Создана технология, позволяющая ускорить поиск эффективных лекарств от рака
Ученые из Новосибирского государственного университета (НГУ), Международного томографического центра Сибирского отделения Российской академии наук (МТЦ СО РАН) и МИРЭА — Российского технологического университета (РТУ МИРЭА) разработали новый комбинированный подход, который позволяет ускорить поиск наиболее эффективных лекарств от рака и при этом минимизировать их побочное влияние на организм пациента.
Свое исследование ученые основывают на представлении, что эффективность того или иного лекарства в организме человека зависит от степени его связывания с сывороточным альбумином — белком, содержащимся в плазме крови и отвечающим за транспорт веществ в организме. При слишком сильном связывании концентрация препарата в крови будет снижена, а при слабом — препарат может неравномерно распределиться в организме или разрушится, не достигнув цели.
«Чтобы создать эффективное лекарство и контролировать его связывание с транспортным белком, важно знать, на какой участок белка прикрепятся его молекулы. Выявление таких участков приведет к пониманию механизма действия препаратов, прогнозированию побочных эффектов и выявлению причин резистентности к нему у некоторых пациентов», — объяснил первый автор публикации, аспирант кафедры химической и биологической физики физического факультета НГУ, младший научный сотрудник Лаборатории электронного парамагнитного резонанса МТЦ СО РАН Михаил Колоколов.
Как отмечают ученые, традиционные методы структурной биологии оказываются недостаточно эффективными, если сайтов связывания несколько или взаимодействие препарата с поверхностью белка нестабильно. Обычно в таком случае применяется метод молекулярного моделирования, однако и его результатов может оказаться недостаточно, поскольку зачастую лекарственные препараты связываются с белком в нескольких местах. Так, на один белок могут одновременно и на разных участках прикрепляться несколько малых молекул лекарства и получается множество вариантов строения таких комплексов.
Исследователи же предложили подход, позволяющий измерять расстояние между различными элементами комплекса и использовать их для получения его структуры. Традиционные методы выдают средние значения, а благодаря новому методу, по мнению ученых, удается добиться атомарной точности в измерении распределения расстояний между сайтами связывания, видеть все возможные пространственные расположения атомов в молекуле определенной конфигурации и находить места, где малые молекулы вещества связываются с белком.
«В нашем подходе мы измеряем расстояния внутри комплекса с помощью спиновых меток. Специальная малая молекула, содержащая неспаренный спин, селективно вводится в известный нами участок белка. После связывания белка с лекарством мы можем измерять спин-спиновые расстояния между спиновой меткой и молекулами лекарства на белке», — отметил Михаил Колоколов.
Исследователи также заявляют, что и расчетные методы, применяемые для определения связывания, также являются неточными, поскольку алгоритмы расчетов относительно упрощены. Однако, по мнению ученых, расчетный метод должен быть использован для определения направления для экспериментального поиска, что сужает область нахождения мест связывания, где затем уже используется разработанный учеными комбинированный подход.
Эффективность своего комбинированного подхода ученые проверили на нескольких фотосенсибилизаторах — природных и синтетических веществах, которые используют в фотодинамической онкотерапии. Сам метод фотодинамической терапии пока не слишком распространен именно из-за несовершенства фотосенсибилизаторов, а разработанный учеными подход, как утверждают его авторы, может повысить эффективность их распространения по организму и накапливания в патологических клетках.
В ходе экспериментов ученые взяли соединения, имеющие разный электрический заряд, и увидели, что в зависимости от этого фактора происходит разное связывание с белком, который был отрицательно заряжен. Молекулы с положительным или нейтральным зарядом «садились» на отрицательно заряженную поверхность белка и образовали нестабильную связь — они могут на время отсоединяться и снова присоединяться. А отрицательно заряженные молекулы проникали в карманы на поверхности белка и находились там стабильно. Эксперименты также показали, что чем меньше молекула и чем она полнее заходит в эти карманы, тем населенность сайта выше, тогда как при экспериментах на более крупных молекулах, которые не так свободно входят в эти карманы, населенность ниже, а связывание менее эффективно. Если в карман свободно входят небольшие молекулы, особых изменений не происходит. Но крупные могут изменить структуру белка. Расчетные методы, как утверждают ученые, зачастую этого не фиксируют.
Ученые надеются, что разработанный ими комбинированный подход позволит в дальнейшем сделать анализ противораковых соединений значительно точнее, а процесс разработки новых препаратов для онкотерапии — проще и быстрее, поскольку в разработанном подходе существенно сокращено количество трудоемких вычислений и экспериментов, упрощено определение взаимодействий между альбумином и фотосенсибилизаторами, а также предсказываются наиболее перспективные для фотодинамической противораковой терапии соединения.
Следующий шаг своей работы ученые видят в применении разработанного ими подхода для изучения того, как фотосенсибилизаторы связываются с молекулами ДНК.