Биофизическое направление научной деятельности в нашем университете является сравнительно молодым и исчисляется всего лишь 20 годами, однако полученные за этот период результаты являются достаточно внушительными и стоящими того, чтобы о них все знали.
Основателем школы биофизики СевНТУ является профессор Веселков Алексей Никонович, заведующий кафедрой физики с 1991 по 2004 гг. Общее направление, заложенное им, относится к разделу молекулярной биофизики, объектом исследования которой является поведение в водном растворе биологически важных молекул – ДНК, белков и различных лекарственных соединений. Дело в том, что механизм действия многих лекарственных препаратов, в основном тех, которые относятся к группе противоопухолевых средств, заключается в непосредственном связывании с генетическим материалом клетки, т.е. ДНК или белками. Как только такое связывание произошло, далее многие важные клеточные процессы с участием «меченой» препаратом молекулы ДНК или белка нарушаются, что может приводить к гибели клетки. Если клетка опухолевая, то препарат оказывает положительное противоопухолевое действие, если здоровая – то препарат является токсичным по отношению к здоровым тканям. Описанный механизм является общепризнанным, однако детали действия конкретных лекарственных соединений, как правило, изучены слабо и количественное описание энергетики процесса комплексообразования в большинстве случаев отсутствует.
Постараюсь объяснить, почему количественная информация о комплексообразовании лекарственных препаратов, называемых в специальной литературе «лигандами», оказывается столь важной даже не столько для биофизики, сколько для прикладной медицины. Любое лекарственное соединение – это молекула, имеющая свою уникальную структуру и атомный состав. В зависимости от структуры молекулы, прочность ее связывания с ДНК может различаться на порядки. Чаще всего, чем прочнее лиганд связывается с ДНК, тем более эффективно его лекарственное действие. Следовательно, если удается установить корреляцию между энергетикой связывания и структурой молекулы, то это фактически предоставляет основу для направленной модификации стандартного препарата с целью улучшения его медико-биологического эффект. Кроме этого от структуры лиганда сильно зависит специфичность связывания, т.е. способность молекулы различать отдельные участки ДНК. Многие вирусы или бактерии имеют строго определенную последовательность нуклеотидов в ДНК. Путем целенаправленного подбора структуры лиганда можно добиться того, чтобы он «узнавал» только чужеродную ДНК. А это в конечном счете означает создание лекарственного препарата, проявляющего антивирусную или антибактериальную активность. Таким образом, энергетика и специфичность связывания лекарственных препаратов с ДНК или белками является важнейшей информацией, позволяющей выйти на определенные закономерности, которые в последствии могут быть использованы при синтезе новых лекарственных средств. Вот эта проблематика и является специализацией биофизической школы кафедры физики СевНТУ.
Начало биофизики в СевНТУ, наверное, можно отсчитывать с 1991 года, когда на кафедре биофизики биологического факультета Московского государственного университета под руководством профессора Веселкова А.Н. состоялась первая защита кандидатской диссертации по биофизике его первого ученика — Барановского Сергея Федоровича — ныне профессора кафедры физики. В работе Сергея Федоровича частично были заложены основы количественного анализа процессов взаимодействия Лиганд-ДНК с использованием метода Ядерного Магнитного Резонанса, быстро набирающего в то время популярность в биологических исследованиях. Проблема изучения взаимодействий Лиганд-ДНК связана с тем, что в растворе молекулы лиганда и ДНК взаимодействуют не только между собой, но и друг с другом, при этом на одну молекулу ДНК может «сесть» сразу несколько лигандов. Такую сложную картину почти невозможно расшифровать «в лоб» и тем более выделить ту самую специфику, которая и определяет цель исследований. Поэтому Алексеем Никоновичем была начата программа последовательной декомпозиции сложных взаимодействий на более простые с использованием коротких фрагментов ДНК – олигонуклеотидов. В частности, был разработан метод анализа самоассоциации лиганда и олигонуклеотида (взаимодействие однотипных молекул друг с другом), предваряющий изучение взаимодействий Лиганд-ДНК, впервые представленный в работе Барановского С.Ф. и чуть позже окончательно оформленный в докторской диссертации профессора кафедры физики Дыманта Леонида Наумовича (1993 г.). Особенностью этой методики и одновременно ее сильной стороной являлось то, что исследования связывания лигандов с ДНК проводились непосредственно в водном растворе, близком по своим характеристикам к физиологической среде. В результате расчетные структурные и энергетические параметры комплексообразования оказывались физиологически адекватными, т.е. в принципе подходящие для анализа поведения лекарственных препаратов в реальных биологических системах.
Последующее развитие биофизического направления в основном проходило в рамках разработанной методики анализа взаимодействий Лиганд-ДНК, но уже применительно к реальным антиопухолевым препаратам. Была полностью решена задача о специфике и энергетике связывания мутагенов профлавина, бромистого этидия и антибиотика дауномицина (канд.диссертации доц.Осетрова С.Г. (2000), доктора Р.Итона (2001)) с односпиральными (канд.диссертация доц.Петренко Н.В., 1997), двуспиральными (канд.диссертации зав.лаб. Болотина П.А. (1998), доц.Завьяловой О.С.(1998)) и шпилечными (канд.диссертации доц.Пахомова В.И. (2000), доц.Роговой О.В. (2005), ст.препод.Костюкова В.В. (2008)) структурами ДНК. Обобщение и завершение этого направления было оформлено в докторской диссертации профессора Барановского С.Ф. (2002 г.).
В настоящее время исследования систем Лиганд-ДНК трансформировалось в новое научное направление, ведущим исполнителем которого является ст.преподаватель Костюков В.В. Ключевым недостатком перечисленных выше исследований, а также аналогичных работ, проводимых другими группами по всему миру, является в общем случае невозможность выделения в структуре экспериментально измеряемых параметров связывания лигандов с ДНК (константа комплексообразования, энтальпия, энтропия) вклада различных физических факторов (электростатические силы, водородные связи и пр.) – т.н. проблема декомпозиции свободной энергии Гиббса на составляющие. Решение проблемы такого рода играет огромную роль в компьютерном скриннинге вновь синтезированных, либо планируюшихся к синтезу, ДНК-связывающихся лекарственных препаратов, и позволяет резко сократить затраты на предварительном этапе введения новых лекарственных средств в клиническое использование. С 2007 г. нами начата и по сей день активно реализуется программа разработки методики декомпозиции энергии Гиббса для различных типов лигандов и их взаимодействий. К настоящему времени нам удалось решить данную задачу для класса ДНК-связывающихся ароматических соединений (канд.диссертация асп.Твердохлеб Н.М., 2012), впереди – другие классы препаратов, реально использующихся в медицине.
Начиная с 1998 г. на фоне завершения базового направления научной деятельности кафедры физики вектор научных мсследований несколько изменяет свое направление – от специфики взаимодействия Лиганд-ДНК к более сложным трехкомпонентным системам Лиганд1-Лиганд2-ДНК. Предыстория такова. В начале 90-х годов американской группой исследователей из Института рака медицинского колледжа Нью-Йорка был обнаружен довольно необычный эффект, заключающийся в том, что токсичность антиопухолевых препаратов резко уменьшается, если одновременно с препаратом в организм ввести кофеин. Потенциально этот эффект может иметь применение как способ регуляции побочной токсичности лекарственных соединений в процессе химиотерапии и в связи с этим может иметь большое практическое значение. Интерпретация, данная американцами, заключалась в том, что кофеин «перехватывает» лекарственное соединении за счет т.н. процесса гетероассоциации и не дает ему тем самым связаться с ДНК – т.н. «интерцепторный» механизм действия. Алексей Никонович, при ознакомлении с работами американской группы «увидел», что предложенная ими интерпретация является однобокой. Не только гетероассоциация, но и взаимное влияние лиганда и кофеина при связывании с ДНК – т.н. «протекторный» механизм действия – играют роль. По сути эта идея была положена в основу нового направления научной работы кафедры физики – изучение механизмов совместного действия лекарственных соединений на ДНК. Начиная с 2002 г. пошла первая серия диссертационных работ по этой тематике: диссертации доктора философии (PhD) Веселкова Д.А. (комбинации Лиганд-Кофеин, 2002), кандидатские диссертации доцентов Евстигнеева М.П. (2002) и Лантушенко А.О. (2003) (комбинации Антибиотик-Мутаген). Дальнейшее развитие этого направления с 2005 г., уже под руководством профессора Евстигнеева М.П., привело к разработке схемы количественной оценки эффективности действия интерцепторного и протекторного механизмов для любых комбинаций ароматических препаратов и установления взаимосвязи между изменением биологического эффекта и качественным/количественным составом компонент смеси Лиганд1-Лиганд2-ДНК (канд.диссертации ст.преподавателей Мухиной Ю.В. (комбинации Лиганд-Витамин, 2006) и Рыбаковой К.А. (комбинации Норфлоксацин-Препарат, 2008)), диссертация доктора философии аспиранта из Мексики Эрнандеса Сантьяго А.А. (комбинации Антибиотик-Антибиотик, 2006). Теоретический анализ систем Лиганд1-Лиганд2-ДНК и создание основы теории интерцепторного-протекторного механизмов действия было сделано в канд.диссертации с.н.с. Евстигнеева В.П. (2009). Полученные результаты позволили нам предсказать и затем дать экспериментальное подтверждение детоксифицирующему эффекту витамина B2 на действие антиопухолевого антибиотика топотекана в клеточных линиях человека (канд.диссертация асп.Мосунова А.А., 2012). Фактическое завершение данного направление было оформлено в докторской диссертации доцента Евстигнеева М.П. (2007 г.). Общим результатом явилось объяснение молекулярного механизма медико-биологического действия целого класса лекарственных соединений при комбинированном использовании. Впервые нами было дано количественное описание взаимного влияния препаратов друг на друга, указан способ направленного регулирования биологической активности и предсказания медико-биологического эффекта.
Параллельно с исследованием двухкомпонентной гетероассоциации Лиганд1-Лиганд2 в контексте интерцепторного механизма действия, еще Алексеем Никоновичем было осознано, что такие двухкомпонентные системы имеют самостоятельное биологическое значение, в частности, как средство повышения растворимости низкорастворимых препаратов (гидротропия): в смесь к плохорастворимому препарату добавляется другое соединение (гидротроп), которое за счет гетероассоциации увеличивает растворимость препарата. Однако двухкомпонентные системы являются сравнительно хорошо изученными, и это направление до недавнего времени казалось малоперспективным. В работах Эрнандеса Сантьяго (2006) и Евстигнеева В.П. (2009) нами было обнаружено, что трехкомпонентные системы Препарат-Гидротроп1-Гидротроп2 потенциально содержат в себе новые возможности оптимизации степени растворимости препарата путем подбора концентрации гидротропов, и в более широком аспекте — направленной регуляции степени связанности препарата. Эта гипотеза была доказана нами на примере систем Антибиотик-Антибиотик-Кофеин, Антибиотик-Витамин-Кофеин и Витамин-Кофеин-Никотинамид, что позволило сформулировать теоретическую основу технологии повышения растворимости на основе композитного гидротропного агента. В настоящее время изучение комплексообразования в многокомпонентных системах переросло в самостоятельное направление, которое уже дало ряд важных теоретических результатов, в частности, обнаружение неизвестного до сих пор антикооперативного эффекта при нековалентной самосборке низкомолекулярных соединений и связывании лигандов с ДНК (канд. диссертация асп. Бешновой Д.А., 2011), а также создание обобщенной модели N-компонентной гетероассоциации.
Профессор Евстигнеев М.П.