1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Революция в эволюции – что значат «нобелевские» открытия в химии

Нобелевскую премию по химии присудили за направленную эволюцию ферментов, пептидов и антител

Нобелевская премия по химии в 2018 году присуждена Фрэнсис Арнольд (Frances H. Arnold) за направленную эволюцию ферментов, а также Джорджу Смиту (George P. Smith) и сэру Грегори Винтеру (Sir Gregory P. Winter) за фаговый дисплей пептидов и антител. За прямой трансляцией церемонии объявления лауреатов вы можете следить на официальном сайте Нобелевской премии. Подробнее с заслугами ученых, удостоенных премии в этом году, можно ознакомиться в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета.

BREAKING NEWS:
The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Chemistry 2018 with one half to Frances H. Arnold and the other half jointly to George P. Smith and Sir Gregory P. Winter. pic.twitter.com/lLGivVLttB

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 3 октября 2018 г.

Половина премии достанется Фрэнсис Арнольд, другая половина будет поровну поделена между Джорджем Смитом и Грегори Винтером. «Этим исследователям удалось — с разным вкладом — предложить новые методы комбинаторной химии и биологии для получения биокатализаторов, ферментов и антител с новыми свойствами. Их работы были начаты где-то в 1980-е, и они легли в основу методов получения большого количества различных искусственных ферментов, а также ферментов и антител с измененными свойствами. Эта премия по химии, но она, конечно, имеет обширные биотехнологические и медицинские приложения, например, для лечения онкологических и аутоиммунных заболеваний. Эти предложения будут революционно менять облик терапевтических препаратов следующего десятилетия. К счастью, и в России эти работы тоже проводились на достаточно высоком уровне», — сказал N + 1 Александр Габибов, исполняющий обязанности директора Института биоорганической химии имени Шемякина и Овчинникова РАН.

При направленной эволюции ферментов в последовательность гена, кодирующего синтез этого белка, случайным образом вносят мутации, после чего выбирают белок с нужными свойствами, например с увеличенной активностью. Впервые подобный синтез в 1993 году провела Фрэнсис Арнольд. Сейчас с помощью него можно получать большое количество различных ферментов, которые используются как в биотопливе, так и при производстве лекарственных препаратов.

Фаговый дисплей — лабораторный метод изучения взаимодействий белков с другими белками, пептидными последовательностями и ДНК, который основан на использовании бактериофагов — вирусов, которые заражают бактерию — для соотнесения белков и генетической информации, кодирующей их. Джордж Смит впервые описал этот метод в 1985 году, показав, что изменение в одном из генов бактериофага «отображается» в структуре белков, расположенных на поверхности вируса. Позже Грегори Винтер продемонстрировал, что такой метод можно использовать для производства новых лекарств, например антител, способных нейтрализовать токсические вещества, противостоять аутоиммунным заболеваниям и раку.

«Фаговый дисплей — это самый быстрый способ получения антител, способных специфично связываться с раковыми клетками. Например, если вы хотите увеличить эффективность какого-то антитела в тысячу раз, вы берете его ген и вставляете в вирус так, чтобы нужный белок оказался на поверхности. После этого методом случайной эволюции можно создать библиотеку вирусов и проверять работу антитела во все более и более сложных условиях, выбирая те вирусные частицы, которые оказались лучшими. В результате можно получить последовательность, которой нет в природе, но имеющую нужные нам свойства», — пояснил Константин Северинов, профессор Сколтеха и университета Ратгерса.

По предварительным прогнозам Clarivate Analytics, основанным на данных о цитировании статей ученых, наиболее вероятными кандидатами на получение премии в этом году считались Эрик Якобсен, Джордж Шелдрик и Джоанн Стабб. Первый из этих ученых внес значительный вклад в развитие каталитических реакций органического синтеза, в частности реакции эпоксидирования, которая сейчас носит его имя. Шелдрик создал и поддерживает систему компьютерных программ SHELX, используемую в структурной кристаллографии. А Стабб описала механизм работы ферментов из класса рибонуклеотидредуктаз, которые превращают рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды и играют играют фундаментальную роль в синтезе и починке ДНК.

Ранее были объявлены Нобелевские лауреаты этого года в других областях. Премии по медицине были удостоены Джеймс Эллисон (James Allison) и Тасуку Хондзё (Tasuku Honjo) за разработки в области терапии рака путем активации иммунного ответа. Подробнее об их работах вы можете прочитать в нашем материале «Спустить собак с цепи». Лауреатами премии по физике стали Артур Эшкин (Arthur Ashkin) за разработку оптического пинцета и его применение в области биологии, а также Жерар Муру (Gerard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) — за разработку метода генерации высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов. О том, как работают эти лазерные системы и где они используются, можно узнать в материале «Скальпель и пинцет». Вручение Нобелевских медалей состоится 10 декабря в Стокгольме на традиционной официальной церемонии.

Напомним, что в 2017 году Нобелевской премии по химии были удостоены Жак Дюбоше (Jacques Dubochet), Иоахим Франк (Joachim Frank) и Ричард Хендерсон (Richard Henderson) с формулировкой «за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах». Криоэлектронная микроскопия позволяет определить структуру белков и макромолекулярных комплексов с разрешением, близким к атомарному, без необходимости их кристаллизации. О принципах работы и важности метода можно прочитать в нашем материале «Тени во льду».

Лауреатами премии в 2016 году стали Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage), сэр Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) и Бернард Феринга (Bernard L. Feringa) «за проектирование и синтез молекулярных машин». Молекулярные машины — это молекулы, или комплексы из нескольких молекул, способные к простейшим механическим действиям. Подробно о том, как создаются и используются такие объекты можно прочитать в материале «Машина из пробирки».

Черный ящик изобилия. Нобелевская премия по химии 2018 года

04 октября 2018

Черный ящик изобилия. Нобелевская премия по химии 2018 года

  • 1132
  • 0,9
  • 1

Слева направо: Фрэнсис Арнольд, Джордж Смит, Грегори Винтер. Иллюстрация Никласа Элмехеда / Nobel Media.

Автор
Редакторы

Нынешний выбор Нобелевского комитета в очередной раз подтвердил, что наука еще не растеряла свой «бэконовский дух», свою направленность на «приручение» законов природы. В 2018 году лауреатами премии по химии стали авторы методик биоинженерии промышленно и медицински значимых белков с помощью эволюции in vitro. Причем половина премии ушла Фрэнсис Арнольд, разработавшей метод направленной эволюции ферментов, а другая половина — Джорджу Смиту и Грегу Винтеру, авторам метода фагового дисплея, позволившего не только изучать взаимодействия белков, но и получать в пробирке чистые антитела с высокой аффинностью [1].

Эволюция в пробирке

Потому что это работает.
Фрэнсис Арнольд

Помните момент в знаменитом «Властелине колец», когда король-чародей Ангмара уверяет вступившую с ним в схватку Йовин в том, что, по предсказанию, его не сразит ни один муж? «Я не муж!» — отвечает героиня и сражает высшего назгула. Примерно такая же картина вырисовывается в голове, когда мы читаем очерк об исследованиях Фрэнсис Арнольд в далеких 1990-х:

Читать еще:  Как не ошибиться, делая жизненно важный выбор?

«Некоторые люди смотрели на меня сверху вниз. Некоторые говорили: „Это не наука, приличные джентльмены не занимаются случайными мутациями“. Но я не была ученым. И не была джентльменом. Я легко получала отличный результат, потому что это работает» [2].

Сегодня список многочисленных научных премий Фрэнсис Арнольд пополнился, пожалуй, самой престижной из них — Нобелевской премией по химии. Что сделало ее пятой в истории женщиной-химиком, получившей эту награду. Однако нынешний профессор Калифорнийского технологического института, один из немногих членов сразу трех Американских национальных академий (Национальной академии наук, Института медицины и Национальной академии инженерии) и автор потрясающе эффективного и теперь уже широко используемого метода получения промышленно значимых ферментов начинала довольно скромно. Воистину в духе американской мечты: подрабатывая таксистом и официанткой, чтобы платить за аренду.

На старте своей карьеры она не собиралась быть ученым, а химическим, а затем и биохимическим инженирингом занялась, загоревшись идеей найти возобновляемые источники топлива. Во время работы в Институте солнечной энергетики, после ряда неудач в поиске нужного фермента, Фрэнсис Арнольд рассудила, что эволюция — лучший дизайнер. Так почему же не взять на вооружение ее основные принципы? Это привело ее в Калифорнийский технологический институт, где она сперва изучала биотехнологии, а затем продолжила работать в этом направлении [2], [3].

В 1993 году она получила фермент субтилизин Е — протеазу сенной палочки, — которая оставалась активной даже в присутствии органического растворителя диметилформамида (ДМФ). С помощью метода склонной к ошибкам ПЦР [4] исследователь вносила в ген мутации, а затем клонировала и экспрессировала его с помощью бактерий, отбирая с помощью селекции те клоны, что способны были гидролизовать молочный белок казеин в присутствии ДМФ (рис. 1). Вокруг тех колоний бактерий, чей встроенный фермент гидролизовал казеин, на чашке образовывалось гало. Микроорганизмы с самым большим гало отбирали и подвергали следующему раунду мутагенеза—клонирования—отбора. Таким образом удалось повысить устойчивость к ДМФ в 256 раз [5]!

Рисунок 1. Метод направленной эволюции ферментов. 1. Внесение мутаций в ген, подлежащий модификации. 2. Встраивание генов в бактериальные векторы и их экспрессия в клетках бактерий. 3. Тестирование измененных ферментов по необходимым критериям. 4. Новый раунд внесения случайных мутаций. Цикл повторяется.

И это было только начало! Арнольд смело манипулировала свойствами ферментов, добиваясь сногсшибательных практических результатов. Ее метод был подхвачен и получил необычайно широкое распространение в биоинженерии, химии, биологии. За последние двадцать лет направленная эволюция стала мощным инструментом для управления функциями ферментов. Она позволяет создавать подходящие ферменты с улучшенной специфичностью, активностью, стабильностью и растворимостью, а также устойчивостью к различным условиям производственного процесса [2].

Сама идея кажется донельзя простой. Люди и раньше активно полагались на случайные изменения, с которыми впоследствии работали путем селекции. Фрэнсис Арнольд лишь повторила этот путь, хотя и с принципиальными новшествами, работая с геном напрямую и внедряя его после склонной к ошибкам ПЦР в бактериальные векторы.

Этот путь оказался куда более эффективным в контексте поиска ферментов с необходимыми свойствами. Ведь природа всегда выбраковывает всё то новое, что не способствует выживанию. Однако в пробирке, вооружившись бактериальным вектором, можно получить молекулу с любыми необходимыми свойствами. И при этом действовать куда быстрее и эффективнее самóй биологической эволюции.

Дисплей. Но не компьютерный, а. фаговый!

Почти все научные прорывы основаны на достижениях прошлого.
И моя работа в том числе.

Джордж Смит

«За фаговый дисплей пептидов и антител» — именно так звучит формулировка достижений Джорджа Смита и Грега Винтера в изложении Нобелевского комитета [1] (рис. 2). Смит в настоящее время уже завершил свою карьеру в Университете Миссури в Колумбии, а Винтер по прежнему занимается биохимическими исследованиями в Кэмбриджском университете и является основателем нескольких компаний, включая ту самую, что вывела на рынок противовоспалительный препарат «Хумира» (адалимумаб), продажи которого в настоящий момент составили 18,4 миллиарда долларов [3].

Рисунок 2. Нобелевская премия по химии. Фотограф: Джонас Экстромер / EPA.

Метод фагового дисплея впервые разработал Джордж Смит в 1985 году. Он основан на способности филаментных фагов представлять на своей поверхности белки, встроенные в ген капсида (гены pIII или pVIII в случае фага М13). В результате зараженная таким фагом бактериальная клетка синтезирует соответствующий гибридный белок, а фаг строит из него свой капсид. При этом тот самый белок, чью ДНК мы внедрили, оказывается на его поверхности. А мы, в свою очередь, можем его «пощупать» и проверить на сродство к тем или иным антигенам, изучить его взаимодействие с другими белками, последовательностями ДНК и малыми молекулами [6].

В 1990 году команда Грега Винтера применила метод представления антител на поверхности капсида [7], а в 1991 была создана первая библиотека вариабельных фрагментов антител.

Грэг Винтер, будучи сооснователем биотехнологической компании, то есть человеком, более ориентированным на практику, пошел немного дальше, превратив метод фагового дисплея из метода изучения в метод получения необходимых белков.

Ведь можно не ограничиваться одним лишь только представлением белков на поверхности фаговых капсидов, а отобрать из них те, что лучше или хуже всего взаимодействуют с теми или иными антигенами. Поместим в планшет необходимый компонент. Добавим наших фагов. Отмоем тех, что не связались. Извлечем тех, что связались. Снова инфицируем бактерий. Снова отберем. В результате удастся добиться чрезвычайно высокой эффективности связывания антител с антигеном [6], [8–10].

По своей сути, этот механизм во многом подражает эволюции антител в наших собственных организмах. Лимфатические B-клетки, экспонирующие случайно сконструированные антитела одного-единственного типа, сталкиваются с антигеном. Если происходит связывание антигена с антителом, то B-клетка при помощи помощников превращается в плазматическую клетку, начинает интенсивно размножаться и продуцировать антитела. В результате чего количество антител возрастает на 8 (у человека) — 12 (у мышей) порядков, и организм успешно борется с болезнью. Что же касается метода фагового дисплея, здесь мы вручную отбираем фага с нужным фрагментом белка, чтобы размножить его в пробирке при помощи бактерий [11].

Таким образом в 1993 году научная группа Винтера успешно изолировала фрагменты человеческих антител, которые специфически связывались с антигенами. Эти гены можно было экспрессировать в бактериях, что являлось многообещающей альтернативой методам, основанных на получении антител с помощью животных. И не только экспрессировать, но добиваться чрезвычайной чистоты моноклональных антител, а также улучшать их специфичность с помощью мутагенеза!

Для этого необходимо несколько раундов мутагенеза—амплификации—отбора, когда ДНК отобранных фагов сперва подвергается случайным мутациям, затем снова амплифицируется в бактериях, после чего мы получаем новое поколение немного измененных фагов, из которых опять можно отбирать нужные нам клоны (рис. 3) [11]. Подобный подход чрезвычайно роднит оба нобеленосных метода.

В 2002 году в Европе и США в качестве лекарства для артрита был одобрен адалимумаб (HUMIRA), самый успешный препарат, основанный на моноклональных антителах к TNF. Адалимумаб — если верить словам Грега Винтера, предмет его особой гордости [12], — содержал моноклональные антитела к TNF, полученные в помощью метода фагового дисплея, и стал первым полностью человеческим антителом, получившим фантастический коммерческий успех. О торжественном шествии «Хумиры» мы рассказывали в статье «Краткая история открытия и применения антител» [13].

С тех пор аналогичным путем получили препараты против аутоиммунных заболеваний, всевозможных форм рака и опасных бактерий, таких, как Bacillus anthracis, — возбудителя сибирской язвы.

Читать еще:  Рождественский пост — путь к великой радости

Рисунок 3. Метод фагового дисплея в технологии получении моноклональных антител. 1. ДНК, кодирующая антигенсвязывающие сайты антител, встраивается в гены капсида филаментных фагов. 2. Отбираются фаги с сильным связыванием с антигеном. 3. Внесятся случайные мутации перед новым раундом отбора. 4. С каждым последующим поколением антитела связываются с антигенами все сильнее, со все более высокой специфичностью.

Значение достижений нынешних нобелевских лауреатов по химии трудно переоценить. Недаром «Вашингтон пост» именует их «учеными, которые оседлали силу эволюции» [14].

От случайного блуждания к направленному дизайну

Хотя нельзя не отметить, что методы, основанные на случайном мутагенезе с последующим отбором, в существенной степени представляет собой работу вслепую. В этом процессе мы выигрываем ровным счетом за счет количества. Количества мутаций в генах, встраиваемых в бактериальные векторы или геномы фагов. Количества бактерий, которые быстро и успешно размножаются. Количества поколений микроорганизмов, которые сменяются одно за другим, и на это не приходится тратить миллионы лет. Направленная эволюция подобна черному ящику, который дает прекрасный результат, но от этого не перестает быть менее черным.

Этим направленная эволюция отличается от принципиально другого, рационального пути биоинженерии белков посредством их конструирования из доменов с известными свойствами [15]. С активным задействованием данных о структуре белков и последовательностях, кодирующих их ДНК. Это целое невероятно перспективное направление [16–20], которое, возможно, тоже получит всемирное признание в ближайшие годы, порадовав нас и вас, наших дорогих читателей «Биомолекулы».

Нобелевка по химии: биология, белки и вмешательство в эволюцию

Слева направо: нобелевские лауреаты Фрэнсис Арнольд, Джордж Смит и Грег Уинтер

Caltech/The Nobel Prize/Reuters/Indicator.Ru

3 октября стали известны последние «естественные» лауреаты Нобелевской премии — по химии. Ими стали Фрэнсис Арнольд, Джордж Смит и Грег Уинтер. Они награждены за «направленную эволюцию ферментов» и «метод фагового дисплея для пептидов и антител».

Нобелевская премия по химии 2018 года снова досталась молекулярным биологам. Как и премию по физике, ее присудили в том числе и женщине. Фрэнсис Арнольд стала пятой в истории женщиной — нобелиатом по «химии» (это слово нельзя не взять в кавычки; в российском сегменте Facebook с часу дня — вал постов от химиков, общий смысл которых резюмировал член-корреспондент РАН, директор Института общей и неорганической химии РАН Владимир Иванов: «Уже традиционно: в этом году Нобелевскую премию по химии решили не присуждать»).

Кстати, как и премия по физике, «химическая» премия в этом году присуждена за два совершенно разных открытия. Половину премии заберет себе Фрэнсис Арнольд, представляющая Калифорнийский технологический институт в Пасадине (США). По четверти суммы уйдет на счета Джорджа Смита из Университета Миссури (США) и сэра Грегори Уинтера, единственного англичанина из этой троицы, который представляет Лабораторию молекулярной биологии в Кембридже.

Итак, что же сделали эти достойнейшие люди? Какую пользу они принесли человечеству, чтобы соответствовать завещанию Альфреда Нобеля?

Что же, с пользой тут все в порядке. Фрэнсис Арнольд придумала метод направленной эволюции ферментов — белков, ускоряющих реакции. В 1983 году она впервые провела с его помощью синтез новых белков. Как это работает? Случайным методом мы вносим мутации в ген, который кодирует фермент, затем отбираем из получившихся мутантных белков ферменты с наилучшими свойствами, а потом повторяем процесс снова и снова. Таким образом удается максимально быстро получить наиболее работоспособные белки. Все как в жизни.

Сравнение направленной эволюции с «естественной». На схеме внутреннего круга показаны этапы направленной эволюции, в скобках указаны названия соответствующей стадии «естественной» эволюции. На внешнем круге показаны стадии стандартного эксперимента по проведению направленной эволюции

Thomas Shafee/Wikimedia Commons

Работы же Смита и Уинтера посвящены совершенно другой теме. Джордж Смит придумал так называемый фаговый дисплей. Очень красивая методика позволила увидеть, какой в точности белок кодирует тот или иной ген и каковы его функции.

Для этого нам нужен ген (а как мы помним, ген — это участок ДНК, кодирующий отдельный белок) и бактериофаг (вирус, который поражает бактерии). Мы вставляем нужный нам ген в геном капсида, белковой оболочки, бактериофага, и искомый белок появляется на оболочке этого вируса, как на дисплее. Теперь у нас есть возможность посмотреть, как белок взаимодействует с другими белками.

Что же сделал Грегори Уинтер? Он работал с антителами человека, сумев вынести и их на экран бактериофагового дисплея. Таким образом удалось наиболее быстро и эффективно отбирать антитела (тоже при помощи направленной эволюции) для лечения различных заболеваний.

Именно Уинтер создал первое моноклональное антитело. Адалимумаб и поныне с успехом применяется для лечения таких тяжелых заболеваний, как ревматоидный артрит, болезнь Крона, хронический бляшечный псориаз, активный анкилозирующий спондилит и другие.

Напомним, что компания Clarivate Analytics традиционно предсказывала возможных лауреатов этого года на основе наукометрических данных. И традиционно не угадала никого. Компания назвала фаворитами этого года американца Эрика Якобсена, британца Джорджа Шелдрика и американку Джоанну Стабб. Первый добился исключительных успехов в плане разработки новых органических катализаторов, ускоряющих химические реакции. Второй создал программу SHELX, которая позволяет обрабатывать и визуализировать кристаллографические данные. Третья открыла ферменты, которые могут превращать рибонуклеотиды («буквы» РНК) в дезоксирибонуклеотиды («буквы» ДНК).

Китайская журналистка на церемонии объявления лауреатов спросила у Нобелевского комитета: «Почему физиология и медицина, а также химия вытесняются молекулярной биологией?» «Потому что это приносит пользу человечеству», — так можно вкратце пересказать пространный ответ члена Нобелевского комитета. С одной стороны, он прав. Кроме того, отрадно, что Нобелевский комитет в этом году так отмечает женщин. Но вот вам парадокс: среди пяти лауреатов по химии (Мария Кюри (1911 год), ее дочь Ирен Жолио-Кюри (1935 год), Дороти Кроуфут Ходжкин (1964 год), Ада Йонат (2009 год) и Фрэнсис Арнольд) нет ни одной женщины — «классического» химика. Непорядок!

Небесполезная наука: как нобелевские открытия превращаются в бизнес

В 2018 году Нобелевские премии оказались неожиданно прикладными: все отмеченные открытия нашли применения в практике. Председателю комиссии по химии профессору Класу Густафсону пришлось даже оправдываться на пресс-конференции: «Я думаю, нам следует обратиться к словам самого Альфреда Нобеля, который завещал присуждать премию за открытия, принесшие наибольшую пользу человечеству. Поэтому вы видите внимание к медицинской тематике».

Премия по химии присуждена Фрэнсис Арнольд «за направленную эволюцию ферментов», а также Джорджу Смиту и Грегори Уинтеру «за фаговый дисплей пептидов и антител». С помощью этих методов получают ферменты-катализаторы для промышленности и антитела для медицины. Фаговый дисплей используется для производства 11 из 15 самых продаваемых в мире лекарств.

Премия по физике присуждена Артуру Эшкину, Жерару Муру и Донне Стрикленд «за фундаментальные открытия в сфере лазерной физики», которые дали всем близоруким шанс на лазерную коррекцию зрения, а всем биологам — возможность перемещать лазерным пинцетом отдельные клетки или даже биологические молекулы.

Наконец, премию по биологии Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё получили за метод иммунотерапии рака, который позволяет добиться излечения даже у больных меланомой, ранее обреченных на смерть в течение года.

Многие лауреаты, однако, подчеркивают, что в их работе ими изначально двигало научное любопытство и желание разобраться в том, как устроен мир, а не практические задачи. По-английски для фундаментальных исследований применяется термин blue sky research, и Джеймс Эллисон еще до получения Нобелевской премии подчеркивал в своих лекциях необходимость поддержки такого рода «бесцельных», движимых интересом к познанию мира исследований грантовыми фондами.

Читать еще:  «Забирайте деньги, диктуйте цифры» – осторожно, мошенники!

«Без фундаментальных исследований нам нечего было бы передать рынку, в бизнес. Хорошо бы, чтобы те, кто выделяет деньги на науку в Национальном институте здоровья и пр., имели это в виду», — сказал ученый в своей лекции 2017 года. Возможно, этой Нобелевской премии не было бы, но Эллисон сумел в 2011 году найти компанию, которая зарегистрировала первый препарат на основе его идеи. Как же это произошло?

Иммунитет вместо скальпеля

Началось все в лабораториях Эллисона и Хондзё. Они независимо друг от друга обнаружили механизм, который тормозит иммунный ответ организма. Клетки иммунной системы призваны уничтожать все инородные агенты, но при этом не трогать белки собственного организма. Чтобы поддерживать этот баланс, существуют белки, которые включают торможение иммунного механизма, не допуская аутоиммунной реакции.

Тасуку Хондзё открыл неизвестный на тот момент фермент PD1 и проверил его действие на мутантных мышах, у которых этот белок был отключен. Животные продемонстрировали признаки аутоиммунных заболеваний: их иммунитет атаковал организм хозяина. Пожалуй, обычный ученый решил бы изучить белки у страдающих аутоиммунными заболеваниями особей, чтобы починить эти разболтавшиеся тормоза. Но гениальные исследователи способны на нестандартные решения. Вместо починки нобелевский лауреат предложил, наоборот, ломать «тормоза» у людей с онкологическими заболеваниями. Раковые клетки — это по существу тоже клетки организма, которые сбалансированная иммунная система может не замечать. Отключение тормоза помогает иммунной системе выявить раковые клетки и атаковать их. Именно это и обнаружил Тасуку Хондзё: при отключении белка PD1 иммунные клетки атакуют опухоль.

Джеймс Эллисон работал с белком CTLA4: он был открыт ранее, но его функция оставалась неизвестной. В 1994 году ученому удалось выделить антитело, которое блокировало работу белка CTLA4. В своей лаборатории в Беркли он провел эксперимент на мышах, который показал: блокирование белка освобождало иммунитет, и он начинал опознавать раковые клетки как вредоносные и уничтожать их.

Эти эксперименты открыли принципиально новый подход к лечению рака. Вместо скальпеля хирурга, радиотерапии и химиотерапии, нацеленных на раковые клетки, воздействию подверглась иммунная система человека, которая после этого сама может разобраться с болезнью.

Путь в бизнес

Метод стал достоянием не только науки, но и фармацевтического бизнеса. Идею удалось воплотить в патентах: каждая компания регистрирует свои антитела, отключающие белки и освобождающие иммунитет. На основе этих патентов создавались лекарства, которые проходили сертификацию соответствующего медицинского ведомства страны.

Флагман мирового биотеха — США, где разрешение на коммерческое использование выдает FDA (Food and Drug Administration, аналог Минздрава РФ): нужно пройти три стадии клинических испытаний на людях. Затраты на такие исследования многократно превосходят затраты на научную разработку и получение патента — они исчисляются миллиардными суммами. И, естественно, фармкомпании идут на них исключительно с целью многократно окупить их при продаже. Поэтому дальнейший прогресс в создании антираковых препаратов диктует рынок. Компании выбирают, с какими типами онкологии они лучше умеют работать, лекарство для какого вида рака будет создано быстрее и даст больше прибыли.

«Безусловно, частично (и в достаточно большом проценте случаев) стоимость препарата определяется патентами. Стоимость препарата прежде всего определяют фармацевтические компании», — подтверждает Полина Шило, врач-онколог, резидент Высшей школы онкологии. Она уточняет, что регулирующие органы могут снизить стоимость лекарств в разумных пределах, но, к сожалению, пока на рынке есть только один производитель конкретной очень эффективной молекулы, он извлекает из ее производства максимальную прибыль — как и любой монополист.

Новая эра лечения рака

Первое лекарство, блокирующее CTLA4, было одобрено для применения в клинической практике в 2011 году в США: против неоперабельной метастазирующей меланомы. В 2014 году одобрены еще два лекарства от меланомы, от рака легких и рака почек, — применяемая терапия блокировала уже PD1. В 2016-2017 годах были одобрены лекарство от ходжкинской лимфомы, рака легкого, мочевого пузыря, шеи.

Терапия меланомы шокировала и дала веру в силу метода. Для некоторых пациентов, которым ранее врачи отводили меньше года жизни, даже используется термин «излечение» (при всей его ненаучности: обычно принято говорить о длительности ремиссии). По крайней мере трехлетняя выживаемость пациентов после анти-CTLA4 терапии (подавляет соответствующий названию лечения белок) составила 37%, анти-PD1 — 56%, комбинированный метод позволял выжить 68% пациентов.

Открытый механизм иммунотерапии универсален, поэтому сейчас методики, мишени и антитела появляются лавинообразно: в США и Китае уже не хватает пациентов, чтобы тестировать новые лекарства с достаточной для клинического одобрения статистикой.

Первым антителом для излечения меланомы стал ипилимумаб, открытый Джеймсом Эллисоном. Чтобы вывести его на рынок, был образован стартап Medarex, который позже был куплен американской фармкомпанией Bristol-Myers Squibb за $2,4 млрд.

Ниволумаб также был открыт в Medarex, препарат разрабатывали там же и в Ono Pharmaceutical, а на рынок его выводили уже две компании: Ono и Bristol-Myers Squibb. Лекарство используют от мелкоклеточного рака легких, а также от рака почек. Антитело пембролизумаб, одобренное изначально для лечения меланомы, было создано в Нидерландах в компании Organon, которую в 2007 году купила Schering-Plough, а ее, в свою очередь, в 2009 году купил фармгигант Merck. Окончание «-аб», присутствующее в названиях подобных препаратов, представляет собой сокращение от английского antibody (антитело): все эти препараты представляют собой антитела, связывающие и блокирующие чекпойнт-белки PD1 или CTLA4.

Революция продолжается

В 2017 году FDA одобрил пембролизумаб для лечения всех метастизирующих или неоперабельных злокачественных твердых опухолей с определенными генетическими характеристиками. Это решение — нацеливать онкологическое лекарство не по органу локализации, а по набору генов раковой клетки, — стало первым в своем роде и очень важным. Скорее всего, такая практика позволит усовершенствовать терапию: раковые клетки сильно отличаются от исходных здоровых, и метод их лечения скорее определяется типом злокачественности, чем органом, в котором они зародились.

Атезолизумаб, созданный в Genentech/Roche, уже одобряли по типу раковых клеток. Авелумаб (Merck KGaA, Pfizer и Eli Lilly and Company) и дурвалумаб (Medimmune/AstraZeneca) завершают список одобренных на сегодня антител. Однако эти лекарства могут устареть в любую минуту: на испытании находятся десятки препаратов, а уже одобренные антитела проходят проверку на других типах раков.

«До многих типов рака исследования просто не дошли: с момента получения первых разрешений FDA прошло всего 3-4 года. Во всяком случае, многие до сих пор не одобренные типы рака (яичников и груди, например) показывают именно те маркеры, на которые воздействуют уже разработанные антитела, что напрямую указывает на возможность их использования и в этих типах рака», — прогнозирует Дмитрий Мадера, руководитель лаборатории молекулярной генетики компании BIOCAD.

Создание иммунных препаратов, с некоторыми оговорками, доступно и российским компаниям: «Например, BCD-100 от компании BIOCAD сейчас проходит масштабные клинические испытания», — рассказывает Полина Шило. Она добавляет, что из прочих препаратов на территории России уже прошли клинические испытания и зарегистрированы ипилимумаб (рыночное название — «Ервой»), пембролизумаб («Китруда»), ниволумаб («Опдиво») и атезолизумаб («Тецентрик»). Эти препараты, однако, зарегистрированы не по всем показаниям, то есть не для всех видов опухолей, в отношении которых они демонстрируют свою эффективность.

Вот так чисто академические исследования привели к открытию новых эффективных способов лечения смертоносных онкологических заболеваний. Таков эффект от фундаментальной науки.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector