Более пятидесяти лет назад была расшифрована структура ДНК, и проникновение в ее тайны, вызвав переворот в биологии, повлекло за собой целый ряд открытий, без которых нельзя представить современную науку. Проводимая в настоящее время интенсивная расшифровка генома человека позволит, как уверяют ученые, установить причину многих болезней и получить лекарства для их терапии. Ряд препаратов и вакцин, созданных с помощью генной инженерии и биотехнологии, уже используются для лечения рака, сердечно-сосудистых заболеваний, склероза, СПИДа, артрита, диабета. Сегодня технологи получили возможность трансформировать саму ДНК для создания фармакологически важных веществ. Такими исследованиями занимаются в лаборатории биотехнологии соединений нуклеиновой природы Института микробиологии НАН Беларуси, которой заведует член-корреспондент Анатолий Зинченко.
Коллектив изучает возможность получения модифицированных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеозидов и нуклеотидов — химико-энзиматическим способом, сочетающим преимущества химической и биологической технологий.
«Лекарственные средства на основе соединений нуклеиновой природы сравнительно дороги, — объясняет Анатолий Иванович. — Причина кроется в том, что для их синтеза используются преимущественно химические способы, при применении которых, кроме целевого продукта, образуются и побочные. Очистка нужного соединения — процесс дорогостоящий».
Поиском более экономичных путей получения видоизмененных веществ микробиологи занялись совместно с лабораторией химии нуклеотидов и полинуклеотидов Института биоорганической химии НАН Беларуси. В результате была разработана методика, основанная на рациональном сочетании химических реакций и взаимодействий, катализируемых ферментами специально отселектированных штаммов микроорганизмов.
Возможность производства полученных таким способом лекарственных субстанций описана в выполненном совместно с заводом «Белмедпрепараты» цикле работ, отмеченном Государственной премией Республики Беларусь в области науки и техники в 2004 г. По словам Анатолия Ивановича, это лучшая технология, и потенциал ее еще не исчерпан: «Усовершенствовать процесс можно путем замены обычных штаммов микроорганизмов рекомбинантными, то есть полученными с помощью генно-инженерной техники. Их сверхвысокая продуктивность, во много раз превышающая активность штаммов, полученных традиционной селекцией, позволяет сократить масштабы культивирования микроорганизмов, стоимость питательных сред, реагентов, энерго- и трудозатрат на получение целевых продуктов, в том числе и лекарственных веществ».
Для создания продуцентов в качестве исходного материала в основном выбирают клетки кишечной палочки E. coli. Эта бактерия наиболее изучена, легко культивируется и сравнительно безопасна — ее лабораторные образцы лишены вредоносных свойств и не представляют опасности для окружающей среды. Кроме того, это основной компонент кишечной флоры человека, участвующий в пищеварении и предотвращающий ее заселение патогенными бактериями.
Вместе с учеными Института генетики и цитологии НАН Беларуси микробиологи создают генно-инженерные штаммы ферментов, необходимых для синтеза нуклеозидных и нуклеотидных лекарственных субстанций. Сконструированные бактерии в десятки раз превосходят по продуктивности те, что получают обычными методами. Так, недавно создан рекомбинант E. сoli, вырабатывающей противоопухолевый белок азурин. Согласно последним зарубежным исследованиям, он убивает несколько типов раковых клеток, малярийный плазмодий и вирус иммунодефицита человека, что может сделать этот полипептид лекарственным веществом широкого спектра действия.
Лечебными свойствами могут обладать не только компоненты нуклеиновых кислот, но и сами нуклеиновые кислоты. Уже известен механизм, при помощи которого человек и другие позвоночные отличают свою генетическую информацию от вторгшейся — микробной. Оказывается, в ДНК всех бактерий и вирусов есть чудо-последовательности нуклеотидов, названные учеными CpG-мотивами.
Их введение в виде бактериальной или химически синтезированной ДНК позвоночным в течение нескольких минут включает на полную мощность систему эволюционно сформированной врожденной неспецифической защиты организма от патогенов. «Это явление универсально и действенно, — рассказывает Анатолий Иванович Зинченко. — Вслед за врожденной защитой начинает работать и адаптивный раздел иммунитета, демонстрируя очень мощную активность. На Западе данный феномен изучается чрезвычайно интенсивно, и ряд препаратов, созданных на его основе химическим способом, уже проходит клинические испытания. Мы же решили нарабатывать CpG-мотивы при помощи бактерий. Используя генно-инженерную технику, сконструировали плазмиду — кольцевую молекулу ДНК, способную размножаться в бактериальной клетке-хозяине, — в которую встроили искусственный фрагмент ДНК, состоящий из 8 повторов наиболее действенного для человека CpG-мотива. Предполагается, что полученная плазмида может использоваться для повышения иммуногенности белковых и ДНК-вакцин, а также для терапии онкологических, инфекционных и аллергических заболеваний».
Однако наличие в арсенале врачей иммуномодулирующих и противоопухолевых препаратов лишь наполовину устраняет сложности, сопровождающие лечение, в частности, онкологических больных. Нередко лекарство наряду с раковыми клетками убивает и здоровые, что приводит к смерти почти половины пациентов, прошедших химиотерапию. Эту проблему, по мнению ученых, могут решить нанотехнологии.
В числе важнейших научных открытий ушедшего века — возможность получения веществ способом «атомной укладки», позволяющим образовывать новые субстанции с уникальными свойствами.
Компонентами для создания наноконструкций могут быть элементы как неорганического происхождения, так и «живой» материал. Для синтеза искусственных наночастиц использование биологических молекул на основе прин¬ципов, предлагаемых природой, вполне естественно.
С точки зрения удобства наноконструирования выделяются именно нуклеиновые кислоты: двухцепочечные молекулы ДНК и РНК имеют высокую жесткость, а потому их удобно использовать в качестве «строительных блоков». В то же время одноцепочечная нуклеиновая кислота сохраняет гибкость и, кроме того, способна «узнавать» свою вторую цепочку. Комплементарные цепи легко соединяются благодаря водородным связям, и в случае, когда на концах присутствуют одноцепочечные «хвосты», к ним можно «приклеить» другие молекулы и формировать места разветвления. Это позволяет создавать сложные структуры — в конструкции из ДНК и РНК встраивать различные элементы, например биологически активные вещества. В лечении рака такие частицы могут играть роль «перевозчиков» лекарства. Для этого им нужно найти злокачественные клетки, пройти через все барьеры, доставить «по адресу» лечебную субстанцию, выгрузить содержимое — а самим покинуть организм без последствий для него.
«Поиск такого решения — одно из необходимых направлений фармацевтической технологии, — рассказывает Анатолий Иванович. — Созданием наноразмерных систем для адресной доставки фармсубстанций в клетки-мишени наша лаборатория планирует вплотную заняться со следующего года. Пока же мы знаем, что в ряде случаев необходимо применение наночастиц в качестве носителей лекарственных веществ. Это дает возможность увеличить их растворимость и защитить от утраты свойств в русле крови, в несколько раз снизить токсичность, повысить селективность действия.
Особенно важна такая «транспортировка» при лечении злокачественных новообразований и внутриклеточных инфекций, когда ограничение бесконтрольного распространения по организму сильнодействующих субстанций — один из решающих факторов для успешной химиотерапии и улучшения качества жизни пациентов. Размеры молекул лекарств обычно составляют всего лишь единицы нанометров. Они разносятся кровяным потоком по всем органам и тканям — куда нужно и куда не нужно.
Все дело в том, что величина пор нормальных кровеносных капилляров — около 10 нм, а опухолевых и воспаленных — 100 нм и более. Отсюда ясно, что наночастицы размером больше 10 нм, нагруженные лекарственным веществом, в здоровые органы не попадут, а будут накапливаться в пораженных. Это обстоятельство открывает возможность безопасно повышать в десятки раз дозы вводимых препаратов.
Мы внедрили активное вещество внутрь неорганических наночастиц величиной 200—300 нм, которые представляют собой особые плоские двухслойные структуры, образованные гидроксидами металлов, в нашем случае — магния и алюминия. Конструкция замечательна тем, что переносимая субстанция защищена от действия ферментов и имеет небольшой положительный заряд, что облегчает ее проникновение в клетки. По своему размеру наночастицы не могут выходить из крови в нормальные ткани и высвобождают лекарственную субстанцию в неизмененном виде, концентрируясь, без специального прицеливания, в клетках органа-мишени.
В перспективе нам представляется целесообразным создать препараты на основе наноструктурированных азурина и CpG-мотивов. При этом наночастицы должны будут надежно стабилизировать субстанцию в русле крови и обеспечить высвобождение ее в клетках-мишенях».
К сожалению, воплощение научного замысла зависит не только от таланта его авторов. Существенным фактором по-прежнему остается технологическое обеспечение — приобретение секвенатора ДНК и атомно-силового микроскопа значительно сократило бы путь к цели — созданию наукоемких технологий получения лекарственных препаратов нового поколения.