Подсмотрев у природы. Нейросеть конструирует новые лекарства

18 августа 2024 7 мин.

Одним из победителей конкурса молодых ученых РАН-2024 в номинации «Генетика и биомедицина» стал заведующий лабораторией антимикробных пептидов Ставропольского государственного медицинского университета (СтГМУ) кандидат медицинских наук, основатель и руководитель компании «Альбоген» Альберт Болатчиев. Он награжден за разработку новых противомикробных соединений с помощью методов искусственного интеллекта. Опыт молодого исследователя и его соратников — один из вариантов трансформации научного поиска в коммерческий продукт.
Откуда пептиды растут
Эффективность традиционных антибиотиков снижается как в силу естественного эволюционного отбора, так и вследствие неразумного применения противомикробных препаратов. Свежий тому пример — пандемия COVID-19.
По данным обследований, лишь 7% заразившихся имели бактериальную коинфекцию. Несмотря на это, 72% пациентов получали антибиотики, среди которых новых и эффективных мало, — компаниям невыгодно инвестировать в этот сегмент. Создание дорого, прибыли сомнительны.
Большинство (90%) современных препаратов состоит из малых молекул, то есть их получают из химических веществ с небольшой молекулярной массой. Долю рынка занимают лекарства, синтезированные из больших молекул. Пример — моноклональные противоопухолевые, противовоспалительные средства.
Есть и третья группа — этакая серединка — пептиды. К ним относится, например, широко известный инсулин. К этим соединениям у ученых повышенный интерес. Во-первых, пептиды вырабатываются всеми живыми организмами, в том числе человеком.
Во-вторых, они обладают выраженными антибактериальными, противовирусными, противогрибковыми, противопаразитарными, противоопухолевыми свойствами. Заинтересовался этими перспективными соединениями и молодой выпускник Ставропольского государственного медицинского университета Альберт Болатчиев.
На третьем курсе он увлекся фармакологией. Темой кандидатской выбрал проблему устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Не только в силу ее актуальности, но и под влиянием научного руководителя — доктора медицинских наук, профессора Владимира Батурина, заведующего кафедрой клинической фармакологии университета.
Вместе они взялись за изучение природных антимикробных пептидов (AMP — antimicrobial peptides). Как они работают, на какие бактерии воздействуют? Можно ли с их помощью бороться с патогенами, устойчивыми к антибиотикам?
Начали с AMP человека. Их продуцируют клетки эпителия слизистых оболочек внутренних органов. Один из самых известных АМП — лизоцим. Некоторое количество его всегда содержится в слюне. Исследовали так называемые дефензимы (катионные пептиды иммунной системы), изучали антимикробные пептиды рыб эпинецидин-1.
Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.
— Механизм действия антимикробных пептидов основан на прямом их влиянии на клеточную стенку, — говорит Альберт Добаевич. — Это делает их одинаково эффективными в борьбе против любых бактерий: как чувствительных к антибиотикам, так и с множественной лекарственной устойчивостью.
Также было показано, что действие природных антимикробных пептидов человека усиливается в комбинации с рифампицином и аминогликозидами.
Сегодня в мире открыто уже более трех тысяч подобных пептидов. С эволюционной точки зрения они «отвечают» за часть врожденного иммунитета, одну из древнейших. Если хотите, это система быстрого реагирования на патогены.
Сразу возникает вопрос: почему же до сих пор AMP не стали основой принципиально новых препаратов? В научном медицинском сообществе, среди фармакологов компаний пока велика доля скептицизма по отношению к ним — из-за недостаточной изученности всех факторов воздействия, дороговизны, длительности производства по сравнению с традиционными методами.
Молекулы по модели
Если природа за миллионы лет эволюции «разработала» столь важные для живых организмов вещества, почему бы не попробовать воспроизвести этот процесс, только в тысячу раз быстрее? «В 2018 году я познакомился с работой группы ученых, которые теоретически обосновали возможность использования нейросетей в медицине, — рассказывает Альберт Болатчиев.
— Идею решили адаптировать к фармакологии. Собрали данные обо всех открытых на тот момент пептидах, загрузили их в нейронную сеть, поставив ей следующие задачи: изучить загруженные данные и на этой основе создать новые. В результате нейронная сеть сгенерировала тысячи новых пептидов».
С помощью биоинформативных методов ученые отобрали из них небольшую перспективную группу, за изучение которой взялись более тщательно. Из 198 отобранных «кандидатов» выделили пять и провели с ними эксперименты in vitro.
Трое оказались активны к различным патогенам, а PEP-137, например, сразу к двум, один из которых — синегнойная палочка. Эксперименты провели и на лабораторных мышах.
Изучили влияние предложенных нейросетью AMP на выживаемость животных, зараженных клебсиеллой в модели сепсиса. В качестве контроля использовались две группы мышей: одна получала стерильный физиологический раствор, а другая — неактивный in vitro PEP-36. Было показано, что пептид PEP-36 обеспечивает самую высокую выживаемость (66,7%). PEP-137 показал 50-процентную выживаемость. PEP-38 оказался неэффективным.
Таким образом, экспериментально доказана перспективность пути поиска веществ — кандидатов на антибиотики, по которому идут Альберт Болатчиев и его команда. Итоги в 2022 году опубликованы в журнале «Антибиотики».
Платформа, которую исследователи назвали PeptiGen, является, по сути, генератором пептидов. Она состоит из нескольких модулей. Первый — нейронная сеть. Все, наверное, слышали про чат-боты (а кто-то ими даже активно пользуется).
Принцип работы: подаешь на вход некую информацию, нейронная сеть генерирует на ее основе новую. Ученые вводят не тексты в обычном понимании, а формулы пептидов с уже известной активностью. Сеть генерирует новые.
После первых успехов началось совершенствование метода. Если изначально вычисления шли в течение нескольких суток, теперь они занимают несколько часов. Был значительно увеличен набор данных для обучения нейросети.
Сегодня PeptiGen способен генерировать до 108 новых молекул, причем не только предлагать, но и отбирать наиболее перспективные для синтеза. Так, из десяти синтезированных в последнее время веществ шесть эффективны в живом организме, а не только в чашке Петри. Это опять же доказано в эксперименте на мышах.
Второй модуль платформы нацелен на решение иной задачи. «Берем набор белков (протеом) живого организма, — говорит Альберт Болатчиев. — Из этой совокупности с помощью модуля вычленяются участки, которые могут обладать фармакологической активностью. С помощью этого метода мы, например, обнаружили, что в геноме летучей мыши как минимум три соединения, обладающие противовирусной активностью в отношении возбудителя короновируса».
Поэтому летучие мыши вирус переносят, а сами не болеют. Исследование проводилось совместно с коллегами Ставропольского научно-исследовательского противочумного института Роспотребнадзора.
Другой очень интересный результат ученые получили, изучая протеом голого землекопа. Этот небольшой роющий грызун, обитающий в сухих саваннах и полупустынях Кении, Эфиопии и Сомали, уникален во многих отношениях. У вида сложная социальная
организация. Голый землекоп холоднокровен, не чувствителен к различным видам боли. Обладает очень высоким иммунитетом к большинству видов онкологических заболеваний. Не стареет… Альберт Болтачиев и его соратники нашли в протеоме несколько соединений с противоопухолевой активностью в отношении меланомы, рака поджелудочной железы и аденомокарценомы легкого. Есть у ученых и другие перспективные результаты фундаментальных исследований. Пришла пора их коммерциализировать.
Какой наш интерес
Несколько важных событий произошло в 2022 году: завершены исследования по первому гранту РНФ, создан стартап «Альбоген», который стал резидентом биомедицинского кластера «Сколково».
В 2023 году началось сотрудничество с компанией «Менделеев Венчурные инвестиции», которая, в свою очередь, аффилирована с РХТУ им. Д.И.Менделеева. Они стали инвесторами и стратегическими партнерами «Альбогена». В настоящее время в портфеле компании 36 перспективных соединений. На их более глубокое изучение молодые исследователи получили новый грант РНФ.
То, чем занимаются ученые стартапа, у специалистов получило термин «драг-дизайн». Он включает в себя молекулярное моделирование (ММ), виртуальный скрининг, дизайн новых лекарственных препаратов de novo, оценку свойств «подобия лекарству»…
Однако надо иметь в виду следующее: хотя идеология in silico подразумевает проведение полноценных компьютерных экспериментов, данные которых ценны и достоверны сами по себе, необходима обязательная проверка полученных результатов.
Компьютерные методы пока не способны учесть всего разнообразия влияния лекарственного препарата на организм человека. Взять того же голого землекопа. Ученые нашли вещество, которое при определенной концентрации убивает клетки меланомы, но механизм его воздействия не ясен.
Нужны дальнейшие исследования. Драг-дизайн не может ни упразднить, ни даже существенно сократить клинические испытания, а они занимают значительную долю времени в создании нового препарата. Следовательно, главные преимущества драг-дизайна — удешевление исследований, предшествующих клиническим испытаниям, и сокращение времени на них, что, согласитесь, немало.
Нащупав путь, позволяющий конструировать новых кандидатов в антибиотики, исследователи расширили поиски. Раз получилось с этим классом веществ, почему бы не попробовать драг-дизайн на чем-то ином, например, в создании противоопухолевых и противовирусных пептидов. В настоящее время поданы заявки на патентование двух подобных веществ.
Перед компанией «Альбоген» во всей полноте сегодня встает важнейший вопрос: где проводить эксперименты, а в перспективе и клинические испытания?
С альма-матер понятно — есть вузовские лаборатории, виварий, сам Альберт Добаевич возглавляет лабораторию антимикробных пептидов. Словом, связи крепкие, разнообразные, есть где проводить исследования не только in vitro, но и in vivo, однако этого недостаточно. Ученые ищут на рынке крупных игроков, заинтересованных помочь им в доведении пептидов до ума.
Наиболее ценными партнерами для молодого стартапа могут стать фармацевтические компании, заинтересованные в разработке и коммерциализации инновационных лекарственных препаратов. «Разве это не импортозамещение в чистом виде? Дайте нам рычаг и ресурсы, и мы создадим полностью отечественные лекарственные препараты для борьбы с различными заболеваниями», — говорит Альберт Болатчиев.