Создано новое поколение препаратов против гриппа

Междисциплинарный коллектив исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи и МИРЭА — Российского технологического университета провёл уникальное сравнительное исследование органических и неорганических молекулярных платформ для создания противовирусных препаратов. Исследователи выяснили, какой из подходов эффективнее против современных штаммов гриппа А(Н1N1) (вирус, вызвавший пандемию 2010 года), и нашли способ обойти маркерную мутацию вируса. Работа опубликована в журнале ChemMedChem.

Проблема лечения гриппа сегодня стоит как никогда остро: более 95 % циркулирующих штаммов устойчивы к классическим препаратам на основе природного соединения адамантана (римантадин, амантадин) в основном из-за мутации S31N (замена серина на аспарагин в 31-м положении) в ионном канале, образованном белком М2 вируса гриппа А, который локализован в оболочечной мембране. Мутация изменяет структуру канала так, что лекарственные препараты адамантана перестают блокировать его функционирование, то есть вирус ускользает от воздействия лекарств «старого поколения», так как их молекула более не соответствует строению белка М2.

Существует острая необходимость создания нового поколения соединений с противовирусной активностью. Авторы работы пошли дальше простого синтеза новых веществ. Они создали серию гибридных конструкций, взяв за основу два принципиально разных типа «каркасов» (скаффолдов): классический адамантан — органический углеводород, известный своей способностью проникать сквозь мембраны, и декагидро-клозо-декаборатный анион (неорганический кластер) — полиэдрический анион бора, который принципиально чужд для живых организмов. К этим каркасам исследователи присоединили через специальные линкеры различные аминокислоты (триптофан, гистидин, метионин), чтобы найти идеальную «боеголовку» для поражения вируса.

Эксперименты, проведённые на клеточных культурах с актуальными штаммами вируса гриппа A/H1N1 — A/Moscow/78/2020 и A/Cheboksary/125/2020,— дали однозначный результат: лучше всех показало себя соединение на основе адамантана с природной аминокислотой L-триптофаном (Trp). Оно полностью подавляло размножение вируса в концентрации всего 0,5 мкг/мл. Для сравнения, аналоги на основе L-гистидина (His) были в десять раз слабее, а соединения с L-метионином (Met) и аланин-2-оксопирролидоном (Pld) и вовсе оказались малоэффективными.

Исследование прокомментировала ведущий научный сотрудник лаборатории химии бора и гидридов ИОНХ РАН доктор химических наук Варвара Владимировна Авдеева: «Компьютерное моделирование взаимодействия вещества с белком-мишенью раскрыло секрет преимущества триптофан-содержащего соединения. Молекула с триптофаном в канале вирусного белка М2 принимает особую „шпилькообразную“ форму, которая идеально перекрывает пору канала и блокирует транспорт ионов водорода. При этом лекарство „не замечает“ мутации S31N и успешно ингибирует репликацию даже устойчивых штаммов вируса гриппа А».

Но главная интрига исследования — прямое сравнение двух носителей. Оказалось, что у каждого из них есть свои преимущества.

Адамантан — это природный мембранный «проникатель». Благодаря липофильности он великолепно доставляет активную молекулу прямо к вирусной мишени, что и обеспечило рекордную эффективность триптофанового производного.

Бороводородный кластер — «невидимка» для вируса. Поскольку бор не встречается в организме млекопитающих в таких формах, у вируса нет эволюционных механизмов защиты от него. Это значит, что к борным препаратам гораздо сложнее выработать устойчивость. К тому же, в отличие от плохо растворимого адамантана, соединения бора в виде солей щелочных металлов отлично растворяются в воде, что упрощает создание лекарств.

Бороводородные аналоги с триптофаном и гистидином хоть и уступили в чистой эффективности (IC50= 1,0–2,5 мкг/мл), но показали высокую стабильность. Данные соединения обладают более сложным механизмом действия: они не только блокируют вирусные каналы, но и защищают клетки от окислительного стресса.

Исследователи не просто синтезировали новые вещества, а напрямую сравнили два фундаментально разных подхода к дизайну лекарств. По словам соавтора работы, ведущего научного сотрудника ФГБУ НИЦЭМ Минздрава России кандидата биологических наук Тимура Мансуровича Гараева, адамантан — это быстрый и точный курьер, а бороводородный кластер — скрытый агент, против которого у вируса нет иммунитета. Цель работы заключалась не в выборе одного победителя, а в создании комбинированной терапии, где адамантан доставит вещество, а борный кластер обеспечит инвариантность противовирусного действия, не давая вирусу шанса на развитие устойчивости.

Работа открывает новые горизонты для создания препаратов не только против сезонного гриппа, но и против потенциальных пандемических штаммов и других РНК-содержащих вирусов. Следующий этап работы — разработка прототипов комбинированных лекарств, объединяющих лучшие свойства органических и неорганических молекулярных платформ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИОНХ РАН.

Учет результатов постановки экспериментов in vitro методом иммуноферментативного анализа

Константин Жижин, доктор химических наук, член-корреспондент РАН, заместитель директора ИОНХ РАН, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— Почему классические препараты, такие как римантадин или амантадин, потеряли эффективность против современных штаммов гриппа А и в чём заключается сложность обхода мутации S31N в белке М2?

— Дело в том, что из-за продолжительного использования римантадина и амантадина в клинической практике в белке М2 вируса закрепилась мутация S31N. Благодаря этой мутации вирус научился «убегать» от блокирующего действия этих препаратов. Сейчас такая мутация встречается почти у 98 % современных штаммов гриппа А. Чтобы преодолеть эту устойчивость, нужно изменить структуру молекулы лекарства. Главная задача — снова научиться блокировать поры канала, который образует белок М2 в оболочке вируса.

— В чём заключалась уникальность подхода учёных при создании новых соединений и почему в качестве основы были выбраны принципиально разные платформы — органический адамантан и неорганический бороводородный кластер?

— Уникальность нашего подхода заключалась в том, что мы решили не создавать новые молекулы с нуля, а взять за основу уже известную структуру — аминоадамантан, на базе которого построены римантадин и амантадин, и снабдить её дополнительными функциональными группами. Это позволило создать дополнительные точки закрепления препарата в порах каналов М2. Причем модифицированное соединение стало закрепляться в новых участках, которые отличаются от тех, куда садились римантадин и амантадин. Благодаря этому удалось нивелировать влияние мутации S31N и сохранить противовирусную активность у производных адамантана.

В качестве таких функциональных групп мы предложили использовать аминокислоты, пептиды и другие соединения, которые физиологически близки организму. Такой подход снижает риск получить токсичные соединения или опасные метаболиты.

Помимо органического адамантана, мы использовали неорганический бороводородный кластер. Его анионная природа позволила получить водорастворимые натриевые соли, что решило проблемы с доставкой и растворимостью. В итоге мы получили бионеорганические системы, включающие кластерные анионы бора и аминокислоты и производные адамантана с теми же аминокислотными остатками, и протестировали их на разных штаммах вируса гриппа А.

— Какое соединение показало рекордную эффективность и как компьютерное моделирование объяснило его способность «не замечать» маркерную мутацию вируса?

— Рекордную эффективность показало соединение адамантана с аминокислотой триптофаном. Чтобы понять, почему оно так хорошо работает, и разобраться в механизме блокировки ионного канала М2, мы провели молекулярное моделирование, то есть виртуально «состыковали» белок и молекулу лекарства. Такие компьютерные испытания сейчас очень популярны, и ни одно серьезное исследование новых препаратов без них уже не обходится.

Моделирование показало, что соединение адамантана с триптофаном образует «шпилькообразную» структуру. Это происходит потому, что мостик между адамантановым каркасом и ароматическими кольцами триптофана изгибается и эти фрагменты сближаются в пространстве. Когда такая «шпилька» оказывается в поре канала М2, она полностью перекрывает его работу и надежно закрепляется внутри. Именно поэтому лекарство «не замечает» маркерную мутацию S31N и сохраняет активность.

— Каковы главные преимущества и недостатки каждой из двух платформ: адамантана (как эффективного «проникателя») и бороводородного кластера (как устойчивого к резистентности «невидимки»)?

— У каждой из двух платформ есть свои сильные и слабые стороны. Адамантан — это органический каркас. Его главный плюс в том, что он идеально проникает сквозь биологические мембраны и буквально «тянет» за собой функциональную группу с аминокислотой. Но есть и серьезный минус: такие соединения обладают крайне низкой водорастворимостью, что создает сложности при разработке лекарственных форм. Бороводородный кластер, напротив, относится к неорганическим системам. Он хорошо растворим в воде (в виде натриевых солей), а кроме того, он чужероден для живых организмов, что делает его «невидимкой» для иммунной системы — это помогает обходить механизмы устойчивости вируса. Однако из-за своей ионной природы сам по себе он не может проникать сквозь мембраны клеток и вирусов. Чтобы это компенсировать, мы присоединили к кластеру углеводородный мостик (спейсер) с аминокислотой на конце. Это позволило сохранить водорастворимость и одновременно обеспечить проникновение через мембраны.

Таким образом, мы протестировали две принципиально разные модели: с одной стороны, органический каркас адамантана, а с другой — бионеорганическую систему на основе бороводородного кластера с аминокислотными остатками.

— Почему авторы исследования не выбирают «победителя» среди органического и неорганического подходов, а предлагают объединить их в рамках комбинированной терапии?

— Современный подход к лечению вирусных инфекций предполагает комбинированную терапию. Эта концепция сложилась еще во времена поиска эффективного лечения ВИЧ — она называется ВААРТ, то есть высокоактивная антиретровирусная терапия. Смысл в том, что пациент одновременно принимает три-четыре препарата, которые действуют на разные этапы размножения вируса. Такой подход позволяет быстрее добиться положительного эффекта и, что особенно важно, снижает риск развития устойчивости: под удар попадают сразу несколько вирусных белков, и вирусу гораздо сложнее приспособиться.

Точно так же и здесь: если взять химические соединения принципиально разной природы, у которых есть селективная противовирусная активность против одного и того же патогена, и объединить их в одну фармацевтическую композицию, можно получить комбинацию, которая по эффективности превосходит каждое из соединений по отдельности.

— Какое значение имеют результаты этой работы для создания препаратов не только против сезонного гриппа, но и против других РНК-содержащих вирусов и какие планы обозначили ученые для следующего этапа исследований?

— Мы надеемся расширить изучение влияния соединений на основе органических и неорганических каркасов на различные типы вирусов. По крайней мере нам удалось получить первые многообещающие результаты в отношении виропоринов вируса гепатита С и коронавируса.

Ппри поддержке Минобрнауки России.
Источник: https://www.kommersant.ru/doc/8549493​.