Разработка ученых НГУ позволит ускорить поиск наиболее эффективных лекарств от рака

Новый комбинированный подход, направленный на определение сайтов связывания препаратов, применяемых в фотодинамической онкотерапии, с белком, ответственным за перенос лекарственных препаратов в организме человека, разработали российские ученые. Он позволит ускорить поиск наиболее эффективных лекарств от рака, а также минимизирует проявление побочного влияния на организм пациента.

Данное исследование проводилось группой ученых Новосибирского государственного университета, Международного томографического центра СО РАН, сотрудниками РТУ МИРЭА.

Результаты исследования опубликованы в Journal of the American Chemical Society. Сам факт публикации в таком престижном и высокоцитируемом журнале уже считается успехом для молодых исследователей, а данная статья была принята к публикации в рубрике «Выбор редакции» («Editor’s Choice»), что свидетельствует о признании разработки международным профессиональным сообществом. Основной автор публикации — аспирант второго года обучения кафедры химической и биологической физики Физического факультета НГУ, младший научный сотрудник Лаборатории электронного парамагнитного резонанса Международного томографического центра Михаил Колоколов получил престижную молодежную награду от Международного общества ЭПР-спектроскопии за лучшую научную работу. Свое исследование молодой ученый проводил вместе с аспирантом 4 года той же кафедры Натальей Санниковой под научным руководством доктора физико-математических наук Олеси Крумкачевой.

Лекарственные препараты, попадая в организм человека, прежде всего связываются с белками, содержащимися в крови. Насколько эффективно то или иное лекарство, зависит от степени его связывания с сывороточным альбумином — белком, отвечающим за транспорт веществ в организме и содержащимся в плазме крови. Степень связывания препарата с этим белком оказывает сильное влияние на действие. При слишком сильном связывании концентрация препарата в крови будет снижена, а при слабом — препарат может неравномерно распределиться в организме или вовсе разрушится, не достигнув желаемой 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. Однако традиционные методы структурной биологии оказываются недостаточно эффективными, если сайтов связывания несколько или взаимодействие препарата с поверхностью белка нестабильно. Тогда исследователи применяют метод молекулярного моделирования, но и его результатов оказывается 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. Таким образом получается множество вариантов строения таких комплексов, что становится трудно учесть методом молекулярного моделирования. Мы предложили собственный комбинированный подход, позволяющий измерять расстояние между различными элементами комплекса и использовать их для получения его структуры. Ранее применяемые методы выдают средние значения, в нашем же случае удается добиться атомарной точности в измерении распределения расстояний между сайтами связывания, «видеть» все возможные конформации (то есть пространственные расположения атомов в молекуле определенной конфигурации) и находить места, где малые молекулы вещества связываются с белком. Это и есть самый важный элемент нашей работы. 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, — объяснил Михаил Колоколов.

В своем подходе ученые совместили методы молекулярного моделирования с экспериментальными данными, полученными методом электронного парамагнитного резонанса, который позволяет определить строение соединений на основе информации о том, как они поглощают микроволновое излучение. Сначала они выявили возможные сайты связывания лекарственного препарата с белком с помощью расчетов, после этого провели исследования методом ЭПР-спектроскопии, а затем применили полученные экспериментальные результаты и компьютерные вычисления, чтобы уточнить конфигурацию данных сайтов. Данная работа была выполнена аспирантами Физического факультета НГУ, младшими научными сотрудниками Лаборатории ЭПР Международного томографического центра Михаилом Колоколовым и Натальей Санниковой. Выяснилось, что связывание для различного типа фотосенсибилизаторов может происходить в нестандартных участках альбумина и в нескольких сайтах одновременно.

— В теории можно даже не делать никаких экспериментов, а просто используя расчетные методы, определить, где молекула связывается с белком. Однако на практике выясняется, что данные методы приводят к значительным неточностям и даже ошибкам, потому что алгоритмы расчетов относительно упрощены. По этой причине ученые зачастую не уверены в полученных результатах. К тому же расчетные методы могут дать несколько вариантов сайтов связывания и их расположения. И нередко, с точки зрения расчетов, эти варианты равновероятны. Вопрос в том, какой из них — верный. По этой причине расчетный метод недостаточно точный и целиком на него не следует полагаться, но все же он полезен, потому что дает направление для экспериментального поиска, позволяя сузить область нахождения возможных мест связывания. Благодаря этому мы можем использовать полученные нами экспериментальные расстояния, в которых точно уверены вместе с расчетными методами, и с достаточной точностью определять наличие молекулы на белке, — рассказал Михаил Колоколов.

Свой комбинированный подход ученые опробовали, исследуя связывание альбумина с фотосенсибилизаторами.

Фотосенсибилизаторы — это природные или синтетические вещества, которые используются в медицине, например, в фотодинамической терапии (ФДТ), где они накапливаются в патологических клетках и при облучении светом активируются, вызывая их гибель.

Метод фотодинамической онкотерапии считается очень перспективным, потому что в отличие от традиционной химиотерапии, затрагивает только опухоли, которые и подвергаются воздействию света. Однако на текущий момент данный метод лечения рака не слишком распространен из-за несовершенства фотосенсибилизаторов. Перед учеными стоит задача сделать так, чтобы они эффективнее поглощали свет, лучше распространялись по организму и накапливались в опухолях. Данное исследование сайтов связывания фотосенсибилизаторов с альбумином важно для возможности дальнейшего усовершенствования их распространения по организму и повышенной концентрации в опухолях, что будет способствовать повышению эффективности терапии. Поэтому работа в данном направлении имеет важное клиническое значение.

Ученые определили расположение сайтов связывания для семи соединений, структурные детали взаимодействия с альбумином которых ранее оставались неясными.

Новый подход показал, что связывание может осуществляться в нестандартных участках альбумина и в нескольких сайтах одновременно для различного типа фотосенсибилизаторов.

Проверили эффективность своего комбинированного подхода ученые на нескольких фотосенсибилизаторах. Для демонстрации различных механизмов связывания они взяли соединения, молекулы которых имеют разный электрический заряд — отрицательный, положительный и нейтральный. И оказалось, что в зависимости от этого фактора они по-разному связываются с белком, который в данном случае был отрицательно заряженным. Молекулы с положительным или нейтральным «садятся» на отрицательно заряженную поверхность белка и образуют нестабильную связь — они могут на время отсоединяться и снова присоединяться.

Иначе ведут себя отрицательно заряженные молекулы — они проникают в карманы на поверхности белка и находятся там стабильно. Но в данном случае важную роль играет их размер. Молекулы относительно небольших размеров входили в данные карманы полностью и образовывали очень эффективное связывание, тогда как более крупные проявляют себя иначе.

Эксперименты показали: 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. Эти процессы исследователи наблюдали в экспериментах напрямую. Данное поведение молекул логично, однако расчетные методы его не учитывают. При их использовании можно определить, как именно молекула прикрепляется к белку, но при этом не определяется, как от этого меняется сам белок. Если в карман свободно входят небольшие молекулы, особых изменений не происходит. Но крупные могут изменить структуру белка. Расчетные методы зачастую этого не фиксируют, но в ходе экспериментов исследователями эти ошибки и неточности были исправлены.

— В ходе всех своих экспериментов в рамках данного исследования мы показали с атомарной точностью, где молекулы данных соединений связываются с альбумином, что, несомненно, является новизной с точки зрения разработки фотостабилизаторов. Разработанный нами комбинированный подход позволит сделать анализ противораковых соединений значительно точнее, а процесс разработки новых препаратов для онкотерапии проще и быстрее. Благодаря сочетанию компьютерного анализа и данных электронного парамагнитного резонанса, нам удалось значительно сократить количество трудоемких вычислений и экспериментов, упростить определение взаимодействий между альбумином и фотосенсибилизаторами. Мы считаем, что наша работа позволит предсказывать наиболее перспективные для фотодинамической противораковой терапии соединения. Теперь мы собираемся применить разработанный нами подход, чтобы изучить, как фотосенсибилизаторы связываются с молекулами ДНК, — рассказал Михаил Колоколов.