Поиск с помощью высокопроизводительных скрининговых систем представляет собой полноценный контролируемый эксперимент. Вещества из библиотеки находятся в растворе в ячейках микротитрационных планшетов – пластиковых контейнеров с нанесенными в виде сетки небольшими углублениями. Информацию о содержимом ячеек хранит компьютерная система. Часть ячеек играет роль контрольной группы. Роботизированная система вводит в ячейки биологическую мишень – белок или культуру клеток, оценивает реакцию и определяет, какие ячейки дают статистически значимые отличия от контроля. Сейчас существуют системы, позволяющие оценивать до десяти миллионов реакций в час. Предполагается, что системы высокопроизводительного скрининга со временем сократят время разработки лекарств по сравнению с перебором веществ по старинке, вручную.
Поиск биологических молекул предполагает перебор меньшего количества вариантов на начальном этапе, поскольку разработчик примерно знает, что хочет получить. Биологические молекулы, как правило, синтезируются живыми системами – микроорганизмами, клетками животных или растений. Для того чтобы клетки синтезировали нужные молекулы, часто используют технологию рекомбинантной ДНК. Это последовательность ДНК, искусственно созданная человеком путем объединения генетического материала из разных источников – как синтезированного химическим путем, так и скопированного из разных организмов. При поиске тоже могут быть использованы библиотеки биологических молекул, например антител.
Когда наиболее вероятные вещества-кандидаты выбраны, начинается их оптимизация. Разработчики синтезируют варианты молекул, имеющие некоторые структурные отличия от исходного, тестируют их и выбирают те, что лучше всего взаимодействуют с биологической мишенью. Этот процесс может повторяться многократно. Шансы отдельно взятой молекулы, изученной на этапе скрининга, когда-нибудь стать лекарством могут составлять тысячные доли процента. Увы, сцены из фильмов, в которых гениальный ученый после некоторых раздумий рисует на доске формулу искомого вещества, очень далеки от реальности.
Помимо способности взаимодействовать с мишенью при отборе учитывают еще несколько факторов, например вероятность побочных эффектов. Для этого нужно понимать, будет ли вещество взаимодействовать с другими схожими мишенями человеческого организма. Например, в нашем теле содержится несколько сотен ферментов, относящихся к классу киназ. Если одна киназа выбрана в качестве мишени, в процессе скрининга стоит проверить взаимодействие веществ не только с ней, но и с другими похожими киназами. Если оно есть, риск нежелательных эффектов велик. В случае биологических молекул также важно минимизировать риск иммунного ответа со стороны организма пациента. Этого можно добиться, “очеловечивая” выработанные клетками других видов белки – при этом их фрагменты меняют так, чтобы они меньше отличались от человеческих.
Важно понимать, как вещество будет всасываться, распространяться и изменяться в организме. Хотя окончательный ответ дадут только исследования на животных и людях, уже на раннем этапе оптимизации веществ можно отсечь те, свойства которых помешают им стать лекарством. Например, если мы ищем лекарство от распространенного хронического заболевания, его желательно выпускать в форме таблетки для перорального применения
[186]: лекарство, которое нужно вводить внутривенно, сложнее применять самостоятельно, и это может затруднить массовые продажи.
Биологические молекулы не всасываются в кишечнике и вводятся внутривенно. Если они вызывают в организме пациента выраженный иммунный ответ, то будут быстро удалены из кровотока. Если же удается создать препарат, циркулирующий в крови дни, недели и даже месяцы, редкий прием может вполне компенсировать необходимость делать инъекцию.
Нужно также учитывать производственные, экономические и юридические моменты. Желательно, чтобы вещество было стабильным при хранении: если оно быстро разрушается, срок годности будет невелик. Нужна возможность производить его в промышленных масштабах, и процесс производства не должен быть слишком дорогим. Важно учитывать и патентные риски: если что-то может помешать защите патента, лучше не начинать длительный и дорогостоящий процесс: риск слишком велик.
Поскольку каждый последующий этап разработки дольше и дороже предыдущего, в интересах фармкомпании (именно они в большинстве случаев и разрабатывают лекарства) обнаружить бесперспективность проекта как можно раньше и остановить его до того, как вложения, которые не удастся вернуть, станут чрезмерными.
Поскольку организм не является простой суммой частей, исследования на отдельных белках-мишенях или клетках не могут заменить экспериментов на целых организмах. Поэтому на более поздних этапах доклинического поиска тесты нескольких типов на лабораторных животных неизбежны.
Фармакодинамическими называют исследования, задача которых изучить, как вещество влияет на тело. Очень желательно еще до начала долгих и дорогих исследований на людях показать на животных моделях, что лекарство может работать. Также во время фармакодинамических исследований определяют дозу, необходимую для получения эффекта. С помощью этих данных позже определят, с какой дозы начинать испытания на людях.
Иногда в качестве моделей получается использовать животных с той же болезнью, для которой разрабатывается лекарство, но на практике заболевания, абсолютно идентичные человеческим, встречаются у животных нечасто. Поэтому в качестве модельных выступают животные с похожими, на взгляд исследователей, состояниями. Так, например, моделью инсульта могут стать животные, чье мозговое кровообращение было искусственно нарушено. Симптомы при этом возникают те же, что при инсульте, вызванном закупоркой сосуда головного мозга тромбом. Для имитации остеоартрита кроликам вводят в суставы йодацетат натрия – через 2–4 месяца у них развивается похожее состояние. В некоторых случаях сходство очень условно. Непросто подбирать модели психических заболеваний: непреодолимый коммуникационный барьер между нами и животными не позволяет найти у них аналоги, например, шизофрении. Поэтому в качестве модели этой болезни используют животных с изменением поведения, напоминающим исследователям симптомы этой болезни. Конечно, полезность таких моделей сомнительна.
Другая важная группа исследований – фармакокинетические. Их задача – определить, как тело влияет на вещество. Важно понимать, как оно всасывается, изменяется в организме и выводится из него. Нужно убедиться, что, с одной стороны, вещество сохраняется в крови достаточно долго и успеет подействовать, с другой – вовремя разрушится и не будет накапливаться. Кроме того, в процессе метаболизма – преобразования вещества в теле – не должны возникать ядовитые субстанции.
Одна из основных задач исследований на животных – показать, что начинать испытания на людях относительно безопасно. Для этого проводят обязательные тесты на общую токсичность, включающие изучение общетоксических, канцерогенных, генотоксических свойств, влияние на репродуктивную функцию и развитие плода, а также при необходимости дополнительные тесты на специфическую токсичность – например, глазной препарат будут отдельно исследовать на токсичность для глаза
[187]. При этом обязательно используют не менее двух видов животных, один из которых – не грызуны.
