Недостатки традиционного подхода
Традиционный процесс разработки нового лекарственного средства идет поэтапно. Сначала исследователи «на кончике карандаша» конструируют молекулу, которая потенциально может стать лекарством от того или иного заболевания. Затем они синтезируют ее в лаборатории и проводят скрининг, т.е. определяют, действительно ли эта молекула вступает во взаимодействие с белком, отвечающим за развитие болезни. Если она, например, блокирует какие-либо функции вирусного белка, то гипотетически может стать лекарством. В ходе скрининга приходится анализировать взаимодействие множества пар молекул потенциальных лекарств и белков-мишеней.
Такие исследования очень дороги, поскольку для них необходимо большое количество очищенных белков и синтезированных молекул. К тому же только незначительная часть созданных активных веществ (в среднем около 1%) успешно проходит этап скрининга. Если это все-таки происходит, т.е. налицо взаимодействие белка с молекулой, ученые приступают к исследованиям ее лечебных свойств in vitro (в пробирке), затем – in vivo (в живом организме), и только в случае их успеха переходят к испытаниям с участием добровольцев.
Этот традиционный подход требует вложения огромных материальных и человеческих ресурсов, и фармацевтические компании пытаются максимально автоматизировать его. Уже много лет они используют компьютеры для обработки результатов экспериментов. Однако последние достижения в сфере информационных технологий позволяют шагнуть значительно дальше. Благодаря созданию компьютерных моделей, которые повторяют свойства реальных объектов, но существуют только в виртуальной среде, именно она становится местом проведения экспериментов. И дизайн молекул, и их взаимодействия осуществляют с помощью электронной техники.
Скрининг силами волонтеров
Сегодня одной из наиболее стремительно развивающихся областей компьютерной биологии по праву считается молекулярное моделирование с технологией высокоскоростного скрининга, позволяющей воссоздать взаимодействие малых молекул с белками. Именно с ее помощью ученые из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) смогли рассчитать эффективность лечения ВИЧ-инфекции путем блокирования одного из ключевых белков этого вируса.
Виртуальный скрининг, используемый сегодня уже достаточно широко, действительно может значительно снизить риск неудачи и сократить затраты фармкомпаний. Однако, несмотря на то, что компьютеры способны обрабатывать десятки тысяч молекул в сутки, поиск новых лекарств представляет собой вычислительную задачу огромного объема. По некоторым подсчетам, для оценки возможности малых молекул связываться с известными белками-мишенями сети из миллиона компьютеров, работающих круглосуточно, понадобилось бы около 3 млн лет. А количество белков, пригодных для виртуального скрининга, продолжает расти.
Один из вариантов решения проблемы – привлечение к виртуальному скринингу добровольцев. Именно по этому пути пошли создатели некоммерческого проекта Find-а-Drug («Найди лекарство»). Стать его участником, а значит – внести свою лепту в поиск новых эффективных препаратов от таких серьезных заболеваний, как рак, ВИЧ, малярия, может каждый владелец компьютера. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте www.find-a-drug.org, скачать и установить специальную программу, работа которой полностью автоматизирована. В те моменты, когда процессор не занят выполнением никаких задач, она запускается и работает самостоятельно. Программа загружает новые задания, выполняет их и отправляет результаты, соединяясь с серверами проекта, когда компьютер просто подключен к Интернету.
Преимущества некоммерческих проектов виртуального скрининга, подобных Find-a-Drug, очевидны. Они позволяют существенно уменьшить финансовые затраты фармакомпаний и дают шанс ускорить разработку новых лекарственных препаратов для лечения актуальных болезней. Так, уже сегодня на компьютерах 60 тыс. волонтеров, которые ради благой цели установили себе программу в рамках Find-a-Drug, обрабатываются более 5 млн. молекул в сутки. За время существования проекта проанализировано около 70 млрд. потенциальных лекарств и обработано более 300 белков-мишеней. Полученные данные поступают партнерам программы, среди которых такие известные научные центры, как Оксфордский университет, Рокфеллеровский центр (Нью-Йорк, США), университет Пенсильвании (Филадельфия, США) и пр. Именно на них возложена ответственность за обработку результатов и разработку новых лекарственных средств.
Разнообразие электронных моделей
Ученые уверены, что по мере совершенствования компьютерные технологии будут все глубже проникать в фармацевтику и медицину. Со временем все лабораторные исследования новых препаратов перейдут в виртуальное пространство. Первые шаги для этого делаются уже сегодня. Так, например, Американская диабетологическая ассоциация (American Diabetes Association) совместно с компанией Entelos создают виртуальную мышь, больную сахарным диабетом І типа. На этой модели можно будет изучать воздействие инновационных лекарственных средств, что избавит фармацевтические компании от необходимости использовать подопытных животных в своих экспериментах.
Многие общественные организации и коммерческие компании разрабатывают модели разнообразных органов и клеток организма. Например, Международная организация Physiome Project намерена создать программное обеспечение для понимания функционирования клеток и органов человеческого организма. Компания Living Human Project работает над моделью опорно-двигательного аппарата для компьютерного моделирования биологических экспериментов.
Эксперты прогнозируют, что уже к 2020 году виртуальные клетки, органы и подопытные животные будут широко использовать в исследованиях, проводимых фармацевтическими компаниями. Все проекты по их созданию имеют огромный коммерческий потенциал. И все же главной задачей молекулярных биологов остается создание «виртуального человека». Другими словами, они собираются математически прописать все процессы, проходящие на молекулярном и клеточном уровне, а затем смоделировать работу всех органов и систем организма. С помощью такой программы ученые смогут достоверно прогнозировать физиологические реакции организма в ответ на применение различных лекарственных веществ.
Хотя некоторые компании занимаются разработкой виртуальной модели человеческого организма уже сегодня, реализация этого проекта в ближайшие десятилетия выглядит утопией. И дело тут не в возможностях компьютерных технологий. Они развиваются настолько стремительно, что уже через несколько лет исследователи смогут реализовать самые безумные планы. Тормозит процесс нехватка знаний об этиологии и патогенезе многих заболеваний, их развитии на молекулярном уровне, а также реакции на них человеческого организма с учетом его фенотипа и генетических особенностей. Другими словами, прорыв в разработке новых лекарств, которой сегодня ожидают не только фармацевтические компании, но и пациенты, в ближайшем будущем будет полностью зависеть от успехов фундаментальной химии, биологии и медицины.
