Комбинаторная химия и высокопроизводительный скрининг

Возникновение антимикробной химиотерапии датируется довольно точно – первыми годами ХХ века и связано, как известно, с работами П. Эрлиха и его школы. Основополагающие тезисы Эрлиха хорошо известны. В переводе, сделанном в 1910 г., стиль которого стал уже несколько архаичным для нашего времени, это выглядит так: "Хемотерапия ставит себе задачу найти такие вещества, которые при большом влиянии на паразитов принесли бы возможно менее вреда организму". И далее: "Средство в практику не выйдет, если взаимоотношение между ядовитостью и лечебной дозировкой неблагоприятно". Таким образом, во главу угла ставился химиотерапевтический индекс антимикробного препарата.

Нобелевский лауреат Пауль Эрлих был очень терпеливым человеком. Он вел поиски химического соединения, которое можно было бы использовать для лечения сифилиса почти два десятилетия. В 1907 г. Эрлих открыл арсфенамин, органическое соединение мышьяка. Сам Эрлих назвал лекарство сальварсаном (от латинского salvatio – спасение), но его коллеги дали лекарству имя «препарат 606»: это было 606-е по счету из опробованных ученым соединений. Позднее Эрлих открыл еще более эффективное и менее токсичное средство – неосальварсан, или «препарат 914». Свои препараты он называл “волшебными пулями”, призванными “стрелять” по возбудителям инфекционных болезней – микробам.

До конца XX века поиск новых лекарств был чрезвычайно длительным процессом, не претерпевшим существенных изменений со времени работ П.Эрлиха. После того как учёные получали новые химические соединения, синтетическим путем или выделяли их из природных источников проводился их предварительный отбор - скрининг (screening - англ. просеивание, отсев). По статистике, чтобы выявить одно перспективное соединение, требовалось почти наугад протестировать, от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч веществ. Уже на этом этапе испытания стоили очень дорого, поскольку их проводили на животных и расходовали большие количества испытуемых соединений. Тесты не только требовали огромных затрат, но и затягивались на годы. Естественно, новые соединения синтезировали гораздо быстрее, чем проводили их биологические испытания. В результате у химиков всего мира на полках скопились сотни тысяч веществ, среди которых были образцы с очень перспективной фармакологической активностью, но у биологов и фармакологов до них просто не доходили руки. Для кардинального изменения ситуации необходимо было решить две основные проблемы:

1. Разработать высокоэффективные методы предварительного скрининга (быстрые и дешевые);

2. Разработать новые подходы и методики синтеза, позволяющие при тех же затратах сил и средств получать в сотни и тысячи раз больше новых соединения для биологических испытаний;

Возможность решения первой задачи появилась около 20 лет назад благодаря быстрому прогрессу молекулярной биологии и генной инженерии. Были расшифрованы структуры многих белков, ответственных за те или иные физиологические функции в организме, а методы генной инженерии позволили выделить их в чистом виде и на их основе создать тестовые системы („мишени“). С их помощью стало возможным в условиях in vitro быстро выявлять определённую биологическую активность синтезированных молекул, например, способность, избирательно взаимодействовать с клеточными рецепторами или ингибировать ферменты (чаще всего фосфокиназы). Такие тесты на молекулярном уровне, требуют уже не десятки граммов, а миллиграммы испытуемых соединений.

Сейчас такое тестирование выполняют на специальных роботизированных установках, и если два десятилетия назад крупнейшие фармацевтические фирмы могли проверять примерно 10 тысяч соединений в год на один тип биологической активности, то теперь производительность доведена уже до 100 тысяч образцов в день. И это не предел.

Новая технология фармакологических испытаний получила название „высокопроизводительный скрининг“ (high throughput screening, HTS). Её цель - не только определение биологической активности самых разнообразных соединений, но и выявление соединений с наилучшими характеристиками (соединений-лидеров) в больших сериях однотипных молекул. Такие серии веществ, имеющих одинаковую базовую структуру и незначительные различия в структуре заместителей, называются „библиотеки“ (libraries). Сама процедура поиска соединений с повышенной активностью к той или иной биомишени (соединения – “хиты”, или по-английски hit-compaynds) среди соединений, составляющих комбинаторную библиотеку, напоминает известную детскую игру – “Морской бой”. Можно предположить, что чем больше соединений будет включать в себя такая библиотека, тем больше будет вероятность нахождения и количество таких “хитов”.

Однако в традиционной синтетической лаборатории на создание одной такой библиотеки всего из 100 образцов потребовался бы целый год, а новая технология скрининга (HTS) позволяла быстро испытать тысячи библиотек, состоящих из сотен структур. Очень быстро все вещества с “полки” были проверены и теперь уже синтетики не успевали нарабатывать вещества для испытаний, и явно была необходима новая технология быстрого синтеза новых соединений.

Эта новая технология органического синтеза впервые заявила о себе в 1991 году и вскоре развилась в новое направление - комбинаторную химию (combinatorial chemistry).