Як утворюються ліки. Нові ліки: як відбувається розробка ліків Обмеження застосування комп'ютерних методів

Процес починається із отримання нового хімічного складу. Субстанції з комплексною структурою можуть бути одержані з різних джерел, таких як рослини (серцеві глікозиди), тканини тварин (гепарин), мікробні культури (пеніцилін), людські клітини (урокіназа), засобами генної інженерії (людський інсулін). Людина все глибше проникає у структурно-функціональні взаємозв'язки, пошук нових агентів стає сфокусованішим.

Преклінічне тестування

Преклінічне тестування збирає інформацію про біологічні ефекти нових субстанцій. Початковий скринінг проводиться у біохіміко-фармакологічних дослідженнях чи експериментах на клітинних культурах, ізольованих клітинах та ізольованих органах. Так як ці моделі не здатні повністю відтворити весь комплекс біологічних процесів в інтактному організмі, будь-які потенційні ліки мають бути тестовані на тваринах. Тільки досліди на тваринах можуть відповісти на запитання. чи з'являються бажані ефекти у нетоксичних чи малотоксичних дозах.

Дослідження токсичності покликане оцінити:

• токсичність при короткочасному та тривалому застосуванні,
• можливість генетичних ушкоджень (генотоксичність, мутагенність),
• можливість розвитку пухлин (онко- і канцерогенність),
• можливість народження хворого плода (тератогенність)

На тваринах досліджувані сполуки випробовуються також на поглинання, розподіл, метаболізм, та виділення (фармакокінетика). Навіть на рівні преклінічних досліджень відсівається переважна більшість потенційних лікарських сполук і залишаються лише окремі.

Клінічне тестування

Фаза I

У цій фазі проводиться дослідження нових препаратів на здорових особах з метою визначити, чи спостерігаються у людини ефекти, виявлені у тестах на тваринах, виявити взаємини між дозою та ефектом.

Фаза ІІ

Потенційний новий препарат апробується на обраних пацієнтах визначення терапевтичної ефективності при захворюванні, якого він призначений. Позитивна дія має бути очевидною, а небажані ефекти прийнятно малі.

Фаза ІІІ

У цій фазі до дослідження залучаються великі групи пацієнтів за допомогою яких ліки, що досліджуються, порівнюється зі стандартним лікуванням за наслідками терапії.

Як форма випробувань на людях, такі клінічні випробування є суб'єктом розгляду та схвалення етичними комітетами відповідно до Гельсінської, Токійської та Венеціанської декларацій. У процесі клінічних випробувань багато нових ліків ліки визнаються непридатними до застосування. Зрештою, залишається лише одне ліки з приблизно 10000 новостворених субстанцій.

Рішення схвалити новий препарат приймає національний регулюючий орган (у Росії – Фармкомітет МОЗ РФ). Заявники (фармацевтичні компанії) подають до регулюючого органу повний комплект документації преклінічних та клінічних випробувань, у яких отримані дані про ефективність та безпеку задовольняють встановленим вимогам та передбачувану форму випуску продукту (таблетки, капсули тощо).

Після схвалення нові ліки можуть продаватися під торговою маркою і, таким чином. стає доступним для призначення лікарями та продажу в аптеках.

Паралельно йде розробка технологічного процесу виробництва лікарського засобу, вимог щодо якості, методів аналізу.

Процес розробки ліків та підготовки до виробництва лікарських засобів зазвичай триває 5 – 8 років.

Фаза IV

У міру поширення препарату його триває спостереження. Остаточне судження про співвідношення користі-ризику нових ліків може бути зроблено тільки на підставі довготривалого досвіду його застосування. Отже, визначається терапевтична цінність нового лікарського препарату.

Наша думка

Шлях нових ліків від дослідницької лабораторії до аптечного прилавка довгий та потребує вкладення колосальних засобів. Ось чому безглуздо говорити про тотальне імпортозаміщення у фарміндустрії. Якщо, звичайно, не йдеться про незаконне і напівзаконне копіювання чужих розробок або нескінченне виробництво застарілих препаратів.

Генріх КЛЕХ, директор відділу медичних досліджень та розвитку Регіонального медичного центру компанії "Елі Ліллі", професор Віденського університету:

1. Справжні інноваційні ліки - це принципово новий препарат, який лікує хворобу за зовсім іншим механізмом, ніж ліки-попередники. Саме такі революційні препарати мають комерційний успіх на ринку. Останніми роками фармацевтична медицина зробила великий крок уперед.

Колишні традиційні препарати, такі як аспірин, лікували лише симптоми хвороби, і це була хімічна ера фармацевтики. В останні роки набагато більше уваги дослідники стали приділяти впливу біологічних сполук на рецептори, за допомогою чого можна по-справжньому боротися із причиною захворювання. Так сьогодні лікують підвищений тиск, хвороби серця та шлунково-кишкового тракту. Особливо біопрепарати успішні при лікуванні раку.

До сучасної фармацевтики підключилася генетика, що вивчає серед іншого та генні відхилення. За ними фармацевти встановлюють, якою є реакція людського індивідуума на конкретні ліки, як класичні, так і нові. Так набагато конкретніше, ніж колись, розробляється схема лікування хворого.

2. Існують досить жорсткі вимоги до ефективності нових ліків, його безпеки. Причому ці вимоги суттєво змінилися за останні 20 років. Насамперед для отримання ліцензії контролюючим органам було достатньо надати дані про проведення 2 - 3 тисяч тестів або досліджень нових ліків. Тепер необхідно досліджувати препарат на 8 – 10 тисячах людей. Щодо доступності сучасного препарату, то в принципі вона має бути максимальною. Але постійний контроль за його прийомом з боку лікаря теж необхідний, а купівля (за західною практикою, що склалася) повинна здійснюватися строго за рецептом.

3. Створення нових ліків займає до 14 років. Це від того, якого класу належить даний препарат, наскільки добре відомі публіці його " попередники " тощо. Дослідження можуть вимагати від 500 мільйонів до мільярда доларів США. Досить сказати, що серед досліджених 100 тисяч молекулярних сполук лише тисяча може стати основою нових ліків. З них лише 100 молекул будуть активно впливати на організм пацієнта. Але й серед них 90% виявляються токсичними, тож у широкий продаж потрапляють лише 10 вихідних з'єднань, а комерційним успіхом користуються лише три. Тому фармацевтичні фірми, які займаються розробкою нових препаратів, вкладають у дослідження від 14 до 20 відсотків свого прибутку.

4. Досить перспективно сьогодні розробляти та просувати продукти фармакогенетики. По-перше, ними не лікували раніше. По-друге, лікування низки захворювань на чолі із хворобою Альцгеймера традиційними препаратами не давало позитивного результату. Крім того, фармацевтам усього світу слід форсувати розробку ліків проти раку. Певні зрушення є, але люди продовжують страждати від злоякісних захворювань, а отже, треба продовжувати шукати від них панацею. Третя область перспективних досліджень – це діабет, оскільки поки що немає препарату, який би боровся з першопричиною хвороби. Адже інсулін лише гасить її наслідки.

Олег СУПРЯГА, медичний директор компанії "Нікомед Росія-СНД", д.м.н., професор:

1. Під сучасними ліками часто розуміють "модні" ліки, ліки, створені за допомогою нових технологій. На мій погляд, сучасні ліки - це ті, які призначені для лікування сучасних (існуючих зараз) хвороб. Структура захворювань, а також доступність тих чи інших ліків у різних економічних та географічних регіонах світу різна, отже, частота застосування різних ліків також різна. Звідси визначення сучасних ліків для кожного регіону буде своїм.

2. Він повинен відповідати тим критеріям якості, безпеки, доступності, які можуть дозволити собі суспільство стосовно своїх членів. Як правило, створюється національний (суспільний чи державний) орган, якому делеговано функцію контролю якості лікарських засобів. Суспільство з добре розвиненою економікою та високими витратами на охорону здоров'я може здійснювати нетарифне регулювання, обмежуючи чи закриваючи імпорт ліків на свою територію (ринок) з інших менш економічно розвинених держав. Тим самим захищається і своя фармацевтична промисловість.

3. Розкид витрат на створення нових ліків становить від 5 млн. доларів США до 1 млрд. доларів США і більше. У різних країнах по-різному все залежить від тих критеріїв, які диктуються суспільством або державою, і які, у свою чергу, визначаються рівнем економічного та технологічного розвитку суспільства, зокрема її фармацевтичної промисловості, готовністю суспільства, держави або окремих індивідуумів витрачати ті чи інші. інші суми грошей на ліки, медицину та охорону здоров'я.

4. Стратегія компанії "Нікомед" така, що вона передала доклінічну розробку ліків (Research and Development (R&D) підрозділу) іншої компанії. В даний час компанія "Нікомед" бере участь у розробці ліків, починаючи з рівня клінічних досліджень. Нові перспективні молекули, які успішно подолали стадію доклінічних досліджень та доведені до рівня клінічних випробувань, ліцензуються у спеціалізованих компаній (біотехнологічних, науково-дослідних центрів тощо).

При цьому компанія "Нікомед" поряд з клінічними випробуваннями здійснює виведення ліків на ринок (в основному, європейський) та його маркетингову підтримку та продаж. Перспективними напрямками розвитку компанії "Нікомед" залишаються кардіологія, у т.ч. інтервенційна, неврологія, ендокринологія, педіатрія, ревматологія та інші галузі медицини.

Рустам ІКСАНОВ, директор Центру наукових досліджень та розробок (ЦНДіР) ВАТ «Ніжфарм».
1. Сьогодні ліки розглядаються як товар, а отже, вони є елементом ринку, що існує за його законами.

2. Насамперед, сучасні ліки повинні мати обґрунтовану та доведену безпеку та ефективність. Цілком справедливо все більшої уваги набувають питання якості. За кордоном існують дуже високі стандарти, що поширюються на всі етапи розробки нових ліків, проведення досліджень, його виробництва. Тільки суворе дотримання всіх норм і правил може забезпечити гарантії відповідності очікуваних та реальних властивостей препарату.

Нині у Росії також активно впроваджуються міжнародні стандарти якості. Досить серйозним кроком у цьому напрямі стане, як я сподіваюся, впровадження у Росії 2005 року стандартів GMP (якісна виробнича практика). Сьогодні лише кілька компаній тією чи іншою мірою відповідає таким стандартам.

Важливим є питання доступності ліків, яке може вирішуватися без втручання держави у цю сферу. Пацієнти повинні мати гарантію ефективного та безпечного лікування.

3. Нові ліки проходять довгий шлях, перш ніж займуть місце на аптечній полиці. Необхідно не просто розробити лікарський засіб, потрібно провести дослідження на тваринах, клінічні дослідження, отримати державну реєстрацію лікарського засобу. Розробка принципово нового лікарського засобу за кордоном займає близько 10 років і коштує близько півмільйона доларів. На жаль, не маючи таких засобів, сьогодні Росія практично не займається розробкою принципово нових лікарських засобів.

Разом з тим варто зазначити, що науковий потенціал для такої роботи в Росії є. Хочеться сподіватися, що він набуде необхідного розвитку. Здебільшого, російські компанії займаються розробкою відтворених лікарських засобів, про дженериків. Це потребує менших витрат.

4. Без аналізу лікарського ринку, без відстеження сучасних тенденцій розвитку стандартів лікування неможливо правильно оцінювати перспективи розвитку фармакології. Наприклад, наша компанія активно використовує різні маркетингові дослідження, консультації провідних фахівців для визначення своїх перспективних напрямів.

Для створення ліків, як і в багатьох інших сферах, все частіше використовуються комп'ютерні технології. Про те, як уже зараз різні препарати створюються на комп'ютері та в чому суть персоналізованої медицини, розповідає Поліна Шичкова, студентка п'ятого курсу МФТІ лабораторії біоінформатики кафедри молекулярної та трансляційної медицини та магістрант Сколтеха за напрямком «Біомедичні технології».

Ліки. Різноманітність смислів

Коли ви чуєте про нову розробку якоїсь сучасної фармкомпанії, то навряд чи уявляєте собі цілющих трав, що збирають на галявині, вчених-біологів або замкнених у маленькій лабораторії алхіміків. Як же винаходять нові ліки і що вони з себе представляють тепер, коли багато лікувальних трав уже зібрано і вивчено?

Суть ліків – тобто те, що допомагає людині одужати – полягає в активній речовині. Разом з різноманітними хімічними добавками воно може стати, наприклад, зручною для ковтання кольоровою таблеткою. Говорячи про ліки далі, ми матимемо на увазі їхні активні речовини. Є кілька різних за своєю хімічною природою типів лікарських речовин, а загалом їх можна поділити на дві групи: малі молекули (з молекулярною масою<500 дальтон, иногда используется менее жесткий предел - 900 дальтон) и биологические препараты (с большей молекулярной массой, обычно это белки или пептиды). На сегодняшний день малые молекулы доминируют на рынке, поэтому мы будем говорить именно о них. Смысл работы любого вещества, обладающего лекарственной активностью, заключается в том, что оно связывается с мишенью бактерии или вируса в организме человека, взаимодействует с другими молекулами, благодаря чему происходит улучшение состояния организма.

Приклад складного каскаду реакцій у організмі: сигнальний шлях Wnt

Молекулярні основи препаратів

В людини протікає безліч хімічних процесів. Їх можна описати каскадами реакцій, які можуть бути дуже великими та складними, як на малюнку вище. Розвиток захворювання супроводжується порушеннями у якихось хімічних процесах в організмі. У каскадах реакцій є ключові учасники (деякі молекули, здебільшого білки), які більшою мірою відповідальні за те, що відбувається. Для них, власне, розробляються ліки, тобто стають мішенями для них.

Пошук мішеней у процесі розробки ліків

Проте білки – великі молекули. Тому мало просто обчислити білок як мішень серед каскадів та мереж, потрібно ще й визначити на цій мішені конкретне місце. Його називають активним сайтом. Взаємодія правильних ліків із цим самим місцем і має призводити до бажаного результату - поліпшення самопочуття або одужання.

Уявіть собі замок та ключ. Взаємодія ліків з білком-мішенню - це і є закривання або відкриття замку ключем. Щоб лікарська молекула могла взаємодіяти з необхідним центром білка, вона повинна відповідати множині фізичних, хімічних і навіть просто геометричних вимог. Замок має підходити до ключа. Ці параметри можуть бути досить точно розраховані за допомогою комп'ютерних методів. Отже, молекула, яка має лікарську активність проти певного захворювання, пов'язується з активним сайтом білка-мішені, що модулює його активність. Найчастіше це модулювання полягає у інгібуванні (придушенні) його взаємодії коїться з іншими молекулами. У такий спосіб виправляються помилки, тобто виліковується захворювання. Однак важливо зауважити, що молекулярні механізми впливу ліків на мішені та подальші зміни у каскадах реакцій різноманітні та складні.

Фарміндустрія та розробка ліків

У середньому на розробку ліків витрачається від 1 до 2,5 млрд доларів і близько 10–15 років. Якщо ми вже знаємо білок-мішень і тим більше його активний сайт, то для первинного відбору молекул-кандидатів у ліки можна провести комп'ютерний віртуальний скринінг або високопродуктивний експериментальний скринінг. Останнє значно дорожче.

Під час проведення високопродуктивного скринінгу використовуються роботизовані системи. Вони дозволяють додавати сотні тисяч різних досліджуваних речовин до лунок панелей зі спеціальним чином підготовленою тестовою системою. Різні детектори реєструють сигнали про взаємодію досліджуваної речовини в кожній лунці з білком-мішенню тестової системи.

А тепер давайте уявимо, що ми можемо моделювати те, що відбувається у кожній лунці панелі високопродуктивного скринінгу. Точніше, як взаємодіятимуть досліджувані молекули (серед яких хочемо знайти які мають лікарської активністю) з білком-мишенью. У такому разі дорогу роботизовану систему можна замінити комп'ютерними програмами, а речовини та білки – описом їх структур у певному форматі. Тоді за допомогою комп'ютерних методів ми виключимо речовини, які погано взаємодіють із білком-мішенню, зменшивши кількість речовин для експериментальної перевірки, що знизить витрати та збільшить шанси на успіх.

Для вирішення задачі віртуального скринінгу активно використовується молекулярний докінг («стикування»). Його суть полягає в моделюванні взаємного розташування малої досліджуваної молекули та білка мішені. За допомогою спеціальної функції скорингу, що наближено описує енергію взаємодії малої молекули з білком-мішенню, програма докінгу ранжує досліджувані речовини. Використовуючи її результати, можна викинути з подальшого розгляду речовини з поганими значеннями функції скорингу щодо деякого порогового значення. Для віртуального скринінгу ми можемо взяти набори більшого розміру (бібліотеки) хімічних сполук, ніж високопродуктивного скринінгу. Так як ми перевіримо з'єднання на етапі віртуального скринінгу, в експериментальну перевірку потрапить вже збагачений набір сполук, тобто тих, що з більшою ймовірністю матимуть лікарську активність. Таким чином, раціональний дизайн ліків починається з комп'ютера. Далі, щоб ліки вийшло на ринок, вони повинні пройти безліч преклінічних та клінічних випробувань. Але навіть коли препарат вже застосовується на практиці, дослідження не припиняються, адже потрібно перевірити, чи немає в нього побічних ефектів, які можуть виявлятись через роки. Напевно, одним із найбільш широко відомих прикладів такого роду побочек є ефект одного заспокійливого та снодійного засобу. У 1960-х роках у Європі народилися тисячі дітей із вродженими каліцтвами: їхні матері під час вагітності приймали не до кінця вивчений снодійний препарат (талідомід). Так, із 10 000–1 000 000 кандидатних молекул лише одна зазвичай стає справжніми ліками. Шанси на успіх, як бачимо, вкрай малі.

Методи комп'ютерного дизайну ліків

Які ще комп'ютерні методи (крім віртуального скринінгу хімічних сполук) використовуються для розробки ліків? Це може бути різноманітне моделювання, пошук подібних молекул, зміна скелета молекули та багато іншого. У тих, хто займається комп'ютерним дизайном лікарських засобів, є цілий арсенал спеціальних методик. Загалом їх прийнято розділяти на ті, що керуються знанням про структуру мішені, та ті, що орієнтуються на хімічну сполуку.

Тепер уявімо, що ми вже зрозуміли майже все про хімічну структуру розроблених ліків. І припустимо, що ця речовина має побічні властивості, які не дозволяють нам випустити її на ринок. Використовуючи особливі методи - пошук за молекулярною подобою та фармакофорами (наборами просторових та електронних ознак молекули), зміну скелета молекули - ми можемо знайти таку, яка продовжить лікувати, але перестане калічувати, або побічні ефекти просто зменшаться. Молекулярна подоба – це схожість структур хімічних сполук. Вважається, що близькі за хімічними структурами сполуки найбільш ймовірно мають схожі біологічні властивості. Фармакофори дозволяють уявити молекулу як набору функціонально важливих компонентів, кожен із яких відповідає за якесь властивість молекули. Уявіть конструктор, кожен із блоків якого представляє якусь властивість. Частина цих цеглинок-властивостей нас цікавлять, а інші, навпаки, небажані в потенційних ліках, оскільки можуть призводити до побічних ефектів, негативно впливати на доставку ліків у місце в організмі або на метаболізм. Ми хочемо знайти молекулу, в якій будуть лише корисні блоки-фармакофори. Суть зміни скелета молекули полягає у використанні знайдених корисних фрагментів із заміною інших більш відповідні, тобто у оптимізації властивостей молекули потенційних ліків.

Персоналізована медицина та драг-дизайн

Ми всі відрізняємося один від одного. Одні й ті ж ліки можуть допомагати одній людині, бути марною для іншої, а у третьої викликати небажані наслідки. Як ми вже говорили, взаємодія ліків з білком-мішенню обумовлюється безліччю фізико-хімічних та просторових параметрів їх обох. А тепер уявімо, що в ділянці ДНК, що кодує білок-мішень пацієнта N, є відмінність в одному-двох нуклеотидах (складових частин ДНК) порівняно з більшістю людей. Тобто білок пацієнта N відрізняється від білка більшості людей, і ця його особливість призводить до марності для пацієнта N ліки A. Звичайно, не кожна заміна в ДНК призводить до змін у білку і далеко не всі зміни є критичними, але ліки A не тільки не вилікує пацієнта N, але його вживання може призвести до серйозних побічних ефектів. Однак, знаючи подробиці заміни у гені білка-мішені у пацієнта N (це можна визначити генотипуванням), можна змоделювати нову структуру білка. А знаючи нову структуру, можна провести цей скринінг і знайти індивідуальні ліки, які допоможе саме пацієнту N.

Є менш драматичний приклад: деякі казуси з ДНК просто вимагають заміни дозування ліків. Але про свої особливості та відмінності пацієнтам потрібно спершу знати. Із цим допомагає генотипування. Тим часом інформацію про взаємозв'язок конкретних генетичних варіантів з дозуванням ліків (і не тільки) сьогодні можна знайти у спеціальній глобальній базі даних, чим і займаються у просунутих клініках і чим, можна сподіватися, займатимуться повсюдно, беручи до уваги індивідуальні особливості ДНК пацієнтів при призначенні лікування.

Створення ліків - це складно та важливо, а комп'ютерні методи допомагають знизити тимчасові та матеріальні витрати на їхню розробку. За цими технологіями майбутнє, над яким зараз і працює сучасна наука.

Як виробляють ліки?

XIX століття - початок XX століття

Те, що вербова кора може вгамовувати жар і біль, знали ще знахарі. Але офіційно європейські лікарі її не застосовували. Вони ввозили з-за кордону хінін, яким лікували лихоманку.

Так було доти, доки в історію болезаспокійливих та жарознижувальних засобів не втрутилася політика.

Наполеон встановив для Англії економічну блокаду та закрив материк для англійських торгових судів. Через це хінін перестав надходити і згадали про вербу. І досить швидко з неї одержали саліцилову кислоту.

Але на жаль… Ця кислота в чистому вигляді мала неприємний смак, викликала нудоту, блювання і була причиною сильного болю в шлунку.

Багато ескулапів намагалися покращити переносимість саліцилової кислоти, зберігши при цьому її відмінні властивості. Але це вдалося лише німецькому хіміку Феліксу Хоффману.

Його батько страждав на болючі болі від хронічного ревматизму і майже не міг рухатися. Бажаючи полегшити страждання батька, Хоффман-молодший почав працювати над покращенням саліцилової кислоти.

Він обробляв природну речовину різними відомими на той час способами. Ацетилсаліцилова кислота виявилася найуспішнішою модифікацією. Випущена потім під назвою «аспірин», вона стала одним із найзнаменитіших медикаментів у світі. Цікаво, що механізм дії аспірину виявили лише після 100 років його застосування.

Середина XX ст.

Найвідоміші ліки, що дійшли до нас

Його відкрив канадський хірург Фред Бантінг. Він вивчав на тваринах властивості екстрактів з підшлункової залози. Яке ж було його здивування, коли після введення такої витяжки вижив собака, що вмирав від цукрового діабету. Вчений припустив, що якась речовина із підшлункової залози знижує рівень цукру в крові. І через деякий час перевірив своє відкриття на другому-медику, який страждав на цукровий діабет.

Новий препарат викликав у хворого друга приплив енергії та бадьорості.

А аналізи показали зменшення вмісту цукру на крові. З того часу інсулін – головний засіб боротьби з важким цукровим діабетом.

Пеніцилін

Антибіотик пеніцилін був відкритий 1929 року англійським мікробіологом Олександром Флемінгом. Якось, вивчаючи властивості стафілококів, він забув на лабораторному столі чашку із культурою бактерій.

Повернувшись, учений виявив у чашці плісняву. На його подив, вона придушила зростання мікробів. Дослідника осяяла здогад: пліснява виділяє речовину, що вбиває бактерії.

Цю речовину він назвав "на честь" пліснявого гриба пеніциліуму, з яким працював. Випробування на тваринах показали, що пеніцилін дійсно ефективно вбиває мікробів. А при введенні в кров не завдає організму шкоди.

Перше успішне застосування пеніциліну відбулося Америці. Ліки врятували життя молодої жінки, матері трьох дітей. Температура вище за 40 °С трималася в неї 11 днів, і вона повільно гинула. Але чудо-ліки привели її до тями вже на другий день застосування. Жінка вижила та дожила до глибокої старості.

З того часу пеніцилін врятував мільйони людей у ​​всьому світі. І продовжує використовуватись досі.

Кінець ХХ століття - ХХI століття

Стаття дає базове уявлення про те, як у світі створюються ліки. Розглянуто історію драг-дизайну, основні поняття, терміни та технології, що застосовуються у цій сфері. Особливу увагу приділено ролі обчислювальної техніки у цьому наукомісткому процесі. Описано методи пошуку та валідації біологічних мішеней для лікарських препаратів, високопродуктивний скринінг, процеси клінічних та доклінічних випробувань ліків, а також застосування комп'ютерних алгоритмів.

Драг-дизайн: історія

Індустрія спрямованого конструювання нових лікарських препаратів, або, як цей процес називають, калькуючи з англійської через відсутність такого ж короткого і зручного російського терміна, драг-дизайн ( drug- лікарський засіб, design- проектування, конструювання) - порівняно молода дисципліна, але все ж таки не настільки молода, як це прийнято вважати.

Рисунок 1. Пауль Ерліх, який вперше висунув гіпотезу про існування хеморецепторів та їх можливого використання в медицині.

Національна бібліотека медицини США

До кінця дев'ятнадцятого століття хімія досягла значної міри зрілості. Було відкрито таблицю Менделєєва, розроблено теорію хімічної валентності, теорію кислот і основ, теорію ароматичних сполук. Цей безперечний прогрес дав поштовх і медицині. Нові хімічні продукти - синтетичні фарби, похідні смол почали використовуватися в медицині для диференціального фарбування біологічних тканин. У 1872–1874 роках у Страсбурзі, в лабораторії відомого анатома Вільгельма Валдеєра, студент-медик Пауль Ерліх (рис. 1), який вивчав селективне забарвлення тканин, вперше висунув гіпотезу про існування хеморецепторів - спеціальних тканинних структур, спеціалізованих тканин. можливість використання цього феномена у терапії різних захворювань. Пізніше, в 1905 році, цю концепцію було розширено Дж. Ленглі, який запропонував модель рецептора як генератора внутрішньоклітинних біологічних імпульсів, який активується агоністами та інактивується антагоністами.

Цей момент можна вважати народженням хемотерапії та новим витком у фармакології, і в 20 столітті це призвело до безпрецедентного успіху в клінічній медицині. Одним із найгучніших досягнень фармакологічної промисловості 20-го століття можна по праву назвати пеніцилін, антибіотик, відкритий в 1929 Олександром Флемінгом і досліджений згодом Чейном і Флорі. Пеніцилін, який має антибактеріальну дію, послужив людству незамінну службу в роки Другої світової війни, зберігши життя мільйонам поранених.

Вражені успіхом пеніциліну, багато фармацевтичних компаній відкрили власні мікробіологічні підрозділи, покладаючи на них надії щодо відкриття нових антибіотиків та інших ліків. Успіхи біохімії призвели до того, що стало можливим теоретично передбачати вдалі мішені для терапевтичного впливу, а також модифікації хімічних структур ліків, що дають нові сполуки з новими властивостями. Так, антибіотик сульфаніламід в результаті низки досліджень дав початок цілим сімействам гіпоглікемічних, діуретичних та антигіпертензивних препаратів. Драг-дизайн піднявся на якісно новий рівень, коли розробка нових лікарських сполук стала не просто результатом роботи уяви хіміків, а результатом наукового діалогу між біологами та хіміками.

Новий прорив був пов'язаний з розвитком молекулярної біології, що дозволила залучити до розробок інформацію про геном, клонувати гени, що кодують терапевтично важливі біологічні мішені та експресувати їх білкові продукти.

Завершення проекту «геном людини», що ознаменував початок нового тисячоліття, в результаті якого була прочитана повна інформація, що міститься в ДНК людини, стало справжнім тріумфом розділу біологічної науки, що отримала назву «геноміка». Геноміка дає новий підхід до пошуку нових терапевтично важливих мішеней, дозволяючи шукати їх у нуклеотидному тексті геному.

Геном людини містить 12000-14000 генів, що кодують білки, що секретуються. На даний момент у фармацевтичній промисловості використовується не більше 500 мішеней. Існують дослідження, які говорять, що багато захворювань є «мультифакторними», тобто обумовлюються дисфункцією не одного білка або гена, а 5–10 пов'язаних між собою білків і генів, що кодують. Виходячи з цих міркувань можна зробити висновок, що кількість досліджуваних мішеней має збільшитися мінімум у 5 разів.

Біохімічна класифікація біологічних мішеней, що досліджуються в даний час, і їх чисельне співвідношення представлені на малюнку 2. Особливо слід зазначити, що більшу (>60%) частку рецепторів складають мембранні G-білок сполучені рецептори ( GPCR, G-proteín coupled receptors), а сумарний обсяг продажів ліків, спрямованих на взаємодію з ними, дорівнює 65 млрд. дол. щорічно, і продовжує зростати.

Основні поняття

Рисунок 3. Три типи впливу лігандів на клітинну відповідь:збільшення відповіді ( позитивний агонгіст), сталість відповіді, але конкурування за зв'язування з іншими лігандами ( нейтральний агоніст) та зменшення відповіді ( антагоніст).

Основні поняття, що використовуються в драг-дизайні - це Метаі ліки. Мета - це макромолекулярна біологічна структура, імовірно пов'язана з певною функцією, порушення якої призводить до захворювання і яку необхідно зробити певний вплив. Найпоширеніші мішені - це рецептори і ферменти. Ліки - це хімічна сполука (як правило, низькомолекулярна), що специфічно взаємодіє з мішенню і тим чи іншим чином модифікує клітинну відповідь, що створюється мішенню.

Якщо в якості мішені виступає рецептор, то ліки буде, швидше за все, його лігандом, тобто з'єднанням, що специфічним чином взаємодіє з активним сайтом рецептора. За відсутності ліганду рецептор характеризується власним рівнем клітинної відповіді – так званою базальною активністю.

За типом модифікації клітинної відповіді ліганди ділять на три групи (рис. 3):

1. Агоністи збільшують клітинну відповідь.
2. Нейтральні агоністи зв'язуються з рецептором, але не змінюють клітинну відповідь порівняно з базальним рівнем.
3. Зворотні агоністи, або антагоністи знижують відповідь клітини.

Ступінь взаємодії ліганду з метою вимірюють афінністю, або спорідненістю. Афінність дорівнює концентрації ліганду, коли половина мішеней пов'язані з лігандом. Біологічною ж характеристикою ліганду є його активність, тобто та концентрація ліганду, коли він клітинна відповідь дорівнює половині максимального.

Визначення та валідація мішені

Один з найбільш ранніх і найважливіших етапів драг-дизайну - вибрати правильну мету, впливаючи на яку можна специфічним чином регулювати одні біохімічні процеси, по можливості не торкаючись при цьому інших. Однак, як уже було сказано, таке не завжди можливе: далеко не всі захворювання є наслідком дисфункції лише одного гена або білка.

З настанням постгеномної ери визначення мішеней відбувається з використанням методів порівняльної та функціональної геноміки. На підставі філогенетичного аналізу в геномі людини виявляються гени, споріднені з генами, функції чиїх білкових продуктів вже відомі, і ці гени можуть бути клоновані для подальшого дослідження.

Однак мішені, чиї функції визначені лише гіпотетично, не можуть бути відправною точкою для подальших досліджень. Необхідна багатоступінчаста експериментальна валідація, в результаті якої може бути зрозуміла конкретна біологічна функція мішені стосовно фенотипічних проявів досліджуваної хвороби.

Існує кілька методів експериментальної валідації мішеней:

• геномні методи полягають у придушенні синтезу мішені в тестовій системі шляхом отримання мутантів з генним нокаутом (у яких ген мішені просто відсутній) або використання РНК-антисмислових послідовностей, що «вимикають» той чи інший ген;
• мішені можна інактивувати за допомогою моноклональних антитіл або опромінюючи мішень, модифіковану хромофором, лазерним випромінюванням;
• мішені можна інактивувати за допомогою низькомолекулярних лігандів-інгібіторів;
• також можна безпосередньо проводити валідацію мішені, встановлюючи її взаємодію з тією чи іншою сполукою методом плазмонного резонансу.

Рівень валідації мішені підвищується з числом модельних тварин (спеціальних генетичних ліній лабораторних тварин), де модифікація мішені призводить до бажаного фенотипному прояву. Вищим рівнем валідації є, безперечно, демонстрація того, що модифікація мішені (наприклад, блокування або нокаут рецептора або інгібування ферменту) призводить до клінічно ідентифікованих та відтворюваних симптомів у людини, однак, зрозуміло, таке можна спостерігати досить рідко.

Крім того, при виборі мішені не слід забувати про таке явище, як поліморфізм, тобто про те, що ген може існувати в різних ізоформах у різних популяцій або рас людей, що призведе до різного ефекту ліків на різних хворих.

Коли мета вже знайдено і перевірено на валідність, починаються безпосередні дослідження, результатом яких є численні структури хімічних сполук, лише з яких судилося стати лекарствами.

Дослідження всіх можливих з хімічної точки зору лігандів («хімічний простір») неможливе: проста прикидка показує, що можливо не менше 10 40 різних лігандів, тоді як з моменту виникнення всесвіту пройшло лише 10 17 секунд. Тому на можливу структуру лігандів накладається низка обмежень, які суттєво звужують хімічний простір (залишаючи його, проте, абсолютно неосяжним). Зокрема, для звуження хімічного простору накладаються умови подібності до ліків ( drug-likeness), які у простому випадку можна висловити правилом п'яти Липинського, згідно з яким з'єднання, щоб «бути схожим» на ліки, має:

• мати менше п'яти атомів-донорів водневого зв'язку;
• мати молекулярну вагу менше 500;
• мати ліпофільність (log P – коефіцієнт розподілу речовини на межі розділу вода-октанол) менше 5;
• мати сумарно трохи більше 10 атомів азоту і кисню (груба оцінка кількості акцепторів водневого зв'язку).

В якості стартового набору лігандів, що досліджуються на здатність зв'язуватися з мішенню, зазвичай використовують так звані бібліотеки з'єднань, що поставляються на комерційній основі спеціалізуються на цьому компаніями, або фармацевтичної компанії, що містяться в арсеналі, що проводить розробку нових ліків або замовила його у сторонньої фірми. Такі бібліотеки містять тисячі та мільйони з'єднань. Цього, звичайно, зовсім недостатньо для тестування всіх можливих варіантів, але цього, як правило, не потрібно. Завданням цьому етапі дослідження є виявлення сполук, здатних після подальшої модифікації, оптимізації і тестування дати «кандидат» - з'єднання, призначене для тестування на тварин (доклінічні дослідження) і людях (клінічні дослідження).

Цей етап здійснюється за допомогою високопродуктивного скринінгу ( in vitro) або його комп'ютерного ( in silico) аналізу - високопродуктивного докінгу.

Комбінаторна хімія та високопродуктивний скринінг

Скринінгом називається оптимізована конвеєризована процедура, в результаті якої велика кількість хімічних сполук (>10 000) перевіряється на афінність або активність по відношенню до спеціальної тестової системи, що імітує біологічну. За продуктивністю розрізняють різні види скринінгу:

• низькопродуктивний (10000-50000 зразків);
• середньопродуктивний (50000-100000 зразків);
• високопродуктивний (100000-5000000 + зразків).

Для скринінгу як для «промислової» процедури дуже критична ефективність, вартість та час, витрачений на операцію. Як правило, скринінг проводиться на роботизованих установках, здатних працювати в цілодобовому та цілорічному режимі (рис. 4).

Малюнок 4. Апаратура, що використовується для високопродуктивного скринінгу. А - Роботизована піпетка, що в автоматичному високопродуктивному режимі наносить зразки тестованих з'єднань у плашку із системою для скринінгу. Типова кількість заглиблень на плашці – тисячі. Об'єм системи в одній лунці – мікролітри. Обсяг зразка, що вноситься - нанолітри. Б - Установка для високопродуктивного скринінгу та зчитування флуоресцентного сигналу Mark II Scarina. Працює з плашками, що містять 2048 заглиблень (NanoCarrier). Повністю автоматична (працює у цілодобовому режимі). Продуктивність – понад 100 000 лунок (зразків) на день.

Принцип скринінгу досить простий: у плашки, що містять тестову систему (наприклад, іммобілізована мішень або спеціальним чином модифіковані цілі клітини), робот розкопує з піпетки досліджувані речовини (або суміш речовин), дотримуючись заданої програми. Причому на одному плашку можуть знаходитися тисячі «лунок» з тестовою системою, і обсяг такої лунки може бути дуже малий, так само як і обсяг проби, що вноситься (мікро- або навіть нанолітри).

Потім відбувається зчитування даних з плашки, що говорить про те, в якій лунці виявлено біологічну активність, а в якій - ні. Залежно від використовуваної технології, детектор може зчитувати радіоактивний сигнал, флюоресценцію (якщо система побудована з використанням флуоресцентних білків), біолюмінесценцію (якщо використовується люциферин-люциферазна система або її аналоги), поляризацію випромінювання та багато інших параметрів.

Зазвичай в результаті скринінгу кількість сполук, що тестуються, скорочується на 3–4 порядки. Сполуки, котрим у процесі скринінгу виявлено активність вище заданого значення, називаються прототипами. Проте слід розуміти, що такі «удачі» ще дуже далекі від кінцевих ліків. Лише ті з них, які зберігають свою активність у модельних системах та задовольняють цілу низку критеріїв, дають попередників ліків, які використовуються для подальших досліджень.

Як уже було сказано, навіть бібліотеки, що містять більше мільйона сполук, не в змозі уявити весь можливий хімічний простір лігандів. Тому при проведенні скринінгу можна вибрати дві різні стратегії: диверсифікаційний скринінг та сфокусований скринінг. Відмінність між ними полягає у складі використовуваних бібліотек сполук: у диверсифікаційному варіанті використовують якомога несхожі одна на одну ліганди з метою охопити якомога більшу область хімічного простору, при сфокусованому ж, навпаки, використовують бібліотеки споріднених сполук, отриманих методами комбінаторної хімії, що дозволяє знаючи приблизну структуру ліганду, вибрати оптимальний його варіант. Здоровий глузд підказує, що в масштабному проекті створення нового лікарського препарату слід використовувати обидва ці підходи послідовно - спочатку диверсифікаційний, з метою визначення максимально різних класів вдалих сполук, а потім - сфокусований, з метою оптимізації структури цих сполук і отримання робочих прототипів.

Якщо для мішені відомий так званий біологічний простір, тобто якісь характеристики лігандів (розмір, гідрофобність тощо), які можуть з нею зв'язуватися, то при складанні бібліотеки сполук, що тестуються, вибирають ліганди, що потрапляють у «перетин» біологічного та хімічного. просторів, оскільки це свідомо підвищує ефективність процедури.

Структури прототипів, отримані в результаті скринінгу, далі піддаються різноманітним оптимізаціям, що проводяться в сучасних дослідженнях, як правило, у тісній співпраці між різними групами дослідників: молекулярними біологами, фармакологами, моделістами та медичними хіміками (рис. 5).

Малюнок 5. Фармакологічний цикл.Група молекулярної біології відповідає за отримання мутантних мішеней, група фармакології - за вимірювання даних по активності та афінності синтезованих лігандів на мішенях дикого типу та мутантних, група моделювання - за побудову моделей мішеней, передбачення їх мутацій та передбачення структур лігандів, група медичної лігандів.

З кожним оборотом такого «фармакологічного циклу» прототип наближається до попередника і потім до кандидата, який вже тестується безпосередньо на тваринах (доклінічні випробування) та на людях – у процесі клінічних випробувань.

Таким чином, роль скринінгу полягає у суттєвому скороченні (на кілька порядків) вибірки прототипів (рис. 6).

Рисунок 6. Роль високопродуктивного скринінгу у створенні нового лікарського препарату.Скринінг, будь то його лабораторний ( in vitro) або комп'ютерний ( in silico) варіант, - головна та найбільш ресурсомістка процедура щодо вибору стартових структур ліків (прототипів) з бібліотек доступних сполук. Вихідні дані скринінгу часто є відправною точкою для подальшого процесу розробки ліків.

Клінічні дослідження

Медицина - це область, в якій не слід поспішати. Особливо якщо йдеться про розробку нових лікарських препаратів. Досить згадати історію з препаратом Талідамідом, розробленим наприкінці 50-х у Німеччині, застосування якого вагітними жінками призводило до народження дітей із вродженими вадами кінцівок, аж до їхньої повної відсутності. Цей побічний ефект не був вчасно виявлений під час клінічних досліджень через недостатньо ретельного та акуратного тестування.

Тому в даний час процедура тестування ліків досить складна, дорога і потребує значного часу (2–7 років тестування в клініці та від 100 мільйонів доларів на одну сполуку-кандидат). див.Мал. 7).

Рисунок 7. Процес розробки нових ліків займає від 5 до 16 років.Витрати на клінічне тестування одного з'єднання-кандидата становлять понад 100 мільйонів доларів США. Сумарна вартість розробки з урахуванням препаратів, що не досягли ринку, часто перевищує 1 мільярд доларів.

Насамперед, ще до вступу до клініки, препарати досліджуються на токсичність та канцерогенність, причому дослідження мають проводитися, крім систем in vitroяк мінімум на двох видах лабораторних тварин. Токсичні препарати, само собою, в клініку не потрапляють, за винятком тих випадків, коли вони призначені для терапії особливо тяжких захворювань і поки що не мають менш токсичних аналогів.

Крім того, препарати піддаються фармакокінетичним дослідженням, тобто тестуються на такі фізіологічні та біохімічні характеристики, як поглинання, розподіл, метаболізм та виведення (англійською мовою позначається абревіатурою ADME - Absorption, Distribution, Metabolism and Extraction). Біодоступність, наприклад, є підхарактеристикою введення препарату в організм, що характеризує ступінь втрати біологічних властивостей при введенні в організм. Так, інсулін, який приймається перорально (через рот), має низьку біодоступність, оскільки, будучи білком, розщеплюється шлунковими ферментами. Тому інсулін вводять або підшкірно або внутрішньом'язово. З цієї причини часто розробляють препарати, що діють аналогічно своїм природним прототипам, але мають небілкову природу.

Юридично процес клінічних досліджень нових препаратів має дуже багато нюансів, оскільки вони вимагають величезної кількості супровідної документації (у сумі кілька тисяч сторінок), дозволів, сертифікацій тощо. Крім того, багато формальних процедур сильно відрізняються в різних країнах через різне законодавство. Тому для вирішення цих численних питань існують спеціальні компанії, які приймають від великих фармацевтичних компаній замовлення на проведення клінічних випробувань і перенаправляють їх у конкретні клініки, супроводжуючи весь процес повною документацією і стежачи, щоб ніякі формальності не були порушені.

Роль обчислювальної техніки у драг-дизайні

В даний час у драг-дизайні, як і в більшості інших наукомістких областей, продовжує збільшуватися роль обчислювальної техніки. Слід одразу зазначити, що сучасний рівень розвитку комп'ютерних методик не дозволяє розробити новий лікарський препарат, використовуючи лише комп'ютери. Основні переваги, які дають обчислювальні методи в даному випадку – це скорочення часу випуску нових ліків на ринок та зниження вартості розробки.

Основні комп'ютерні методи, що використовуються в драг-дизайні, це:

• молекулярне моделювання (ММ);
• віртуальний скринінг;
• дизайн нових лікарських препаратів de novo;
• оцінка властивостей «подібності до ліків»;
• моделювання зв'язування ліганд-мішень.

Методи ММ, що ґрунтуються на структурі ліганду

У випадку, якщо нічого не відомо про тривимірну структуру мішені (що трапляється досить часто), вдаються до методик створення нових сполук, виходячи з інформації про структуру вже відомих лігандів та даних щодо їх активності.

Підхід ґрунтується на загальноприйнятій у хімії та біології парадигмі, що свідчить, що структура визначає властивості. Грунтуючись на аналізі кореляцій між структурою відомих сполук та їх властивостями, можна передбачити структуру нової сполуки, яка має бажані властивості (або ж, навпаки, для відомої структури передбачити властивості). Причому цей підхід використовується як при модифікації відомих структур з метою покращення їх властивостей, так і при пошуку нових з'єднань використовуючи скринінг бібліотек з'єднань.

Методи визначення схожості молекул (або методи відбитків пальців) полягають у дискретному обліку певних властивостей молекули, які називаються дескрипторами (наприклад, кількість донорів водневого зв'язку, кількість бензольних кілець, наявність певного заступника в певному положенні тощо) та порівнювання «відбитка», що вийшов. з відбитком молекули з відомими властивостями (що використовується як зразок). Ступінь схожості виражається коефіцієнтом Танімото, що змінюється в діапазоні 0-1. Висока схожість передбачає близькість властивостей порівнюваних молекул і навпаки.

Методи, що ґрунтуються на відомих координатах атомів ліганду, називаються методами кількісного зв'язку між структурою та активністю ( QSAR, Quantitative Structure-Activity Relationship). Один із найбільш використовуваних методів цієї групи - метод порівняльного аналізу молекулярних полів. CoMFA, Comparative Molecular Field Analysis). Цей метод полягає у наближенні тривимірної структури ліганду набором молекулярних полів, що окремо характеризують його стеричні, електростатичні, донорно-акцепторні та інші властивості. CoMFA модель будується на підставі множинного регресійного аналізу лігандів з відомою активністю і описує ліганд, який повинен добре зв'язуватися з мішенню, що досліджується, в термінах молекулярних полів. Отриманий набір полів говорить, де у ліганда може бути об'ємний заступник, а якому - маленький, у якому полярний, а якому - немає, у якому донор водневого зв'язку, а якому - акцептор, тощо.

Модель може використовуватись у завданнях віртуального скринінгу бібліотек з'єднань, виступаючи в даному випадку аналогом фармакофора. Найголовнішим недоліком цього є те, що він має високої передбачувальної силою лише з близьких класах сполук; при спробі ж передбачити активність сполуки іншої хімічної природи, ніж ліганди, що використовуються для побудови моделі, результат може виявитися недостатньо достовірним.

Схема можливого процесу створення нових ліків, що ґрунтується на структурі ліганду, наведено на малюнку 8.

Рисунок 8. Приклад молекулярного моделювання, що ґрунтується на структурі ліганду.Для циклічного пептиду уротензину II ( внизу зліва) визначено тривимірну структуру методом ЯМР спектроскопії водного розчину ( вгорі зліва). Просторове взаєморозташування амінокислотних залишків мотиву ТРП-ЛІЗ-ТІР, що є важливим для біологічної функції, було використане для побудови моделі фармакофора ( зверху праворуч). В результаті віртуального скринінгу знайдено нову сполуку, що демонструє біологічну активність ( внизу праворуч).

Очевидно, що достовірність моделювання, як і ефективність процесу конструювання нових ліків, можна істотно підвищити, якщо враховувати дані не тільки про структуру лігандів, але і про структуру білка-мішені. Методи, що враховують ці дані, звуться «драг-дизайн, що ґрунтується на структурній інформації» ( SBDD, Structure-Based Drug Design).

Методи ММ, що ґрунтуються на структурі білка

У зв'язку з зростаючим потенціалом структурної біології все частіше можна встановити експериментальну тривимірну структуру мішені, або побудувати її молекулярну модель, ґрунтуючись на гомології з білком, чия тривимірна структура вже визначена.

Найчастіше використовувані методи визначення тривимірної структури біомакромолекул з високою роздільною здатністю (Часто, коли експериментальна структура мішені все ж таки недоступна, вдаються до моделювання на підставі гомології - методу, для якого показано, що побудована ним модель має досить високу якість, якщо гомологія між структурним шаблоном і моделюється білком не нижче 40%.

Особливо часто до моделювання по гомології вдаються при розробці ліків, спрямованих на G-білок сполучені рецептори, оскільки вони, будучи мембранними білками, дуже погано кристалізуються, а методу ЯМР поки недоступні такі великі білки. Для цього сімейства рецепторів відома структура тільки одного білка - бичачого родопсину, отримана в 2000 р. в Стенфорді, яка і використовується як структурний шаблон у переважній кількості досліджень.

Зазвичай при дослідженні, що базується на структурних даних, враховують дані по мутагенезу мішені, щоб встановити, які амінокислотні залишки найбільш важливі для функціонування білка і зв'язування лігандів. Ці відомості особливо цінні при оптимізації побудованої моделі, яка, будучи лише похідною від структури білка-шаблону, не може враховувати всієї біологічної специфіки об'єкта, що моделюється.

Тривимірна структура мішені, крім того, що може пояснити молекулярний механізм взаємодії ліганду з білком, використовується в задачах молекулярного докінгу, або комп'ютерне моделювання взаємодії ліганду з білком. Докінг використовує як стартову інформацію тривимірну структуру білка (на даному етапі розвитку технології, як правило, конформаційно нерухому), і структуру ліганду, конформаційна рухливість та взаєморозташування з рецептором якого моделюється в процесі докінгу. Результатом докінгу є конформація ліганду, що найкраще взаємодіє з білковим сайтом зв'язування, з погляду оцінної функції докінгу, що наближає вільну енергію зв'язування ліганду. Реально, через безліч наближень, оцінна функція далеко не завжди корелює з відповідною експериментальною енергією зв'язування.

Докінг дозволяє скоротити витрати коштів та часу за рахунок проведення процедури, аналогічної до високопродуктивного скринінгу, на комп'ютерних комплексах. Ця процедура називається віртуальним скринінгом, і основною її перевагою є те, що для реальних фармакологічних випробувань потрібно набувати не цілу бібліотеку, що складається з мільйона сполук, а лише «віртуальні прототипи». Зазвичай, з метою уникнення помилок, скринінг та докінг використовуються одночасно, взаємно доповнюючи один одного (рис. 9).

Малюнок 9. Два варіанти спільного використання високопродуктивного скринінгу та молекулярного моделювання. Зверху:послідовний ітеративний скринінг. На кожному етапі процедури використовується порівняно невеликий набір лігандів; за результатами скринінгу будується модель, що пояснює зв'язок між структурою та активністю. Модель використовується для вибору наступного набору для тестування лігандів. Знизу:"разовий" скринінг. На кожному кроці модель будується за навчальною вибіркою та використовується для передбачень на тестовій вибірці.

Зі збільшенням комп'ютерних потужностей та появою більш коректних та фізичних алгоритмів, докінг краще оцінюватиме енергію зв'язування білка з лігандом, почне враховувати рухливість білкових ланцюгів та вплив розчинника. Однак, невідомо, чи зможе віртуальний скринінг будь-коли повністюзамінити реальний біохімічний експеримент; якщо так - то для цього необхідний, очевидно, якісно новий рівень алгоритмів, нездатних на сьогоднішній день абсолютно коректно описати взаємодію ліганду з білком.

Одне з явищ, що ілюструють недосконалість алгоритмів докінгу - парадокс схожості. Цей феномен полягає в тому, що сполуки, що структурно зовсім небагато розрізняються, можуть мати драматично різну активність, і в той же час з точки зору алгоритмів докінгу бути практично невиразними.

Прототипи ліків можна отримувати не тільки вибираючи з підготовленої бази даних сполук. Якщо є структура мішені (або хоча б тривимірна модель фармакофора), можлива побудова лігандів de novo, використовуючи загальні принципи міжмолекулярної взаємодії. При цьому підході до сайту зв'язування ліганду міститься один або кілька базових молекулярних фрагментів, і ліганд послідовно «нарощується» у сайті зв'язування, оптимізуючи на кожному кроці алгоритму. Отримані структури, як і, при докинге, оцінюються з допомогою емпіричних оцінних функцій.

Обмеження застосування комп'ютерних методів

Незважаючи на всю свою перспективність, комп'ютерні методи мають ряд обмежень, які необхідно мати на увазі, щоб правильно уявляти можливості цих методів.

Насамперед, хоча ідеологія in silicoпередбачає проведення повноцінних комп'ютерних експериментів, тобто експериментів, результати яких цінні і достовірні власними силами, необхідна обов'язкова експериментальна перевірка отриманих результатів. Тобто мається на увазі тісне співробітництво наукових груп, які проводять комп'ютерний експеримент, з іншими експериментальними групами (рис. 5).

Крім того, комп'ютерні методи поки не в змозі врахувати всієї різноманітності впливу лікарського препарату на організм людини, тому ці методи не в змозі ні скасувати, ні навіть суттєво скоротити клінічне тестування, що займає основну частку часу у розробці нового препарату.

Таким чином, на сьогоднішній день роль комп'ютерних методів у драг-дизайні зводиться до прискорення та здешевлення досліджень, що передують клінічним випробуванням.

Перспектива драг-дизайну