Заработать на спиновой химии

Александр Механик
обозреватель журнала «Эксперт»
30 апреля 2012, 00:00

Опираясь на открытие влияния магнитного момента ядра атома на химические реакции, российским ученым удалось создать задел для новых лекарств и средства для резкого увеличения производительности белковых фабрик

Рисунок: Константин Батынков

То, что у химических элементов бывают изотопы, то есть разновидности атомов одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре, известно еще с начала ХХ века. Долго считалось, что, поскольку химические свойства атомов зависят от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома, то химические свойства изотопов одинаковы. Именно поэтому все изотопы одного элемента находятся в одной клеточке Периодической системы Менделеева. Но в 1976 году группа российских ученых — академики РАН Анатолий Бучаченко, Ренад Сагдеев, Юрий Молин и другие — открыла эффект влияния магнитных моментов ядер атомов, участвующих в реакции, на протекание химических реакций, который получил название «магнитный изотопный эффект». Оказалось, что химические свойства или, точнее говоря, реакционные способности, изотопов одного и того же элемента с разными магнитными моментами могут существенно отличаться. Атомы изотопов имеют разный магнитный момент, поскольку он является суммой магнитных моментов, входящих в ядро атома, протонов и нейтронов, который порождается их спином.

«Реакционная способность химически тождественных спин-несущих реагентов сильно зависит от того, содержат эти реагенты магнитные или немагнитные, бесспиновые, ядра, — объясняет в одной из своих статей академик Бучаченко. — Это означает ядерно-спиновый контроль химических реакций — уникальное явление, когда магнитный момент ядра (а не его масса) управляет химией».

Исследования влияния магнитного изотопного эффекта на биохимические реакции, проведенные ведущим научным сотрудником Института химической физики РАН, заместителем заведующего кафедрой медицинских нанобиотехнологий Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова доктором биологических наук Дмитрием Кузнецовым совместно с академиком Бучаченко, показали, что этот тонкий физико-химический эффект можно использовать в том числе и для лечения различных заболеваний, влияя на те биологические процессы в человеческом организме, в которых ключевую роль играют магнитные изотопы магния.

Объясняя сложный химический механизм, Кузнецов повторяет слова выдающегося американского физика Ричарда Фейнмана: «Химия — это самая сложная физика, поэтому физики отдали ее химикам».

Невидимый изотопный колледж

Еще в 1990-е годы Дмитрий Кузнецов, врач по образованию, работал биохимиком и занимался проблемами энзимологии, то есть изучением структур и эффективности ферментов, используя радиоактивные изотопы в качестве радиоактивных меток аминокислот, включаемых в состав белков, — чтобы потом за судьбой этих белков наблюдать. «И меня, — говорит Кузнецов, — заинтересовал вопрос, не влияет ли внедрение таких меток на функции белка. Поскольку моих знаний для ответа на этот вопрос не хватало, я обратился за консультациями к специалистам-химикам, которые познакомили меня с работами академика Бучаченко». Это было начало 2000-х. Кузнецов только вернулся из достаточно длительной заграничной командировки и устроился на работу в Институт химической физики РАН, где как раз работал Бучаченко. «Там, — рассказывает Кузнецов, — я опубликовал небольшую статью, в которой попытался описать свои представления о том, как изотопы могут влиять на биологические реакции, используя работы Бучаченко о влиянии изотопов на химические реакции в неорганической химии. Теперь мне стыдно за ту работу. За ее научную наивность. Меня прощает только то, что я по образованию врач, а не химик. Но на нее обратил внимание Бучаченко и нашел меня даже раньше, чем я решился обратиться к нему. И предложил работать совместно».

Более чем восьмилетние исследования показали, что магнитный изотопный эффект имеет прямое отношение к естественной регуляции активности ферментов. На результаты этих исследований обратил внимание давно уже занимавшийся нанобиотехнологиями в медицине академик РАМН Владимир Чехонин, который предложил Кузнецову поработать над возможностью применения этих результатов в медицине с использованием зарождавшихся нанобиотехнологий. Четыре года назад Чехонин добился создания в Российском национальном исследовательском медицинском университете им. Н. И. Пирогова (РНИМУ) первой и пока единственной в России кафедры медицинских нанобиотехнологий, заведующим которой он стал и на которую пригласил работать Кузнецова. Так постепенно сложился неформальный коллектив, объединявший химиков, биологов и врачей из научных, учебных и медицинских учреждений, который только и мог решить междисциплинарные проблемы, возникавшие при использовании магнитного изотопного эффекта в медицине.

Так случилось, что в помещении того же Института химической физики снимала офис компания МЕТТЭМ. Благодаря этому познакомились ее основатель и владелец Виктор Сапрыкин, Бучаченко и Кузнецов. «Когда нам потребовались деньги на проект, — вспоминает Кузнецов, — я обратился к Сапрыкину. Тот сказал, что даст, как в известной притче, удочку вместо рыбы — и познакомил нас с инвестиционным банкиром, который помог наладить контакты с венчурными фондами». Этим человеком был Александр Шульженко, решивший участвовать в проекте и как соинвестор.

Для коммерциализации своих разработок, в первую очередь в области биотехнологий, сотрудники Института химической физики РАН и кафедры медицинских нанобиотехнологий РНИМУ создали малое предприятие «ИзоБиотех». Как ни странно, отмечают его создатели, хотя в США занимаются изучением магнитного изотопного эффекта на фундаментальном уровне, коммерциализировать его пока не догадались.

Поясняя свой интерес к финансированию проекта, Шульженко, ставший директором по развитию «Изобиотеха», говорит: «С началом экономического кризиса мировой рынок биотехнологий стал фокусироваться на оптимизации производственных затрат и повышении эффективности производства. Технология, основанная на магнитном изотопном эффекте, позволяет получать белковые лекарственные препараты существенно эффективнее, — конечно, это интересно огромному количеству игроков». Ситуация благоприятствует «Изобиотеху» еще и потому, что производство целого ряда магнитных изотопов уникально. Их изготавливают в мире только в двух-трех странах, включая Россию.

Спасти от инфаркта

Проведенные исследования показали, что в первую очередь использование магнитного изотопного эффекта могло найти применение при лечении ишемической болезни сердца, возникающей в результате атеросклероза, то есть сужения коронарного сосуда, или тромбоза. В результате в миокард поступает меньше кислорода, чем нужно для нормального функционирования сердечной мышцы, — возникает гипоксия. Новое средство позволяет сохранять работоспособность миокарда даже в условиях острой гипоксии.

Дело в том, что кислород необходим организму для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ), который является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах*. Но процесс синтеза АТФ в организме задублирован. В одном варианте задействован кислород, а в другом нет. Если в клетке миокарда недостаточно кислорода, то первый способ создания АТФ перестает работать, и в этом случае нехватка АТФ в клетке вынужденно компенсируется по второму варианту. С фармакологической точки зрения, поясняет Кузнецов, это оказалось очень важно. Дело в том, что ферменты, которые обеспечивают второй путь синтеза АТФ, являются магнийзависимыми. Их структура представляет собой длинную цепь аминокислот, закрученную вокруг атома магния таким образом, что ферменты становятся активными. Если убрать магний из структуры фермента, фермент просто потеряет свою активность. Но оказалось, что если в ферментах весь магний, который в природе представлен тремя изотопами с атомными массами 24, 25, 26, заменить только его магнитной изотопной формой 25Mg, то эффективность фермента и производство АТФ по второму пути возрастает в два–три раза.

В природе 25-го изотопа магния 10%. Немного, но позволяет обеспечить его промышленное производство. Если научиться доставлять этот изотоп магния в миокард в нужное время, можно будет купировать сердечный приступ и предотвратить инфаркт миокарда.

В частности, влияние магнитного изотопного эффекта на производство АТФ объясняет плохое самочувствие и, возможно, болезни в присутствии внешних магнитных полей, которые в отличие от 25Mg уменьшают выход АТФ, — например, в условиях магнитных бурь или электромагнитного излучения разного происхождения.

Как попасть в сердце

Для того чтобы доставлять изотоп 25Mg в миокард в нужное время, необходимо выполнить три условия: создать нанохимический контейнер ионов 25Mg2+, способный удерживать их в значительном количестве на время транспортировки по кровеносной системе; обеспечить адресную, селективную доставку такого контейнера в заданный орган; заставить его отдать ионы 25Mg2+ страдающим от гипоксии тканям, стимулировав активность ферментов именно в момент гипоксии.

«При создании этого средства, как и любого другого, — поясняет Кузнецов, — осуществляется то, что мы называем направленным поиском лекарства. То есть сначала мы узнаем, какие рецепторы есть только в сердце, и больше нигде. Потом нас интересует, какое вещество, сродственное только этому рецептору, можно подобрать и как, в нашем случае, связать с ним магний. Затем мы его делаем, потом начинаем изучать».

Ведь если просто кормить человека 25-м магнием, то, во-первых, это крайне дорого, во-вторых, опасно, из-за того что магний будет попадать во все ткани, во все органы и создавать хаос — он будет стимулировать процесс там, где не нужно. Вот почему очень важно иметь возможность доставить 25-й магний точно в сердце.

expert_800_044.jpg
Доктор биологических наук Дмитрий Кузнецов

«Одна из основных задач нашей кафедры — разработка так называемых векторных форм наноконтейнеров, которые позволяют доставлять соответствующий диагностический лекарственный препарат непосредственно к клетке-мишени пораженного органа, — рассказывает академик Чехонин. — Векторная форма это соединение наноконтейнера со специфичной биологически активной субстанцией, которая обеспечит доставку этой конструкции при инъекции в кровоток, непосредственно в клетку мишени человеческого организма. И мы преуспели в разработке нанотранспорта в опухоли, в участки, пострадавшие от инфаркта или инсульта. Одной из серьезных областей нашего интереса является разработка нанотранспорта в клетки-мишени миокарда и опухолей головного мозга».

Для доставки 25Mg в область миокарда химики РНИМУ тоже разработали специальный наноконтейнер — он запатентован под названием порфиллерен-МС16. Устройство размером два нанометра состоит из двух частей — доменов: фуллеренового и порфиринового. Порфирин, во-первых, запирает в себе ионы магния, и во-вторых, он узнается рецепторами клеток миокарда, то есть обеспечивает избирательность этого лекарства. Благодаря порфириновому домену эта конструкция удерживается в миокарде и больше нигде. На поверхности митохондрий клеток миокарда, и только в них, существуют рецепторы, которые имеют очень высокое сродство (как ключ с замком) с порфириновым доменом. И этот домен выпускает магний в митохондрию только тогда, когда в клетке возникает гипоксия.

А фуллерен, во-первых, обеспечивает конструкции нерастворимость в воде и способность быстро проникать через биологические мембраны. Во-вторых, он является протектором. Дело в том, что, если вводить в организм чистый порфирин, он будет разрушен специальными ферментами. Но эти ферменты не узнают всю конструкцию — из-за присутствия фуллерена.

«Эта конструкция является умной, — поясняет Дмитрий Кузнецов, — если нет гипоксии, она не будет выдавать магний. Она попадет куда надо и там будет ждать своего часа. Это средство уже испытано на животных. Часто гипоксия возникает у четвероногих, используемых в горах. Вы можете сделать такому животному инъекцию один раз перед походом в горы. А в горах, когда разовьется гипоксия, лекарство сработает». Трех инъекций в месяц достаточно, чтобы в течение всего месяца поддерживать в миокарде минимально необходимую концентрацию вещества.

Умная конструкция, о которой говорит ученый, — это еще и путь к новому типу допинга: можно рассчитать физиокинетику стимулирующего средства таким образом, что в определенный момент времени весь препарат попадет в сердце и ничего не будет в крови. Его можно использовать в высокогорных экспедициях, когда возникает дефицит кислорода, как профилактическое средство в военной медицине, как экстренное при различных отравлениях и в медицине катастроф.

Или, например, поясняет Кузнецов, есть такое лекарство эсмолол, бета-блокатор. Оно применяется в кардиологии для лечения аритмии. Его очень легко передозировать, при этом возникает риск остановки сердца, синкопе. На животных был проведен эксперимент: крысам и мышам вводили эсмолол в дозе, граничащей с предельной. Статистика синкопе у подопытных показала, что на фоне действия магнийсодержащих лекарств риск синкопальной остановки сердца от передозировки бета-блокаторами снижается в два-три раза.

На кафедре медицинских нанобиотехнологий начаты исследования и по использованию магнитного изотопного эффекта при лечении рака. Раковые клетки — это бурно, неконтролируемо делящиеся клетки. В ходе деления происходит постоянный синтез ДНК. Существует специфический фермент, ДНК-полимераза-ß, исследованием которого, собственно, и занимаются на кафедре. Этот фермент не участвует в синтезе ДНК, он производит репарацию — «починку» ДНК. Дело в том, что при синтезе ДНК возникают ошибки, их-то и исправляет фермент, который также является магнийзависимым.

Оказалось, что ДНК-полимеразы-ß в раковых клетках очень много, потому что, как уже было сказано, это клетки бурно делящиеся — соответственно, ошибок возникает больше. Исследования показали, что введение 25-го магния в фермент приводит к подавлению его активности. Соответственно, при умелом введении 25-го магния в раковые клетки с помощью тех же наноконтейнеров можно подавлять починку ДНК. Как предполагают разработчики, это должно остановить размножение раковых клеток и, соответственно, рост опухоли.

Проблемы с лекарством

«Доведение разработок оригинальных лекарственных препаратов до уровня, позволяющего говорить о возможности коммерциализации, — это очень длительный, трудоемкий и дорогостоящий процесс, — говорит Леонид Коробицын, руководитель санкт-петербургской компании “Протеиновый контур”, одного из ведущих российских разработчиков различных лекарственных средств на основе высокоочищенных биологически активных белков из тканей животных и человека. — Прежде всего потому, что необходимо пройти большой цикл испытаний — доклинику и несколько этапов клиники. А для этого требуются серьезные средства, десятки миллионов долларов, и много времени. Нормативные сроки регистрации новых лекарственных средств составляют семь-десять лет, а часто доходят до двенадцати лет, в течение которых нужно на что-то жить. Можно пройти эти этапы быстрее, но только на биоаналогах, то есть если воспроизводится то, что в мире уже применяется и достаточно изучено».

Но мало этого: чтобы провести все испытания, необходимо иметь лицензированную пилотную установку для изготовления исследуемого лекарственного препарата. Это надо сделать до того, как начались клинические испытания. Чаще всего, когда речь идет о создании оригинальных лекарств, более половины из них уже на первой стадии клинических испытаний снимается — это мировая статистика. На второй стадии снимается где-то 15–20% средств. А есть средства, которые снимаются даже после третьей стадии — и даже после их регистрации в качестве лекарственного препарата. В итоге до рынка доходит менее 5% молекул, допущенных к клиническим испытаниям.

Кроме того, российский рынок недостаточно развит, чтобы выпуск принципиально новых лекарств окупил себя. Для этого надо осваивать мировой рынок, в первую очередь американский. Но в США очень жесткий контроль за пищевыми и лекарственными нововведениями. И стоимость их испытаний еще выше, чем в России. А если лекарства производятся с использованием нанотехнологий, то регламентация значительно усложняется, поскольку нанотехнологии активно внедряются только в последние годы и пока не сформирован четкий регламент лицензирования такой продукции. Лекарственные средства с применением фуллеренов еще нигде не дошли до стадии использования в клинической практике. Наконец, в каждой стране действуют свои правила, и зачастую для того, чтобы попасть на новый рынок, необходимо проходить все испытания заново, что под силу только крупным фармацевтическим компаниям.

Именно поэтому стандартной практикой для разработчиков лекарственных средств является продажа своих технологий и патентов еще на стадии клинических или даже доклинических испытаний таким фармацевтическим гигантам, как, например, Pfizer, Novartis, Roche. «Я не знаю такого случая, — говорит Дмитрий Кузнецов, — чтобы кто-то начал делать лекарство сам и превратился в Pfizer, который существует уже двести лет. И надеяться, что мы, например, сможем вырасти в какого-то огромного фармацевтического производителя, невозможно».

А пока команда Кузнецова занимается доклиническими испытаниями нового лекарственного средства, которые уже где-то на 60% завершили, и добивается финансирования продолжения этих испытаний. «Мы понимаем, что находимся только в начале десятилетнего пути, необходимого для всего цикла испытаний», — говорит Кузнецов.

Найти инвестора

На кафедре ведутся работы по использованию препаратов с 25-м магнием и для увеличения производительности так называемых белковых фабрик, в которых получают разного рода полезные белки, например вакцины или инсулин, используя живые одноклеточные организмы: бактерии, одноклеточные грибы, дрожжи, клетки насекомых, млекопитающих, человека.

Белок — это цепочка из аминокислот, связанных пептидной связью. На формирование одной пептидной связи в белке клетка тратит две-три молекулы АТФ. В одной молекуле белка может быть более ста аминокислот. Следовательно, на производство одной такой молекулы тратится несколько тысяч молекул АТФ. Клетки к тому же делятся, а синтез белка идет, только пока клетка не делится. То есть биотехнология заинтересована, во-первых, в увеличении выхода АТФ и, во-вторых, в ускорении выхода белка. Для этого, как и в живом организме, необходимо увеличить производство АТФ. Анатолий Бучаченко и Дмитрий Кузнецов предложили добавлять в культуральную среду подобные описанным выше наноконструкции, которые позволят резко увеличить производство белков.

После довольно долгих попыток найти фирму, которая была бы готова провести испытания такой добавки, «ИзоБиотеху» удалось договориться с компанией «Протеиновый контур», производящей различные белки, используемые в фармакологии. Такие, как, например, рекомбинантный эритропоэтин (гормон, регулирующий краснокроветворение), противовирусный альфа-интерферон, эпидермальный ростовый фактор, используемый для лечения ран. В сентябре прошлого года «ИзоБиотех» дал им линейку своих разработок на испытания, которые «Протеиновый контур» провел на производстве эритропоэтина. Испытания показали более чем 50-процентное увеличение выхода продукта. До сих пор лучшие стимуляторы давали максимум 10–20%.

«Вот почему мы решили сейчас сосредоточиться на разработке новой технологии повышения эффективности биопроизводства и ее коммерциализации, которая не требует клинических испытаний, рассчитывая в случае успеха получить средства и для работы над коммерциализацией наших лекарственных препаратов», — объясняет директор по развитию «ИзоБиотеха» Александр Шульженко.

Уникальность технологии, на которой основан продукт, на начальном этапе была большим препятствием для развития проекта. Когда предлагаемое решение абсолютно ново для рынка, неясно, будет ли оно кем-то востребовано, как оно соотносится с аналогами, какой будет цена на продукт, насколько велик потенциальный рынок. Это лишь немногие из тех вопросов, что задавали разработчикам инвесторы, к которым они обращались за финансированием. А ведь к тому же нет гарантии, что продукт можно будет запатентовать, защитить на него права, чтобы продавать в будущем.

«Пока, — поясняет Шульженко, — нам для оценки размеров рынка и разработки стратегии коммерциализации удалось нанять лучшую американскую компанию в области маркетинговых исследований на рынке биотехнологий, которая работает с нами почти бесплатно, поскольку верит в наш потенциал роста». «ИзоБиотех» взаимодействует с Фондом Бортника, «Роснано» и пытается попасть в Сколково. «Роснано» порекомендовала «ИзоБиотеху» эксперта, который поставил правильные с точки зрения бизнеса эксперименты. «Мы с самого начала стараемся работать так, чтобы инвесторы на нас смотрели как на профессиональную команду, в которую можно вкладывать деньги. В этом, собственно говоря, моя как инвестиционного менеджера главная задача. А с фондами нам придется работать, когда потребуются деньги на организацию собственного производства», — говорит Александр Шульженко.

Когда «ИзоБиотех» обратился в Фонд Бортника год назад, он не смог удовлетворить их требованиям по защите интеллектуальной собственности, дать четкий анализ конкурирующих решений, трезво оценить технологические риски проекта. В этом году разработчики учли все недочеты и вошли в тройку лучших проектов, которые получили гранты.

«Сколково для нас сегодня, — говорит Шульженко, — это в первую очередь тусовка, возможность эффективного доступа к нужной нам информации, к лучшим зарубежным практикам, иностранным специалистам и инвесторам, образовательными заведениями и так далее. Если за вашим бизнесом стоит хорошая инновационная технология и сильная команда, а ваши услуги или продукция потенциально востребованы рынком, то попасть в Сколково не составит труда, но это почти всегда совместные инвестиции с другими инвесторами».

А пока в «ИзоБиотехе» рассчитывают стать компанией, которая, во-первых, будет обладать инновационной технологией, способной существенно повысить эффективность биопроцессов в производстве лекарственных средств, и, во-вторых, сможет выпускать добавки, основанные на магнитном изотопном эффекте. «Мы с оптимизмом смотрим на будущее нашего проекта, — говорит Шульженко. — Если мы все сделаем правильно, наша технология имеет хороший шанс выйти на глобальный рынок и быть востребованной в большом количестве различных биофармацевтических производств».