нанотела

http://www.sciam.ru/article/2796/

Архив

ноябрь 2005

Инновации

НАНОТЕЛА

Уэйт Гиббс

Маленькие дети часто путают реальный объект и его модель, пока не привыкнут к тому, что одна вещь может олицетворять другую. Такие ошибки показывают, насколько трудно развивается абстрактное, в том числе символическое, мышление.

Часто мы представляем себе антитела чем-то вроде волшебных пуль. На самом деле они больше похожи на танки: большие, сложные и дорогие. Однако более мелкие нанотела могут справиться с различными заболеваниями и за меньшую цену.

Иммунная система человека устроена чрезвычайно сложно. Вокруг нас простирается мир, кишащий бесконечно разнообразными микроорганизмами. От их нападения нас защищают антитела, которые производятся B-лимфоцитами. Антитела представляют собой огромные Y-образные молекулы белка, которые плавают в крови и межклеточной жидкости и с помощью своего химического осязания проверяют все молекулы. Каждая модель антител ждет однозначной химической подписи конкретного микроба, аллергена или токсина.

Однако, несмотря на совершенство нашей иммунной обороны, мы можем заболеть. Иногда иммунная система дает сбой: то она слишком медлительна, то вдруг проявляет неоправданную деликатность (например, по отношению к раку или к респираторному синциальному вирусу), то бурно отторгает транс-плантированные органы. А когда она по ошибке атакует собственные клетки организма, то сама иммунная реакция может вызвать дегенеративное заболевание, например, ревматоидный артрит.

На протяжении многих лет ученые пытались создать искусственные антитела, которые могли бы корректировать (или хотя бы частично смягчать) ошибки иммунной системы. В 1975 г. был открыт способ создания идентичных, или моноклональных, антител, однако с мертвой точки удалось сдвинуться лишь в 1997 г., а к концу 2004 г. было одобрено терапевтическое применение 17 антител. Предполагается, что препараты будут эффективны при лечении рака, ревматоидного артрита, воспалительных заболеваний кишечника и, возможно, болезни Альцгеймера.

Рынок моноклональных антител (МАТ) все еще формируется. Десятки новых МАТ находятся на стадии разработки или клинической проверки. В 2004 г. Джанис Рейкерт (Janice M. Reichert) из Центра по изучению процесса разработки лекарственных препаратов при Университете Тафта предположила, что 16 из них получат лицензии FDA в течение трех лет. Согласно ее предсказаниям, в 2008 г. объем торговли МАТ составит во всем мире около 17 млрд. долларов.

Беда с антителами

Несмотря на то что у моноклональных антител большие перспективы, их применение обходится отнюдь не дешево. Например, лечение больных астмой антителами Xolair стоит 11 тыс. долларов в год, а годовой курс лечения Herceptin от рака - более 38 тысяч. Remicade от ревматоидного артрита обойдется в 4,6 тыс. долларов за восемь уколов.

По молекулярным меркам МАТ - просто гиганты, каждое из них представляет собой комплекс из двух тяжелых и двух легких полипептидных цепей, свернутых замысловатым образом и сдобренных сложными сахарами. Чтобы создать лекарство на основе МАТ, ученые обычно начинают с антитела, взятого от мыши. Затем они гуманизируют молекулу, манипулируя с кодирующими ее генами, чтобы заменить часть или весь белок аминокислотными последовательностями, скопированными из человеческих антител. (В качестве альтернативы у некоторых компаний есть генетически модифицированные мыши, которые производят почти человеческие антитела.)

Такая гуманизация снижает потенциально опасные побочные эффекты, часто возникающие при лечении антителами, когда иммунная система пациента воспринимает МАТ как инородные вещества и атакует их. Однако процесс гуманизации требует многих месяцев высокотехнологичного труда, а получающиеся в результате макромолекулы настолько сложны, что их нельзя синтезировать из химических строительных кирпичиков, как это происходит с обычными лекарственными препаратами. Вместо этого их приходится получать с помощью клеток млекопитающих в специально оборудованных чанах-биореакторах, в которые вводится множество генов, необходимых для производства всего одного антитела.

Большие размеры белков накладывают ограничения как практического, так и медицинского характера. Высокие температуры или колебания кислотности заставляют полипептидные цепочки раскручиваться, если их не хранить при температуре около 0°C, то они теряют годность всего за несколько недель. Антитела быстро перевариваются в кишечнике, они не могут попасть в мозг, им доступны лишь края плотных опухолей. По этой причине многие болезни для МАТ недосягаемы.

При некоторых заболеваниях, когда МАТ не эффективны, могут помочь более простые полипептиды меньшего размера.

В 80-х гг. ученые начали экспериментировать с фрагментами антител, полученных при отделении от Y-образной молекулы ствола, оставляя для выполнения химических обязанностей всего одну ветвь антитела. Как и полноценные МАТ, фрагменты антител могут лечить заболевания, связываясь с токсинами, патогенами или сигналами аберрантных клеток или же с теми клеточными рецепторами, с которыми связываются "агрессоры". Однако в отличие от полноценных антител, подобные фрагменты не могут вовлечь в работу такие компоненты иммунной системы, как клетки-киллеры, или Т-лимфоциты, поскольку они не обладают полипептидным стволом, ответственным за выполнение этой задачи.

Фрагменты антител можно производить с помощью бактерий, дрожжей или грибов. С одной стороны, они могут проникать вглубь опухолей, и к ним можно химически прикрепить радиоактивные изотопы или химиотерапевтические препараты, которые будут доставлены непосредственно в больную ткань. С другой - фрагменты антител быстро исчезают из кровяного русла, поэтому время их полужизни составляет лишь несколько часов, в то время как настоящие антитела могут существовать в организме неделями.

Английская компания Domantis укоротила фрагменты человеческих антител еще больше, оставив всего лишь кончик тяжелой цепи и полностью удалив легкую. Этот сегмент, уникальный для каждого антитела, содержит участки, определяющие комплементарность (CDR), от которых зависит, какую мишень будет распознавать данное антитело и насколько сильной будет их связь в случае встречи. В результате получаются доменные антитела (так Domantis называет свои полипептиды).

Однако доменные полипептиды получены как сегменты значительно более крупных двухцепочечных антител, что делает их склонными к прочному связыванию, объясняет Серж Мулдерманс (Serge Muyldermans), специалист по бел-кам из Свободного Брюссельского университета. В результате фрагменты слипаются друг с другом внутри бактерий, в которых они производятся, а также в организме принимающего их пациента.

АНАТОМИЯ АНТИТЕЛА

Миллионы разновидностей человеческих антител представляют собой вариации одной и той же базовой структуры: две более крупные (или тяжелые) цепи соединены с двумя цепями меньшего размера (или легкими). Пара вариабельных сегментов на концах ветвей уникальна для каждого типа антител и определяет, с какой мишенью оно будет связываться. Нанотело - это вариабельная часть верблюжьего антитела, в котором исходно отсутствуют легкие цепи. По размерам оно в десять раз меньше антитела.

От верблюда к лекарству

В то время как биохимики работают над созданием фрагментов антител, лишенных перечисленных недостатков, бельгийская биотехнологическая компания Ablynx воспользовалась альтернативой, предложенной самой природой. В 1989 г. Мулдерманс работал в составе группы биологов в Свободном Брюссельском университете, возглавляемой Раймондом Хамерсом (Raymond Hamers). Ученые исследовали проблему защиты одногорбых верблюдов и буйволов от паразитов. Один из анализов антител в крови животных выглядел как ошибочный: согласно его результатам, в дополнение к нормальным четырехцепочечным антителам были выявлены более простые антитела, составленные всего из пары тяжелых цепей.

Потратив несколько лет на исследования, Хамерс и Мулдерманс в 1993 г. опубликовали статью о своем открытии в журнале Nature. У одногорбых верблюдов (а также двугорбых из Азии и южноамериканских лам) половина антител в крови лишена легких цепей. Столь же удивительным оказалось и то, что "неполноценные" антитела связываются со своими мишенями так же прочно, как и нормальные, хотя и обладают всего половинным количеством участков, определяющих комплементарность. В отличие от фрагментов антител, антитела из одних тяжелых цепей друг с другом не слипаются.

Почему верблюды отличаются от всех остальных млекопитающих, до сих пор остается загадкой. Когда ученые из группы Мулдерманса вырезали из новых молекул характерные вариабельные сегменты, то оказалось, что они сохранили сильную аффинность по отношению к своим мишеням, практически такую же, какой обладают в десять раз более крупные полноценные антитела. К тому же укороченные белковые молекулы были очень подвижны, что позволяло им связываться с мишенями, в том числе с активными сайтами ферментов и с молекулами внутри щелей в клеточных мембранах, которые слишком малы для антител. Так родились нанотела, а вслед за ними и компания Ablynx.

КОНСТРУИРОВАНИЕ АНТИТЕЛ И НАНОТЕЛ

Создание эффективного нанотела требует меньше времени и денег, чем для разработки антител. В обоих случаях иммунная система живого животного осуществляет начальное "проектирование" белка, который может связываться с молекулой-мишенью. Затем генетики орудуют с ДНК, кодирующей эту полипептидную последовательность, чтобы привнести новые свойства, необходимые лекарству.

ТРАДИЦИОННЫЕ МОНОКЛОНАЛЬНЫЕ АНТИТЕЛА