Программное обеспечение позволяет сильно сократить срок исследования молекул
Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали алгоритм компьютерного исследования химических соединений, которые могут затем стать лекарственными средствами.
Создание новых лекарственных средств — важнейшая задача современной науки. Особый интерес вызывает разработка перспективных лекарственных средств с минимальными побочными действиями и максимальной активностью. Поиск новых лекарственных средств основан на синтезе соединений с последующими доклиническими и клиническими исследованиями. Соединение проходит длинный путь от пробирки исследователя в лаборатории до лекарственной формы, продающейся в аптеке. При этом в большинстве случаев выбор направления исследования полученного вещества основан на приблизительной информации о возможных свойствах, полученной на основании анализа свойств близких по строению веществ. Исследование безопасности и активности нового соединения — процесс долгий, сложный, многоэтапный.
Разработка новых максимально безопасных лекарственных препаратов часто ведется многонациональными силами. Идея импортозамещения лекарственных средств на препараты отечественного производства сейчас не может быть в полной мере реализована. Связано это со многими факторами, в частности с необходимостью проведения экспериментальных исследований лишь в определенных климатических условиях, необходимых для содержания подопытных животных, например приматов. Другая важная составляющая — лидерство определенных стран в разработке оборудования и новых методов для максимально эффективного проведения экспериментальных тестов. Поэтому современные препараты — это плод труда исследователей разных стран:
- синтез новых соединений — Индия, Китай, Россия;
- предварительные биологические тесты на мишенях, клеточных культурах (in vitro-тесты) — Индия, Китай, страны ЕС (Германия, Норвегия, Испания, Франция и т. д.);
- поиск новых мишеней — ЮАР, страны ЕС, страны Северной Америки;
- проведение тестов для наиболее безопасных соединений, чья токсичность минимальна, на беспозвоночных животных — страны Западной Европы, страны Северной Америки, на млекопитающих — Индия, страны ЕС, страны Северной Америки;
- клинические испытания — страны Северной Америки, Западной Европы, Австралия.
Таким образом, создание лекарств — часть процесса глобализации.
Требования к безопасности препаратов, используемых в мировой практике, становятся все более жесткими. Например, сейчас важной стала минимизация тех нежелательных побочных эффектов, которые могут проявиться спустя много лет после приема препарата: проявление нейродегенеративного эффекта при достижении пожилого возраста, проявление канцерогенной активности (развитие рака), мутагенной активности через десятки лет после приема препарата и т. д.
Серьезный этап в создании лекарственного средства — доклиническое исследование, которое может сопровождаться большими временными и финансовыми затратами. Одним из популярных методов доклинического исследования стало компьютерное моделирование. Методы компьютерного моделирования позволяют провести комплексную оценку действия соединения на модельных системах с учетом способности молекул подстраиваться под форму карманов связывания рецепторов; одновременно рассматриваются транспортные и целевые белки организма. За счет подобных расчетов можно выбрать несколько наиболее перспективных молекул из миллионов существующих в мире соединений и проводить биологические испытания только для них, что значительно снижает временные и финансовые затраты на разработку новых лекарственных средств. Экспериментальные исследования, конечно, остаются обязательными, поскольку, какой бы надежной ни была расчетная модель, только эксперимент может полностью подтвердить возможность применения нового соединения в качестве лекарства.
Ведущие ученые мировых лабораторий занимаются теоретическим исследованием биологической активности перспективных лекарственных соединений. Одна из таких лабораторий находится в Челябинске, в Южно-Уральском государственном университете. Научно-исследовательская лаборатория компьютерного моделирования лекарственных средств (НИЛ КМЛС) Южно-Уральского государственного университета под руководством начальника лаборатории кандидата химических наук Владимира Потемкина и главного научного сотрудника доктора химических наук Марии Гришиной осуществляет как прогноз активности новых соединений, так и прогноз новых, еще не синтезированных структур, активность которых больше, чем активность известных аналогов. В лаборатории осуществляется комплексный подход к исследованию: моделирование, расчет дескрипторов, поиск взаимосвязи с характеристиками активности, моделирование с белками, взаимодействующими с соединением в организме, оценка возможных нежелательных побочных эффектов. Исследование начинается с моделирования структуры с учетом конформационных особенностей соединения и заканчивается прогнозом активности, токсичности, аллергенности, канцерогенности. Одним из подходов при изучении и создании перспективных соединений стал поиск свойств, описывающих только высокоактивные структуры, с последующим применением этих свойств для прогноза значений биологической активности новых соединений.
С развитием молекулярной медицины появляется возможность определять особенности взаимодействия активных соединений с мишенью. В отсутствие данных о мишени для рассматриваемого вида активности проводится построение модельного рецептора, который представляет собой комплементарное поле в виде совокупности псевдоатомов (пробных сфер с некоторым зарядом и радиусом), контактирующих с поверхностью молекулы. Анализ комплексов «рецептор—лиганд» позволяет установить фрагменты, отвечающие за действие лекарств,— фармакофорные фрагменты молекул, а также антифармакофорные фрагменты, которые блокируют биологический эффект. Замена антифармакофорных фрагментов позволяет получить соединение, которое будет более эффективно и селективно, чем уже имеющиеся аналоги.
Также можно установить фрагменты молекул, взаимодействующие с белками, отвечающими за доставку соединения к мишени. Замена фрагментов, препятствующих доставке, способна повысить избирательную функцию новой молекулы при связывании с белком. Многостадийность исследования дает высокие результаты. По данным, полученным в лаборатории, проведено исследование биологической активности соединений, эффективность которых была доказана экспериментально.
Все компьютерные исследования, которые необходимо провести для прогноза активности соединений, осуществляются на программном обеспечении, написанном Владимиром Потемкиным и Марией Гришиной. Это обеспечение позволяет проводить комплексное исследование соединения: моделирование химической структуры лекарственных средств, расчет электронных свойств соединений на принципиально новом, качественном уровне, установление формы молекул, их размерных, поверхностных, электронных характеристик, которые во многом определяют свойства веществ, в том числе их биологическую активность, выявление активных и неактивных фрагментов молекул. Все расчеты проводятся за сравнительно небольшое время с высокой прогностической ценностью. Методы исследования, разработанные в лаборатории, а также получаемые результаты представляют большой интерес для мирового научного сообщества. Для возможности использования оригинального программного обеспечения учеными НИЛ КМЛС создан интернет-ресурс www.chemosophia.com со свободным доступом, позволяющий использовать уникальные методы для моделирования новых лекарственных соединений. Ученые лаборатории постоянно развивают методы исследования и расширяют возможности их применения для моделирования биологической активности лекарственных средств различного действия.
В состав НИЛ КМЛС входят не только российские, но и ученые, приглашенные из стран Европы (Испания, Хорватия), Индии, ЮАР. Это доктора наук Эдельмиро Моман-Новал, Юрица Новак, Пратеек Патхак, Пуунам, Бриджеш Ратхи и Мохд Шахбааз.
Сейчас НИЛ КМЛС входит в число мировых лидеров в создании новых компьютерных методов дизайна новых лекарственных препаратов. Благодаря этому Россия вносит большой вклад в разработку новых лекарств. Последующие испытания могут проводиться другими странами. Важным является итог — победа над болезнями и доступность лечения независимо от того, в какой стране живет человек, нуждающийся в лечении. Россия выполняет свою гуманистическую миссию, внося значительный вклад в помощь людям независимо от их национальной принадлежности.
Источник
Как создать препарат в лаборатории и перенести его в производство
Все мы ходим в аптеку и покупаем лекарства: таблетки, порошки, мази, растворы и многие другие формы лекарственных веществ. Но мало кто знает, как происходит создание лекарств и какой путь необходимо пройти от научной разработки в руках ученого до получения регистрационного досье на готовый препарат.
Разработка и создание лекарственных препаратов проходят при финансовой поддержке различных государственных и коммерческих структур (фондов) в соответствии с утвержденными приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, согласно перечню (указ президента России от 7 июля 2011 года №899). Одним из таких направлений являются «Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний».
Терапия и диагностика онкологических заболеваний — одно из приоритетных направлений. Многие ученые работают над созданием новых низкомолекулярных веществ для химиотерапии, получением новых аналогов уже существующих препаратов для преодоления возникающей резистентности опухолевых клеток, а также созданием новых лекарственных форм препаратов для улучшения биодоступности активного компонента и уменьшения побочных эффектов. В последние годы широко развивается направление адресной доставки препаратов — например, на основе антител.
Нашей научной группой под руководством члена-корреспондента РАН, профессора, доктора химических наук Евгения Северина разработан универсальный подход к созданию препарата для адресной доставки в злокачественные новообразования. Данный метод заключается в синтезе наночастиц, содержащих активное вещество, с последующей конъюгацией векторной молекулой — белка, способного связываться с рецепторами на поверхности опухолевых клеток. Предварительные исследования показали многообещающие результаты, проведенные доклинические испытания подтвердили, что разработанный прототип препарата обладает большей противоопухолевой активностью по сравнению с аналогом, представленным на рынке. Суммируя опыт проведения таких исследований, мы можем описать стандартный протокол проведения исследований при разработке нового препарата и оформления нормативной документации.
Каков же общий путь исследований, позволяющих провести доказательную базу эффективности и безопасности нового препарата, и какое количество времени для этого необходимо? После проведения этапов разработки подхода создания препарата и проведения предварительных экспериментов для доказательства его эффективности коллективом оформляется заявка для участия в конкурсе для предоставления финансирования на проведение доклинических испытаний. Стандартный грант предоставляется на три года, по результатам выполнения которого у группы исследователей, выполняющих данную работу, будет готовый прототип препарата, изучена его эффективность, безопасность и оформлены все необходимые нормативные документы, на основе которых формируется досье и подается на рассмотрение в Министерство здравоохранения России.
Первое, что необходимо сделать при разработке нового препарата,— проведение обширного литературного и патентного поиска в близких и смежных областях, чтобы избежать «изобретения велосипеда». Если патентная чистота подтверждена, можно приступать к экспериментальной работе.
В полученном гранте на проведение доклинических испытаний прописан календарный план и список этапов, которые необходимо выполнить, а затем подготовить отчетную документацию. Все этапы регламентированы соответствующими нормативными документами. Настольными книгами для специалистов являются «Государственная фармакопея Российской Федерации» и «Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств» под редакцией А. Н. Миронова. В фармакопее прописаны все требования и нормы к разрабатываемым препаратам, какие виды исследования необходимо провести для подтверждения состава, структуры и свойств будущего лекарства или новой лекарственной формы (порошки, таблетки, растворы и пр.). В руководстве по проведению доклинических исследований подробно изложено, как необходимо проводить доклинические испытания, чтобы исследование было стандартизировано: выбор вида животных, их количества, кратность введения, дозы и пр.
Для проведения такого широкого спектра исследований необходимо соответствующее количество будущего препарата. В лабораторных условиях обычно отрабатывают технологические режимы и оптимальные параметры получения — от температурного режима до масштабирования процесса — и изучают влияние этих параметров на свойства получаемого продукта. По оптимизированным условиям пишут лабораторный регламент, где четко описано, как именно и при каких условиях необходимо проводить каждый этап получения препарата и что должно быть на выходе, вплоть до учета потерь производства. Лабораторный регламент является официальным нормативным документом, на его основе составляют опытно-промышленный и промышленный регламенты. Для последних двух необходима специальная производственная площадка, аттестованная под изготовление похожего продукта, как и разработанный препарат (рекомбинантные белки, вакцинные препараты, противоопухолевые препараты и т. д.). Необходимо перенести лабораторную технологию получения продукта в больший масштаб на промышленное оборудование, отработать регламентированный процесс получения и оптимизировать технологию с учетом новых объемов. Таким образом, на промышленных производственных площадках по опытно-промышленному и промышленному регламенту получают опытные партии препарата, которые затем необходимо проверять на соответствие всем показателям, которые были установлены разработчиками после получения оптимальной партии по лабораторному регламенту. Все требования к полученному препарату описаны в нормативном документе — фармацевтической статье предприятия (ФСП).
ФСП пишут по тем методам, с помощью которых анализируют полученный препарат в соответствии с государственной фармакопеей. Для включения метода в ФСП необходимо использовать либо стандартизированные методы, приведенные в фармакопее, либо валидированные методы, которые были использованы, но отсутствуют в фармакопее или отличаются по условиям проведения от описанных. Чем больше активных (целевых) и вспомогательных компонентов в препарате, тем больше методов содержит ФСП. Необходимо провести количественный анализ активного компонента и примесей, полный качественный анализ, а также подтвердить сохранение функциональной активности основного компонента.
Зачем нужна фармацевтическая статья предприятия? В технологическом процессе получения препарата могут возникнуть непредвиденные неполадки на какой-либо стадии производства. Для выявления несоответствия продукта (брака производства) необходимо проводить анализ каждой партии. Если была получена бракованная партия, ее можно будет легко выявить, проведя все анализы и сравнив с установленными нормами в ФСП.
После получения опытных партий необходимо изучить стабильность полученного препарата, чтобы доказать, что за указанный промежуток времени (срок годности) не происходит никаких существенных изменений и свойства будущего лекарства остаются неизменными. Стандартный срок хранения лекарственных средств — от полугода до трех лет. Для противоопухолевых препаратов — два года. Для конкурентоспособности и рентабельности будущего лекарства необходимо придерживаться таких же сроков годности, а также ориентироваться на аналоги. Однако ждать два года, чтобы узнать, стабилен ли препарат и проходит ли он по всем нормам и стандартам, нет необходимости. Существуют протоколы, описанные в фармакопее (ОФС.1.1.0009.15 «Сроки годности лекарственных средств»), позволяющие сократить период исследования до года и даже шести месяцев, используя более агрессивные условия исследования. Если препарат по всем показателям сохраняет количественные, качественные и функциональные характеристики, указанные в ФСП, следующий этап — проведение доклинических исследований на животных. На все перечисленные стадии оформляют нормативные документы: регламенты на производство, отчеты о валидации, акты наработки, ФСП, протоколы анализа партий, подтверждающие соответствие полученного продукта описанному в документах.
Для изучения безопасности и эффективности полученного препарата на лабораторных животных утверждается план доклинических исследований, в котором перечислены все этапы исследования и их последовательность. План и модели проведения исследований составляются в зависимости от типа разработанного препарата и описаны в «Руководстве по проведению доклинических исследований лекарственных средств». Для оформления регистрационного досье необходимо провести полные доклинические исследования: исследование нескольких видов токсичности (общетоксическое действие, аллергизирующие свойства, иммунотоксическое действие, репродуктивная токсичность и др.), эффективности действия (например, противоопухолевый эффект нового препарата в сравнении с аналогами), изучить фармакокинетику. Все полученные данные обрабатывают статистически и оформляют в нормативный документ — отчет о доклинических исследованиях с прикреплением первичных результатов. На основании полученных данных, в случае если препарат обладает эффективностью и при этом безопасен для применения, разработчики пишут план проведения первой стадии клинических испытаний, проект инструкции по применению и проект брошюры исследователя. Из составленных документов формируется регистрационное досье, которое и подается на рассмотрение в Министерство здравоохранения России с другими сопутствующими документами.
До последнего этапа, описанного в данной статье, доходят немногие разработки. Путь от научной идеи до регистрации может занимать от трех лет до десятилетий. При наличии оформившейся идеи, прошедшей предварительные фундаментальные исследования, все описанные этапы исследования можно провести за три-пять лет. А дальше препарат ждет еще более сложный, но не менее интересный путь: клинические испытания, регистрация, производство и выход на рынок — при условии наличия хороших результатов на этапе клинических испытаний.
Елена Никольская, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН
Источник
