдустрия оказалась застигнута врасплох — времени на создание принципиально новых лекарств не было. Даже если быстро найти потенциально эффективные вещества-кандидаты, их доклинические и клинические испытания займут от 4-х до 7-ми лет. Поэтому наиболее разумным решением стал поиск среди уже известных лекарственных препаратов, чья безопасность для здоровья людей уже давно доказана. Такой путь — перепрофилирование лекарств — давно известен и хорошо себя зарекомендовал. Единственная проблема — как узнать, что они способны бороться и с коронавирусом?

Помочь могло только компьютерное моделирование. Такой подход называется in silico — по аналогии с in vivo (в живом организме) и in vitro (в пробирке). Он позволяет с помощью численных моделей проверить сотни разных препаратов и установить их потенциальную эффективность и механизм действия. Подобными исследованиями уже много лет занимаются химики НИУ ВШЭ и Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. В 2014 году они уже смоделировали лекарство против лейкемии, а в 2017-м — против ревматоидного артрита. Имея такой опыт, наши учёные в 2020-м сразу подключились и к поиску лекарства против SARS-CoV-2. 

Как изучали?

Коронавирус, как и многие другие вирусы, довольно быстро мутирует. В его геноме около 30 000 нуклеотидов — отдельных «кирпичиков» генетического кода. В среднем в РНК вируса происходит одна мутация, а точнее снип — замена одного нуклеотида (Single nucleotide polymorphism, SNP) раз в две недели. Это приводит к регулярному появлению новых штаммов SARS-CoV-2. Только в России циркулирует девять уникальных линий коронавируса, отсутствующих в других странах. 

По этим причинам в качестве мишени для потенциального лекарственного вещества необходимо выбирать такие структурные элементы коронавируса, которые меньше всего подвержены мутациям в ходе его эволюции. Иначе препарат, работающий против одного штамма, уже не будет эффективен против другого. Лучшие кандидаты для этого — консервативные белки, вроде главной протеазы коронавируса (M^pro). Помимо того, что он устойчив к мутациям, M^pro играет важнейшую роль в репликации коронавируса, а значит его ингибирование — блокирование функции данного фермента — способно замедлить, а то и полностью приостановить его размножение внутри организма. 

Обычно, в простых случаях, для молекулярного моделирования используется процедура докинга или стыковки, по образу и подобию портового дока и входящего в него корабля. В докинге участвуют две молекулы. Одна называется лиганд (в данном это лекарственное вещество), а вторая — рецептор (или активный центр) белка-мишени, например, M^pro, с которым может произойти «стыковка». Эффективный препарат так связывается с активным центром с помощью ковалентных связей, что делает фермент недееспособным либо приводит к его разрушению. 

Для симуляции докинга необходимо знать точную пространственную структуру молекулы лекарства (их можно получить в специальных базах данных) и точную конфигурацию активного центра белка-мишени. Вот здесь исследователей уже поджидают первые трудности: мало того, что центров может быть десятки и сотни, так они ещё и не зафиксированы в пространстве. По этим причинам, классический вариант докинга по отношению к SARS-CoV-2 не работает.

Чтобы преодолеть проблемы, химики из НИУ ВШЭ и Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН решили применить сформулированный ими незадолго до начала пандемии принцип «докинга по поверхности» (‘on-top docking’). Они решили не концентрироваться на ранее уже описанном активном центре, а обойти всю поверхность белка M^pro множеством известных лекарственных средств в надежде, что большие вычислительные мощности дадут полезные «стыковки».

В работе использовалась экспериментально установленная ещё в январе 2020 года структура M^pro самого SARS-CoV-2 из базы данных PDB (код 6LU7). Потенциальные препараты для проверки брались из базы лекарственных средств, одобренных Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration, FDA). Для моделирования применялись собственные алгоритмы исследовательской группы.

Что получили?

Согласно данным моделирования, выяснилось, что необычайно высокую эффективность в качестве лиганда для активного центра главной протеазы коронавируса (M^pro) проявляют препараты, содержащие серу. Однако только дисульфирам показывал наиболее стабильное взаимодействие. 

Сейчас его чаще всего используют для борьбы с алкоголизмом, так как дисульфирам ингибирует работу фермента ацетальдегиддегидрогеназы. Вследствие этого распад этилового спирта в печени тормозится на стадии уксусного альдегида. Его концентрация в организме увеличивается, возникает резкая интоксикация, сопровождающаяся тошнотой, рвотой и крайне болезненным состоянием. Как результат, у страдающего алкоголизмом вырабатывается условный рефлекс отвращения на запах и вкус содержащих алкоголь напитков. Так что, если эффективность дисульфирама против коронавируса будет подтверждена, то в нашей стране он поможет решить две проблемы сразу, снизив и алкоголизацию населения.

Дисульфирам противодействует SARS-CoV-2 двумя основными способами. Во-первых, как это ранее также было показано в лабораторных опытах в пробирках (in vitro) c коронавирусами SARS и MERS, он является ковалентным ингибитором. Кроме того, он борется с таким симптомом COVID-19, как значительное сокращение в организме редуцированных форм глутатиона — важного антиоксиданта. Его недостаток  может привести к тяжелому течению заболевания. 

Помимо дисульфирама, российские химики впервые спрогнозировали потенциальную эффективность против SARS-CoV-2 необратимого ингибитора тирозинкиназы нератиниба. Совсем недавно, в 2017 году, FDA одобрило нератиниб в качестве адъювантной (вспомогательной) терапии при раке молочных желёз. 

Для чего это нужно?

Согласно моделированию, оба потенциальных ингибитора главной протеазы коронавируса (M^pro), предположительно, ковалентны. Например, дисульфирам, вероятно, может блокировать ферментативную активность M^pro реакцией тиол-дисульфидного обмена, а связывание нератиниба предполагает возможность ковалентного взаимодействия аналогично ковалентным пептидным ингибиторам. 

Здесь важно уточнить, что любое моделирование может лишь предполагать подобные взаимодействия , но не доказать их наличие. Цикл исследований состоит как минимум из трёх этапов: моделирование, синтез потенциально активных структур, биологическая (фармакологическая) проверка требуемой активности — реальной, а не вычисленной эффективности препарата. Само по себе моделирование, как и любые другие теоретические изыскания, ничего не стоит без последующих экспериментальных подтверждений. Поэтому теперь требуется большая практическая работа по валидации полученных с помощью «докинга по поверхности» (‘on-top docking’) результатов.

Пришедшие 27 июля 2020 года тесты в сертифицированной лаборатории Reaction Biology Corp. (США) показали, что дисульфирам действительно ингибирует M^pro в концентрации 100 нм, что подтвердило результаты моделирования. К сожалению, второе вещество — нератиниб — хоть и показало активность к M^pro, однако она оказалась недостаточна для применения в лечебной практике. А 1-го сентября 2020 года к делу приступят и врачи-клиницисты для проверки препаратов in vitro и в экспериментальном лечении инфицированных SARS-Cov-2 пациентов.

Параллельно и независимо от российских учёных, массированный экспериментальный поиск активных структур осуществили китайские биохимики. Они также обнаружили потенциальную активность дисульфирама к главной протеазе коронавируса (M^pro). И к сожалению это произошло на две недели раньше наших химиков, так что публикация в Nature в итоге досталась именно им (статья выйдет в августе). Это ещё одно свидетельство, насколько важно иметь мощные вычислительные ресурсы для моделирования и возможности для биологических испытаний.

Нам необходима возможность сразу «застолбить» результаты в российском журнале по химии высокого уровня. А их можно пересчитать по пальцам одной руки. Увы, но если поощрять публикации только в журналах 1-го и 2-го квартилей, то есть исключительно иностранных, подобные российские журналы никогда и не появятся

Свитанько Игорь Валентинович
Доктор химических наук, профессор базовой кафедры органической химии Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН в НИУ ВШЭ

Впрочем, самое главное достижение — это демонстрация того, что подход «докинга по поверхности» (‘on-top docking’) работает и даёт вполне реалистичные и проверяемые результаты. В планах у группы на конец 2020-го и 2021 год — молекулярное моделирование лекарств для заболеваний, которые показали свою опасность, но ещё не расползлись по миру. 

Важно отметить, что любое молекулярное моделирование требует несметного количества вычислительных ресурсов, и в период до сотрудничества с НИУ ВШЭ химики могли использовать свой метод очень ограниченно. Зато теперь им предоставлен доступ к мощному суперкомпьютеру НИУ ВШЭ, что поможет как в поиске среди существующих, так и в направленном синтезе новых фармакологических препаратов.

Всё это прекрасный пример плодотворного сотрудничества вуза и институтов РАН. Очевидный следующий шаг такой научной кооперации — организация в НИУ ВШЭ Лаборатории молекулярного моделирования для создания не только лекарств, но и моделирования различных химических процессов, не только и не столько докингом или другими простыми методами, но и более универсальными и сложными квантовохимическими путями. 

А перед всем мировым химическим сообществом сейчас стоит очередной вызов — моделирование структуры ингибитора белка вируса G4 EA H1N1 — нового свиного гриппа. Совсем недавно его обнаружили китайцы и поняли, что эта инфекция гораздо опаснее и значительнее быстрее передается от человека к человеку, чем COVID-19. И чтобы учёные смогли с ним справиться — им требуется поддержка как ресурсами и инструментами, так и в организации продуктивной научной деятельности и отстаивании приоритета.
IQ

Автор текста: Кузнецов Даниил Александрович, 28 июля, 2020 г.