В новосибирском Академгородке проходит Всероссийская конференция с международным участием «Инженерная биология и биофармацевтика», приуроченная к 100-летию со дня рождения академика Дмитрия Георгиевича Кнорре, основателя Новосибирского института биоорганической химии (в настоящее время — Институт химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре СО РАН). Ученые обсуждают актуальные вопросы разработки терапевтических препаратов и вакцин на основе нуклеиновых кислот, белков, вирусов и интеллектуальных материалов. Мы поговорили с экспертами о самых быстроразвивающихся направлениях биофармацевтики, современных подходах к созданию препаратов на основе нуклеиновых кислот и вирусов, а также о внедрении новых технологий в биохимию.
Эксперты:
доктор химических наук Владимир Васильевич Коваль, сопредседатель оргкомитета конференции «Инженерная биология и биофармацевтика», председатель секции «Структурная биология» директор Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре СО РАН;
доктор биологических наук Владимир Александрович Рихтер, председатель секции «Онколитические вирусы» конференции «Биохимия и биофармацевтика», заведующий лабораторией биотехнологии ИХБФМ СО РАН;
член-корреспондент РАН Марина Аркадьевна Зенкова, председатель секции «Терапевтические нуклеиновые кислоты», заведующая лабораторией биохимии нуклеиновых кислот ИХБФМ СО РАН.
–– Метод использования синтетических олигонуклеотидов, разработанный академиком Кнорре в 1960-е годы, сейчас активно применяется в медицине. Чего он позволил добиться в сфере разработки терапевтических препаратов? Какое развитие получили идеи Кнорре в современных научных и терапевтических направлениях?
Владимир Коваль:
–– Если говорить про подход, связанный с ген-направленными биологически активными веществами, когда мы синтезируем нуклеиновую кислоту, направленную на взаимодействие с генетической информацией в нашей клетке, то он действительно предложен в лаборатории Дмитрия Георгиевича Кнорре. В свое время эта разработка была прорывной, но казалось, что метод никогда не станет работать, потому что идея была красивой, но очень сложной в воплощении. Однако прошло более 40 лет, и мы видим, что терапевтические нуклеиновые кислоты уже применяются в клинической практике и продаются в аптеках: например, «Спинраза» — лекарство от спинальной мышечной атрофии, «Тоферсен» — РНК-препарат для терапии бокового амиотрофического склероза и другие.
С тех пор мы совершили несколько технологических рывков. Во-первых, появилось множество разных неприродных модификаций нуклеиновых кислот, для получения которых ученые изменяют химию нуклеиновой кислоты таким образом, чтобы она была устойчива в клеточной среде и активна длительное время. Так, «Спинразу» вводят один раз в три месяца в виде инъекции, и, соответственно, всё это время она присутствует в клетке в виде нуклеиновой кислоты, и клеточные нуклеазы ее не расщепляют, хотя, если ввести в организм такой же природный олигонуклеотид, как у «Спинразы», он проживет в клетке два-три часа. Соответственно, появилась хорошая химия модификаций нуклеиновых кислот, которая была развита в том числе и в нашем институте.
Если говорить про терапию, то, кроме «Спинразы» и «Тоферсена», на рынке появился ряд недавно зарегистрированных препаратов для лечения орфанных (редких) заболеваний: «Голодирсен» для лечения мышечной дистрофии Дюшена, «Инклисиран» — препарат, снижающий уровень «плохого» холестерина и другие. Например, 2023 год оказался одним из самых рекордных по количеству регистраций лекарственных средств за всю историю существования человечества: было предложено 55 новых препаратов, четыре из которых представляли собой нуклеиновые кислоты.
Стоит признать, что очень много компаний в мире, которые занимаются терапевтическими нуклеиновыми кислотами, опираются на то, что было когда-то заложено Дмитрием Георгиевичем в России и доктором медицины Полом Замечником в Соединенных Штатах, в свое время они были лидерами в этой сфере.
–– Почему именно сейчас, на ваш взгляд, потребовалось проведение конференции, посвященной исследованиям в сфере биохимии и биофармацевтики, и что делает ее значимой для научного сообщества?
Владимир Коваль:
–– Наш институт регулярно проводит конференции по направлению нашей деятельности. Первая из них была приурочена к восьмидесятилетию Дмитрия Георгиевича Кнорре, и тогда он сказал: «Володя, я не думал, что доживу до времени, когда конференция будет в мою честь».
Дмитрий Георгиевич был по образованию химиком и, можно сказать, физиком в биологии. Когда я спросил: «Как назовем конференцию?», он ответил: «Ну, конечно, физико-химическая биология. Я же этим всю жизнь занимался». Эти конференции были регулярными, и мы будем их продолжать. К столетию Дмитрия Георгиевича мы успели переименовать институт — меньше месяца назад он получил имя академика Кнорре.
–– В программе конференции заявлено первое Кнорровское научное чтение. Планируется ли сделать этот формат ежегодным? Чем они будут отличаться от других чтений, посвященных биохимии и биофармацевтике?
Владимир Коваль:
–– Чтения действительно запланированы на первый день конференции, 28 июля, в день рождения Дмитрия Георгиевича. Конечно, мы планируем сделать их ежегодными. Формат научных чтений подразумевает приглашение ведущего ученого, который читает большую научную лекцию, а далее следуют вопросы и дискуссии. Так как мы достаточно разноплановый институт, хочется послушать не только сотрудников нашего института, но и услышать коллег со всей страны, мира. Если получится приглашать иностранных ученых, мы постараемся не отказываться от этой возможности.
Первую лекцию в чтениях провел директор Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН академик Александр Габибович Габибов. Он долго дружил с Дмитрием Георгиевичем, и его институт — крупнейший в области молекулярной биологии и биоорганической химии. Тематика лекции достаточно широкая: от использования химии до искусственного интеллекта для создания широкого спектра молекул.
–– Конференция заявлена как всероссийская с международным участием. Ученые из каких городов и стран принимают участие в конференции? Сколько участников приехали? Есть ли среди них студенты?
Владимир Коваль:
–– Если говорить про Россию, то это Москва, Санкт-Петербург, Владивосток, Красноярск, Томск, Сочи, Уфа, Рязань, Краснодар — почти все научные центры Российской Федерации. Также у нас будут иностранные гости из Беларуси, Узбекистана и Армении.
В мероприятии принимают участие около 300 ученых. У конференций, особенно узконаправленных, есть очень важная составляющая — критическая масса участников. Если людей чуть меньше необходимого количества, не получается построить сети взаимодействий, люди реже и меньше общаются. В этот раз мы собрали достаточно большую команду, и программа заполнена с 9 утра до 20 вечера с часовым перерывом на обед. Это хорошая традиция: три дня интенсивно работать над обсуждением научных проблем.
В конце каждой секции у нас есть по несколько флеш-докладов молодых ученых по семь минут, когда аспирант может рассказать что-то про свое исследование, получить отзыв, научиться представлять свои результаты, дискутировать. Планируется также постерная сессия, но всё же большинству молодых ученых мы стараемся дать возможность рассказать о своей работе устно перед аудиторией.
–– Какие методы машинного обучения и искусственного интеллекта сейчас применяются в терапии различных заболеваний?
Владимир Коваль:
— Машинное обучение в данном случае — эффективный инструмент, однако проблему терапии всегда необходимо разбивать на несколько этапов. Первый из них — это поиск мишени. Если существует какое-либо заболевание — известен либо когда-нибудь будет установлен и его механизм, а следовательно, и мишень. После того как мишень идентифицирована, становится возможным создать ингибитор или эффектор — молекулу, которая будет на нее влиять. Эта задача в настоящее время успешно решается с помощью искусственного интеллекта, поскольку большая часть биохимических метаболических путей человека известна и описана, и уже понятно, на какие циклы и каскады необходимо воздействовать. Второй этап — получение информации о структуре мишени, а именно о трехмерных координатах ее атомов. После того как мы определили, что воздействие на конкретный белок в том или ином каскаде приведет к желаемому результату, необходимо кристаллизовать этот белок, получить его структуру экспериментально или попытаться предсказать ее с помощью искусственного интеллекта. Одна нейросеть, обученная на массивах биохимических и молекулярно-биологических данных, определяет оптимальные точки воздействия. Другая нейросеть, специализирующаяся на органической химии, генерирует структуру молекулы, способной эффективно связываться с данным белком.
Однако на этом этапе возникают практические ограничения. Предложенная молекула может оказаться водонерастворимой или и вовсе токсичной для человека — в таком случае необходим возврат к исходным параметрам. Этот процесс всегда был таким сложным, единственное отличие в том, что ранее все стадии выполнялись без искусственного интеллекта и были длительными, трудоемкими и чрезвычайно дорогостоящими. Сейчас же временные затраты сокращаются примерно в пять-семь раз. Однако этапы химического синтеза и биологического тестирования по-прежнему занимают время, и здесь ускорение невозможно.
Уже существует лекарственный препарат, созданный полностью с использованием искусственного интеллекта. Был идентифицирован белок киназа, вовлеченный в патогенез идиопатического легочного фиброза — заболевания, при котором легочная ткань замещается рубцовой, что приводит к нарушению газообмена и летальному исходу. Искусственный интеллект определил данную киназу в качестве мишени, после чего ее структура была получена экспериментально. Затем искусственному интеллекту была поставлена задача создать молекулу-ингибитор. Молекула была синтезирована, и ее эффективность подтвердилась. В настоящее время препарат находится на третьей стадии клинических испытаний. Этот пример подтверждает то, что подходы, основанные на машинном обучении, способны приводить к созданию терапевтических агентов, демонстрирующих высокую эффективность в клинике.
–– Каких знаний о структуре и поведении белков в данный момент не хватает ученым? Способны ли новые технологии и искусственный интеллект решить эту проблему?
Владимир Коваль:
–– Я реалист в плане применения искусственного интеллекта. Мы достаточно интенсивно используем модель AlphaFold 3, за создание которой полтора года назад была вручена Нобелевская премия, и другие технологии предсказания белков. С одной стороны, эта задача очень легкая: казалось бы, что такое белок? Это регулярный полимер из абсолютно одинаковых частиц. Но так как аминокислот 22 и боковые радикалы у них химически очень различные и сложные по своей структуре, то и структура белка оказывается труднопредсказуемой. Человечество три десятилетия пыталось написать алгоритм, который мог бы предположить, в какую структуру будет укладываться белок. Не получалось, пока не появились нейронные сети, наученные предсказывать на структурах уже известных белков. Они хорошо узнают только те белки, которые они уже видели. Если мы загрузим похожий белок в нейросеть, она его успешно посчитает — тот же AlphaFold нарисует нам почти ровно то, что мы уже получили экспериментально. Однако как только в нашем белке появится что-то, что искусственный интеллект не видел до этого, система не узнает его.
Если говорить о том, какой информации не хватает о структуре белков, здесь имеет место очень странный парадокс. В 2002 году, когда геном человека был получен, выяснилось, что генов, которые кодируют белки, на самом деле не так много: около 25—30 тысяч. Сейчас же в единой всемирной базе данных Protein Data Bank содержится около 256 тысяч записей о структурах белков. Однако там очень мало интересных нам терапевтических белков. Ученые больше работают с теми белками, которые хорошо экспрессируются, выделяются, очищаются, кристаллизуются. Нас же интересуют различные мембранные белки, белки-рецепторы, плохо растворимые и плохо кристаллизующиеся, про них мы пока почти ничего не знаем.
–– Какие новые возможности в сфере расшифровки структуры белков и вирусов откроет ученым СКИФ?
Владимир Коваль:
–– СКИФ — это огромный технологический скачок. Электроны, двигаясь по круговой траектории под действием магнитного поля, теряют энергию, испуская рентгеновские лучи. Для физиков такая потеря энергии является нежелательным фактором, требующим постоянного восполнения. Однако для структурных биологов синхротронное излучение стало эффективным инструментом, который позволяет быстро получать структуры белков. В процессе исследования белок сначала кристаллизуют, после чего облучают полученный кристалл синхротронным пучком. Анализ дифракционной картины позволяет восстановить трехмерное расположение атомов в молекуле. На рентгеновской трубке подобное исследование займет существенное время. Здесь же на снятие картинки требуются минуты.
Если говорить про структурную биологию, то раньше все структуры мы получали либо во Франции в Европейском центре синхротронного излучения, либо в Китае, где мы делаем это до сих пор, либо в Бразилии. Это неудобно, долго, а также есть проблемы с тем, что не про все белки, с которыми работаешь, хочется рассказывать в другой стране по многим причинам, в том числе коммерческим.
Синхротрон — это космический корабль с точки зрения развития технологий. Он подобен большому микроскопу, который очень нужен не только структурным биологам, но и химикам: каталитикам, неорганикам, органикам, материаловедам, геологам.
–– Какие новые результаты в сфере исследования и применения онколитических вирусов получены за последние годы? Какие проблемы существуют в этой области по сравнению с обычными медицинскими препаратами?
Владимир Рихтер:
–– Эта конференция позволит осветить многие вопросы разработки противоопухолевых препаратов на основе онколитических вирусов. В нашей секции мы постарались собрать фактически все российские научные центры, которые занимаются данной проблематикой. За последние годы произошел почти революционный сдвиг в этом направлении. Раньше работы очень редко доходили до клинических испытаний. Многие препараты, о которых расскажут докладчики, не только успешно завершили доклинический этап, но и перешли в фазу тестирования на пациентах.
Основной проблемой разработки противоопухолевых препаратов на базе онколитических вирусов является отсутствие финансирования. Эти препараты биотехнологические, поэтому их разработка и внедрение в медицинскую практику — дорогостоящая процедура. Проведение каждой стадии клинических исследований требует сотни миллионов рублей. Источника средств для этих исследований сейчас в России нет, поэтому развитие тематики продвигается достаточно медленно.
–– Одной из главных проблем терапевтических нуклеиновых кислот остается адресная доставка препарата именно в пораженный орган, которая позволила бы избежать накопления лекарства в печени и почках и обеспечила бы ему проникновение внутрь клетки. Какие подходы к решению этой проблемы разрабатываются в настоящее время и какие из них наиболее перспективны для клинического применения?
Марина Зенкова:
–– На данный момент в медицине нет подходов к применению препаратов на основе нуклеиновых кислот, которые позволили бы избежать накопления в печени и почках. Можно использовать систему, доставляющую препарат только в один орган и никуда больше — это внутриорганная инъекция. Она сейчас применяется при лечении некоторых онкологических заболеваний, когда под контролем УЗИ препарат вводится непосредственно в опухоль либо в окружающие ее ткани. Пока это единственный способ направленного (пусть и механического) введения.
При лечении заболеваний легких сейчас стараются использовать ингаляционные формы препаратов, в том числе на основе нуклеиновых кислот. Если лекарство должно работать в верхних отделах дыхательных путей или легких, то ингаляция хорошо справляется с этой задачей. Для воздействия на более глубокие отделы этого органа требуются глубокие ингаляции или внутрилегочное введение, но и в этом случае речь идет о местном, а не о системном применении — препарат доставляется к пораженному органу, а не разносится по всему организму. В последнее время наблюдается тенденция к отказу от системной доставки препаратов нуклеиновых кислот в сторону локальной доставки.
Если говорить о препаратах на основе нуклеиновых кислот, которые уже представлены на рынке и доказали свою эффективность — это малые интерферирующие РНК (siРНК, small interfering РНК — не путать с микроРНК или миРНК) и антисмысловые олигонуклеотиды. Первые предназначены для лечения заболеваний печени. В чем их преимущество? Во-первых, они содержат адресующий компонент, который обеспечивает доставку именно в клетки органа-мишени — печень. Во-вторых, при системном введении эти препараты эффективно накапливаются в клетках печени и оказывают терапевтическое действие в течение длительного времени, в некоторых случаях три-шесть месяцев в зависимости от типа заболеваний. Следует помнить, что для лечения различных заболеваний используются разные, в том числе и по механизму действия, нуклеиновые кислоты, и для каждой такой пары «заболевание — терапевтическая нуклеиновая кислота» требуется своя система доставки, оптимизированная под конкретный орган. К сожалению, универсального подхода не существует.
Предпринимались попытки использовать магнитные наночастицы, нагруженные нуклеиновой кислотой, чтобы с помощью магнита направлять их в нужный орган, и они действительно способны собираться в заданной области, однако их биосовместимость остается под большим вопросом. Помимо этого, разрабатываются способы доставки нуклеиновых кислот с использованием электрического тока, ультразвука и магнитного поля, но в клиническую практику они пока не вошли. Активно применяются лишь ингаляционные методы, направленные внутриорганные инъекции, а также — в экспериментальном режиме — микроклизмы для лечения кишечника и глубокая ингаляция для нижних отделов легких. Основная цель всех этих локальных методик — избежать потери 99 % препарата при системном распределении и снизить нагрузку на здоровые клетки, тем более что сами нуклеиновые кислоты нетоксичны или малотоксичны.
–– Какие направления инженерной биологии и биофармацевтики, на ваш взгляд, сейчас более интересны с точки фундаментальной науки и являются более перспективными с точки зрения практического внедрения? В какой сфере ожидаются наиболее впечатляющие результаты?
Владимир Коваль:
–– На самом деле, между фундаментальной наукой и внедрением в медицинскую практику проходит достаточно большой промежуток времени — около десяти лет. Если говорить про инженерно-молекулярную биологию, то интересное направление — это in vivo CAR-T-терапия, когда мы пытаемся стимулировать наш иммунитет внутри организма. Сейчас в клинике уже разрешены in vitro CAR-T-подходы, когда у человека берут лимфоциты, специально «обучают» их и вводят обратно. Это занимает некоторое время, но во многих случаях времени ждать нет, поэтому появилась технология in vivo CAR-T.
Если посмотреть на мировые тренды, то сейчас активно развивается мРНК-технология. Она получила широкое применение во время пандемии ковида, хотя появилась задолго до нее. Человечеству не хватало решимости запустить технологию в клинику, пока вспышка инфекции не вынудила ускорить создание вакцин. Тогда были разработаны две мРНК-вакцины, и мир увидел главный потенциал этой платформы: возможность быстро адаптировать конструкцию под разные патогены и создавать персонализированные средства для лечения в том числе и онкологических заболеваний.
Также широкое применение сейчас получает аптамерная технология. Аптамеры представляют собой короткие одноцепочечные нуклеиновые кислоты, которые, подобно антителам, способны с высокой специфичностью связываться с молекулярными мишенями. Антитела достаточно большие, тяжело нарабатываемые, дорогие, плохо хранятся и транспортируются, а нуклеиновые кислоты, которые также способны специфически узнавать мишени, — дешевы, легко поддаются синтезу и легко хранятся. Аптамеры не вмешиваются в геном, а узнают и связывают уже готовые мишени. Технология активно применяется для визуализации опухолевой прогрессии, создания биосенсоров и адресной доставки лекарств. Например, наши томские коллеги используют аптамеры, конъюгированные с радиоактивными изотопами, — это направление относится к радиохимии и позволяет визуализировать опухолевые очаги в организме.
Мы как раз пришли к тому моменту, когда молекулярная биология перестала быть чисто теоретической наукой, а стала наукой, которая позволяет принести пользу людям, причем достаточно быстро. Долгое время мы набирались знаний, изучали клеточные процессы, сейчас же нужно эффективно использовать эти технологии.
Мероприятие проходит при поддержке компаний «Биосан — Биолабмикс», «БиоХимМак», «Синтол», «БиоЛайн», «Хеликон», SkyGen, «Лабконцепт», «БИОССЕТ», «БелБиоЛаб», «ТД “ХИММЕД”», SOVTECH, «Аламед», «ИМПАР», банка «Уралсиб» и Центра новых медицинских технологий.
Алёна Снегирева, студентка направления «Журналистика» Гуманитарного института Новосибирского государственного университета
Фото предоставлены ИХБФМ СО РАН
