Возможности современной комбинаторной химии и биологии
реклама
Возможности современной комбинаторной химии и биологии: Исследование патогенеза аутоиммунной нейродегенерации методами комбинаторной химии и биологии Александр Габибов Казань, 2014 Paul Ehrlich 1854-1915 Magic bullet Ehrlich reasoned that if a compound could be made that selectively targeted a disease-causing organism, then a toxin for that organism could be delivered along with the agent of selectivity. Hence, a "magic bullet" (magische Kugel, his term for an ideal therapeutic agent) would be created that killed only the organism targeted. The concept of a "magic bullet" was to some extent realized by the invention of monoclonal antibodies as they provide a very specific binding affinity. MESSAGE Combinatorial Chemistry and Biology is a hallmark of XXI century MESSAGE B cell diversity allows to design proteins with novel functionality MESSAGES 1. B cells as a “reservoir” of broad genetic repertoires. 2. Autoimmunity gives additional opportunities for screening approaches. 3. Maturation in silico. Design of new long releasing drugs 4. Multiple Sclerosis: - Possible triggering - B cell directed therapy Autoimmune disorders as a source of catalytic antibodies “normal” repertoire is powered in autoimmunity Главная функция иммунной системы – распознавание «свой-чужой» повышенное норма ослабленное злокачественная трансформация аутоиммунная патология Monoclonal Antibodies Have Moderate Activity as Single Agents • High degree of specificity for tumor antigens1 • Generally well tolerated2 • Long half-life resulting in longer systemic exposure2 Act through direct signaling, recruitment of cytotoxic effector cells and complement fixation 1,2 Apoptosis through direct intracellular signaling3 Tumor lysis through host immune effector cells3 NFКB References: 1. Ducry L et al. Bioconjug Chem. 2010;21(1):5-13. 2. Carter P et al. Am Assoc Cancer Res Educ Book. 2005;2005(1):147-154. 3. Sharkey RM et al. CA Cancer J Clin. 2006;56(4):226-243. 13 Elements of an Antibody-Drug Conjugate (ADC) Antibody Specific for a tumorassociated antigen that has restricted expression on normal cells.1,2 Cytotoxic agent Linker Attaches the cytotoxic agent to the antibody. Newer linker systems are designed to be stable in circulation and release the cytotoxic agent inside targeted cells.1-3 Designed to kill target cells when internalized and released.1,2 References: 1. Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 2. Senter PD. Curr Opin Chem Biol. 2009;13(3):235-244. 3. Polson AG et al. Cancer Res. 2009;69(6):2358-2364. 14 Rationale for ADCs: to Expand the Therapeutic Window • ADCs are designed to target delivery of a cytotoxic agent − Increase the delivery of a cytotoxic agent to a tumor − Limit tissue exposure to free cytotoxic agent Conventional Antibody-DrugChemotherapy Conjugates Reference: Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 15 Target Antigen Should Be Abundantly Expressed on Tumor Cells Compared to Healthy Cells Target antigen Expressed abundantly on tumor cells1,2 Limited or no expression on normal or vital tissues1,2 • Efficient internalization of target antigen increases drug delivery and enhances cell-killing1,3 References: 1. Alley SC et al. Curr Opin Chem Biol. 2010;14(4):529-537. 2. Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 3. Polson AG et al. Expert Opin Investig Drugs. 2011;20(1):75-85. 16 Primary Mechanism of Action of ADCs: Targeted Delivery of a Cytotoxic Agent Reference: Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 17 Limitations of Early ADC Technology1-3 • Unstable linker technology: linker breakdown outside target tumor tissue − Resulting in broader systemic exposure to the cytotoxic agent − Poor ADC localization to target tumor • Modest activity References: 1. Senter PD. Curr Opin Chem Biol. 2009;13(3):235-244. 2. Chari RVJ. Acc Chem Res. 2008;41(1):98-107. 3. Teicher BA. Curr Cancer Drug Targets. 2009;9(8):982-1004. 18 Next-Generation ADCs: Designed to be Stable in Circulation and Release a Cytotoxic Agent in Target Cells • Newer ADC linker technology is intended to spare non-targeted cells and thus reduce many of the toxic effects of traditional chemotherapy while enhancing the antitumor activity1,2,3 References: 1. Ducry L et al. Bioconjug Chem. 2010;21(1):5-13. 2. Alley SC et al. Curr Opin Chem Biol. 2010;14(4):529-537. 3. Teicher BA. Curr Cancer Drug Targets. 2009;9(8):982-1004. 19 Directed evolution Rational design High resolution 3D Combinatorial approach Effective screening Бактериофаги - Быстрый рост - Простота -Дешивизна -Большие размеры библиотек Дрожжи – быстро – просто • Процессинг эукариот: – гликозилирование – дисульфидные связи Лентивирусы -Инфицирование практически любых клеток млекопитающих -Возможность расширения репертуара за счет инфицирования одной клетки несколькими вирусными частицами Лентивирусные библиотеки Создание линии клеток с химерным рецептором TPO-IL-6 «Идентификация кроссреактивных антител к вирусным антигенам из репертуара рекомбинантных антител больных рассеянным склерозом» Рассеянный склероз. Почему это важно? Хроническое нейродегенеративное заболевание аутоиммунной природы Ранний возраст начала заболевания (15-25 лет) и последующая инвалидизация трудоспособного населения обуславливает чрезвычайно важное социально-экономическое значение РС. В среднем прямые и непрямые расходы на лечение одного пациента с рассеянным склерозом составляет в развитых странах около 40.000 долларов в год В США суммарные экономически потери оцениваются более чем в 10 миллиардов долларов ежегодно. В Российской Федерации приблизительное количество больных РС оценивается в 200.000 человек. Только официально РФ выделяет около 5 миллиардов рублей в год отдельной строкой в бюджете на помощь данной категории граждан, экономический же ущерб составляет в десятки раз больше. Дотации госбюджета РФ в год на закупки одного из основных лекарственных средств при РС – Copaxone составляют примерно 2 млрд рублей. Гемато-энцефалический барьер Роль B-клеток в иммунных процессах (Natalizumab) IgG4 anti-a4 integrin Предотвращает адгезию трансмиграцию T, B –клеток моноцитов в ЦНС (глататимер ацетат) конкурирование с ОБМ за связь с HLA-DR и индукция GAспецифических регуляторных Т-клеток В настоящий момент клинические испытания проходит ряд моноклональных антител Rituximab/Natalizumab – неспецифическое воздействие на Т-/В-клетки Очевидно, что необходимо знание о соответствии «структура-функция» аутоантител и и Потенциальные аутоантигены при РС Пример устройства фаг-дисплейной библиотеки субстрат рекомбинантный для дисплея для дисплея лиганд белок устойчивость к антибиотику фагмида лиганд устойчивость к антибиотику субстрат для дисплея фаговый вектор фаг-помощник Моновалентный фаг Поливалентный фаг Обогащение аутоиммунной библиотеки одноцепочечных антител (scFv) на основный белок миелина Инкубация исходной библиотеки (8×108) c ОБМ ОБМ pI 12-13 Элюция фаговых антител Отмывка ОБМ ОБМ Элюция фаговых антител Отмывка Наработка фагов в E.coli Повторная инкубация библиотеки с ОБМ Следующий раунд Селекция ОБМ-связывающих scFv из фаг-дисплейной библиотеки Отбор ОБМ-специфических scFv 3 подхода Создание фаг-дисплейной библиотеки одноцепочечных антител из 8 больных РС ~10⁹ индивидуальных клонов Для обогащения библиотеки была подобрана степень гидролиза ОБМ трипсином. Гидролизаты ОБМ (показаны во врезке) гибридизовали с поликлональными анти-ОБМ антителами (черная кривая) и с фагом M13K07 (серая столбчатая диаграмма). Оптимальная концентрация трипсина составила 0,12 мкг энзима на 1 мг белка (точка 5) – когда связывание с поликлональными анти-ОБМ антителами ещё существует, а неспецифическое связывание с бактериофагом M13K07 значительно уменьшено. Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011 Подбор степени гидролиза ОБМ Характеризация специфичности и аффиности отобранных анти-ОБМ scFv Согласно результатам ППР (BIACORE) ряд scFv эффективно взаимодействовал с ОБМ Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011 Специфичность к фрагментам ОБМ 65-92 и 130-156 совпадает с данными по связыванию IgG из крови больных РС Структурная гомология отобранных анти-ОБМ scFv Тяжелые цепи Легкие цепи MS1, MS2 – анти-ОБМ антитела из ЦСЖ больных РС EBV_xx – анти-LMP1 scFv из библиотеки Griffin 1 Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011 EBV как возможный триггер РС The New England Journal of Medicine, 2003. Hartmut Wekerle Доказательство кроссреактивности отобранных анти-ОБМ антител к LMP1 in vitro Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011 Одноцепочечное антитело E2 одновременно способно связывать два белка – ОБМ и LMP1 Доказательство кроссреактивности отобранных анти-ОБМ антител к LMP1 in vitro на примере полноразмерного моноклонального IgG человека Моноклональный полноразмерный IgG человека E2 одновременно способен связывать два белка – ОБМ и LMP1 Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011 Доказательство антиген-направленной дифференциации полученных антител на основе данных о частоте мутаций RCDR-количество мутаций в гипервариабельных участках MV-общее количество мутаций в вариабельных участках Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Рациональный анализ комбинаций тяжелых и легких цепей анти-ОБМ антител, полученных комбинаторным подходом Изменение аффиности к ОБМ при варьировании лёгких цепей согласно результатам ИФА Сохранение сродства к ОБМ во всех комбинациях с тяжелой цепью антитела, специфичного к ОБМ Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Изменение аффиности к ОБМ при варьировании тяжелых и лёгких цепей согласно результатам ППР (BIACORE) Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Antibody variant A10-B5 A10-B5V6 A10-E2 A10-F11 F11-B5 F11-B5V6 F11-E2 F11-F11lambda2 F11-F11_kappa F11-A17 F11-a-thyr a-thyr-E2 E2-a-thyr E2-A17 E2-B5 E2-B5V6 E2-E2 E2-F11 lambda-2 E2-F11 kappa B5-B5 B5-B5V6 B5-E2 B5-F11 A17-E2 ka, 1/Ms 8.0×102 6.1×103 1.8×104 3.8×103 1.2×105 1.7×104 3.0×105 6.5×105 4.2×105 5.0×104 2.9×105 9.0×103 3.1×102 1.4×103 1.3×102 3.0×103 2.5×103 4.3×103 8.0×104 7.5×103 5.0×103 1.8×103 1.8×103 kd, 1/s 7.9×10-5 9.0×10-5 3.0×10-4 1.5×10-4 1.4×10-4 5.9×10-4 3.0×10-4 1.5×10-4 4.2×10-4 7.5×10-5 8.0×10-4 8.0×10-4 3.8×10-4 7.0×10-4 1.0×10-3 1.5×10-4 2.0×10-4 3.0×10-4 3.0×10-3 1.3×10-3 1.0×10-3 1.4×10-3 2.3×10-4 нет связывания KD, M 9.9×10-8 1.5×10-8 1.7×10-8 3.8×10-8 1.1×10-9 3.5×10-8 1.0×10-9 1.7×10-9 1.0×10-9 1.5×10-9 2.8×10-9 8.9×10-8 1.2×10-6 5.2×10-7 7.9×10-6 5.0×10-8 8.0×10-8 7.1×10-8 3.8×10-8 1.7×10-7 2.0×10-7 8.0×10-7 1.3×10-7 Изменение аффиности к ОБМ при варьировании тяжелых и лёгких цепей согласно результатам ППР (BIACORE) Одним цветом выделены комбинации с одинаковой легкой цепью Одним цветом выделены комбинации с одинаковой тяжелой цепью Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Анализ полиреактивности при варьировании тяжёлых и лёгких цепей с использованием технологии Luminex ОБМ МОГ БСА Показана повышенная полиреактивность в основном с положительнозаряженными белками 0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 нет связывания 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 1 ,1 1 ,2 сильное связывание Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Анализ библиотек, предобогащенных на различные антигены, с помощью метода широкомасштабного секвенирования Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 Анализ библиотек, предобогащенных на различные антигены, с помощью метода широкомасштабного секвенирования Определены гены зародышевой линии для аутореактивных антител Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 in press Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013 Сравнение встречаемости CDR3 тяжелых цепей в обогащенных библиотеках по сравнению с исходной библиотекой РС. Также на графиках отмечены экспериментально исследованные клоны, отобранные с помощью моноклонального фагового ИФА (зеленый цвет). Указаны последовательности CDR3 наиболее интересных клонов Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013 Сравнение встречаемости CDR3 лёгких цепей в обогащенных библиотеках по сравнению с исходной библиотекой РС. Также на графиках отмечены экспериментально исследованные клоны, отобранные с помощью моноклонального фагового ИФА (зеленый цвет). Указаны последовательности CDR3 наиболее интересных клонов Распределение суммарного заряда CDR3 в библиотеках, предобогащенных на разные антигены А - тяжелых цепи Б - легкие цепи Показано повышение количества заряженных CDR3 при обогащении библиотеки на аутоантигены и вирусный белок lmp1 Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013 Показана гомология отобранных аутоантител с антителами к белкам: • • • • • вируса Эпштейна-Барра вируса бешенства ротавируса стрептоккока пневмоккока Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013 Гомология тяжелых цепей отобранных антител с противовирусными антителами, известными из опубликованных данных (базы данных Protein Data Bank proteins (pdb), UniProtKB/Swiss-Prot (swissprot). Жирным отмечены антитела, отобранные в данной работе. MBP Musse et al, PNAS 2006 Abzymatic Site-specific MBP hydrolysis The cleavage sites are localized inside the encephalitogenic epitopes Ponomarenko et al, PNAS 2006 EPeFRET - сенсор каталитической активности аутоантител Progressive MS n=13 Other Neurological Diseases n=22 9% 77% 85% Novel Biomarker for Multiple Sclerosis RR MS n=13 0% Healthy Donors n=11 Belogurov et. al Journal of Immunology 2008 Определение фрагментов МВР, связывающихся аутоантителами, при рассеянном склерозе A. Belogurov Jr., et al. Journal of Immunology 2008, FASEB J. 2013 Клинические испытания перспективного препарата для лечения рассеянного склероза Миелоксен (Фаза IIa) 1. 2. 3. Инкапсулированные пептиды МВР более чем на 40% снижают тяжесть заболевания у модельных животных Предложенная терапия ингибирует нейродегенеративный процесс, подавляет экспрессию провоспалительных Th1 цитокинов и аутоантител, а также индуцирует ремиелинизацию и экспрессию нейротропного фактора мозга В настоящий момент завершена I стадия и успешно проходит фаза IIa клинических испытаний A Belogurov Jr. et al., Autoimmunity 2009, FASEB J. 2013 Antidotes toward chemical weapons: promiscuity of catalytic sites. Poisoning of OPC leads to collapse nervous system OH O + N HO O N O acetylcholine O N O covalent coupling of toxin with acetylcholine esterase leads to increase of acetylcholine in synapse and collapse of nervous system Question of OPC-poising therapy The major target of organophosphorous toxins are cholinesterase-like enzymes; Extremely low LD50 value OPC-associated mortality is 200000 people per year; There are real threats of acts of terrorism, for example sarin attack in Tokyo underground at 20 March of 1995 Risk group Soldier Stuff of OP poisons utilization plant Farmers Users Therapy of OPC-poising Classical therapy: low-weight anticholinesterase drugs and reactivators Pyridostigmine Atropine 2-PAM Bioscavangers: enzyme which inactivate OP-molecule Enzyme therapy Antibody therapy Enzyme therapy. Buturylcholinesterase is a perspective antidote Butyrylcholinesterase is a serine hydrolase which exists practically in all tissues of mammal organisms. Butyrylcholinesterase has high reactivity toward several OPC, which inactivate acetylcholine esterase Injection of a dose of 200 mg of human BChE can protect humans against 2-5 LD50 of soman or VX with no side effects Sarin Soman VX Parathion The ways of recombinant protein drugs clearance from patients Capture by cells and lysosome degradation Clearance by kidney Proteolytic degradation from bloodstream Strategies of enhancement of therapeutic effects. How we may do long-living therapeutics? A Genetic modification Expression and maturation of the protein in the cell B + protein Polymeric molecule (PEG, dextran, polysialic acid,) Conjugate Proteinpolymer А. Modification of the gene to arrange new sites of glycosylation (Darbepoetin). B. Chemical modification. Covalent conjugation of recombinant protein by polymeric molecules. Pegylation. «PEGINTRON” (IF alfa 2A) “PEGASYS”)IF alfa 2B). PEG – G-CSF (Neulasta), PEG – EPO (Mircera), PEG – asparaginase (Oncaspar) Long-living therapeutics CHO-based expression system employing genes encoding butyrylcholinestrase and proline-rich peptide under control of EF promoter resulted in self-assembled active enzyme multimers, which revealed enhanced pharmacodynamics being polysialylated. • Ilyushin et al, PNAS 2013 Enzyme Catalysis in Organic Synthesis. Chapter 14. Catalytic antibodies. Smirnov I., Belogurov A., Gabibov A. Wiley-VCH, 2012 Antibody therapy. Catalytic bioscavangers increase efficient of therapy Catalytic antidotes O O O P O O P O S S O O P O S N O O P O S N N O O O P OH O O O P OH O O O P OH O O O P OH N N N N HS HS HS HS N Reactive immunization and kinetic selection as combinatorial approaches to rise novel artificial biocatalysts Chemical selection of phage display library could obtain kinetically selected protein templates that attain enzyme-like attributes Enzymes Million years of evolution Artificial Enzymes made by Combinatorial Approaches Several months or weeks evolution Selection in the test tube from naïve repertoire 108 in mouse to 109 in semisynthetic libraries Enzyme superfamily of different types could be substituted by immunoglobulin superfamily reactibody - immunoglobulin variable fragments obtained by mechanism-based, irreversible covalent reaction A.17 antibody has unusual deep cavity with nucleophilic tyrosine at its base I. Smirnov, I. Kurkova et al, PNAS 2011 Griffin.1 scFv library + CH3 N O Ph P A17 Catalytic Antibody Screening for biotin-X binding O O NO2 X-phosphonate Conversion of scFv into the whole size human antibody expressed in CHO cells P BtX S A17 antibody is modified by X-phosphonate and other irreversible inhibitors Reshetnyak et al. JACS,2007 -- Reactibody A17 is predisposed for covalent catalysis. Ponomarenko et al. Acta Chrystal. D, 2014 MATURATION IN SILICO MESSAGE: Combination of instrumental and computational methods may be regarded as an efficient strategy to obtain artificial biocatalysts de novo Modification Hybrid QM/MM and MD approach Covalent intermediate Turnover Modification Covalent intermediate Turnover Molecular docking X-RAY (PDB: 2XZC) Stop-flow data X-RAY (PDB: 2XZA) NO CATALYSIS Molecular docking MS data Steady-state kinetics ПеТАР – Персонифицированная Терапия Аутоиммунных заболеваний и Рака Персонализированная медицина – методика лечения тяжелых социальнозначимых заболеваний, основанная на индивидуальном подборе терапии в зависимости от генетических, метоболических и иммунологических особенностей пациента, а также от индивидуального течения болезни. «Выбор лечения не может быть точным без понимания наследственной структуры и условий, в которых жили предки» Иван Ефремов. «Туманность Андромеды», 1955 г. Продукты проекта - наборы (кассеты) терапевтических антител к индивидуальным раковым антигенам, а также кассеты иммунотоксинов для уничтожения патологических В - клеток при аутоиммунных заболеваниях. Терапия «блокбастерами» «Одно лекарство для всех» ПеТАР Индивидуальный подбор терапии в зависимости от генетических особенностей пациента и индивидуального течения болезни Социальная значимость персонификации - повышение продолжительности и качества жизни онкологических пациентов и пациентов с инвалидизирующими аутоимунными заболеваниями - сокращение расходов на закупки дорогостоящих лекарств для пациентов, у которых стандартная терапия не эффективна. PACT strategy 1. A patient as a book 3. Proofreading 2. Major Revision 4. Revised manuscript DEVELOPMENT OF PATIENT-SPECIFIC TARGETED B-CELL DEPLETION IN AUTOIMMUNITY Identification of disease triggering antigenic motifs High throughput screening of natural and semisynthetic libraries Identification of auto reactive BCR repertoires Phage display; SCID/hu mice platform; Genetic Elements platform; look through mutagenesis platform Design of personalized immunotoxines Design of specific immunotoxins for directed autoreactive B cells depletion Target validation and immunotoxine selection Patient ex vivo cultures; High yield mammalian cell lines; disposable bioreactors Patient-specific targeted B-cell depletion therapy Controlled targeted therapy Multiple sclerosis Do Myelin-Directed Antibodies Predict Multiple Sclerosis? N EJM, 2003 The B-Cell – Old Player, New Position on the Team NEJM, 2008 B-cells as one of the key players in the MS Specific B-Cells depletion in MS CD4CD25High TOLERANCE MBP BCR Autoreactive B-Cell B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP) Traditional therapy BCR Autoreactive B-Cell B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP) Specific therapy CD4CD25High TOLERANCE MBP BCR Autoreactive B-Cell B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP) Design of specific B-cell killers A. Stepanov, A. Belogurov Jr., et al. PLoS ONE 2011 PACT Pharma 2020: The vision. Which path will you take? A growth market US MARKET The global population is projected to rise from 6.5 billion in 2005 to 7.6 billion in 2020. It is also aging rapidly; by 2020, about 719.4m people – 9.4% of the world’s inhabitants – will be 65 or more, compared with 477.4m (7.3%) two years ago. Older people typically consume more medicines than younger people; four in five of those aged over 75 take at least one prescription product, while 36% take four or more. The number of deaths from heart attacks has declined by over 50% in most industrialised countries since the 1960s, for example, while five year survival rates for US patients with cancer (expressed as an average for all sites) have risen from 53% in the mid-1980s to 66% today. 16% of 300 m US people have no medical cover. In 2005, the US spent almost $2 trillion on healthcare, about $50-60 billion of which went on providing medical treatment for the indigent. It is extremely difficult to calculate the additional cost of covering the uninsured population as a whole, but one study suggests that it could be between $125 billion and $150 billion a year, depending on the particular model that is used. PricewaterhouseCoopers PricewaterhouseCoopers Background The National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) was established in December 2011 to advance the development, testing and implementation of diagnostics and therapeutics across a wide range of human diseases and conditions. NCATS strives to support research to reduce, remove or bypass costly and time-consuming bottlenecks in the therapeutic development pipeline. By improving the process by which these tools and medicines are developed, NCATS aims to make translational science more efficient, less expensive and less risky. In this way, NCATS complements — and does not compete with — the work of the private sector and the other NIH Institutes and Centers. NCATS unifies complementary programs in these cross-cutting areas: ► Clinical and Translational Science Activities o Clinical and Translational Science Awards (CTSA), a consortium of medical research institutions working to improve the way clinical and translational research is conducted nationwide ► Rare Diseases Research and Therapeutics o Office of Rare Diseases Research, which coordinates and supports research on rare diseases Bridging Interventional Development Gaps, which provides access to critical pre-clinical resources needed for the development of new therapeutic agents Therapeutics for Rare and Neglected Diseases, a program to encourage and speed the development of new drugs for rare and neglected diseases ► Re-engineering Translational Sciences o NIH Chemical Genomics Center, which provides researchers with access to the large-scale screening and chemistry capacity necessary to identify compounds that can be used as chemical probes to validate new therapeutic targets Discovering New Therapeutic Uses for Existing Molecules, part of the Rescuing and Repurposing Drugs initiative , matches researchers with a selection of molecular compounds from industry to test ideas for new therapeutic uses Tissue Chips for Drug Screening, which aims to develop 3-D human tissue chips that accurately model the structure and function of human organs to better predict drug safety Toxicology in the 21st Century (Tox21), which is screening a collection of 10,000 compounds to identify potentially toxic disruptions in biological pathways and develop ways to predict toxicity more accurately In addition, NCATS’ Cures Acceleration Network enables overarching and flexible support for a for a variety of initiatives and is designed to address scientific and technical challenges that impede transitional research . NIH Office of the Director (OD) For Immediate Release Friday, September 16, 2011 Contact: NIH Communications 301-496-5787 Home > News & Events Subscribe to receive future NIH news releases. NIH, DARPA and FDA collaborate to develop cutting-edge technologies to predict drug safety President Obama announced today that the National Institutes of Health will collaborate with the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), and the U.S. Food and Drug Administration to develop a chip to screen for safe and effective drugs far more swiftly and efficiently than current methods, and before they are tested in humans. The chip will be loaded with specific cell types that reflect human biology. It will be designed to allow multiple different readouts that can indicate whether a particular compound is likely to be safe or toxi c for humans. DARPA and NIH will run separate and independent programs, but they will work closely to ensure maximum benefit and efficiencies. For exampl e, DARPA and NIH will facilitate collaborations between researchers and FDA to advance the goals of both programs. This fall, the two agencies, in coordination with FDA, will solicit proposals from industry, government labs, academic institutions, and other research organizations on how best to deve lop the chip, bringing together the latest advances in engineering, biology, and toxicology to bear on this complex problem. "Drug toxicity is one of the most common reasons why promising compounds fail," Francis S. Collins, M.D., Ph.D., NIH director said. "We need to know which ones are safe and effective much earlier on in the process. This is an unprecedented opportunity to speed development of effective therapies, while saving time and money." Over the next five years, the NIH plans to commit up to $70 million and DARPA will commit a comparable amount to this effort. This groundbreaking effort is an example of the types of innovative projects that would be led by the proposed National Center for Advancing Translation al Sciences (NCATS). NCATS would help identify barriers to progress and provide science-based solutions to reduce costs and the time required to develop new drugs and diagnostics. FDA will help determine how this new technology can be utilized to assess drug safety, prior to approval for first-in-human studies. "We know the development pipeline has bottlenecks in it, and everyone would benefit from fixing them, "Collins said. "What we need are entirely novel approaches to translational science, to take full advantage of the deluge of new biomedical discoveries that have been made i n recent years." As proposed, NCATS will study the steps in the process of diagnostics and therapeutics development, identify the bottlenecks, and experiment with innovative methods to streamline the process. By focusing on developing innovative new tools and methods for therapeutics development, as opposed to developing therapeutics themselves, NCATS will enable others to bring safer and more effective medical products to market in less time. In this way, NCATS will complement, and not compete with, the work of the private sector and other NIH translational science efforts. About the National Institutes of Health (NIH): NIH, the nation's medical research agency, includes 27 Institutes and Centers and is a component of the U.S. Department of Health and Human Services. NIH is the primary federal agency conducting and supporting basic, clinical, an d translational medical research, and is investigating the causes, treatments, and cures for both common and rare diseases. For more information about NIH and its programs, visit http://www.nih.gov. NIH...Turning Discovery Into Health ® Глобальная проблема Животные модели Статические культуры Системный подход Человеческие клетки НО не человек НО не системный подход 93 Кризис разработок новых ЛС 50 40 30 20 10 0 1997 Трагедии при тестировании: 1999 2001 Jesse Gelsinger OTC gene therapy 2003 2005 “Elephant man” antiCD28-TGN1412 Вывод с рынка: Примеры: Lipobay Vioxx Tysabri 2007 2011 Расходы на исследования новых препаратов, млрд $ 60 Утвержденные FDA (NME's) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Transforming Environmental Health Protection Francis S. Collins, George M. Gray, and John R. Bucher Science 2008: 319 (5865), 906-7. 94 Кризис разработок новых ЛС Проблема: Более 50% разрабатываемых фармацевтических препаратов прошедших доклинические исследования, оказываются токсичными для человека. Отсутствуют in-vitro человеческие клеточные модели, которые позволят тестировать новые препараты. Решение: Разработка методик испытаний препаратов с использованием клеточных модели тканей человека, объединенных в единую систему. 95 Человек-на-чипе Trends in Cell Biology, December 2011, Vol 21, No. 12, D. Huh, G. A. Hamilton and Donald E. Ingber, From 3D cell culture to organs-on-chips 96 Микробиореактор Homunculus Состоит из сменного клеточного блока и блока управления Динамическая система – Насос на чипе ADMET принцип – много моделей органов Масштаб - 100,000 раз меньше человека Быстрое прототипирование новых дизайнов чипа 97 Дизайн чипа V поколение чипа: 6 клеточных ячеек Кишечник, Печень + 4 органа-мишени Кишечник Насос СО2 канал Печень Клеточная ячейка 98 Возможные сферы использования Микробиореактор Homunculus – биотехнологическая платформа, реализующая на клеточном уровне упрощенную модель взаимодействий тканей человеческого организма 1. Доклиническое изучение безопасности и эффективности новых препаратов и комбинаций препаратов на моделях тканей человека (токсичность, эффективность) 2. Подбор схем терапии на образцах биопсии пациента (персонализированная медицина) 99 Мониторинг состояния клеток 1) Оптические методы - поглощение - флуоресценция - биолюминисценция 2) Электро-химические методы LDH, Глюкоза, Са2+ Клеточные Маркеры Глюкоза Лактат Перекись 3) Метаболомика: Хроматография Масс-спектрометрия Любые метаболиты 5) Транскриптомика: ПЦР Микрочипы Генетические маркеры. маленькие РНК 100 Традиционные подходы к лечению рассеянного склероза Новые подходы к лечению рассеянного склероза, разрабатываемые в лаборатории биокатализа ИБХ РАН Copaxone (глатирамера ацетат)/IFNb Индукция толерантности иммунной – общая иммунносупрессия системы к ОБМ. Пептиды основного белка миелина. Миелоксен® Моноклональные антитела Rituximab/Natalizumab – неспецифическое воздействие на Т-/В-клетки Направленная элиминация клонов аутореактивных В-клеток иммунотоксинами Ингибиторы активности протеасомы: Иммунопротеасома в ЦНС как Bortezomib – апоптоз активно мишень для направленного действия пролиферирующих клеток низкомолекулярных ингибиторов Belogurov A. Jr., et al. FEBS Lett, 2012 Der Mensch als Industriepalast (Man as Industrial Palace) Stuttgart, 1926. Chromolithograph. National Library of Medicine. Fritz Kahn (1888-1968) Kahn’s modernist visualization of the digestive and respiratory system as "industrial palace," really a chemical plant COLLABORATION RUSSIA Institute of Biophysical Chemistry RAS Prof. Eugene Nikolaev, Dr. Alexey Kononikhin Pharmsintez LTD, Dr. Dmitry Genkin ENGLAND Lipoxen LTD, Dr. David Moss, Dr. Andrew Bacon USA Prof. Al Tramontano, UC Davis, Medical school National Institute of Allergy and Infectious Diseases National Institutes of Health FRANCE The University of Technology, Compiegne Prof. Daniel Thomas, Alain Friboulet, Drs. Dominidue Pillet, Marjorie Paon, Berangere Avalle. Département de Toxicologie – CRSSA Institut de Recherche Biomédicale des Armée Prof. Patrick Masson , Drs Eugénie Carletti, Florian Nachon ISRAEL Melamed Medicals Dr. Dobroslav Melamed M.M. Shemyakin & Yu.A. Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences Authors: Alexey A. Belogurov Jr., Ivan V. Smirnov, Alexey Stepanov, Jacob Lomakin, Natalie A. Ponomarenko, Maria Zakharova
