09.2013 – „Jak powstają nowe leki? Część pierwsza.”

wrzesień 2013, nr 85/63 online

 

    Postęp nauk medycznych (zwłaszcza patofizjologii i epidemiologii chorób), jaki dokonał się na przestrzeni ostatniego stulecia przyczynił się do szczegółowego poznania czynników zagrażających zdrowiu i życiu ludzi. Medycyna nierozerwalnie wiąże się z farmacją. Obie nauki uzupełniają się wzajemnie przynosząc korzyści człowiekowi poprzez wdrażanie odpowiedniej profilaktyki i coraz bardziej skuteczne zwalczanie chorób nękających współczesnych mieszkańców globu. W punkcie, w którym zbiegają się ze sobą obie grupy nauk (medyczne i farmaceutyczne), znajduje się interdyscyplinarna dziedzina zwana badaniami klinicznymi. Zajmuje się ona testowaniem substancji leczniczej na ludziach, dostarczając dowodów na skuteczność i bezpieczeństwo tego leku stosowanego w określonym schorzeniu. Aby jednak produkt leczniczy mógł trafić na apteczne półki, najpierw jego cząsteczka chemiczna musi zostać odkryta, opracowana, dokładnie poznana, a następnie poddana badaniom przedklinicznym (in vitro oraz in vivo) i wreszcie – testom klinicznym. Gdy ten skomplikowany proces powiedzie się, podmiot odpowiedzialny stara się o rejestrację preparatu. Dzięki temu może on trafić w ręce aptekarzy, a następnie pacjentów.

        Wyżej opisana procedura badawcza (od momentu skonstruowania leku aż do jego testów na zdrowych i chorych ochotnikach) trwa około 8-18 lat i kosztuje średnio jeden miliard euro. Czas generowania zysku dla koncernu farmaceutycznego wynosi od trzech do pięciu lat. Wiele firm farmaceutycznych produkuje leki odtwórcze, tak zwane generyki, dla których nie są wymagane badania kliniczne, ale jedynie badania biorównoważności. Biorąc pod uwagę fakt, że zaledwie jedna na tysiąc cząsteczek chemicznych z testów przedklinicznych „przechodzi” do badań klinicznych, powstawanie nowego leku jest niezwykle kosztownym przedsięwzięciem. W tym miejscu należy również dodać, że statystycznie tylko jedna na pięć testowanych klinicznie cząsteczek dostaje „zielone światło” dla jej opatentowania i rejestracji, dzięki czemu może trafić na apteczną półkę. Jak zatem wyglądają poszczególne etapy powstawania nowego leku? 

        Projektowaniem leku, czyli opracowaniem cząsteczki mającej potencjalne właściwości lecznicze (tzw. substancji wiodącej), zajmują się odpowiednio przeszkoleni pracownicy naukowi. Są to najczęściej farmaceuci (chemicy leków oraz specjaliści syntezy leków) współpracujący z biofizykami, biotechnologami i biologami molekularnymi lub genetykami. Struktura związku chemicznego, który posiada pożądane cechy lecznicze może być wielokrotnie modyfikowana w celu zwiększenia aktywności farmakologicznej substancji oraz zminimalizowania jej działań ubocznych. W procesie „obróbki” cząsteczki brane są pod uwagę takie cechy jej struktury chemicznej jak: większa skuteczność od leków obecnych już na rynku aptecznym stosowanych w danym schorzeniu czy możliwość skonstruowania bardziej optymalnej postaci leku niż taka, która już istnieje. Dzięki staraniom naukowców zajmujących się projektowaniem leków, możliwe jest powstanie ogromnej liczby potencjalnie nowych farmaceutyków. Podczas opracowania związku wiodącego, naukowcy najpierw zastanawiają się nad określoną jednostką chorobową, w jakiej chcą zastosować nowy lek oraz docelowym miejscu jego działania. Następnie izolują i oczyszczają związek aktywny z substancji występujących w naturze lub syntetyzują go chemicznie. Za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR), rentgenografii krystalograficznej (X), spektrometrii w podczerwieni (IR) lub spektrometrii masowej (MS) można poznać szczegółową fizykochemiczną strukturę substancji. W wyniku mozolnego procesu chemicznego, naukowcy znajdują strukturę wiodącą cząsteczki, co ma ogromny wpływ na kierunek działania przyszłego leku. Następnie dochodzi do określenia zależności pomiędzy budową fizykochemiczną, a działaniem biologicznym związku, tzw. analiza QSAR (ang. QS-ARs, quantitative structure-activity relationships). Procedura ta umożliwia przewidywanie działania farmakologicznego nowej substancji lub przyczynia się do odkrycia jej nowych właściwości, często nieoczekiwanie. Po stwierdzeniu zależności między budową cząsteczki, a jej aktywnością, chemicy leków próbują zidentyfikować jej grupę funkcyjną odpowiedzialną za wiązanie lek – receptor (tzw. grupa farmakoforowa). Analiza grup funkcyjnych może przykładowo polegać na zastąpieniu chlorowca (np. -Cl) grupą nitrową (-NO2). Dochodzi wówczas do zwiększenia aktywności przeciwpasożytniczych i przeciwbakteryjnych niektórych leków poprzez wzrost ich jonizowalności oraz ułatwienie ich przenikania przez błony komórkowe. Modyfikacje podstawników w celu polepszenia wiązania lek – receptor mogą również odbywać się na zasadzie:

 

 – wymiany grupy hydroksylowej (-OH);
 – dealkilacji amin trzeciorzędowych;
 – uwodornienia wiązań wielokrotnych oraz pierścieni aromatycznych.

 

 

   Nowe leki powstają również poprzez syntezę analogów. Przykładem może być wprowadzenie grupy -O-CH2 do pronethalolu (znanego toksykologom kancerogennego beta-blokeru), co powoduje powstanie cząsteczki propranololu (beta-blokeru pozbawionego właściwości rakotwórczych, a mającego współcześnie zastosowanie w medycynie).

 

 

 

 

    Po zaprojektowaniu nowej substancji leczniczej, jej zsyntetyzowaniu oraz  chemicznych modyfikacjach i wreszcie – opatentowaniu, czas na badania przedkliniczne. Pierwszy etap polega na testowaniu cząsteczki w warunkach in vitro. Odbywa się to zazwyczaj na biochemicznych układach enzymatycznych, modelach hodowli komórkowych lub na tkankach wyizolowanych z organizmów przebadanych wcześniej zwierząt. Są to również badania dotyczące wpływu substancji na kod genetyczny, podczas których dokonuje się izolacji określonego genu kodującego specyficzny enzym lub receptor. Następnie gen jest klonowany i poddawany ekspresji (najczęściej w szybko dzielących się komórkach bakteryjnych). Przykładem jest enzym proteaza wirusa HIV, którą poddano klonowaniu, a następnie ekspresji w komórkach Escherichia coli. Badania przedkliniczne in vitro stanowią niezwykle cenne źródło informacji niezbędnych do dalszych badań – w warunkach in vivo. Testy in vitro mogą dowodzić m.in. o stabilność substancji w osoczu i krwi. Warto wspomnieć, że oddziaływania pomiędzy związkiem leczniczym, a enzymami obecnymi w osoczu lub krwi ludzkiej (esterazy, proteinazy, anhydraza węglanowa, hemoglobina), mogą doprowadzić do zmiany właściwości fizykochemicznych badanej substancji. Fakt ten ma ogromny wpływ na działanie farmakologiczne przyszłego leku. W badaniach tych wykorzystuje się metody spektrometrii masowej (MS), dzięki którym można uzyskać analizy związków preinkubowanych z osoczem lub krwią. Badania przedkliniczne na materiale wyizolowanym przydatne są również w celu określenia stabilności metabolicznej przyszłego medykamentu. Obniżenie wspomnianego parametru może spowodować wzrost wydalania leku z organizm, co z kolei wpływa na zmniejszenie jego biodostępności. W celu określenia omawianej cechy, badana substancja chemiczna preinkubowana jest z mikrosomami wątrobowymi (zawierającymi enzymy metabolizujące większość ksenobiotyków), wraz z dodatkiem formy zredukowanej kationu fosforanowego dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (tzw. NADPH). Jest to nukleotyd pełniący istotną rolę w procesach oddychania komórkowego. Techniki spektrometrii masowej (MS) i chromatografii cieczowej (LC) umożliwiają detekcję badanej substancji i jej metabolitów po uprzednim kontakcie z mikrosomami wątrobowymi. Ponadto, jedynie w tej fazie badań nad potencjalnie nowym lekiem określa się prawdopodobny wpływ podawania substancji leczniczej w okresie ciąży (oddziaływanie na płód) – genotoksyczność i działanie mutagenne. Związki chemiczne badane w kierunku przeciwnowotworowym poddawane są również dodatkowej analizie zmian apoptycznych i nekrotycznych. Weryfikowany jest także stopień zahamowania wzrostu komórek rakowych przez różne stężenia związku aktywnego. Badania przedkliniczne wykonywane w warunkach in vitro testują również wpływ cząsteczki na zmiany w narządach śródmiąższowych (np. w płucach).

 

 

 

    Szczegółowa analiza wszystkich najbardziej istotnych cech wpływających na biologię organizmów daje możliwość przeprowadzenia kolejnych badań. Teraz już w warunkach in vivo. Do rozpoczęcia testów na organizmach żywych, podmiot odpowiedzialny musi najpierw złożyć odpowiedni wniosek do Komisji Bioetycznej Badań na Zwierzętach. Po uzyskaniu akceptacji wspomnianej instytucji, badania mogą zostać rozpoczęte. Czas ich trwania wynosi około 2-8 lat. Testy przeprowadzane są na co najmniej dwóch gatunkach zwierząt. Substancje lecznicze testowane są zazwyczaj na gryzoniach (króliki, szczury, myszy, świnki morskie), rzadziej na psach i kotach. Warto wspomnieć również o wykorzystaniu zwierząt transgenicznych w testach przedklinicznych. Są to organizmy, których kod genetyczny został zmieniony. Przykładem tego typu badań jest wymiana genów mysich na geny ludzkie. Dzięki temu organizm myszy produkuje ludzkie enzymy i receptory stanowiące punkt uchwytu związku badanego. Nadrzędnym celem badań przedklinicznych in vivo jest ustalenie bezpieczeństwa leku, zanim rozpoczną się badania na organizmie człowieka. Na etapie testów na modelach zwierzęcych in vivo, dokonuje się badania czterech podstawowych procesów, które określają losy badanej substancji leczniczej (po spożyciu) w ustroju. Są to reakcje farmakokinetyczne opisywane schematem ADME (ang. absorption. distribution, metabolism, excretion): absorpcja, dystrybucja, metabolizm oraz wydalanie. Procesy te pozwalają określić czy i w jaki sposób substancja badana dostaje się do krwiobiegu, osiąga zamierzony cel, jest właściwie rozkładana i wydalana przez organizm. Poza tym określana jest toksyczność tej cząsteczki (ostra, podostra i przewlekła), ewentualne efekty teratogenne, onkogenne i mutagenne. Badania na zwierzętach dostarczają również informacji na temat wpływu substancji badanej na poszczególne narządy żywego organizmu, w tym narządy zmienione chorobowo. Ustalane są również dawki śmiertelne dla określonych odsetków zwierząt laboratoryjnych. Jeżeli wszystkie wyniki badań przedklinicznych na zwierzętach dostarczą wystarczającą ilość dowodów uzasadniających dalszy rozwój substancji leczniczej i jego zastosowanie w leczeniu określonej choroby, produkt testowany jest następnie na ludziach.

 
Fot. Fotolia.pl
 
Piśmiennictwo:
1.    Begley C.G., Ellis L.M.  Drug development: raise standards for preclinical cancer research, Nature 483 (2012): 531–533.
2.    DiMasi J.A., New Drug Development in the United States from 1963-1999, Clinical Pharmacology and Therapeutics 69, no. 5 (2001): 286-296.
3.    Henderson V.C., Kimmelman J., Fergusson D., Grimshaw J.M., Hackam D.G.  Threats to Validity in the Design and Conduct of Preclinical Efficacy Studies: A Systematic Review of Guidelines for In Vivo Animal Experiments, PLoS Med 10(7) (2013)
4.    Kilkenny C., Browne W., Cuthill I.C., Emerson M., Altman D.G.  Animal research: reporting in vivo experiments—the ARRIVE guidelines, J. Cereb. Blood Flow Metab 31 (2011): 991–993.
5.    Kimmelman J., Anderson J.A.  Should preclinical studies be registered? Nat. Biotechnol 30 (2012): 488–489.
6.    Meadows, M.  The FDA’s Drug Review Process: Ensuring Drugs are Safe and Effective. FDA (2002).
7.    van der Worp H.B., Howells D.W., Sena E.S., Porritt M.J., Rewell S., et al.  Can animal models of disease reliably inform human studies? PLoS Med 7 (2010): e1000245
8.    www.cancer.gov
9.    www.fda.gov.pl