Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Биофармацевтика» конкурса «био/мол/текст»-2018.

---

Партнер номинации — медицинская компания «Инвитро».

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Хищник и жертва?

Где-то далеко на севере, подо льдами Северного Ледовитого океана при температуре, часто опускающейся ниже нуля, идет немая охота. Морская звезда Dermasterias imbricata ищет свою добычу: других морских звезд, морских ежей, огурцов, морские перья и гидроидных полипов. Недостаточно защищенные или быстрые жертвы неминуемо гибнут во рту этого хищника. Все, кроме одной актинии. В процессе естественного отбора она приобрела способность, позволяющую ей эффективно спасаться от хищника. Как? Об этом чуть позже, для начала (голос Дроздова) давайте познакомимся с этими удивительными существами поближе.

Актинии, или морские анемоны, —

отряд морских кишечнополостных из класса коралловых полипов. Эти в большинстве своем сидячие животные лишены минерального скелета. В качестве защиты от хищников и одновременно в роли атакующей добычу части тела актинии используют длинные ловчие щупальца, усеянные стрекательными клетками. Интересны актинии тем, что могут состоять в симбиозе как с беспозвоночными (например, раками отшельниками), так и с позвоночными, ярким примером которых является рыба-клоун (амфиприон), приведенная на рисунке 1. Толерантность симбионтов к нейропаралитическому яду стрекательных клеток морских анемонов представляет широкую область для изучения биохимических процессов в их организмах.

Интерес представляет также необычный представитель актиний, перешедший к роющему образу жизни, — Nematostella vectensis (рис. 2).

Помимо прочего, актинии — одна из немногих групп беспозвоночных, у которых в таком количестве встречается явление флуоресценции (рис. 3). Именно из них в 1990-х были выделены основные флуоресцентные белки (впервые открытые в медузах [1–3]), сейчас получаемые из трансформированных бактерий.

Морские звезды —

класс беспозвоночных типа иглокожих. Конкретно Dermasterias imbricata (рис. 4) относится к семейству Asteropseidae, все представители которого имеют широкое основание и пять коротких рук.

Как и все иглокожие, морские звезды являются вторичноротыми, что сближает их с нами, позвоночными. Вторичноротость означает, что в процессе эмбрионального развития бластопор (первое появляющееся у бластулы отверстие), также именуемый первичным ртом, становится анальным отверстием, а просвет зародышевой кишки (вторичный рот) становится ротовым отверстием. Необходимо также отметить, что ротовое отверстие у иглокожих находится снизу, что вполне логично при их образе жизни: ползай себе по дну и ешь всех, кто попадется, а анальное отверстие — «сверху», в центре тела, над ротовым.

Кроме столь необычно устроенной пищеварительной системы, иглокожие обладают также амбулакральной системой, уникальной среди живого мира. Фактически — это гидравлическая замена мышечной системе, отсутствующей у этих животных (ее строение представлено на рисунке 5). Состоящая из каналов, сократительных ампул и присосок, она позволяет животным медленно, но довольно эффективно перемещаться по морскому дну.

Расстановка сил

Итак, в красном углу ринга — морская звезда Dermasterias imbricata, свирепый хищник бентоса (то есть донного сообщества), поедающий все, что меньше него и не может укрыться.

В синем углу ринга — актиния Stomphia coccinea, на первый взгляд не сильно отличающаяся от своих собратьев из более теплых морей.

Но стóит морской звезде только приблизиться к этому животному, как стомфия буквально взмывает вверх и, совершая изгибающиеся движения, уплывает, уносимая течением далеко от опасного хищника (см. видео).

Звезда остается ни с чем.

Как же организм актинии получил такую возможность — отрываться от субстрата и переплывать на довольно значительные по меркам морского бентоса (в особенности по меркам неподвижных морских анемонов) расстояния? Здесь действовал обыкновенный движущий естественный отбор. Накопилось, по-видимому, несколько мутаций, позволяющих их обладателям:

• открепляться подошвой от субстрата;
• сокращать мышцы ствола и переплывать таким образом на новое место.

Организмы-носители этих мутаций имели больше шансов оставить потомство и передать мутантные гены, дающие преимущества при встрече с хищником, что сдвинуло соотношение числа организмов-носителей к числу «организмов-консерваторов» в сторону первых.

Интереснее здесь иное: полип чувствителен не только к механическому касанию звезды, но и к метаболиту, выделяемому хищником — имбрикатину.

Имбрикатин

Впервые это вещество выделили и описали в далеком 1986 году канадские ученые из университета Британской Колумбии в Ванкувере [4]. По химической структуре имбрикатин является бензилтетрагидроквинолиновым алкалоидом (рис. 6). И здесь уже проявляется нестандартность этого соединения. Дело в том, что алкалоиды обычно выделяют из растений, в которых эти вещества зачастую являются ядовитыми вторичными метаболитами [5]. Чистый имбрикатин, выделенный при помощи хроматографии, представляет собой водорастворимый белый бесструктурный сухой порошок.

Интересно то, что структурный кор молекулы включает тетрагидроизоквинолин. Это вещество используется в антиопухолевых препаратах и лекарствах от таких болезней, как астма.

Позже, в 2015 году группа ученых под руководством Рэймонда Андерсена из того же университета Британской Колумбии сумела показать, что имбрикатин также работает как мощное противоопухолевое средство [7]. Коллектив, возглавляемый Андерсеном, занимается поиском и изучением «медицинской» активности веществ, выделяемых малоподвижными морскими беспозвоночными, такими как актинии и губки. Используя высокоточные методы скрининга, команда ученых тестирует множество молекул, проверяя, можно ли какие-то из них использовать в медицине.

Пока одни ищут, другие стараются синтезировать in vitro. Так канадский исследователь Инхи Чо фокусируется на химическом синтезе этого вещества [8]. Схожесть кора молекулы со структурой некоторых антиопухолевых препаратов подтолкнула ученого к исследованию пути синтеза в обход дорогостоящему и хлопотному выделению вещества из природного источника (морских звезд).

Лекарственное разнообразие океана

Однако морские звезды — не единственные представители морской фауны, метаболиты которых используются в медицине. Оболочники, губки, моллюски черви и даже рыбы предоставляют широкий спектр веществ, имеющих потенциал для лечения не только рака. Все перспективные препараты можно разделить на четыре группы по стадии разработки, на которой они находятся. Далее мы рассмотрим наиболее интересные вещества из каждой группы, выделенные из морских организмов.

Бо́льшая часть всех препаратов, находящихся сейчас на первой стадии клинических исследований, представляет собой конъюгат антитела, направленного против мишени в опухолевых клетках, и действующего вещества [11]. Введенное в организм пациента антитело специфически связывается с поверхностным маркером или внутренней мишенью раковой клетки (причем в роли такой мишени могут выступать даже микротрубочки цитоскелета клетки!). Во втором случае перед медиками и исследователями встает проблема доставки антитела в опухолевую клетку, которая зачастую решается с помощью вирусных векторов [12]. После связывания с поверхностной мишенью происходит «инъекция» комплекса в раковую клетку и высвобождение цитотоксина, связанного с антителом дисульфидным мостиком. Такие конъюгаты показали высокую цитотоксичность для клеток в культуре — концентрация от 10 до 40 пмоль является 50-процентной ингибирующей дозой [13]. Помимо этого они имеют низкую системную токсичность в мышах, что также делает этот тип препаратов перспективным для дальнейшего изучения и применения.

Многие препараты, находящиеся на второй стадии клиничсеких испытаний, также являются конъюгатами с антителами. Однако среди всей группы выделяются два, речь о которых пойдет ниже.

Бриостатин и Альцгеймер

Вещество бриостатин относится к группе макролидов и было выделено в 60-х годах прошлого века из мшанки Bugula neritina. Мишенью в клетках данного вещества является протеинкиназа-С, однако оно способно также индуцировать работу α-секретазы. В свою очередь эта секретаза конкурирует с γ- и β-секретазой за белок-предшественник β-амилоида — APP (Amiloid Precursir Protein). Если в случае с γ- и β-секретазами посттрансляционный процессинг представляет собой гидролиз АРР с образованием β-амилоида, при избытке формирующего амилоидные бляшки, то в случае с α-секретазой процессинг идет на мембране нейронов и не ведет к синтезу β-амилоида . Усиление работы α-секретазы таким образом ведет к уменьшению выхода β-амилоида и снижению риска возникновения заболевания [14].

Автор этой статьи исходит из слегка устаревшего представления, что первопричиной болезни Альцгеймера является накопление бляшек β-амилоида, якобы оказывающих токсическое воздействие на нейроны головного мозга и приводящих к старческой деменции. В действительности же многочисленные клинические исследования лекарств, нацеленных на «искоренение» β-амилоида, с треском провалились, стоив фармкомпаниям миллиарды долларов и пару десятков потерянных лет [15–17]. Судя по всему, β-амилоид может служить разве что маркером болезни Альцгеймера (а никак не причиной), да и то уже слишком поздним. А сам β-амилоид может вообще быть компонентом врожденного иммунитета [18]. — Ред.

DMXBA и психотические нарушения

Выделенный из немертин анабазеин является стимулятором широкого спектра никотиновых ацетилхолиновых рецепторов, в особенности нервно-мышечных. Синтетически полученный 3-(2,4-диметоксибензилиден)-анабазеин (или DMXBA) улучшает память экспериментальных животных и пациентов и в настоящий момент тестируется на потенциальную возможность улучшить когнитивные проблемы, связанные с шизофренией, болезнями Альцгеймера и Паркинсона [19]. Структура DMXBA, схожая с анабазеином и никотином, представлена на рисунке 7. DMXBA является первым веществом, избирательно связывающимся именно с α7-рецепторами, а также первым, проходящим сейчас клинические испытания.

На третьей стадии клинических исследований (в соответствии с данными университета Среднего Запада [11]) находятся антираковые препараты, в число которых входят уже упомянутые конъюгаты антител и цитотоксинов, алкалоид, блокирующий работу РНК-полимеразы II, и низкомолекулярное вещество пинабулин, выделяемое из морского гриба. На их фоне выделяется анальгетик, применяемый при хронической боли, — тектин. Однако биологам он более известен как тетродотоксин [20]. Да, тот самый яд из рыбы фугу, который делает ее шипы (нам она более известна как рыба-шар или рыба-еж именно благодаря этим шипам, тогда как научное название — иглобрюх), печень и гонады смертельно ядовитыми.

И это тот самый случай, когда небольшие дозы яда имеют лечебный эффект. Дело в том, что изменения экспрессии и/или функционирования некоторых потенциал-чувствительных натриевых каналов в некоторых случаях влечет за собой возникновение хронической боли [21]. Тетродотоксин же имеет очень высокое сродство к этим каналам, перекрывая, как пробка, поток ионов через канал и блокируя нервную передачу.

Из лекарств, уже одобренных FDA (Food and Drug Administration, Управления США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов), особенно заострить внимание хочется на видарабине. Вещество выделено из губки Tectitethya crypta и относится к группе нуклеозидов. А применяется оно для борьбы с... вирусом простого герпеса! Имея структурную формулу, чрезвычайно схожую с аденином (рис. 8), видарабинтрифосфат встраивается вирусной полимеразой в растущую цепь ДНК, и на этом синтез прерывается, так как фосфодиэфирная связь не может быть синтезирована вследствие стерических взаимодействий.

Схожее вещество — цитарабин — также выделено из губки и относится к нуклеозидам. Его мишенью в клетках является ДНК-полимераза за счет всё того же сходства с естественным нуклеотидом клетки — цитозином (рис. 9). Используется цитарабин в химиотерапии острых лимфоидной и миелоидной лейкемий, хронической миелоидной лейкемии и неходжкинской лимфомы.

Пару слов в заключение

Биологические молекулы предоставляют обширные возможности для применения новых видов терапии, в том числе онкологических заболеваний. Многие лекарства сейчас создают на основе вторичных метаболитов растений, антитела самых разных животных используются для лечения аутоиммунных заболеваний и рака [22], [23]. Так почему бы человечеству не обратить взор к океану, так мало изученному? Возможно, в этой кладовой природы найдутся решения для многих современных проблем медицины. Ведь всего полвека назад никто и не подозревал, что метаболит, служащий для плавающего анемона сигналом к бегству, сможет стать перспективным веществом для медицины будущего.

Литература

1. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
2. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
3. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
4. Charles. Pathirana, Raymond J. Andersen. (1986). Imbricatine, an unusual benzyltetrahydroisoquinoline alkaloid isolated from the starfish Dermasterias imbricata. J. Am. Chem. Soc.. 108, 8288-8289;
5. О чем пахнут растения?;
6. 12 методов в картинках: протеомика;
7. Ho K. (2015). Sea escape inspires cancer drug. Research2Reality;
8. Cho I. (2008). Total synthesis and structure-activity studies of a new anti-cancer drug based on the natural product, imbricatine. Michael Smith Foundation for Health Research;
9. С миру по нитке: как соединились компоненты клинического исследования;
10. Путь к тысячам аптек начинается с одной молекулы;
11. Marine pharmaceuticals: the clinical pipeline. (2018). Midwestern University;
12. Генная терапия против рака;
13. Chari R.V., Martell B.A., Gross J.L., Cook S.B., Shah S.A., Blättler W.A. et al. (1992). Immunoconjugates containing novel maytansinoids: promising anticancer drugs. Cancer Res. 52, 127–131;
14. Анисимов Е.Д. (2016). Фармакологические перспективы лечения болезни Альцгеймера. Научное сообщество студентов XXI столетия. Естественные науки: сб. ст. по мат. XLI междунар. студ. науч.-практ. конф. 5;
15. На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера;
16. β-амилоид: невидимый враг или тайный защитник? Запутанная тропка болезни Альцгеймера;
17. Болезнь Альцгеймера: ген, от которого я без ума;
18. Возможно, β-амилоид болезни Альцгеймера — часть врождённого иммунитета;
19. William Kem, Ferenc Soti, Kristin Wildeboer, Susan LeFrancois, Kelly MacDougall, et. al.. (2006). The Nemertine Toxin Anabaseine and Its Derivative DMXBA (GTS-21): Chemical and Pharmacological Properties. Marine Drugs. 4, 255-273;
20. Тетродотоксин — история элегантного убийцы;
21. Francisco Rafael Nieto, Enrique José Cobos, Miguel Ángel Tejada, Cristina Sánchez-Fernández, Rafael González-Cano, Cruz Miguel Cendán. (2012). Tetrodotoxin (TTX) as a Therapeutic Agent for Pain. Marine Drugs. 10, 281-305;
22. Необычные животные: иммунологические сказки;
23. От рака вылечит... верблюд!;
24. Derek J Stefanik, Lauren E Friedman, John R Finnerty. (2013). Collecting, rearing, spawning and inducing regeneration of the starlet sea anemone, Nematostella vectensis. Nat Protoc. 8, 916-923.