PROLOG
Wydawało się, że wszyscy od dawna wiedzą, jak powstaje nowy lek, zwłaszcza po pandemii COVID-19, kiedy wszyscy śledzili badania kliniczne szczepionek. Jednak nie jest to takie proste. Krótko mówiąc – w tej publikacji dowiesz się, jak długo trwa proces tworzenia leku i ile kosztuje. Być może domyślacie się, że jeśli w telewizji mówią, że naukowcy odkryli substancję, która może pokonać raka lub inną chorobę, to jest zbyt wcześnie, aby biec do apteki w nadziei na zakup nowego leku.Kontekst historyczny
Odkrywanie leków rozpoczęło się w starożytności, kiedy to produkty naturalne, pozyskiwane głównie z roślin, były wykorzystywane w medycynie tradycyjnej do celów leczniczych. W kolejnych stuleciach związki pochodzenia roślinnego doprowadziły do opracowania nowych substancji. Ta strategia rozwoju i udoskonalania miała ogromny wpływ na chemię medyczną. Jednym z przykładów jest silnie działający środek przeciwbólowy morfina, wyizolowany z ekstraktów opium przez Sertünera w 1815 roku. Pojawienie się chemii analitycznej pod koniec XIX wieku umożliwiło izolację poszczególnych bioaktywnych składników z materiałów roślinnych (chociaż poziom czystości nie odpowiadał współczesnym standardom farmaceutycznym).
W 1908 roku badania Ehrlicha utorowały drogę dla pierwszych racjonalnych leków syntetycznych, takich jak arsfenamina. Ponadto zespół badawczy Ehrlicha położył podwaliny pod niezawodne procedury biologicznego badania przesiewowego i oceny. Na tym etapie, w erze przed NMR i chemii obliczeniowej, narzędzia chemików były nieco ograniczone. W związku z tym wsparcie instytucjonalne i rozwój instrumentów miały fundamentalne znaczenie dla przejścia od kreatywności chemicznej do odkrywania leków. Można zatem powiedzieć, że „przypadek” był podstawą odkrycia penicyliny przez Alexandra Fleminga w 1928 roku. Penicylina składa się z mieszaniny pokrewnych betlaktamów o tej samej strukturze podstawowej. Silne właściwości antybiotykowe penicyliny zostały natychmiast dostrzeżone.
Masowa produkcja antybiotyku rozpoczęła się około 1942 roku i miała znaczący wpływ na kontrolę sepsy podczas II wojny światowej. Penicylina była noszona przez personel medyczny aliantów podczas lądowania w Normandii. Jest nadal stosowana w zwalczaniu zakażeń wywołanych przez mikroorganizmy Gram-dodatnie. Wyjaśnienie struktury cząsteczki penicyliny zapoczątkowało nową erę odkryć antybiotyków, znacznie poprawiając opiekę zdrowotną w leczeniu zakażeń bakteryjnych. W tym samym czasie Chain, Florey i ich współpracownicy wybrali metabolit z pleśni penicillium, który mógł lizować gronkowce. Jednak niektóre antybiotyki oparte na penicylinie ulegały degradacji przez enzymy ochronne wytwarzane przez komórki bakteryjne.
W celu zapobiegania degradacji bakteryjnej intensyfikowano poszukiwania nowych antybiotyków poprzez modyfikację podstawowej struktury penicyliny. W 1948 roku Brotzu opisał nową cząsteczkę, nazwaną cefalosporyną, która była stosowana w leczeniu zakażeń opornych na penicylinę. W tym czasie wiele firm, takich jak Merck, Sandoz i Taked, rozbudowało swoje zaplecze mikrobiologiczne w celu znalezienia innych leków o różnych właściwościach farmakologicznych i chemioterapeutycznych.
Od 1950 r. rola chemii medycznej uległa zmianie i można ją podzielić na dwa ważne okresy: od 1950 do 1980 r. chemia medyczna wyróżniała się testami in vivo, a drugi okres, trwający od 1980 r. do chwili obecnej, charakteryzuje się pojawieniem się nowych technologii projektowania i badań przesiewowych. Pod koniec lat 60. i na początku lat 70. firmy Beecham i Pfizer odkryły nowe cząsteczki o właściwościach farmakokinetycznych podobnych do penicyliny – firma Beecham odkryła klawulaniany, a firma Pfizer wyprodukowała półsyntetyczne cząsteczki znane jako sulfaktamy, w których siarka z tiazoli została utleniona do sulfonu.
Od końca lat 80. XX wieku rozwój nowych technologii wraz z pojawieniem się chemii obliczeniowej sprawił, że niektóre z wyżej wymienionych problemów można było stosunkowo łatwo obejść. Rzeczywiście, od początku lat 90. XX wieku szybki postęp w zakresie narzędzi do modelowania molekularnego, a także zastosowanie chemii kombinatorycznej i zautomatyzowanego przesiewania o wysokiej wydajności przyniosły natychmiastowe korzyści w przejściu od „odkrywania potencjalnych związków” do „optymalizacji potencjalnych związków”. W stosunkowo krótkim czasie można stworzyć racjonalnie zaprojektowane biblioteki związków oparte na znanych szkieletach leków.
Szybkie automatyczne badania przesiewowe skracają czas między dostarczeniem związków a uzyskaniem wyników badań. Dane z badań przesiewowych są następnie wprowadzane z powrotem do procesu projektowania SAR, co prowadzi do iteracyjnego cyklu udoskonalania, syntezy i badań przesiewowych, aż do uzyskania pożądanych właściwości. Pod koniec XX wieku postępy w biologii molekularnej i komórkowej, takie jak techniki rekombinacji DNA, pomogły zrewolucjonizować przemysł farmaceutyczny. Dzięki ukończeniu projektu sekwencjonowania ludzkiego genomu możliwe stało się lepsze zrozumienie różnych szlaków molekularnych odpowiedzialnych za niektóre choroby i wykorzystanie tych informacji jako punktu wyjścia do poszukiwania nowych leków opartych na białkach. Kolejnym przełomem technologicznym było pojawienie się w 1975 r. technologii hybrydomowej, która przyspieszyła wykorzystanie przeciwciał monoklonalnych w terapii.
W ten sposób między XX a XXI wiekiem nastąpił okres przejściowy, w którym paradygmaty biologii molekularnej zostały powiązane z odkrywaniem leków. Inżynieria genetyczna doprowadziła do zastąpienia białek naturalnych wersjami rekombinowanymi. Dało to kilka korzyści w terapii. Jedną z nich było większe bezpieczeństwo stosowania biofarmaceutyków pochodzących z rekombinacji, w przeciwieństwie do białek pochodzących ze źródeł ludzkich lub zwierzęcych, które mogły potencjalnie przenosić czynniki zakaźne. Ponadto możliwe stało się produkowanie białek rekombinowanych na dużą skalę, opracowywanie nowych leków ukierunkowanych na określony cel oraz tworzenie białek modyfikowanych genetycznie o ulepszonych właściwościach terapeutycznych.
Systemy wykorzystywane do produkcji większości zatwierdzonych białek rekombinowanych to E. coli, S. cerevisiae oraz linie komórek zwierzęcych, takie jak komórki jajników chomika chińskiego (CHO) lub komórki nerkowe młodych chomików (BHK). Pierwszym produktem powstałym w wyniku zastosowania technologii rekombinacji DNA, który uzyskał zatwierdzenie do stosowania medycznego u ludzi, była ludzka insulina wyprodukowana w 1982 r., znana również jako „Humulin”. Od tego czasu wyprodukowano szeroką gamę białek do celów terapeutycznych, a do połowy 2002 r. w Stanach Zjednoczonych i/lub Unii Europejskiej zatwierdzono 120 produktów biofarmaceutycznych.
Obejmowały one szereg hormonów (np. hormon wzrostu), czynników krwi (np. czynniki VIII i IX) oraz środków trombolitycznych (np. tkankowy aktywator plazminogenu, tPA). Do 2000 r. prawie 25% wszystkich nowych leków w fazie rozwoju stanowiły przeciwciała monoklonalne, a w 2006 r. jednym z 200 najczęściej przepisywanych leków było białko rekombinowane stosowane w leczeniu cukrzycy, reumatoidalnego zapalenia stawów, choroby Gauchera i stwardnienia rozsianego. W 2007 r. FDA zatwierdziła nowe rodzaje doustnych leków przeciw HIV – antagonista CCR5 Selzentry (maraviroc; Pfizer) oraz inhibitor integrazy HIV-1 Isentress (raltegravir; Merck) – do leczenia HIV-1. Również w 2007 r. zatwierdzono nowe cząsteczki, takie jak Torisel (temsirolimus; Wyeth), do leczenia zaawansowanego raka nerkowokomórkowego.
Od czego więc zaczyna się proces? — Pomysł
- Aby naukowcy lub firma farmaceutyczna mogli rozpocząć prace nad lekiem, musi wystąpić kilka czynników:
- społeczne znaczenie choroby;
- znane mechanizmy molekularne rozwoju choroby;
- zasoby finansowe i możliwość stworzenia konkretnego leku.
Innymi słowy, musi pojawić się pomysł!
Co stanowi „cel” dla leku?
Zespół naukowców wspólnie wybiera cel i sposób jego osiągnięcia w celu leczenia lub zapobiegania chorobie.
Cel leku to makrocząsteczka biologiczna związana z określoną funkcją, której zaburzenie prowadzi do choroby. Najczęstszymi celami leków są białka — receptory i enzymy. Infografika pokazuje, które makrocząsteczki są najczęściej celem leków. Patrząc w przyszłość, warto zauważyć, że substancja — lek — jest następnie dopasowywana do „celu”. Najczęstszym przykładem jest cyklooksygenaza 1 (cel) i kwas acetylosalicylowy (lek).
Poszukiwanie ligandów
Po znalezieniu celu dla leku naukowcy muszą ustalić, czym należy go „celować”. Ligand (potencjalny lek) to związek chemiczny (zwykle o niskiej masie cząsteczkowej), który wchodzi w specyficzną interakcję z celem, wpływając w ten sposób na procesy zachodzące w komórce.
Badanie wszystkich możliwych substancji jest oczywiście nierealne: istnieje co najmniej 1040 ligandów. Dlatego też na strukturę potencjalnych ligandów nakłada się szereg ograniczeń, które znacznie zawężają zakres poszukiwań.
Początkowo test przesiewowy pomaga ustalić, czy wybrane ligandy oddziałują na badany cel. Test przesiewowy jest przeprowadzany w laboratorium (in vitro) lub komputerowo (in silico).
Badanie przesiewowe w laboratorium:na specjalnych szkiełkach robot pobiera substancje testowe z pipet zgodnie z wcześniej ustalonym programem.
Szkiełka to płytki zawierające studzienki z tysiącami mikrolitrów różnych białek docelowych lub całych genetycznie zmodyfikowanych komórek.
Optymalizacja
Spośród tysięcy dostępnych substancji o określonych właściwościach należy wybrać setki cząsteczek, które po dalszej modyfikacji i przetestowaniu na bakteriach lub hodowlach komórkowych są w stanie dać dziesiątki „kandydatów” na związki przeznaczone do badań przedklinicznych, w tym badań na zwierzętach.
Optymalizacja może polegać na „odcięciu” części znanego liganda lub, odwrotnie, dodaniu do niego nowych elementów i przeprowadzeniu nowych testów interakcji z celem. Wracając do aspiryny: jest ona pochodną kwasu salicylowego poprzez dodanie grupy acetylowej.
Podstawowe badania
Wybrane związki są najpierw testowane w badaniach biochemiczno-farmakologicznych lub eksperymentach na hodowlach komórkowych, izolowanych komórkach i izolowanych narządach.
Badanie toksyczności ocenia następujące parametry:
- Toksyczność podczas krótkotrwałego i długotrwałego stosowania;
- Możliwość uszkodzenia genetycznego (genotoksyczność, mutagenność);
- Możliwość rozwoju nowotworów (onkogenność i rakotwórczość);
- Możliwość urodzenia chorego płodu (teratogenność).
U zwierząt badane związki są również testowane pod kątem wchłaniania, dystrybucji, metabolizmu i wydalania (farmakokinetyka).
Wejście na rynek
Badania kliniczne obejmują kilka faz, które ilustruje infografika. Najpierw nowe leki są testowane na zdrowych osobach, aby ustalić, czy efekty zaobserwowane w badaniach na zwierzętach występują również u ludzi, oraz aby określić zależności między dawką a efektem.
Decyzję o dopuszczeniu nowego leku do obrotu podejmuje krajowa agencja regulacyjna (FDA). Wnioskodawcy (firmy farmaceutyczne) przedkładają organowi regulacyjnemu kompletną dokumentację badań przedklinicznych i klinicznych, w której dane dotyczące skuteczności i bezpieczeństwa spełniają ustalone wymagania, a forma produktu jest zgodna z zamierzoną (tabletki, kapsułki itp.)
Lek jest nadal monitorowany w trakcie dystrybucji. Ostateczną ocenę stosunku korzyści do ryzyka stosowania nowego leku można dokonać wyłącznie na podstawie długoterminowych doświadczeń związanych z jego stosowaniem. W ten sposób określa się wartość terapeutyczną nowego leku.
W różnych przypadkach proces opracowania nowego leku, od pomysłu do wdrożenia, trwa około 5 do 18 lat. Całkowity koszt opracowania, w tym leków, które nie trafiły na rynek, często przekracza 1 mld dolarów (średnio do 2,5 mld dolarów).
