Исследователи ускоряют поиск жизненно важных методов лечения лейшманиоза

«Мы были готовы сдаться», — говорит доктор Бенджамин Перри, химик-медик из Инициатива «Лекарства от забытых болезней» (DNDi). Когда Перри присоединился к организации семь лет назад, базирующейся в Женеве, Швейцария, его целью было ускорить открытие новых методов лечения двух потенциально смертельных паразитарных заболеваний: Болезнь Шагаса и лейшманиоз. В общем, они добились больших успехов. Однако в отношении одного потенциального препарата против лейшманиоза в разнообразном портфеле DNDi прогресс практически замедлился.

«Мы не смогли найти способы внести изменения, которые улучшили бы молекулу лекарства», — говорит Перри. «Он либо потерял всю свою антипаразитарную эффективность, либо остался прежним».

Однако все изменилось, когда Перри и его коллеги услышали о системе искусственного интеллекта DeepMind AlphaFold. Теперь, используя сочетание научной детективной работы и искусственного интеллекта, исследователи расчистили путь к превращению молекулы в настоящее средство лечения разрушительной болезни.

Новые методы лечения лейшманиоза появятся не скоро. Заболевание вызывается паразитами рода Leishmania и распространяется через укусы москитов в странах по всему миру. Азия, Африка, Америка и Средиземноморье.

Висцеральный лейшманиоз, наиболее тяжелая форма, вызывает лихорадку, потерю веса, анемию и увеличение селезенки и печени. «Если болезнь не лечить, она смертельна», — говорит доктор Джина Мутони Уаттара, старший медицинский менеджер DNDi в Найроби, Кения. Кожный лейшманиоз, наиболее распространенная форма, вызывает поражения кожи и оставляет стойкие рубцы.

В глобальном масштабе около миллиард человек подвержен риску заболевания лейшманиозом и каждый год есть 50-90 000 новых случаев висцерального лейшманиоза, большинство у детей. Хотя методы лечения различаются в зависимости от региона, большинство из них длительны и сопровождаются значительными побочными эффектами.

В Восточной Африке лечение первой линии висцерального лейшманиоза включает 17-дневный курс по две инъекции в день двух отдельных препаратов. стибоглюконат натрия и паромомицин, отданный в больницу. «Даже для взрослого эти инъекции очень болезненны, поэтому вы можете себе представить, что вам придется делать эти две инъекции ребенку каждый день в течение 17 дней», — говорит Уаттара. Прежде чем DNDi приступит к важной работе по разработке более короткой и эффективной комбинированной терапии, это Лечение продолжалось 30 дней.

Альтернативное лечение требует внутривенной инфузии, которую необходимо хранить в холодильнике и вводить в стерильных условиях. «Самым ограничивающим фактором является то, что все эти виды лечения приходится проводить в больнице», — говорит Уаттара. Это увеличивает расходы и означает, что пациенты и лица, осуществляющие за ними уход, теряют доход, школу и время, проведенное с семьей. «Это действительно влияет на сообщества».

Предыдущие усилия DNDi уже позволили сократить время, которое пациенты с висцеральным лейшманиозом проводят в больнице. Но конечная цель организации — разработать лекарство для перорального применения, которое можно было бы применять в местном медицинском учреждении или даже дома.

Такое радикальное улучшение может потребовать совершенно новых лекарств. Если вы ищете совершенно новые соединения для лечения, с чего начать?

Подход DNDi к поиску лекарств в этой области исследований можно назвать «старой школой», говорит Перри, хотя он утверждает, что для этого есть причина — зачастую это лучший способ открытия лекарств. Во-первых, исследователи проверяют тысячи молекул, чтобы найти те, которые обещают атаковать болезнетворный организм в целом. Затем они настраивают эти молекулы, пытаясь сделать их более эффективными. «Это скорее «грубая сила», — говорит он. «Обычно мы не знаем, как он это делает».

По словам Перри, этот подход методом проб и ошибок — лучший способ найти новые методы лечения пациентов. Но этап оптимизации может показаться немного похожим на блуждание в темноте. «Вы говорите: «Хорошо, у меня есть это химическое вещество, просто внесите в него несколько случайных изменений», и это иногда срабатывает», — говорит Перри. Но с их многообещающей молекулой лейшманиоза они наткнулись на кирпичную стену. «Мы попробовали это, и это не сработало».

Когда надежда стала таять, DNDi отправила молекулу в Майкл Барреттпрофессор Университета Глазго, Великобритания, который на протяжении последнего десятилетия использует метод под названием метаболомика чтобы разгадать, как действуют наркотики.

«В нашем организме происходят всевозможные химические процессы, в ходе которых мы расщепляем молекулы на составляющие их строительные блоки, а затем восстанавливаем их», — говорит Барретт. «На самом деле это основа жизни». В совокупности эти химические реакции составляют наш метаболизм. Паразиты, как и тот, что вызывает лейшманиоз, тоже имеют обмен веществ.

Метаболические реакции регулируются биологическими катализаторами, известными как ферменты. Многие лекарства действуют, вмешиваясь в работу этих ферментов, поэтому Барретт и его группа ищут изменения в молекулах, которые образуются во время метаболических реакций, чтобы выяснить, что делает лекарство.

Он поместил молекулу DNDi на паразита Leishmania. «Конечно, обмен веществ изменился», — говорит он. Барретт и его коллеги наблюдали значительное увеличение одной молекулы, чья задача — превращаться в фосфолипиды, тип молекулы жира, из которой состоят клеточные мембраны. Однако в то же время количество фактически вырабатываемых фосфолипидов уменьшалось.

Барретт выяснил, что препарат воздействовал на фермент, который превратил первую молекулу в фосфолипиды. Прерывание этой реакции было тем, как молекула убивала паразита.

Но, преодолев одно препятствие, группа Барретта натолкнулась на другое. Они хотели знать, как выглядит их целевой фермент, но найти его структуру экспериментально было практически невозможно, поскольку с этим типом белка очень сложно работать в лаборатории. «Он внедряется в мембрану, и из-за этого с ним очень сложно возиться», — говорит Барретт.

На этом история могла бы закончиться. Но вместо этого Перри связал Барретта с исследователями из DeepMind, которые работали над АльфаФолд, систему искусственного интеллекта, которая предсказывает трехмерную структуру белка на основе его аминокислотной последовательности. Команда AlphaFold взяла аминокислотную последовательность целевого белка и вернулась с именно тем, что было нужно Барретту и его коллегам: предсказанием его трехмерной структуры.

Группа Барретта взяла эту структуру и структуру молекулы DNDi и смогла выяснить, как они сочетаются друг с другом, определив, по крайней мере, практически, как лекарство связывается с белком.

С тех пор DeepMind в партнерстве с Европейским институтом биоинформатики EMBL разработала база данных миллионов белковых структур доступны исследователям. Реализация системы AlphaFold с открытым исходным кодом так же доступно. «Теперь любой может просто взять аминокислотную последовательность своего белка, подключить ее к AlphaFold и получить структуру», — говорит Барретт. «Это революционно».

«Для меня это самое большое изменение, которое AlphaFold внесла в научную среду», — говорит Перри. «Люди всегда задаются вопросом: «А мы рассмотрели структуру AlphaFold?» Это стало общим языком».

Доступ к предсказаниям структуры белков во многих отношениях оказывается полезным для исследователей, занимающихся открытием новых лекарств.

Существует более 20 различных видов паразита Leishmania, вызывающих заболевания у человека, но группа Барретта работает с одним видом — Leishmania mexicana. Хотя большая часть того, что они находят, передается другим, это не является данностью, поэтому им необходимо перепроверять любые выводы. «Мы можем получить версию этого целевого гена для Leishmania donovani, мы можем очень быстро пропустить ее через алгоритм AlphaFold и посмотреть, складывается ли версия donovani так же, как версия mexicana?»

Существует также человеческая версия целевого фермента Барретта, идентифицированного у паразита Leishmania. Исследователям необходимо будет убедиться, что только паразитарная версия фермента подвергается атаке со стороны нового препарата, чтобы избежать потенциальных побочных эффектов для пациентов. Это будет проще, если они будут знать, как выглядит человеческая версия. «Мы также получили эту структуру от AlphaFold», — говорит Перри.

Конечно, AlphaFold не может точно сложить все возможные белки. А для тех, кто может, сама по себе структура не обеспечивает все, что нужно исследователям, занимающимся открытием лекарств. Следующим шагом станет разработка системы искусственного интеллекта, способной предсказывать стыковку: взять структуру и лекарство и выяснить, где они сочетаются друг с другом.

Хотя еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем молекула, раскрытая Барреттом, станет настоящим средством лечения лейшманиоза – если она когда-либо доберется до этого – она продемонстрировала, что AlphaFold может снизить барьер, когда дело доходит до исследования новых лекарств. Для исследователей, ищущих новые методы лечения забытых заболеваний, где финансирование часто ограничено, это может иметь решающее значение.

Когда исследователи, занимающиеся разработкой лекарств, не знают, как оптимизировать многообещающую молекулу, выход за рамки быстрых и простых настроек означает вложение гораздо большего времени и денег. Когда финансирования недостаточно, продать сложнее. «Мы не можем бросать кухонные раковины в борьбу с забытыми тропическими болезнями, потому что на это нет денег», — говорит Барретт.

Но такой инструмент, как AlphaFold, может быть доступен исследователям, которые не могут использовать дорогое оборудование для определения химического состава своих соединений. «Большинство болезней, с которыми мы работаем, эндемичны в странах, где инфраструктура не обязательно настолько хороша», — говорит Перри.

Если AlphaFold сможет помочь разгадать, как молекула действует против болезни, сделав видимой структуру, на которую нацелен препарат – как это произошло с потенциальным новым лекарством от лейшманиоза от DNDi – это также может пролить свет на путь для химиков-медиков, таких как Перри, чтобы выйти из тупика. молекула в настоящее лечение. «Мы не могли посмотреть на этот причудливый способ взаимодействия нашей молекулы со структурой и сказать: нам просто нужен еще один углерод или избавиться от азота, переместить это — такие вещи были для нас запрещены», он говорит. — Но сейчас это не так.