Белорусские ученые создают лекарства от рака и туберкулеза с помощью ИИ

В поисках белковой мишени

Разрабатывают лекарства с помощью искусственного интеллекта в лаборатории математической кибернетики Объединенного института проблем информатики под руководством члена-корреспондента НАН, профессора Александра Тузикова и профессора, доктора химических наук Александра Андрианова. Здесь сформировано направление, которое объединяет задачи индустрии и фундаментальной науки. Исследовательские проекты охватывают онкологические, вирусные и бактериальные заболевания.

- Группа, работающая над моделированием потенциальных лекарственных препаратов, насчитывает 12 человек, - рассказала корреспонденту "СОЮЗа" научный сотрудник лаборатории математической кибернетики Анна Карпенко.

- Это междисциплинарная команда, в которой объединены компетенции физиков, химиков, биологов, а также специалистов по прикладной математике. Именно на стыке этих знаний рождаются подходы, которые позволяют прогнозировать свойства будущих препаратов.

В основе современной разработки лекарств лежит простая биологическая логика: в организме человека находится большое количество белков, каждый из которых отвечает за свою функцию. Когда один из них или целая группа начинает работать неправильно, возникает заболевание. Первым шагом становится определение процесса, на который нужно влиять, и белка, который за это отвечает.

- Когда мишень определена, появляется следующий вопрос - на какой участок белка следует воздействовать, - уточняет Анна Карпенко. - Белок представляет собой крупную молекулу со сложной структурой, и важно найти именно ту часть, где произошел сбой. Воздействие на другой участок может не только не помочь, но и ухудшить ситуацию. Затем ищем конфигурации будущего лекарственного соединения - фактически этап моделирования.

Генерация новых молекул

Дальше работа делится на два направления. Первое - поиск уже существующих препаратов, которые можно перепрофилировать для других заболеваний. Лекарство, созданное для одной задачи, нередко влияет на другие белковые мишени. Вычислительные методы позволяют оценить, насколько устойчиво оно может связываться с ними и насколько перспективным будет такое взаимодействие. Эта тенденция особенно ценна: препараты, которые уже находятся на рынке, прошли проверку на безопасность, а значит, их повторное использование не требует проведения полного цикла дорогостоящих испытаний.

Второе направление связано с генерацией новых молекул, которые должны точно соответствовать выбранной мишени. На этом этапе в работу активно включается искусственный интеллект: он встроен в вычислительный цикл и помогает формировать необходимый набор свойств, акцентировала Анна Карпенко:

- Исходная точка - характеристики уже известных соединений, действующих на ту же белковую мишень. Если существующее лекарство хорошо связывается с белком, но обладает высокой токсичностью, задача состоит в том, чтобы найти молекулу с аналогичной эффективностью, но более безопасным профилем. Для этого необходимо искать новые химические "коры" - структуры, которые еще не запатентованы и не представлены в базах данных.

После того как искусственный интеллект сгенерирует массив потенциальных соединений, начинается этап фильтрации. Компьютерные методы позволяют исключить повторы, химически некорректные структуры и соединения, которые не имеют смысла с точки зрения дальнейшего синтеза. Затем ученые проводят полный цикл расчетов: оценивают способность молекулы связываться с мишенью, ее токсичность, растворимость и другие ключевые параметры. Эксперимент остается решающим этапом, но современные вычислительные подходы стремятся максимально приблизиться к реальным условиям, чтобы из тысячи вариантов выбрать десяток наиболее перспективных.

Командная работа

Эти проекты белорусские ученые реализуют совместно с коллегами из России и Китая. Так, онконаправление развивается в рамках программы Союзного государства. Здесь рассматриваются несколько наиболее агрессивных видов рака: предстательной и поджелудочной железы, головного мозга, а также рак крови - не самый агрессивный, но хорошо изученный. Задача состоит в подборе соединений, которые могут помогать пациенту на разных этапах борьбы с болезнью.

- Онкология устроена так, что при возникновении опухоли нарушается функция одного белка, затем опухоль мутирует, и сбой происходит уже в соседнем, - объясняет Анна Карпенко. - Есть наиболее распространенные и редкие мутации, но пока ни одно онкозаболевание не имеет набора препаратов, способных работать со всеми вариантами. Исследования находятся на начальной стадии вычислений, однако современные методы анализа биоинформатических и геномных данных позволяют выявлять закономерности, которые в перспективе помогут определить соединения для поддержания пациента на всех этапах лечения.

С коллегами из Шанхая белорусы занимаются направлениями коронавируса и туберкулеза. В области коронавируса уже получены значимые результаты: выполнены два проекта, один из которых посвящен перепрофилированию существующих препаратов. Вычислительные методы позволили выделить пять лекарств, способных специфично связываться с нужной мишенью. Китайские партнеры провели биологические тесты и определили наиболее перспективный препарат, который изначально разрабатывался как противоопухолевый.

Для создания лекарств против туберкулеза понадобилась принципиально новая молекула. В результате удалось получить качественные структуры, которые показали хорошую активность на первичных биологических тестах. Сейчас проводится вторая стадия испытаний.

Кстати

Классический путь от идеи до появления лекарства на полках аптек занимает около 20 лет и требует инвестиций не меньше миллиарда долларов. Поэтому для ускорения и удешевления разработки лекарственных препаратов возникла необходимость их компьютерного моделирования.