Модифицированный фермент поможет избавиться от никотиновой зависимости

Рис. 1. Модифицированный фермент, способный связываться с альбумином, успешно блокирует психоактивное действие никотина. Ассоциат фермента NicA2 с альбумином способствует разрушению никотина, катализируя его окисление в кровеносной системе крысы (левый овал); никотин не попадает животному в мозг (правый овал); никотин не действует на мозг, и физиологическая зависимость не формируется. Графическое резюме обсуждаемой статьи в Chemical Communications

Американские химики усовершенствовали описанный ими два года назад фермент NicA2, катализирующий окисление никотина в неопасное для организма человека вещество — N-метилмиосмин. Модифицированный фермент понижает психоактивное действие никотина, разрушая его в крови до того, как он достигает мозга. Предполагается, что фермент можно будет использовать для лечения никотиновой зависимости.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, болезни, вызванные курением табака, ежегодно уносят жизни шести миллионов человек (WHO Report on the Global Epidemic 2013: enforcing Bans on Tobacco Advertising, Promotion, Sponsorship). А ведь эти болезни так просто было бы предотвратить — достаточно отказаться от этой пагубной привычки.

К сожалению, самостоятельно бороться с никотиновой зависимостью удается далеко не всем, хотя в том, что отказ от курения полезен и для здоровья, и для семейного бюджета, не сомневаются даже заядлые курильщики. Согласно отчету правительства США 2011 года, почти 70% американских курильщиков хотят бросить курить, около половины из них хоть раз в жизни пытались бросить, но полностью преодолеть зависимость смогли не более 6%.

Такой низкий результат связан с особенностями физиологического действия никотина. Во-первых, действуя на никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, никотин способствует увеличению концентрации в организме стимулирующего гормона адреналина, выброс которого приводит к повышению содержания глюкозы в крови, ускорению сердцебиения, увеличению кровяного давления и учащению дыхания. Всё это позволяет человеку на время почувствовать большую концентрацию внимания и ощутить временный прилив сил после выкуренной сигареты (когда это воздействие прекращается, заядлый курильщик, чтобы сконцентрироваться на работе или просто взбодриться, чаще всего автоматически достает из пачки очередную сигарету). Во-вторых, никотин увеличивает концентрацию в отделах головного мозга гормона удовольствия — дофамина, вследствие чего и формируется причинно-следственная связь не только между фактом выкуривания сигареты и повышением работоспособности, но и между сигаретой и связанным с ее курением удовольствием.

В конце концов психологическая зависимость от курения, при которой человек с сигаретой кажется себе взрослее или увереннее или использует лишний перекур, чтобы просто выделить себе дополнительный рабочий перерыв, переходит в физиологическую зависимость от никотина, когда долго обходиться без сигареты уже просто невозможно.

Для лечения физиологической зависимости от никотина в медицине применяют заместительную терапию, цель которой — заставить человека получать ощущения, сходные с получаемыми от курения, но без самого процесса курения. Это нужно, чтобы разрушить у бросающего курить причинно-следственную связь между выкуренной сигаретой и ощущением от воздействия на организм никотина (L. Biener et al., 2006. Impact of Smoking Cessation Aids and Mass Media Among Recent Quitters). Во время такой терапии пациент, постепенно понижая дозу никотина, принимает его из других источников (никотиновые пластыри, жевательные резинки и таблетки), не столь опасных как сигарета, основной вред от которой всё же наносит не сам никотин, а продукты сгорания табака.

Другой вариант никотинзаместительной терапии — прием лекарственных препаратов, связывающихся с теми же рецепторами, что и сам никотин. Но даже самый эффективный на сегодня препарат варениклин, появившийся на рынке в 2006 году, хотя и позволяет уменьшить тягу к курению и понизить эффект получения удовольствия от курения, но при применении в течение шести и более месяцев оказывается всего лишь в три раза эффективнее плацебо (M. McDonough, 2015. Update on medicines for smoking cessation). При этом он имеет неприятные побочные эффекты (симптомы синдрома отмены), такие как тошнота, головная боль и спутанные тревожные сновидения.

Наряду с заместительной терапией курения, которую в общем случае можно назвать стратегией фармакодинамического лечения, в последнее десятилетие появились и начали распространяться методы лечения физиологической зависимости — фармакокинетические. В рамках фармакокинетической стратегии лечения создаются вакцины, стимулирующие выработку антител, специфически связывающих то или иное вещество, вызывающее зависимость. К настоящему времени разработаны вакцины, помогающие выработке антител к кокаину, героину и никотину (K. D. Janda et al., 2012. Vaccines targeting drugs of abuse: is the glass half-empty or half-full?).

Фармакокинетическое лечение зависимостей основано на том, что комплекс, образующийся при взаимодействии антитела и психоактивного вещества, слишком велик для того, чтобы пройти гематоэнцефалический барьер. В результате концентрацию в мозгу вещества, вызывающего зависимость, понижается или замедляется скорость его поступления в мозг. Это, в свою очередь, разрывает у пациента причинно-следственную связь между приемом препарата и его воздействием на организм. К сожалению, как показали клинические эксперименты, эффективность действия вакцин, способствующих выработке антител, связывающихся с никотином, сравнима с плацебо (A. Wolters et al., 2014. Vaccination against smoking: an annotated agenda for debate. A review of scientific journals, 2001–13).

Альтернативой образованию комплекса никотин-антитело является разрушение никотина. В 2016 году Ким Джанда (Kim D. Janda) с коллегами из Исследовательского института Скриппс (Scripps Research Institute) сообщили, что микроорганизм Pseudomonas putida вырабатывает фермент NicA2, катализирующий окисление никотина в неопасное для организма человека вещество— N-метилмиосмин (M. A. Tararina et al., 2016. Structural Analysis Provides Mechanistic Insight into Nicotine Oxidoreductase from Pseudomonas putida). Испытания фермента in vitro дали обнадеживающие результаты, однако при экспериментах на животных оказалось, что способствующий разрушению никотина фермент быстро отфильтровывается почками, его концентрация в крови начинала значительно уменьшаться через 20 часов после введения в организм, а через 70 часов он практически полностью выводился из организма (рис. 2).

В новой работе Джанде с коллегами удалось изменить фермент NicA2, замедлив его вывод из организма. В 2016 году с помощью рентгеноструктурного анализа  было установлено, какие аминокислотные остатки фермента NicA2 участвуют в образовании комплекса фермент-субстрат с никотином, а какие нет. Оказалось, что располагающиеся с аминоконца фермента 52 аминокислотных остатка не принимают участие в окислении никотина (M. A. Tararina, K. D. Janda, K. N. Allen, 2016. Structural Analysis Provides Mechanistic Insight into Nicotine Oxidoreductase from Pseudomonas putida). Исследователи заменили 50 аминокислотных остатков новой аминокислотной последовательностью, которая позволяла измененному ферменту, получившему название NicA2-J1, связываться с альбумином — самым распространённым белком в крови человека, который к тому же может не выводиться из организма десятки суток (рис. 2).

Рис. 2. Изменение концентрации фермента NicA2 (синяя линия) и его модификации NicA2-J1, способной ассоциироваться с альбумином (красная линия), в сыворотке крови крыс. График из обсуждаемой статьи в Chemical Communications

Исследователи выясняли каталитические свойства модифицированного фермента. Для этого они in vitro изучали реакцию окисления никотина, измеряя концентрации никотина и продукта его окисления — N-метилмиосмина. Измерения показали, что и фермент NicA2, и его модифицированная версия NicA2-J1 представляют собой катализаторы окисления никотина, работающие с одинаковой эффективностью. Таким образом, удаление 50 аминокислотных остатков с N-конца и введение фрагментов, облегчающих связывание с альбумином, не повлияло на свойства активного центра фермента, в котором и происходит окисление никотина.

Таким образом исследователям удалось получить ассоциат фермента, окисляющего никотин, с альбумином (рис. 3), скорость вывода которого из организма значительно замедлялась. Так, период полувыведения из организма NicA2 составляет 25 часов, а NicA2-J1 — 128 часов.

Рис. 3. Ассоциат NicA2-J1 (продукт сочетания фермента NicA2 с альбумином). Слева, зеленые, голубые и коричневые спирали — фрагмент альбумина (его вторичная структура в основном представлена именно альфа-спиралями). Справа, красный, желтый, синий — фермент с его активным центром; он связан с синей геометрической фигурой из шести- и пятиугольника — никотином. Видно, что там, где нарисован никотин, уже меньше спиралей и лент; это потому, что оба типа вторичной структуры белка (и спирали, и складки) симметричны, а активному центру фермента для работы нужна асимметрия. Рисунок с сайта chemistryworld.com

Чтобы проверить, будет ли модифицированная версия фермента разрушать никотин, исследователи провели эксперимент на животных. В организм крыс в течение семи дней с помощью осмотических мини-насосов вводили никотин из расчета 3,16 мг на килограмм веса грызуна в день (средняя летальная доза никотина для человека — 0,5–1 мг/кг, для крыс — 140 мг/кг через кожу, для мышей — 0,8 мг/кг внутривенно и 5,9 мг/кг при внутрибрюшинном введении). После накопления в крови крыс никотина им ежедневно вводили дозы модифицированного фермента NicA2-J1 (10 мг на килограмм). Через один день и через пять дней от начала уколов с NicA2-J1 у крыс брали образцы крови, на седьмой день подопытных животных умертвили и взяли образцы тканей мозга. Анализы показали, что у крыс, получавших «терапию» экспериментальным ферментом, никотин не обнаруживается ни в тканях мозга, ни в крови, причем уже с первого дня введения NicA2-J1. У контрольной группы грызунов, не получавших новый препарат, никотин содержался и в крови, и в мозге.

Джанда предполагает продолжить работу над совершенствованием модификации фермента, чтобы еще больше замедлить скорость его вывода из организма, а также чтобы убрать те аминокислотные остатки и их комбинации, которые могут спровоцировать у человека нежелательный иммунный отклик, приводящий к аллергической реакции.

Источник: Harriet Brewerton. Nicotine degrading enzyme could help smokers quit // Chemistry World. 13 January 2018.

См. также:
Song Xue, Marsida Kallupi, Bin Zhou, Lauren C. Smith, Pedro O. Miranda, Olivier George, Kim D. Janda. An enzymatic advance in nicotine cessation therapy // Chemical Communications. 2018. DOI: 10.1039/c7cc09134f.

Аркадий Курамшин