На страницах нашей газеты я уже писал о стратегии борьбы с вирусными инфекциями. Эта стратегия должна была бы складываться из трех направлений, не все из которых в настоящее время полностью используются медициной. Об этом я уже говорил в предыдущей публикации. За это время проблема противовирусной защиты не стала менее острой. Только-только медицина вроде бы справилась со вспышками атипичной пневмонии, как возникла опасность эпидемий птичьего гриппа или видоизменившегося в контакте с животным миром человеческого гриппа. По-видимому, человечество еще не раз столкнется с новыми опасными вирусами, и некоторые из них, возможно, продолжают возникать в ходе эволюции живой природы. Я позволю себе вкратце напомнить основные положения противовирусной защиты.

Первым из этих трех направлений должна была бы стать массовая профилактическая защита населения и/или групп риска при предсказаниях или первых признаках надвигающейся эпидемии. Для этой защиты больше всего подходят индукторы интерферона (ИФН), а среди них – природные или синтетические двунитевые РНК. Они не обладают специфичностью в отношении каких-либо конкретных вирусов. Это означает, что их можно применять, не зная еще, какой вид, тип или штамм вируса представляет угрозу. Воздействуя на узнающие их белковые элементы (клеточные «рецепторы»), индукторы вызывают образование в этих клетках и выход из них ИФН. Массовое введение таких препаратов (с интервалом в 7-10 дней) населению регионов с потенциальной опасностью эпидемии способно резко замедлить или предотвратить развитие эпидемии, а теперь уже незначительные случаи заболевания могут быть излечены противовирусными препаратами специфического действия и использованы для выделения и типизации вируса. А это крайне необходимо для создания специфических вакцин и уже более надежной и длительной защиты населения данного региона и его окрестностей от пришедшего конкретного опасного вируса. О нескольких причинах недостаточного использования данного направления я уже говорил ранее, основная из них состоит все-таки в недостаточной оптимизации структуры индукторов ИФН. Подходящие, близкие к совершенству индукторы (даже доведенные до клинических испытаний) нам уже удавалось получать. Мы надеемся в ближайшее время завершить эту работу и предложить клинической медицине препарат, подходящий не только по токсико-фармакологическим показателям, но и по необходимым для широкого промышленного производства физико-химическим характеристикам.

Второе направление (которое пока является основным) представляет вакцинопрофилактика, известная практически всем с раннего детства. Это направление, вызванное к жизни работами Дженнера и Пастера, позволяет надежно (правда, с некоторыми ограничениями) защищать организм человека или животного от последующей (или просто возможной) вирусной инфекции. Его основой является выбор нужной молекулярной структуры, подобной структуре иммунологически активной части возбудителя заболевания. Эта молекулярная структура распознается элементами иммунной системы организма, и вырабатывающиеся вследствие этого антитела являются активными против возбудителя, так как связываются с ним и инактивируют его.

Наконец, третье направление является терапевтическим, то есть лечебным, и основано на применении специфических противовирусных лекарств. Разработка этих лекарств является могучим достижением медицинской вирусологии последних двух десятилетий. Механизм их действия основан на подавлении на молекулярном уровне работы различных систем внутриклеточного воспроизведения вируса. Это системы адсорбции вируса на клеточной поверхности и его проникновения внутрь клетки, репликации вирусных ДНК, обратной транскрипции вирусных РНК (превращения вирусной РНК в ДНК с последующим встраиванием этой ДНК в ДНК клетки-хозяина), действия вирус-специфических протеаз (например, у вируса иммунодефицита человека, ВИЧ) и ряда других вирусных ферментов. Например, широко известный и достаточно хорошо зарекомендовавший себя ацикловир представляет собой модифицированный («испорченный») мономерный элемент – предшественник нуклеотида ДНК. Для встраивания в ДНК он должен быть дополнен тремя фосфатными группами, и делать это умеют только ферменты ВИЧ, а клеточные ферменты это вещество не узнают. Образовавшийся в клетке трифосфат ацикловира теперь может включаться в ДНК вируса при ее репликации. И опять же, этот трифосфат узнается и используется только вирусной ДНК-полимеразой, а клеточная ДНК-полимераза не воспринимает его как «сырье» для синтеза ДНК. Но поскольку ацикловир – «испорченный» мономер, то он, включившись в ДНК, обрывает (ингибирует) процесс дальнейшего синтеза ДНК. А происходит это потому, что в нем отсутствует группа, к которой смог бы присоединиться следующий мономер. В итоге процесс развития вируса прерывается, и клетка выживает. Все это великолепно, но для каждого вируса (в лучшем случае для узкой группы вирусов) приходится подбирать свой ингибитор, и к тому же происходит достаточно быстрая селекция форм вирусов, устойчивых к таким ингибиторам. У этих мутантных форм вирусов содержатся ферменты, перестающие воспринимать ингибитор – то есть либо не дополняющие его фосфатными группами, либо не использующие в синтезе ДНК.

В течение многих лет отбор перспективных лекарств и вообще биологически активных веществ в медицине производился на основании массового просеивания всего набора имеющихся препаратов. Этот метод получил название «скрининга». Когда-то он был практически единственным способом отбора сколько-нибудь перспективных препаратов для дальнейших исследований. Но представьте себе эффективность этого способа, когда сотни препаратов испытывают в одинаковых условиях в культурах клеток или на животных, и только несколько из них проявляют сколько-нибудь приемлемую активность! Ясно, что это – «каменный век» и что современный поиск активных препаратов, в том числе и в медицинской вирусологии, должен базироваться на новых принципах. Так это и происходит, и я постараюсь об этом вкратце рассказать.

В изложенных мной выше аспектах всех трех направлений противовирусной медицины прослеживаются процессы межмолекулярного узнавания и межмолекулярных взаимодействий. Вот это и является основой современного подхода в поиске и создании противовирусных препаратов на основе методов молекулярной биофизики. Эти методы включают многочисленные экспериментальные методы измерения специфичности и интенсивности взаимодействий, методы расчета взаимного сродства молекул и макромолекул, в том числе на основе квантово-химического подхода, методы компьютерного моделирования пространственной структуры белков и ее динамического изменения в процессе взаимодействия с другими структурами, методы компьютерного конструирования веществ, узнаваемых, например, ферментами или поверхностными структурами вируса.

В создании индукторов ИФН с оптимальной структурой основное значение имеют экспериментальные методы определения структурных параметров и количества внутримолекулярных дефектов. А такие структурные аспекты напрямую связаны с процессами распознавания индукторов клеточными рецепторами, а также клетками крови и лимфатической системы организма. Эти методы (полярографические, флуоресцентные, термодинамические) позволяют сопоставить особенности структуры индукторов ИФН (в первую очередь полинуклеотидных) с их биологической активностью. Большой объем информации уже получен, в том числе и в нашей лаборатории, и это открывает путь для целенаправленной разработки методов упорядочения структуры индукторов и повышения их активности.

В двух других направлениях все большую роль начинают играть компьютерные методы, в сочетании с такими экспериментальными методами определения трехмерных структур, как рентгеновское рассеяние и ядерный магнитный резонанс. Очевидно, что компьютерное моделирование по сравнению со слепым скринингом и быстрее, и рациональнее, и даже дешевле (ведь среды для культур клеток и содержание животных достаточно дороги). Главное же то, что компьютерные методы при применении рациональных начальных структурных принципов (ведь, например, геометрические параметры белковых молекул достаточно хорошо исследованы и имеются в международных банках данных открытого доступа) позволяют быстро оптимизировать целевые структуры и резко сократить количество рассматриваемых вариантов. Так, вместо макромолекул поверхностных белков частиц вирусов (вирионов) или целых вирионов для иммунизации могут использоваться молекулярные образования, более активные в стимуляции выработки антител. При этом сохранено значительное подобие структуры и образующиеся антитела не менее (а может быть, и более активны) в нейтрализации вирусов. Такие молекулярные образования могут быть сконструированы компьютерными методами, а потом уже синтезированы – химически или с применением, например, методов генетической инженерии.

Точно так же могут быть созданы оптимальные ингибиторы вирусных ферментов, поскольку полная трехмерная структура этих ферментов уже, как правило, известна. Наиболее соответствующие структуре активного центра фермента ингибиторы синтезируют, затем методами ЯМР или рентгеновского рассеяния проверяют структуру их комплексов с ферментом. Если по структурным параметрам следует ожидать полноценного взаимодействия ингибитора с ферментом и, значит, отравления этого фермента или конкурентного подавления его нормальной работы, тогда уже такой ингибитор синтезируется в достаточных количествах для его биомедицинских испытаний. Такие работы проводятся и в нашей стране, и, например, в Институте молекулярной генетики Академии наук Республики Чехия.

Таким образом, в современной медицине, и в первую очередь в ее противовирусном направлении, все увеличивается потребность в специалистах – биофизиках и молекулярных биологах, в специалистах в области компьютерной геномики и протеомики, а также в разработанных (и разрабатывающихся и совершенствующихся далее) экспериментальных физических методах исследования структур биологических молекул и макромолекул.

А.Л.Тимковский

ПИЯФ РАН