• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Лекарство от алкоголизма потенциально эффективно против COVID-19

Две проблемы — одно решение

ISTOCK

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 (Mpro) — 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 (Mpro). Помимо того, что он устойчив к мутациям, Mpro 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, Mpro, 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 Mpro множеством известных лекарственных средств в надежде, что большие вычислительные мощности дадут полезные «стыковки».

В работе использовалась экспериментально установленная ещё в январе 2020 года структура Mpro 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 (Mpro) 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 (Mpro), предположительно, ковалентны. Например, дисульфирам, вероятно, может блокировать ферментативную активность Mpro 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 Mpro в концентрации 100 нм, что подтвердило результаты моделирования. К сожалению, второе вещество — нератиниб — хоть и показало активность к Mpro, 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 (Mpro). 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