Точечный удар. Как российские ученые разработали уникальные соединения для лечения рака шейки матки
Рак шейки матки занимает пятое место в мире среди причин женской смертности от рака. Ежегодно возникает 470 тысяч новых случаев рака шейки матки, а 233 тысячи заканчиваются смертью пациенток. К сожалению, основной метод лечения — химиотерапия — повреждает не только злокачественные, но и здоровые клетки. Это приводит к множественным побочным эффектам: например, к снижению массы тела, выпадению волос, быстрой утомляемости, развитию анемии. Ирина Эфрос поговорила с лидером научной группы Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО Антоном Муравьевым о новом препарате, который запускает программируемый механизм смерти у раковых клеток и не наносит вреда здоровым.
— Антон Андреевич, что представляет собой ваш препарат?
— Мы синтезировали и исследовали соединения в течение пяти лет, совместно с учеными петербургского ИТМО, казанского Института органической и физической химии им. А. Е. Арбузова и Университета Восточной Англии. Их молекулярная структура состоит из двух частей и внешне напоминает чаши с выпадающими из них гроздьями винограда. В качестве «чаши» были выбраны нетоксичные макроциклические молекулы каликсаренов (продукт реакции молекул фенола с формальдегидом; название «каликсарен» впервые было предложено химиком Давидом Гютше и происходит от латинского слова calix, или chalice (чаша для вина), что отображает особенную форму молекулы, и слова «арен», указывающего на ароматический строительный блок данного соединения. — Прим. ред.). Преимущество такой конструкции в том, что к ним можно «присоединить» любые другие молекулы и таким образом управлять их проникновением в клетку. К «чашам» мы присоединили «гроздья винограда» — молекулы пиразола. Они способны связываться с ДНК клеток, что может запускать механизм апоптоза (программируемая клеточная смерть. — Прим. ред.).
— Как вы пришли к идее разработки препарата против рака?
— Ученые во всём мире десятилетиями мечтают создать лекарство от рака. Ничего нового в этом нет. Но в нашем случае всё получилось довольно спонтанно (смеется). Изначально мы не планировали использовать эти соединения в противоопухолевой терапии и скорее рассматривали их как потенциальные сенсоры на ионы металлов. Но, зная, что структурные блоки, которые мы получили, воздействуют на ДНК, решили испытать их биологическую активность.
— А дальше?
— Мы по отдельности исследовали воздействие препарата на здоровые клетки печени и легкого и раковые клетки из шейки матки, легкого, груди. В итоге три соединения показали наилучший результат. Они уничтожили раковые клетки, поразившие шейку матки, и сохранили здоровые клетки. Дополнительный эксперимент показал, что спустя 24 часа у обработанных соединениями раковых клеток запустился механизм апоптоза, который заставил их самоуничтожиться, а здоровые клетки не изменились.
— Расскажите, чем так опасен апоптоз.
— На самом деле в случае апоптоза нужен баланс. В норме он позволяет вовремя заменить дефектные клетки новыми и предотвратить появление генетического материала с мутациями. Но если в ДНК клетки всё-таки возникает мутация, клетка может стать раковой и будет сопротивляться апоптозу, становясь практически бессмертной. В то же время слишком активный апоптоз приводит к нейродегенеративным заболеваниям, таким как болезнь Паркинсона или Альцгеймера. Так что наша задача — нарушить механизм защиты раковой клетки от апоптоза, избегая при этом воздействия на здоровые клетки.
— Почему препарат убивает только раковые клетки линии HeLa?
— Пока у нас есть только гипотеза. Дело в том, что молекулы препарата крупные — они составляют один нанометр, а в тканях опухоли поры довольно широкие по сравнению со здоровыми тканями. То есть веществу легче туда проникнуть. А вот почему препарат оказывает воздействие только на линию HeLa, мы еще не знаем. Ответ на этот вопрос, возможно, будет получен в случае выявления молекулярных мишеней, характерных именно для линии HeLa, для наших препаратов.
Невольным источником первой иммортализованной клеточной линии человека и одной из самых важных линий в медицинских исследованиях стала Генриетта Лакс — афроамериканка из штата Виргиния. Через четыре месяца после родов последнего ребенка Генриетта стала замечать на своем нижнем белье странные выделения. 1 февраля 1951 года она обратилась в Госпиталь Джонса Хопкинса в Балтиморе. Там Генриетте поставили неутешительный диагноз — рак шейки матки. Восемь месяцев спустя, несмотря на хирургическое вмешательство и радиотерапию, она скончалась в возрасте 31 года. Мировая слава пришла к ней после смерти. Дело в том, что во время пребывания Генриетты в госпитале лечащий врач отправил клетки ее опухоли на анализ Джорджу Гаю — начальнику лаборатории исследования клеток тканей. Исследования показали, что клетки обладают рядом уникальных способностей. Они размножались вдвое быстрее клеток из нормальных тканей, и у них отключилась программа подавления роста после определенного количества делений. Другими словами, они стали бессмертными.
Такая клеточная линия произвела фурор в мире медицины и биологии, особенно после того, как оказалось, что клетки способны пережить даже пересылку по почте! С тех пор у ученых появилась первая в мире стабильная и даже вечная клеточная линия, адекватно имитирующая сущность человеческого организма. Интересная деталь: в то время согласия на культивирование клеток, полученных в результате лечения Лакс, не требовалось. Так что ни Генриетте, ни ее семье не была выплачена компенсация за извлечение или использование клеток HeLa.
— А почему для эксперимента выбрали всего три линии клеток?
— Мы использовали линии клеток, которые были у сотрудничающих с нами биологов. В дальнейшем нам было бы интересно посмотреть воздействие препарата на более серьезные, неоперабельные опухоли, такие как рак мозга и легкого.
Существует несколько примеров иммортализованных клеточных линий (то есть клеток, которые из-за мутации избежали нормального клеточного старения и могут продолжать подвергаться делению до бесконечности). Бессмертные клеточные линии являются очень важным инструментом для исследований в области биохимии и клеточной биологии многоклеточных организмов. Каждая клеточная линия обладает различными свойствами и классифицируется по типу клеток, из которых она произошла, или по биологическому сходству с ними:
- клетки 3T3 — линия клеток фибробластов мыши, полученная в результате спонтанной мутации в культивируемой ткани эмбриона мыши;
- клетки A549 — получены из опухоли легкого, больного раком;
- клетки HeLa — широко используемая линия клеток человека, выделенная у пациентки с раком шейки матки Генриетты Лакс;
- клетки HEK 293 — получены из клеток плода человека;
- клетки Huh7 — линия клеток карциномы, полученная из печени;
- клетки Jurkat — линия клеток Т-лимфоцитов человека, выделенная из организма, больного лейкемией;
- клетки OK — получены из клеток почек самки североамериканского опоссума;
- клетки Ptk2 — получены из эпителиальных клеток почек самца длинноносого потору;
- клетки Vero — линия клеток почки обезьяны, возникшая в результате спонтанной иммортализации.
— То есть главное преимущество препарата — это его избирательность?
— Не только. Еще мы исследовали токсичность при помощи экспериментов на выборке из шестидесяти мышей и получили высокую летальную дозу.
— Что это значит?
— Объясню на примере доксорубицина — самого обычного противоракового препарата, который воздействует и на раковые, и на нераковые линии клеток. Его летальная доза на 50% мышей составляет 10 мг на 1 кг живого веса, а у нашего соединения — 90 мг на 1 кг. То есть наш препарат в девять раз менее токсичный. Кроме того, я сдавал кровь, из нее извлекались эритроциты, а потом мы с командой наблюдали, разрушаются ли они под воздействием препарата. Оказалось, что даже при девятикратном превышении дозировки нашего препарата доля разрушенных эритроцитов составляет меньше 10%.
— Обращались ли к вам люди с терминальной стадией рака?
— Да, когда о нашем препарате стали появляться статьи в СМИ, пациенты с четвертой стадией писали мне и директору центра, что готовы принять участие в исследованиях в качестве добровольцев. Нам пришлось отказать всем. Сейчас наши препараты находятся на стадии доклинических исследований, а к клиническим испытаниям на людях мы придем еще нескоро. И заниматься этим будет не наш университет, а учреждения Минздрава — у нас нет необходимых для этого ресурсов.
— Если всё пройдет успешно, когда можно ждать появления препарата на полках аптек?
— Примерно через пятнадцать лет. Исследование препарата — процесс очень долгий, но, как показывает практика, необходимый. Достаточно вспомнить историю с препаратом от бессонницы талидомидом.
— А что с ним было не так?
— В период с 1956 по 1962 год в нескольких странах родилось, по разным подсчетам, от восьми до двенадцати тысяч детей с врожденными уродствами. Выяснилось, что женщины принимали этот препарат во время беременности. А у него есть две оптические формы: одна боролась с бессонницей, а вторая способствовала высокой смертности плода и нарушению эмбрионального развития. Проще говоря, на свет появлялись дети с физическими отклонениями. Талидомидовая трагедия заставила пересмотреть существующую практику сертификации лекарственных средств, и требования к сертифицируемым препаратам ужесточились.
— Вам известны страны, где ученые работают над созданием препарата, подобного вашему?
— На данный момент единственная страна, в которой препарат на основе каликсарена дошел до первой фазы — фазы клинических испытаний, — это США. Хотя это совсем не значит, что американцы станут первыми. Известно множество препаратов, которые дошли до первой фазы исследований, но так и не поступили в продажу.
— Какие ваши следующие шаги?
— Сейчас важнее всего протестировать противораковые соединения на мутагенность и ответить на вопрос: «Что будет с организмом при долговременной химиотерапии и возникнут ли при этом побочные эффекты?» С помощью расчетов мы показали, что препарат не приводит к мутации молекул ДНК. На следующем этапе мы будем проверять этот факт экспериментально. Кроме того, мы активно сотрудничаем с Красноярским университетом. Они разработали интересную технологию получения капсул размером 500 нанометров, которые работают как контейнер для токсичных лекарственных препаратов. Им удается не только легко преодолевать различные барьеры в организме и раскрываться в нужном органе, но и повышать время циркуляции препарата в крови, что очень важно для долгосрочного терапевтического эффекта. С их помощью мы надеемся выяснить, что наш препарат подавляет и другие формы опухолей.
— Часто ли в процессе работы над препаратом случаются разочарования?
— Я думаю, как и в любой другой. Иногда мы планируем решить локальную задачу за пару месяцев, а на это уходит полгода или даже год. Бывает, что гипотезы не подтверждаются. Например, для нас стало неожиданностью, что содержание одного из белков, блокирующего апоптоз, повысилось после воздействия нашего препарата. Британские коллеги были настроены скептически, говорили: «Видите, ваш препарат не работает, раковая клетка сопротивляется». Но смерть раковой клетки, несмотря на ее сопротивление, всё равно происходит. А то, что при поверхностном взгляде может казаться разочарованием, открывает возможности для новых исследований.