Для Бальдомеро Оливеры яд - это природная индустрия наркотиков.
Бальдомеро Оливера, еще будучи мальчиком, собиравшим раковины конусовидных улиток из приливных водоемов возле своего дома у Манильского залива на Филиппинах, знал, что захват живого может означать смерть. Магический конус, укус которого может вызвать сильную опухоль, имеет форму остроконечной шляпы; шишка тюльпана может вызвать помутнение зрения и неконтролируемое слюнотечение, но у нее есть декоративные завитки, похожие на лепестки. Неправильное обращение с живым географическим конусом могло остановить его сердце в течение нескольких минут. Но это похоже на персидский ковер! Зацепился. «Еще в детстве мы знали, - говорит Оливера, - что эта улитка способна убивать людей и что ее смертность составляет 70 процентов». В Солт-Лейк-Сити туманное утро, и Оливера стоит рядом с аквариумами в своей лаборатории в Университете Юты. Внутри одного из аквариумов рядом с маленькой золотой рыбкой в песке зарылась бело-коричневая улитка. Беспозвоночное вытягивает свой толстый трубкообразный сифон и слегка обнюхивает брюхо рыбы. Оливера, которому сейчас 77 лет, вырос и стал химиком, но никогда не отказывался от любви к этим медлительным убийцам. Сейчас он ведущий научный сотрудник лаборатории из 25 человек, изучающей яд конусных улиток. Его работа состоит в том, чтобы выяснить, как это работает, и, в свою очередь, превратить их в лекарства, которые могут успокаивать и спасать человеческие жизни. На данный момент его лаборатория выделила несколько многообещающих молекул, в том числе несколько обезболивающих и быстродействующий инсулин, который может позволить диабетикам быстро контролировать уровень сахара в крови. Среди первых - Pri alt (основная альтернатива морфину). Помимо того, что это первый одобренный на федеральном уровне препарат, полученный из летальной улитки, он воздействует на другие рецепторы, чем опиоиды, облегчая хроническую боль у больных раком. Другими словами, не вызывает привыкания. Но он никогда не станет основной заменой морфина, потому что его нужно закачивать в позвоночник пациента. В наши дни Оливера и его коллеги пытаются выделить токсин улиток, который можно превратить в новый класс обезболивающих, действие которых отличается от того, что сейчас есть на рынке. В случае успеха он мог бы предложить замену вызывающим привыкание наркотикам, таким как оксикодон (который убивает более 14 000 американцев в год), в качестве лекарства для миллионов людей, страдающих от хронической боли.
Тем временем в аквариуме улитка выпускает из своего хоботка крошечный зуб в форме гарпуна. Бам! - моллюск пронзает свою добычу, выпрыскивая ядовитый коктейль, от которого существо с плавниками бьется, как будто его ударили электрошокером. Его жабры все еще дергаются, когда хищник вылезает из своей красивой раковины и тянет жертву в рот.
Веном - это природная индустрия наркотиков. Каждый из них представляет собой суп из белков, которые могут захватить молекулярные механизмы, которые животные используют для модуляции их дыхательной, мышечной, нервной и всех промежуточных систем организма. Вместо того, чтобы жестко регулировать эти системы, химическое оружие направлено на то, чтобы отправить их в смертельный штопор. Но с помощью современных методов биоинженерии правильная молекула в правильной дозе может быть использована во благо.
Сегодня исследователи тратят всю свою жизнь на то, чтобы вытащить стоящее лекарство из ядовитых существ, от пауков до летучих мышей-вампиров. Только в 1981 году на рынке появился первый такой препарат, как каптоприл, сосудорасширяющее средство, используемое для лечения гипертонии. Препарат получают из пептида яда гадюки, который вызывает резкое падение артериального давления. Это спасло миллионы жизней, заработало миллиарды долларов и побудило целую волну исследователей начать расчесывать яды в поисках наркотиков. Конусные улитки необычайно сильны.
«Их укус эквивалентен укусу кобры и съедению смертельной дозы рыбы-фугу», - говорит Оливера. Части артиллерии морского жука нацеливаются на нервы, вынюхивая их и вмешиваясь в них. Типичный яд улитки может содержать около 200 различных пептидов, мини-белков, которые играют определенную роль в этом саботаже. При небольшом молекулярном перекрытии ядов 700 известных видов конусовидных улиток медицинский потенциал этих хищников настолько обширен, что Оливера говорит о нем в небесных терминах. Каждое токсичное семейство ядовитых белков воздействует на «созвездие» физиологических мишеней, открывая множество возможностей для лечения. Национальные институты здравоохранения видят потенциал: с 1990-х годов он выделил лаборатории Оливеры миллионы долларов на поддержку его работы. В 2016 году Министерство обороны выделило еще 10 миллионов долларов.
Этим майским утром большинство исследователей еще не прибыли, и в лаборатории Оливеры тихо. «Это действительно удивительная улитка, - говорит Оливера. Он широкоплечий, широколицый и усатый. В его библиотеке, держащего ракушку с такой тихой нежностью, легко представить его мальчиком у моря. Это конус географа, вид, который запустил этот проект.
В 1960-х годах Оливера проводил постдокторские исследования в области синтеза ДНК в Стэнфордской лаборатории, в которой, по его словам, было «все необходимое оборудование». Когда он вернулся домой, чтобы работать в Университете Филиппин, там «не было никакого оборудования». Поэтому Оливера использовал имеющиеся у него инструменты для расследования того, как убивают его любимые в детстве существа. На Филиппинах торгуют улитками-географами-конусами; поэтому он купил их у местного продавца и извлек из них яд. По его словам, путем тщательного молекулярного анализа он обнаружил «намного больше токсичных компонентов, чем мы ожидали». Затем он сфальсифицировал эксперимент, чтобы попытаться выяснить, что делает каждый из них.
Во-первых, он позаимствовал несколько мышей из лабораторий медицинской школы. Он поместил их вверх ногами на сетку (мыши будут цепляться за сетку более 10 минут за раз). Затем он вводил им фракции отдельных компонентов яда. «Это была невероятно грубая наука», - признает он. Это было также гениально. Измерив, как быстро падали мыши, которым вводили наркотики, он определил два компонента, вызывающих паралич.
Но к 1970-м годам Филиппины стали жестокими при режиме диктатора Фердинанда Маркоса, и Оливера бежал, в конце концов приземлившись в Солт-Лейк-Сити и Университете Юты. Здесь, в 1979 году, 19-летний старшекурсник спросил его: а как насчет всех других соединений, которые он идентифицировал? Что они сделали? Ничего, насколько Оливера знал. Студент убедил Оливера позволить ему и нескольким другим студентам вводить эти пептиды непосредственно в центральную нервную систему мышей через иглы в мозг. Каждый из них вызывал характерное поведение: постоянное качание головой, бег по кругу, 24-часовой сон.
«Это означало, что улитки открыли комбинированную лекарственную терапию», - говорит Оливера. Они убивают, атакуя сразу несколько систем - та же тактика, которую врачи используют для лечения ВИЧ. Во время этих первых экспериментов один новаторский студент с массой темных локонов, 18-летний студент по имени Дж. Майкл Макинтош, выделил пептид, который стал Pri alt. «Это заставило мышей дрожать», - говорит Макинтош. Сейчас ему 57 лет, у него седые волосы, и он носит их коротко остриженными. В то утро он был одет в свитер поверх рубашки с воротником.
Спустя почти 40 лет после открытия Приальта Макинтош по-прежнему тесно сотрудничает с Оливерой, но их роли изменились. Оба теперь руководят собственными лабораториями в университете: команда Оливеры анализирует яды, чтобы найти физиологически активные молекулы, Макинтош возглавляет команду, разрабатывающую обезболивающее, не вызывающее привыкания. Проект близок его сердцу. После окончания Университета штата Юта со степенью биологии он изучал медицину в Калифорнии, а затем прошел резидентуру по психиатрии в Колорадо. Сегодня он практикующий психиатр в госпитале по делам ветеранов в Солт-Лейк-Сити.
«Я регулярно вижу клиентов с посттравматическим стрессовым расстройством. Но у меня немало тех, кто говорит, что если бы у них не было хронической боли, им вообще не нужно было бы меня видеть», - говорит он. «Облегчение, которое они получают от опиоидов, мимолетно, а побочные эффекты могут быть изнурительными». Макинтош удвоил свои усилия, чтобы найти лучший анальгетик. Его прорыв произошел в 2003 году, когда конкурирующая команда в Австралии нашла пептид, который притуплял боль у крыс, не вызывал побочных эффектов и не вызывал привыкания - идеальное обезболивающее. Вот только на людях это вообще не работало. Любопытно, почему, Макинтош отправился на поиски молекулярного двоюродного брата и нашел его в ядовитой артиллерии карибской конусной улитки. Он назвал это RgIA. Первым шагом к выяснению того, почему RgIA не работает у людей, было изучение того, почему он работал у грызунов.
Тестирование на наркотики опирается на изворотливую правду о том, что люди не так уж сильно отличаются от этих млекопитающих с усами. Если препарат работает на грызунах и вызывает приемлемо мало побочных эффектов, FDA разрешает его тестировать на людях. Но вот в чем дело. Крупная фармацевтика, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов - никого не волнует, как действует лекарство, им нужно только знать, что оно действует и что оно безопасно. «Возьмите в качестве примера аспирин, - говорит Макинтош. Он использовался много лет, прежде чем был понят его механизм действия. Этот закрытый подход к разработке лекарств помог нам вызвать кризис рецептурных опиоидов. (Морфин приглушает боль, вызывая при этом тошноту, замедление сердечного ритма и привыкание.) FDA по-прежнему не требует от разработчиков лекарств знания того, как работает лекарство, но сегодня самые внимательные исследователи хотят знать как можно больше и использовать сложную химию. определить точный механизм действия препарата у животных, прежде чем его введут людям. Макинтош тренировался у Оливеры. Ответ на основной вопрос заключается в том, что произвело их первое лекарство. Он внимательный исследователь.
К 2006 году Макинтош определил точный рецептор, на который нацелен RgIA у крыс. Чтобы определить, почему это не сработало у людей, его команда сравнила ДНК крысиного рецептора с ДНК человеческого рецептора. То, что они обнаружили, было почти совпадением, за исключением одной ключевой аминокислоты. Этого было достаточно. Это открытие, как его интерпретировал Макинтош, стало отличной новостью. «Это означало, что мы могли решить проблему», - говорит он.
Что произошло дальше? Чтобы достичь эффективности у людей, команде Макинтоша пришлось разработать совершенно новую версию пептида RgIA, которая идеально подходила бы для болевых рецепторов как человека, так и крысы. Работа была похожа на попытку угадать код двух переплетенных кодовых велосипедных замков, меняя по одной цифре за раз. Это было так.
По теме: Инновации, война и слава: солдат-ученый, открывший секреты Сахары
На рабочем месте, заваленном стаканами, ученый создал клетки с человеческими или крысиными болевыми рецепторами на поверхности, введя их РНК в яйца лягушек. Затем они капали синтезированный пептид на клетки, измеряли их электрическую активность, чтобы увидеть, зацепился ли белок за рецепторы, ругались и заказывали новый пептид у ученого из другой лаборатории. Там, используя машину, которая выглядит как детище стиральной машины и 3D-принтера, ученые создадут новую версию RgIA. Яйцо лягушки команды затем проверило бы его снова. И повторить. В течение восьми лет они оттачивали эту научную карусель, разработав более 100 версий RgIA. Наконец, как сообщалось в Proceedings of the National Academy of Sciences в 2017 году, зараженные яйца показали, что молекула состыковалась с клетками как человеческих, так и крысиных рецепторов. Шампанское не разливали, вечеринки не устраивали. «Теперь нам нужно было проверить, работает ли это на живых грызунах», - говорит Макинтош.
Извините за запах, - говорит Шон Кристенсен, руководитель экспериментов Макинтоша на животных. Он прижимает большой палец к считывателю отпечатков пальцев, затем входит в комнату, в которой промозгло пахнет тварью. Внутри на стеллаже около 30 клеток с грызунами. Он пришел, чтобы причинить (умеренную) боль этим животным, а затем измерить, притупляет ли ее RgIA. Они делают это, вводя животным химиотерапевтический препарат, который, как известно, вызывает такую крайнюю чувствительность к холоду, что просто озноб причиняет боль. Затем они вводят RgIA и помещают испытуемого на стальной стол, предназначенный для охлаждения на 1 градус каждые 10 секунд. Если мышь медленнее поднимает лапу из-за дискомфорта, это свидетельствует о том, что она менее чувствительна к боли. Поэтому обезболивающее работает.
«Обычно, когда они ухаживают, они облизывают тыльную сторону ладоней», - говорит Кристенсен, зачерпывая коричневую особь из клетки и бросая ее на стол. «Когда им холодно, они вот так подбирают обе лапы». Он поднимает руку так, что это вызывает в воображении котенка, вытирающего лужу.
Соберите здесь достаточно данных, чтобы доказать эффективность пептида на животных, и в течение следующих нескольких лет Макинтош ожидает, что лекарство пройдет клинические испытания, возможно, с онкологическими больными, страдающими от хронической боли. Если все пойдет хорошо, он может появиться на рынке к 2025 году, на этот раз, как он надеется, в качестве основной альтернативы морфию. Самые многообещающие открытия Оливеры и Макинтоша, такие как RgIA и быстродействующий инсулин, были сделаны в последние несколько лет. Но поскольку сотни тысяч молекулярных компонентов все еще не изучены, работы для исследователей во всем мире более чем достаточно.«Каждый компонент яда - это потенциальный инструмент для манипулирования [нейронными] цепями и помощи нам в их понимании», - говорит Оливера.
Теперь мышь писает на стол, и Кристенсен нажимает на педаль, чтобы охладить поверхность. На заднем плане гудят промышленные вентиляторы, а беспокойные грызуны шаркают в своих подстилках из древесных гранул. Когда на столе становится на 15 градусов прохладнее, крошечный пациент поднимает передние лапы. Кристенсен снова нажимает на педаль. Вот и все. Животное почти не беспокоит холод. Что гораздо важнее, чем кажется.