1. Журналы
  2. Кардиологический вестник
  3. # 4, 2018
  4. Приближение исследований фармакологич...

Приближение исследований фармакологических ферментов нового поколения к клинической практике

Авторы:
  • А. В. Максименко
    Институт клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова ФГБУ «НМИЦ кардиологии» Минздрава России, Москва, Россия
DOI: 10.17116/Cardiobulletin20181304141
Журнал: Кардиологический вестник. 2018;13(4): 41-49
Просмотрено: 731 Скачано: 117

Прогресс медицины подразумевает применение высокотехнологичных средств диагностики, использование передовых методов лечения, разработку новых высокоэффективных лекарственных производных. Прорыв в создании терапевтических препаратов был вызван их молекулярным конструированием на основе белков и других высокомолекулярных соединений.

Рассмотрение белков как свернутых определенным образом цепей макромолекул показало наличие на их поверхности функциональных групп аминокислотных остатков, экспонированных наружу и пригодных для химической модификации с целью получения белковых производных с увеличенной стабильностью для практического использования. Настоящий обзор касается водорастворимых модифицированных белковых средств медицинского назначения.

Создание модифицированных белковых производных было инициировано в рамках концепции направленного транспорта лекарств [1]. Расширение границ этих исследований привело к формированию междисциплинарного изучения биоконъюгатов для медицинского применения [2—4].

Цель обзора — демонстрация перспективности разработки модифицированных ферментов для терапии нарушений разного генеза, в том числе кардиологического профиля.

Методы получения биоконъюгатов

Множество модифицированных форм биокатализаторов не могло появиться без разнообразных способов их получения. Первоначально использовалась химическая модификация, затем сайт-направленный мутагенез, их комбинация, формирование терапевтических наносистем, что способствовало накоплению значительного количества модифицированных белковых производных. Среди них со временем сформировалась группа конъюгатов антитело-лекарство. Для этого была разработана технология гликосвязывания (GlycoConnect), осуществляемая в две стадии [5]. Первую проводят ферментативным ремоделированием (триммингованием и мечением азидом) N-гликанового компонента, расположенного по позиции Asp-297 антител (изотип IgG). Вторую стадию последующего связывания лекарственного соединения с предобработанным антителом выполняют химическим методом быстрого присоединения (copper-free click chemistry). Полученные конъюгаты моноклональных антител демонстрируют высокую стабильность и эффективность, обещающие достижение их преимущественного терапевтического индекса. Конъюгированием антител с галактозой получали производные для изучения их применения в регионарной или системной иммунотерапии [6]. Конъюгаты галактоза-антитело не перекрывали две функции антител в дополнение к связыванию антигена, а именно цитотоксичность, опосредованную системой комплемента, и зависимую от антител клеточную цитотоксичность. Конъюгирование овальбумина и лизоцима с галактоманнаном (посредством реакции Мейларда) увеличивало антиоксидантный эффект овальбумина (благодаря повышению его липидной аффинности) и антимикробиальную активность лизоцима [7]. Значимость сохраняемой компонентами конъюгата активности (после его получения) определяет дальнейшую перспективу продолжения биомедицинского исследования нового белкового производного. Поэтому был предложен подход с реактивацией, потерянной конъюгатом при его приготовлении активности [8]. Сайт-направленным мутагенезом получали мутантную форму пирофосфатазы с заменой на остаток цистеина консервативного остатка Lys-148, расположенного вблизи активного центра фермента и экспонированного на молекулярной поверхности белка. Введенный остаток цистеина модифицировался п-хлормеркурибензоатом или поли (2-гидроксиэтил-метакрилатом), что вызывало явное снижение или полную потерю активности фермента. Она может быть в разной степени ренатурирована обработкой модифицированного белка восстанавливающими реагентами. Указанная обработка вызывает диссоциацию модификаторов (п-хлормеркурибензоатом или поли (2-гидроксиэтил-метакрилатом)) от фермента с восстановлением его активности. Таким образом, предлагается новая стратегия эффективного контроля белковой активности на разных уровнях сайт-специфического конъюгирования фермента с малыми молекулами и полимерами [8].

Следует отметить, что модификация бычьей панкреатической рибонуклеазы гидрофильным поли[N-(2-гидроксипропил)метакриламидом] позволила получить белковые конъюгаты (с классическим и звездчатым полимером), обладающие выраженной антиопухолевой активностью (на модели меланомы у мышей), реализуемой после 10 внутривенных введений доз 5 или 1 мг/кг (соответственно) [9].

Влияние низко-, высокомолекулярных, наноструктурных модификаторов на свойства ферментов и вопросы продвижения таких производных

Появление множества модифицированных ферментов лечебного назначения обусловлено многообразием используемых для их получения модификаторов и способов модификации (низко- и высокомолекулярных соединений, связывания ферментов друг с другом, создания наноансамблей). При этом перспектива объединения малых молекул и биологических лекарств затруднена необходимостью одновременного рассмотрения как их аналитических параметров, так и регулирующего законодательства для разрабатываемых конъюгатов антитело-лекарство [10]. Обсуждаются параметры идентичности проб производного для тестирования и контроля качества, эффект действенности конъюгатов, их гетерогенность, допустимость примесей, референсные стандарты, определение разных видов стабильности и др. Развитие технологий конъюгатов антитело-лекарство опирается на использование коротких связывающих (линкерных) молекул, присоединение к антителу от 3 до 7 молекул лекарства, безопасность получения целевых продуктов [11]. Сложность конъюгирования белков с синтетическими наноносителями может упрощаться использованием полиэтиленгликоль (ПЭГ)-функциональных наноструктур, связанных с биспецифическими антителами [12]. Двойная специфичность этих антител к метокси-ПЭГ-эпитопам и мишеням раковой патологии (как рецептор эпидермального фактора роста) приводит к тому, что они лучше накапливаются опухолевыми клетками в сравнении с ненацеленными наноматериалами.

Разнообразные методы модификации ферментов улучшают фармакологические свойства белков (увеличивают время их полужизни в кровотоке, накапливают в очаге поражения, «прививают» полезную сопутствующую лечебному действию активность и др.) и устраняют недостатки (сниженную стабильность in vivo, повышенную ингибируемость, заметную иммуногенность и др.). Метоксиполиэтиленгликоль п-нитрофенил-карбонат (с молекулярной массой 5 kDa) был использован для модификации лизоцима с сохранением его значимой остаточной активности (77%), молекулярной структуры, устойчивости к протеолизу и стабильности при 50 °C [13]. Сверхэкспрессия гиалуронансинтазы 3 способствовала ускоренному росту раковой опухоли панкреатической железы с избыточным внеклеточным накоплением гиалуронана [14]. Конъюгат пэгилированной рекомбинантной гиалуронидазы человека ингибировал эти изменения (наблюдалось снижение адгезии эпителиальных клеток) и подавлял опухолевый рост. Для повышения молекулярной гомогенности получаемого продукта (благодаря осуществлению специфического взаимодействия с Gln, представленным обычно одним или двумя остатками в аминокислотной цепи выбранного белка) предлагается метод ферментативного пэгилирования белков трансглутаминазой [15]. Систему направленной доставки цитостатиков получали на основе комбинации Zn-порфирин-циклодекстринового носителя и иммуноглобулинов, образующих супрамолекулярный координационный комплекс [16]. На мышиной модели С32 карциномы человека были показаны его терапевтические преимущества перед эффектом составляющих его компонентов. Новую иммуногенную систему для технологического производства вакцин получали ковалентным присоединением бычьего сывороточного альбумина к поли (N-изопропилакриламид-ко-акриловой кислоте) с использованием водорастворимого карбодиимида [17]. В зависимости от соотношения весовых концентраций альбумина и полимерного носителя образуется два типа конъюгатов: белок в плотном полимерном окружении в структуре частицы конъюгата или частицы конъюгата, имеющие более рыхлую структуру, в которой белок практически экспонирован в растворитель. Ковалентное присоединение низкомолекулярного гепарина к Cu, Zn-супероксиддисмутазе способствовало получению ферментного термостабильного конъюгата с резистентностью к действию низких и высоких значений рН среды и устойчивостью к трипсиновому протеолизу [18]. Для преодоления резистентности к действию рекомбинантной аргининдеиминазы при аргинин-ауксотрофическом раке использовали конъюгирование этого фермента с С-концом гепаринсвязывающего гемагглютининового белка адгезии через N-сукцинимидилпиридилдитиопропионат (SPDP) или рекомбинантным сочетанием компонентов [19]. В результате клеточный захват конъюгатов увеличивался, что восстанавливало эффективность лечения аргининдеиминазой на MCF-7-клетках. Подобные конъюгаты могут выступать как новый класс антиопухолевых ферментов с внутриклеточным механизмом действия, независимым от экспрессии аргининсукцинатсинтетазы. Для повышения внутривенной доставки L-аспарагиназы этот фермент ковалентно конъюгировали с жирными кислотами (с длиной цепи С12, С16 и С22) [20]. Конъюгированная аспарагиназа оказалась более резистентной к протеолизу, более стабильной при разных значениях рН и имела пролонгированное время полужизни в сравнении с нативной формой, что перспективно для биомедицинского исследования такого производного.

Интересный метод получения in vivo конъюгата альбумина с пептидным ингибитором продемонстрирован после модификации пептида 3-малеимидопропионовой кислотой [21]. Такая модификация придает пептиду способность взаимодействовать с тиольной группой альбумина посредством малеимида с образованием специфического 1:1 пептид-альбуминового конъюгата. Внутривенно введенный крысам модифицированный пептид оказался конъюгированным in vivo с эндогенным альбумином, открывая перспективу апробации указанного способа получения конъюгатов в самом организме с долгодействующим, безопасным и эффективным пептидным ингибитором. Это обещает достоверное снижение стоимости лечения, улучшенное воздействие на патологический процесс и повышение качества жизни пациента [21].

Разнообразные методы модификации ферментов (химических и генно-инженерных) позволили получить совокупность модифицированных белковых средств медицинского назначения. Ковалентное связывание ферментов с полимерами или малыми молекулами повышает стабильность [2, 3, 5, 13], время их удержания в кровотоке [14, 15, 17] и направлено против разнообразных патологий. Эффект первого уровня, т. е. определенный на начальных этапах последовательного изучения, проявляется благодаря многоточечному (мультиконтактному) взаимодействию белковой молекулы с модификатором. В результате модификации ферментов высокомолекулярными соединениями происходит протяженная «обшивка» их структуры полимерами, увеличивающая стабильность структуры ферментных производных. По центрам белковой модификации низкомолекулярными соединениями могут развиваться дополнительные взаимодействия, повышающие эффективность лечебного использования таких производных. Направленный мутагенез оптимизирует аминокислотный состав белковой цепи, а воздействие наноструктур способствует дозированному выделению активного начала и приданию терапевтическому производному новых полезных свойств. Достижение этого эффекта не имеет пока универсальных принципов осуществления и проверяется эмпирически. Для выявления общих правил конструирования лечебных ферментных средств применяются методы компьютерного моделирования. Экспериментальная оценка данных модификации ферментов связана с тем, что при этом может происходить как стабилизация биокатализатора, так и инактивация ферментов, вызванная воздействием агентов микроокружения (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое представление развития необратимых конформационных изменений молекулы бычьей тестикулярной гиалуронидазы при взаимодействиями с гексасахаридами (тримерами) хондроитинсульфата. Вхождение тримеров хондроитинсульфата (обозначенных как cs4 и cs6) в зону активного центра фермента (на рисунке показано их расположение до и после вхождения) ведет к перемещению ответственных за катализ аминокислотных остатков E149 и D147 на периферию молекулы биокатализатора, деформации его активной структуры и инактивации.
Расчетным исследованием in silico доказано, как структура нативной бычьей тестикулярной гиалуронидазы (рис. 2)
Рис. 2. Вид трехмерной структуры нативной бычьей тестикулярной гиалуронидазы. На 3D-модели фермента показано расположение аминокислотных остатков лизина, аргинина, глутаминовой и аспарагиновой аминокислот. Шесть остатков лизина первого уровня доступа (наиболее доступных для поверхностной модификации фермента) окрашены в зеленый цвет.
в результате достижения высокой степени ее модификации полимерным хондроитинсульфатом (посредством многоточечного взаимодействия — рис. 3)
Рис. 3. Иллюстрация 3D-модели бычьей тестикулярной гиалуронидазы, ковалентно модифицированной двумя цепями хондроитинсульфата (представлен в виде сетчатого образования). Структура фермента (в ленточном виде и в форме отрезков) стабилизируется и экранируется полимерными формами хондроитинсульфата (указанного на рисунке как ХС) от неблагоприятных воздействий. Образование представленного конъюгата достигается глубокой модификацией биокатализатора по его 19 поверхностным остаткам лизина.
стабилизирует модифицированную форму фермента [22], укрепляя его структуру и экранируя от неблагоприятных воздействий ингибитора. Более того, в зависимости от топографии молекулярной структуры белка центры присоединения модификатора подразделяются на несколько уровней доступа для модифицирующего взаимодействия. Получение in silico методом гомологичного моделирования 3D-модели бычьей тестикулярной гиалуронидазы позволяет проводить ее расчетный докинг с гликозаминогликановыми лигандами (рис. 4)
Рис. 4. Иллюстративное представление восьми центров связывания хондроитинсульфатных лигандов (обозначенных как cs1, cs2, cs3 и т. д.) на молекулярной поверхности 3D-модели бычьей тестикулярной гиалуронидазы. Ее белковая цепь обозначена желтым цветом с указанием величин свободных энергий связывания лигандов при 0 град К. Додекамерный фрагмент субстрата — гиалуронан (HA12) приведен в центре изображения (главная ось инерции гиалуронана направлена по вертикали), он погружен в область активного центра бычьей тестикулярной гиалуронидазы (ее ось инерции направлена по горизонтали).
[23]. Обнаружение при этом перехода обратимого ингибирования биокатализатора в необратимое указывает на наличие в структуре фермента возможных пороговых взаимодействий, выявление которых значимо для направленной регуляции функционирования гиалуронидазы на сосудистой стенке и составления экспериментально проверяемых рекомендаций получения новых модифицированных ферментных средств терапевтического назначения.

Для снижения потерь ферментативной активности при модификации предлагаются мягкие методы ее проведения, регулирование активности на разных стадиях сайт-специфического конъюгирования [8] и проведение связывания компонентов in vivo (в самом организме) [21] с сохранением достоверной фармакологической активности лекарственного начала. Именно остаточная активность определяет перспективность разработки новых модифицированных белковых терапевтических средств.

Таким образом, использование разнообразных модификаторов направлено на сохранение ферментами их каталитически активной структуры для достижения достоверной и высокой лечебной эффективности этих производных. Обилие и широта накопленных результатов такой базы данных модификации ферментов позволяет целенаправленно использовать ее для получения конкретных производных биокатализаторов с тщательным контролем их иммунологических и токсичных свойств в рамках комплексных биофармацевтических разработок.

Возможность ликвидации и блокирования отмеченных выше клинических нарушений разрабатываемыми биохимическими средствами повышает значимость методов вычислительной химии в конструировании новых лекарственных производных высокомолекулярной природы.

Ферментные производные, противодействующие окислительному стрессу

Развитие многих патологий инициируется и сопровождается окислительным стрессом. Это обусловило интенсивное исследование и применение антиоксидантов, особенно в кардиологии. Наиболее эффективными являются антиоксидантные ферменты — супероксиддисмутаза (СОД), каталаза (КАТ), глутатионпероксидаза [3, 24]. Обнаружена связь между сосудистым воспалением, дисфункцией эндотелия, риском сердечно-сосудистых нарушений и окислительным стрессом [25]. Отмечаются патофизиологическая роль окислительного стресса при систолической и диастолической сердечной недостаточности [26], действие окислительного стресса как ключевого механистического медиатора при гипертензии [27]. Снижение окислительного стресса у пациентов с инфарктом миокарда с подъемом ST-сегмента на электрокардиограмме (STEMI) способствовало эффективности применяемой терапии [28].

Для усиления антиоксидантного эффекта против патологического действия окислительного стресса СОД и КАТ были модифицированы фолиевой кислотой посредством ее активации карбодиимидом. В результате увеличились захват модифицированных ферментов активированными макрофагами и активность биокатализаторов [29]. Повышение термостабильности СОД, ее устойчивости к действию экстремальных рН, трипсинолиза достигалось модификацией фермента низкомолекулярным гепарином [18]. Лечение диабетических крыс конъюгатами СОД с полимерами укрепляло антиоксидантный статус животных [30]. Достоверное снижение травматического мозгового поражения у мышей было достигнуто после введения конъюгата каталазы с антителами против молекулы межклеточной адгезии-1 (по сравнению с действием каталазы и антител по отдельности) [31]. Отмеченные подходы нацелены на получение модифицированных форм на основе антиоксидантного биокатализатора одного вида.

С развитием нанотехнологий для предупреждения и ослабления окислительного стресса стали предлагаться супрамолекулярные ансамбли с разной антиоксидантной активностью [32]. Они служат для доставки антиоксидантных ферментов, проявления эффекта собственной антиоксидантной активности и ограничения пространства антиоксидантных взаимодействий. Комбинации биомолекул в таких ансамблях обеспечивают их мультифункциональность, быстродействие и нацеленность на очаг поражения. Для предупреждения нейродегенеративных заболеваний предлагаются наночастицы с антиоксидантной активностью [33]. Это новый этап развития антиоксидантной терапии для предупреждения и лечения заболеваний, сопровождающихся окислительным стрессом.

Обнаружена КАТ- и СОД-активность антител (IgG) у пациентов с вторично-прогредиентной формой рассеянного склероза как компенсаторный ответ на снижение активности антиоксидантных ферментов в клетках больных с этим заболеванием нервной системы [34]. Подчеркнем значимость интервала эффективных доз антиоксидантов, поскольку обработка ими (в больших концентрациях) клеточных культур (мезенхимальные стволовые клетки эндометрия человека) на стадии G0/G1 клеточного цикла замедляет инициацию синтеза ДНК и блокирует клетки в поздней G1-фазе цикла без генотоксического эффекта [35]. При антиоксидантной обработке клеток на стадии синтеза ДНК происходит дозозависимое образование разрывов ДНК, замедление стадии синтеза и блокирование клеток в фазе G2/M. Отмеченный генотоксический эффект пролиферирующих клеток позволяет авторам вводить понятие антиоксидантного стресса, когда понижение физиологически обусловленного уровня активных форм кислорода в клетках с увеличенным уровнем антиоксидантов приводит к нарушению системного сигналинга и регуляции жизненно важных процессов.

Для нацеленной доставки СОД и КАТ к эндотелию используется специфический наноноситель PACkET [36]. КАТ, встроенная в PACkET, эффективно защищает эндотелиальные клетки от повреждения пероксидом водорода, смягчает отек легких и уменьшает инфильтрацию лейкоцитов на мышиной модели легочного поражения, вызванного эндотоксином. СОД, связанная с PACkET, смягчает индуцированную цитокинами провоспалительную активацию эндотелия и вызванное эндотоксином воспаление легких. Получение нанозима электростатическим связыванием СОД 1 с катионным блок-сополимером (поли (L-лизин)-поли (этиленгликоль)) с последующим ковалентным сшиванием комплекса натриевой солью 3,3’-дитиобис (сульфосукцинимидилпропионата) позволило получить производное, более эффективное (в сравнении с нативным ферментом) в снижении проявлений увеита у кроликов [37]. Результаты перспективны для потенциального лечения глазных воспалительных нарушений. Использование наноносителей оказалось продуктивным для повышения эффективности экспериментальной терапии как отдельными видами ферментов, так и их комбинациями.

Сочетанное применение антиоксидантных биокатализаторов более эффективно, чем по отдельности. Это обусловлено большей глубиной антиоксидантного действия комбинации ферментов и получением при этом вполне безопасных продуктов. Сопряженное действие СОД и КАТ ведет к нейтрализации супероксид-радикала и детоксификации пероксида водорода с образованием молекулярного кислорода и воды:

Конъюгирование СОД с КАТ через гликозаминогликан эндотелиального гликокаликса хондроитинсульфат привело к получению биферментного производного супероксиддисмутаза-хондроитинсульфат-каталаза (СОД-ХС-КАТ) внеклеточного действия [38]. Полученный конъюгат обладал сопряженной активностью антиоксидантных ферментов СОД и КАТ, связанных друг с другом через ХС, содержание которого в зонах атеросклеротического поражения сосудов заметно увеличивается, способствуя сродству биферментного производного к потенциальным очагам атеросклеротического и воспалительного поражения сосудистой стенки. Надмолекулярная структура СОД-ХС-КАТ определила его в разряд нанообъектов. Физические, химические, биологические свойства нанообъектов приобретают уникальный, а иногда и неожиданный характер, в частности из-за квантово-механического эффекта, привносимого этими структурами. Приобретенная биферментным конъюгатом надмолекулярная структура превращала его в наночастицу, свойства которой зависели от ее молекулярного размера. Производное СОД-ХС-КАТ ингибировало агрегацию тромбоцитов, индуцированную различными по механизму действия агентами (аденозиндифосфатом, серотонином, пептидным агонистом тромбинового рецептора), тогда как нативные СОД и КАТ, свободный ХС таким эффектом не обладали [38]. Вклад в ингибирование тромбоцитарной агрегации вносила и ферментативная активность СОД-ХС-КАТ, и приобретенная им наноструктура. В отношении агрегации тромбоцитов наноконъюгат СОД-ХС-КАТ проявил свойства наночастицы. Отмечалось и высокое антитромботическое действие производного: его эффективность проявлялась в дозах, на два порядка меньших, чем для нативных СОД и КАТ, и на порядок меньших для их модифицированных ХС-форм, введенных как по отдельности, так и в смеси. Важно подчеркнуть, что ковалентное конъюгирование СОД с КАТ обеспечивало одновременное присутствие СОД- и КАТ-активности в очаге поражения, что не достигалось при введении разнообразных смесей ферментных производных [39]. Повышенная выживаемость животных при эндотоксическом шоке у крыс (индуцированном внутривенным болюсом липополисахарида) наблюдалась при использовании биферментного конъюгата СОД-ХС-КАТ, причем не только при превентивном, но и при лечебном (введение терапевтика после введения липополисахарида) режиме его поступления в организм [40]. Эти результаты существенно расширяли границы потенциального медицинского применения ферментных производных, сходных с конъюгатом СОД-ХС-КАТ.

Интерес к получению многоферментных ансамблей имеет свою историю. Известно приготовление конъюгата трипсина и химотрипсина (в молекулярном соотношении 1:1) посредством их связывания N-сукцинимидилпиридилдитиопропионатом [41], что повышало устойчивость производного к трипсинолизу. Сходным образом конъюгировали энолазу с фосфоглицератмутазой [42]. Сшивкой глутаровым альдегидом получали конъюгат СОД-КАТ, проявивший защитное действие против ишемии (реперфузии) на изолированном сердце крысы [43]. Для защиты гемоглобина против воздействия свободных радикалов (при пересадке клеток с кислородной поддержкой посредством применения белкового производного) был получен конъюгат гемоглобина с антиоксидантными ферментами СОД и КАТ благодаря присоединению этих компонентов друг к другу с помощью дикарбоксиметилированного полиэтиленгликоля [44]. Полученный аддукт отличали высокое значение молекулярной массы (около 1000 kDa) и заметная остаточная активность СОД- (70%) и КАТ- (90%) компонентов. Для придания получаемым белковым ансамблям способности проникать в клетки стали использовать технологии генной и белковой инженерии. Соэкспрессией соединенных генов удалось получить трехфункциональный белковый конъюгат с активностью Mn-СОД, КАТ и способностью вхождения в клетки [45]. Рекомбинантный химерный белок, обладающий пероксидазной и СОД-активностью, проявил кардиопротекторные свойства на изолированном сердце крысы с модельным окислительным стрессом, вызванным пероксидом водорода [46, 47]. Кардиопротекторный эффект подтверждался нормализацией частоты сердечных сокращений, поддержанием контрактильной функции миокарда и предупреждением губительного действия окислительного стресса. Благодаря снижению уровня окислительного стресса у мышей (индуцированного ионизирующим излучением в летальных дозах 5—10 Гр) посредством внутривенного введения экзогенного пероксиредоксина-6 был продемонстрирован радиопротекторный эффект [48]. Значение фактора изменения дозы составило 1,45. Экзогенные пероксиредоксины обнаружили высокую эффективность защиты клеток костного мозга и быстрого восстановления форменных элементов крови после воздействия ионизирующего излучения. Представленные данные демонстрируют развитие подходов по внеклеточной и внутриклеточной защите от окислительного стресса модифицированными белковыми производными, полученными методами химического и биологического синтеза. Следует подчеркнуть тенденцию к заметному увеличению их молекулярных размеров и включению биокатализаторов в мультиферментные ансамбли.

Заключение

Исследование и разработка модифицированных производных белков медицинского назначения интенсивно ведутся для облегчения течения и устранения многих нозологий. Заметны достижения в изучении конъюгатов антитело-лекарство и мультиферментных ансамблей. После включения модифицированных биокатализаторов в клиническую практику тромболитической терапии [49], углубления исследований сосудистой стенки [50] заметнее стали успехи в биомедицинской разработке модифицированных ферментных антиоксидантов. Их отличают положительные результаты в коррекции метаболических нарушений кардиологического профиля. Исследования разных групп модифицированных ферментов и белков имеют тенденцию к увеличению молекулярных размеров изучаемых производных и соединению ферментов в мультикомпонентные комплексы и ансамбли.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 15−04−03584 и 18−015−00056) и Министерства здравоохранения Российской Федерации.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Максименко Александр Васильевич — д.б.н., проф., ведущий научный сотрудник отдела биоинженерных технологий и поддержки научных исследований Института экспериментальной кардиологии ФГБУ «НМИЦ кардиологии» Минздрава России; e-mail: alex.v.maks@mail.ru; тел.: +7(495)414-6025; факс: +7(499)726-3116

Список литературы:

  1. Чазов Е.И., Смирнов В.Н., Торчилин В.П. Направленный транспорт лекарств: проблемы и перспективы. Журнал Всесосюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1987;XXXII(5):485-487.
  2. Maksimenko AV, Tischenko EG. New thrombolytic strategy: bolus admiÂnistration of tPA and urokinase-fibrinogen conjugate. Journal of Thrombosis and Thrombolysis. 1999;7(3):307-312. https://doi.org/10.1023/A:1008939428688
  3. Maksimenko AV. Experimental antioxidant biotherapy for protection of the vascular wall by modified forms of superoxide dismutase and catalase. Current Pharmaceutical Design. 2005;11(16):2007-2016. https://doi.org/10.2174/1381612054065756
  4. Maksimenko AV. Development and application of targeted therapeutic protein conjugates. Russian Journal of General Chemistry. 2014;84(2):357-363. https://doi.org/10.1134/S1070363214020376
  5. Van Geel R, Wijdeven MA, Heesbeen R, Verkade JM, Wasiel AA, van Berkel SS, van Delft FL. Chemoenzymatic conjugation of toxic payloads to the globally conserved N-glycan of native mAbs provides homogenous and highly efficacious antibody-drug conjugates. Bioconjugate Chemistry. 2015;26(11):233-2242. https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.5b00224
  6. Ong GL, Ettenson D, Sharkey RM, Marks A, Baumal R, Goldenberg DM, Matters MJ. Galactose-conjugated antibodies in cancer therapy: properties and principles of action. Cancer Research. 1991;51(6):1619-1626.
  7. Nakamura S, Kato A. Multi-functional biopolymer prepared by covalent attachment of galactomannan to egg-whight proteins through naturally occurring Maillard reaction. Die Nahrung. 2000;44(3):201-206. https://doi.org/10.1002/15213803(20000501)44:<201::AID-FOOD201>3.0.CO;2-S
  8. Wang L, Yuan L, Wang H, Liu X, Li X, Chen H. New strategy for reversible modulation of protein activity through site-specific conjugation of small molecule and polymer. Bioconjugate Chemistry. 2014;25(7):1252-1260. https://doi.org/10.1021/bc5000934
  9. Soucek J, Pouchkova P, Gtrohalm J, Plocova D, Hlouskova D, Zadinova M, Ulbrich K. Poly[N-(2-hydroxypropyl)methacrylamide] conjugates of bovine pancreatic ribonuclease (RNase A) inhibit growth of human melanoma in nude mice. Journal of Drug Targeting. 2002;10(3):175-183. https://doi.org/10.1080/10611860290022606
  10. Harris J, Jacobson F, Jocheim C, Amphlett G, Francissen K, McLeod L. Uniting small-molecule and biologic drug perspectives: analytical characterization and regulatory consideration for antibody-drug conjugates. BioProcess International. 2015;13(8):4-14.
  11. Wooge C. Process challenges of antibody-drug conjugates. BioProcess International. 2014;12(suppl 3):28-31.
  12. Howard CB, Fletcher N, Honston ZH, Fuchs AV, Boase NR, Simpson JD, Raftery LJ, Ruder T, Jones ML, de Bakker CJ, Mahler SM, Thurecht KJ. Overcomong instability of antibody-nanomaterial conjugates: next generation targeted nanomedicines using bispecific antibodies. Advanced Healthcare Materials. 2016;5(16):2055-2068. https://doi.org/10.1002/adhm.201600263
  13. Freitas DS, Abrahao-Neto J. Biochemical and biophysical characterization of lysozyme modified by PEGylation. International Journal of Pharmaceutics. 2010;393(1-2):111-117. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2010.03.036
  14. Kultti A, Zhao C, Singha NC, Zimmerman S, Osgood RJ, Symons R, Jiang P, Li X, Thompson CB, Infante JR, Jacobetz MA, Tuveson DA, Frost GI, Shepard HM, Huang Z. Accumulation of extracellular hyaluronan by hyaluronan synthase 3 promotes tumor growth and modulates the pancreatic cancer microenvironment. BioMed Research International. 2014; Article ID 817613. https://doi.org/10.1115/2014/817613
  15. Mero A, Schiavon M, Veronese FM, Pasut G. A new method to increaseselectivity of transglutaminase mediated PEGylation of salmon calcitonin and human growth hormone. Journal of Controlled Release. 2011;154(1):27-34. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2011.04.024
  16. Kejik Z, Briza T, Kralova J, Pouchkova P, Kral A, Martasek P, Kral V. Coordination conjugates of therapeutic proteins with drug carriers: a new approach for versatile advanced drug delivery. Bioorganic and Medicinal CheÂmistry Letters. 2011;21(18):5514-5520. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2011.06.101
  17. Dilgimen AS, Mustafaeva Z, Demchenko M, Kaneko T, Osada Y, Mustafaev M. Water-soluble covalent conjugates of bovine serum albumin with anionic poly(N-isopropyl-acrylamide) and their immunogenicity. Biomaterials. 2001;22(17):2383-2392. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(00)00425-7
  18. Zhang HW, Wang FS, Shao W, Zheng XL, Qi JZ, Cao JC, Zhang TM. CharaÂcterization and stability investigation of Cu,Zn-superoxide dismutase covalently modified by low molecular weight heparin. Biochemistry (Moscow). 2006;71(suppl 1):96-100. https://doi.org/10.1134/s0006297906130165
  19. Wu FL, Yeh TH, Chen YL, Chiu YC, Cheng JC, Wei MF, Shen LG. Intracellular delivery of recombinant arginine deiminase (rADI) by heparin-binding hemagglutinin adhesion peptide restores sensitivity in rADI-resistant cancer cells. Molecular Pharmaceutics. 2014;11(8):2777-2786. https://doi.org/10.1021/mp5001372
  20. Ashrafi H, Amini M, Mohammadi-Samani S, Ghasemi Y, Azadi A, Tabanden MR, Kamali-Sarvestani E, Daneshamouz S. Nanostructure L-asparaginase-fatty acid bioconjugate: synthesis, preformulation study and biological assessment. International Journal of Biological Macromolecules. 2013;62:180-187. https://doi.org/10.1016/j.biomac.2013.08.028
  21. Xie D, Yao C, Wang L, Min W, Xu J, Xiao J, Huang M, Chen M, Liu B, Li X, Jiang H. An albumin-conjugated peptide exhibits potent anti-HIV activity and long in vivo half-life. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2010;54(1):191-196. https://doi.org/10.1128/AAC.00976-09
  22. Максименко А.В., Турашев А.Д., Бибилашвили Р.Ш. Стратификация центров присоединения хондроитинсульфата к ферменту на 3D-модели бычьей тестикулярной гиалуронидазы и эффективный размер гликозаминогликановой оболочки модифицированного белка. Биохимия. 2015;80(3):348-357. https://doi.org/10.1134/S0006297915030049
  23. Максименко А.В., Бибилашвили Р.Ш. Конформационные переходы на 3D-модели бычьей тестикулярной гиалуронидазы при молекулярном докинге с гликозаминогликановыми лигандами. Биоорганическая химия. 2018;44(2):147-157. https://doi.org/10.1134/S1068162018020048
  24. Maksimenko AV, Vavaev AV. Antioxidant enzymes as potential targets in cardioprotection and treatment of cardiovascular diseases. Enzyme antioxidants: the next stage of pharmacological counterwork to the oxidative stress. Heart International. 2012;7(1):14-19. https://doi.org/10.4081/hi2012.e3
  25. Siti HN, Kamisah Y, Kamsah J. The role of oxidative stress, antioxidants and vascular inflammation in cardiovascular disease. Vascular Pharmacology. 2015;71:40-56. https://doi.org/10.1016/j.vph.2015.03.005
  26. Münzel T, Gori T, Keaney JF., Jr, Maack C, Daiber A. Pathophysiological role of oxidative stress in systolic and diastolic heart failure and its therapeutic implications. European Heart Journal. 2015;36(38):2555-2564. https://doi.org/10.1093/eurheart/ehv305
  27. Brito R, Castillo G, Gonzalez J, Valls N, Rodrigo R. Oxidative stress in hypertension: mechanisms and therapeutic opportunities. Experimental and Clinical Endocrinology and Diabetes. 2015;123(6):325-335. https://doi.org/10.1055/s-0035-1548765
  28. Ekelof S, Jensen SE, Rosenberg J, Gögenur I. Reduced oxidative stress in STEMI patients treated by primary percutaneous coronary intervention and with antioxidant therapy: a systematic review. Cardiovascular Drugs and Therapy. 2014;28(2):173-181. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.06.054
  29. Lee S, Murthy N. Targeted delivery of catalase and superoxide dismutase to macrophages using folate. Biochemical and Biophysical Research Communications. 2007;360(1):275-279. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.06.054
  30. Mansuroglu B, Derman S, Yaba A, Kizilbey K. Protective effect of hemically modified SOD on lipid peroxidation and antioxidant status in diabetic rats. International Journal of Biological Macromolecules. 2015;72:79-87. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.07.039
  31. Lutton EM, Razmpour R, Andrews AM, Canella LA, Son YJ, Shuvaev VV, Muzykantov VR, Ramirez SH. Acute administration of catalase targeted to ICAM-1 attenuates neuropathology in experimental traumatic brain injury. Scientific Reports. 2017;7(1):3846-3860. https://doi.org/10.1038/s41598-017-03309-4
  32. Richard PU, Duskey JT, Stolarov S, Spulber M, Palivan CG. New concepts to fight oxidative stress: nanosized three-dimensional supramolecular antioxidant assembles. Expert Opinion on Drug Delivery. 2015;12(9):1527-1545. https://doi.org/10.1517/17425247.2015.1036738
  33. Sandhir R, Yadav A, Sunkaria A, Singhal N. Nano-antioxidants: an emerging strategy for intervention against neurodegenerative conditions. Neurochemistry International. 2015;89:209-226. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2015.08.011
  34. Кротенко Н.М., Смирнова Л.П., Меднова И.А., Синянский Л.Е., Кротенко Н.Р., Иванова С.А. Каталазная и супероксиддисмутазная активность абзимов пациентов с рассеянным склерозом. Acta Naturae. 2016; 2:180. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/m/pubmed/
  35. Люблинская О.Г., Смирнова И.С., Пуговкина Н.А., Корниенко Ю.С., Зенин В.В., Никольский Н.Н. Ответ мезенхимальных стволовых клеток эндометрия человека на антиоксидантный стресс. Acta Naturae. 2016;2:51. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/m/pubmed/
  36. Hood ED, Chorny M, Greineder CF, Alferiev I, Levy RJ, Muzykantov VR. Endothelial targeting of nanocarriers loaded with antioxidant enzymes for protection against vascular oxidative stress and inflammation. Biomaterials. 2014;35;(11):3708-3715. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.01.023
  37. Kost OA, Beznos OV, Davydova NG, Manickam DS, Nikolskaya II, Guller AE, Binevski PV, Chesnokova NB, Shekhter AB, Klyachko NL, Kabanov AV. Superoxide dismutase 1 nanozyme for treatment of eye inflammation. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016;5194239. https://doi.org/10.1155/2016/5194239
  38. Максименко А.В., Ваваев А.В., Бурячковская Л.И., Мох В.П., Учитель И.А., Лакомкин В.Л., Капелько В.И., Тищенко Е.Г. Биофармакология ферментных конъюгатов: вазопротекторная активность супрамолекулярного производного супероксиддисмутаза-хондроитинсульфат-каталаза. Acta Naturae. 2010;2(4):90-103.
  39. Maksimenko AV, Golubykh VL, Tischenko EG. The combination of modified antioxidant enzymes for anti-thrombotic protection of vascular wall: the significant of covalent connection of superoxide dismutase and catalase activities. The Journal of Pharmacy and Pharmacology. 2004;56(11):1463-1468. https://doi.org/10.1211/0022357044544
  40. Maksimenko AV. Widening and elaboration of consecutive research into therapeutic antioxidant enzyme derivatives. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2016;2016:3075695. https://doi.org/10.1155/2016/3075695
  41. Rajput YS, Gupta MN. A conjugate of trypsin and chymotrypsin. Applied Biochemistry and Biotechnology. 1987;16:201-210. https://doi.org/10.1007/BF02798367
  42. Nazarian KB, Siminian SZ, Kazarian BA, Perez P, Climent F. Purification of enolase and phosphoglycerate mutase from human brain and formation of a bienzymatic complex from them. Biokhimiia. 1995;60(5):746-753. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/m/pubmed/7662801
  43. Mao GD, Thomas PD, Lopaschuk GD, Poznansky MJ. Superoxide dismutase (SOD)-catalase conjugates. Role of hydrogen peroxide and the Fenton reaction in SOD toxicity. The Journal of Biological Chemistry. 1993;268(1):416-420. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/m/pubmed/8380162
  44. Nadithe V, Bae YH. Synthesis and characterization of hemoglobin conjugates with antioxidant enzymes via poly(ethylene glycol) cross-linker (Hb-SOD-CAT) for protection from free radical stress. International Journal of Biological Macromolecules. 2010;47(5):603-613. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2010.08.007
  45. Luangwattananun P, Yamoy S, Eiamphungporn W, Sondtawee N, Bülow L, Ayudhya CI, Prachayasittikul V. Engineering of novel tri-functional enzyme with MnSOD, catalase and cell-permeable activities. International Journal of Biological Macromolecules. 2016;85:451-459. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.01.020
  46. Karaduleva EV, Mubarakshina EK, Sharapov MG, Volkova AE, Pimenov OY, Ravin VK, Kokoz YM, Novoselov VI. Cardioprotective effect of modified peroxiredoxins in retrograde perfusion of isolated rat heart under conditions of oxidative stress. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2016;160(5):639-642. https://doi.org/10.1007/s0026893314040128
  47. Шарапов М.Г., Новоселов В.И., Равин В.К. Получение химерного фермента, совмещающего активность супероксиддисмутазы и пероксидазы. Биохимия. 2016;81(4):571-579. https://doi.org/10.1134/S0006297916040131
  48. Sharapov MG, Novoselov VI, Fesenko EE, Bruskov VI, Gudkov SV. The role of peroxiredoxin 6 in neutralization of X-ray mediated oxidative stress: effects on gene expression, preservation of radiosensitive tissue and postradiation survival of animals. Free Radical Research. 2017;51(2):148-166. https://doi.org/10.1080/10715762.2017.1289377
  49. Максименко А.В. Кардиологические биофармацевтики в концепции направленного транспорта лекарств: практические результаты и исследовательские перспективы. Acta Naturae. 2012;4(3):76-86.
  50. Максименко А.В. Молекулярные аспекты трансляционной кардиологии в исследованиях сосудистой стенки. Кардиология. 2017;57(7):66-79. https://doi.org/10.18087/cardio.2017.7.10008