10 лет и затрачивается от 100 до 500 млн долларов. По статисти­ ке для выявления такого препарата обычно приходится испы­ тать около 10 тысяч веществ. В связи с последним фактором в 1990-е годы возникла комбинаторная химия, принципы которой позволяют за относительно короткий промежуток времени син­ тезировать огромное число производных базовой структуры (создать так называемые "библиотеки" веществ) и параллельно испытать их в направленных биотестах.

1.2.Современные требования к лекарственным веществам

Клекарственным веществам предъявляют многочисленные жесткие требования. Прежде всего лекарственное вещество должно обладать высокой активностью, избирательностью и продолжительностью лечебного действия. Оно должно быть не­ токсичным и не должно вызывать нежелательных побочных эф­ фектов. Кроме того, лекарственное вещество должно быть вы­ сокочистым и иметь высокую стабильность при хранении. Себе­ стоимость его производства не должна быть слишком высокой. Наконец, оно должно быть доступным, а доходность при его реализации на фармацевтическом рынке - достаточно высокой. Все эти факторы определяют время жизни данного препарата среди применяемых в медицинской международной практике аналогично действующих лекарственных веществ.

Изучению токсических свойств потенциального лекарствен­ ного вещества уделяют в настоящее время самое серьезное вни­ мание. Это в значительной мере удлиняет сроки от создания препарата в лаборатории до его массового производства и нача­ ла применения (до 7-10 лет). К необходимости резкого ужесто­ чения требований по детальному исследованию побочных эф­ фектов потенциальных лекарственных веществ пришли в конце 1960-х годов, когда обнаружилось, что использование снотвор­ ного под названием "талидомид” беременными женщинами ста­ ло приводить к рождению детей с уродливыми органами. Это лекарственное вещество сразу попало под запрет, а его допол­ нительное изучение показало, что талидомид применяли в виде рацемата, т.е. смеси двух оптически активных энантиомеров, из которых (+)-Я-энантиомер обладает снотворным действием и нетоксичен, а его (-)-З-форма вызывает гератогенность

11

Следует иметь в виду, что опасное побочное действие лекар­ ственных веществ может проявляться не только от недоизученности их свойств, но и при неправильном применении «обычных» лекарственных средств, их передозировке и самоле­ чении.

1.3. Стадии биологического изучения лекарственного вещества

В настоящее время каждое потенциальное лекарственное ве­ щество проходит три стадии изучения: фармацевтическую, фар­ макокинетическую и фармакодинамическую.

На первой стадии устанавливают наличие полезного действия лекарственного вещества, после чего оно подвергается доклини­ ческому изучению других показателей. Прежде всего опреде­ ляется острая токсичность, т.е. смертельная доза для 50% опыт­ ных животных (LD50, выражаемая в мг лекарственного вещества на кг живого веса). Затем выясняется субхроническая токсич­ ность в условиях длительного (несколько месяцев) введения ле­ карственного вещества в терапевтических дозах (которые обыч­ но в 20 и более раз должны быть ниже LD50). При этом наблю­ дают возможные побочные эффекты и патологические измене­ ния всех систем организма: тератогенность, влияние на репро­ дуктивность (способность воспроизводить потомство) и иммун­ ную систему, эмбриотоксичность (отравление плода), мутаген­ ность (изменение наследственных функций), канцерогенность, аллергенность и другие вредные побочные действия. После этого этапа лекарственное средство может быть допущено к клиническим испытаниям, т.е. к установлению эффективности его лечебного действия и возможных побочных эффектов на больных людях в условиях клиники.

На второй стадии - фармакокинетической (фармакокинетика как часть науки фармакологии зародилась в 1960-х годах) - из­ учают судьбу лекарственного вещества в организме: пути его введения и всасывания, распределение в биожидкостях, про­ никновение через защитные барьеры, доступ к органу-мишени, пути и скорость биотрансформации (расщепление лекарственно­ го вещества на метаболиты происходит в основном в печени), пу­ ти выведения из организма (с мочой, калом, потом и дыханием).

Методы введения лекарственного вещества в организм разде­ ляют на: 1) энтеральные (от греч. "энтерон" - желудочнокишечный тракт, ЖКТ) - через нос (интраназально), через рот (перорально) или через прямую 12-перстную кишку; 2) парэнтеральные (минуя ЖКТ) - подкожные, внутримышечные, внутри­ венные инъекции, всасывание лекарства через поверхность ко­ жи.

12

На третьей - фармакодинамической - стадии изучаются про­ блемы распознавания лекарственного вещества (или его метабо­ литов) мишенями и их последующего взаимодействия. Мише­ нями могут служить органы, ткани, клетки, клеточные мембра­ ны, ферменты, нуклеиновые кислоты, регуляторные молекулы (гормоны, витамины, нейромедиаторы и т.д.), а также биоре­ цепторы. Рассматриваются вопросы структурной и стереоспецифичной комплементарное™ взаимодействующих структур, функционального и химического соответствия лекарственного вещества или метаболита (например, фармакофорной группи­ ровки) его рецептору. Взаимодействие между лекарственным веществом и рецептором или акцептором, приводящее к акти­ вации (стимулированию) или дезактивации (ингибированию) биомишени и сопровождающееся ответом организма в целом, в основном обеспечивается за счет слабых связей - водородных, электростатических, ван-дер-ваальсовых, гидрофобных.

Совсем недавно возникла наука фармакогенетика - часть фармакологии, изучающая зависимость лечебных и токсических эффектов одного и того же лекарственного вещества не только от пола и возраста больных, но и от их генетических особенно­ стей и, в частности, от их этнической принадлежности.

1.4. Основы стратегии создания новых синтетических лекарственных веществ

Ежегодно химики синтезируют, выделяют и характеризуют от 100 до 200 тысяч новых веществ. Многие из этих веществ про­ ходят первичные испытания на выявление той или иной биоло­ гической активности. Этот этап поиска лекарственного вещества называют скринингом (отсеиванием). Его принцип был впервые разработан при поиске противосифилитических средств среди органических соединений мышьяка. Скрининг проводят в био­ логических лабораториях на живых клетках, микроорганизмах или кусочках живых тканей (in vitro), на здоровых или специ­ ально зараженных животных (in vivo): на мышах, крысах, мор­ ских свинках, собаках, обезьянах. При этом из сотен веществ отбираются несколько наиболее активных препаратов, которые затем передаются на углубленные испытания. Если высокая активность вещества подтверждается, то его всесторонне изуча­ ют для определения токсичности и побочных эффектов, при отсутствии или незначительности которых проводятся клиниче­ ские испытания на людях. После этого препарат начинают про­ изводить в промышленных масштабах и применять в лечебной практике.

13

Считается необходимым, чтобы все новые синтезируемые вещества были подвергнуты первичным испытаниям. Однако к настоящему времени синтезировано уже несколько миллионов веществ (правда, большая часть их существует только на бумаге, а не "в руках” синтетика), и следует указать, что видов биологи­ ческой активности и болезней насчитывают многие тысячи. Очевидно, что возможность испытать все новые соединения на все нужные (полезные) виды активности пока остается малоре­ альной. На помощь химикам и биологам приходит компьютер­ ная техника, которая позволяет сегодня вместо испытания в эксперименте синтезированных веществ провести определение потенциала их биоактивности путем машинного анализа. Такой подход может быть основан на кластерном анализе большого массива уже известных лекарственных веществ, сгруппирован­ ных по их структуре или по видам проявляемой ими биоактив­ ности. Другим типом машинного анализа может служить моде­ лирование на ЭВМ механизма взаимодействия лекарственного вещества с биорецептором или иных эмпирических связей ле­ карства с биомишенями. Биологу необязательно в этом случае иметь вещество в руках, а достаточно лишь ввести в компьютер сведения о его строении. По окончании машинного анализа оператор получает рекомендации о целесообразности или неце­ лесообразности испытаний данного вещества на тот или иной вид активности. Подобное машинное мсито” (скрининг) эконо­ мит время, материалы и силы при аналоговом поиске лекар­ ственных веществ. Однако выявление принципиально новых видов активности или новых видов фармакофорных группиро­ вок будет еще долгое время основываться на эксперименте и интуиции исследователя.

Для получения потенциально биологически активных ве­ ществ химики задолго до появления машинного анализа стара­ лись руководствоваться принципами целенаправленного синте­ за, которые могли быть выработаны лишь при тщательном и глубоком изучении зависимости лекарственной активности от химического и стереохимического строения органического сое­ динения. Сегодня стратегия и тактика создания новейших ле­ карственных веществ опираются на следующие принципы.

I. Принцип химического модифицирования структуры из­ вестных синтетических и природных лекарственных веществ. Этот прием является интуитивным, умозрительным. С его по­ мощью исходя из аналогии двух структур биоактивность из­ вестного вещества как бы переносят на новое соединение. Ожи­ дают при этом, что биоактивность последнего окажется боль­ шей. Типичным примером может служить модификация струк­

14

туры пенициллинов и цефалоспоринов по указанным стрелками радикалам (R), что позволило получить многочисленные новые препараты с улучшенными антибиотическими свойствами (см. разд. 5.2.)* Другим ярким примером стала возможность хими­ ческой модификации сульфаниламидов, которые кроме основ­ ного антибактериального действия имели побочный мочегон­ ный эффект. В результате был создан новый класс сульфамид­ ных диуретиков (см. разд. 4.7):

1о

▼и

Указанный прием широко и с успехом используется и в на­ стоящее время в синтезе многочисленных производных практи­ чески всех классов лекарственных веществ.

2.Принцип введения фармакофорной группы известного лекар­ ственного вещества в молекулу нового вещества. Фармакофор- ным называют такой структурный элемент или фрагмент моле­ кулы, который обеспечивает фармакологическую активность. Так, на основе азотистого иприта было получено семейство про­ тивораковых препаратов путем введения в различные вещества Ы,Ы-дихлордиэтиламинного или азиридинового фрагмента (например, сарколизин и др., см. разд. 2.2).

3.Принцип молекулярного моделирования. Этот подход в соче­ тании с рентгеноструктурным анализом позволяет установить стереохимические особенности молекулы лекарственного ве­ щества и биорецептора, конфигурацию их хиральных центров, измерить расстояния между отдельными атомами, группами атомов или между зарядами в случае цвиттер-ионных структур лекарства и биорецепторного участка его захвата. Получаемые таким образом данные позволяют более целенаправленно про­ водить синтезы биоактивных молекул с заданными на молеку­ лярном уровне параметрами. Этот метод был успешно использо­ ван в синтезе высокоэффективных анальгетиков - аналогов морфина, а также для получения ряда лекарственных веществ, действующих на центральную нервную систему подобно при­ родному нейромедиатору у-аминомасляной кислоте (фенигама и др., см. разд. 2.5.3).

4.Стратегия пролекарств. Лекарственный препарат после вве­ дения в организм сразу же подвергается атаке ферментными си­ стемами, защищающими организм от чужеродных веществ

15

собны лишь частично выполнять в организме функции метабо­ литов. Являясь химическими имитаторами метаболитов, лекар­ ственные вещества такого рода ’’обманывают" контролирующие ферментные системы, встраиваются в метаболическую схему и заменяют собой настоящий метаболит, например, в растущей цепочке ДНК или РНК. Подобный прием успешно был исполь­ зован в синтезе противораковых веществ (см. разд. 5.4.6.2), а также для торможения роста и развития патогенных вирусов при создании ацикловира - высокоэффективного антигерпесного препарата (см. разд. 5.4.9).

ацикловир

Важной характеристикой синтетических антиметаболитов яв­ ляется то, что они обладают малой токсичностью и не оказы­ вают нежелательных побочных эффектов благодаря высокой степени их узнаваемости системами организма, для которых эти лекарственные вещества структурно «выглядят» почти нечуже­ родными, биогенными.

6 . Методология комбинаторной химии. Этот принцип совме­ щения химии и биологии возник и стал быстро развиваться в 1990-х годах как часть общей стратегии открытия новых лекар­ ственных веществ. Стратегия комбинаторной химии основана на недавней разработке нескольких революционных химических и биологических методов параллельного синтеза и испытания большого числа соединений. Была создана техника миниатюри­ зации синтезов и биоиспытаний, позволяющая синтезировать в растворе или на твердых подложках от сотен до нескольких ты­ сяч новых соединений в день и быстро их тестировать в виде смесей или после выделения индивидуальных веществ. В сово­ купности с автоматизацией синтез целых семейств (или "библиотек") веществ требует значительно меньших затрат реа­ гентов при офомном росте производительности. Типичным примером может служить синтез библиотеки антибактериальных 1,3-оксазолидин-2-онов (6), основанный на принципе защитных групп. Твердофазный синтез осуществляют одновременно в многочисленных миниатюрных реакционных ячейках, в кото­ рые помещают полимерные бусы или порошки (принцип "тысячи чайных мешочков") из ионообменной полистирольной

17