Герой и злодей

Естественно, для раздумий над этой задачей нужно представлять себе механизм действия ивермектина. На нематод (и, возможно, некоторых членистоногих) он действует в первую очередь как агонист глутаматных хлорных каналов (которые есть только у первичноротых, но близкородственны рецепторам глицина позвоночных). Их активация вызывает гиперполяризацию мембран нейронов, снижает выделение нейромедиаторов и, как следствие, вызывает мышечный паралич. Но ИВ может связываться и с другими рецепторами — например, GABA_AR (хлорные каналы — рецепторы гамма-аминомасляной кислоты). На них он тоже действует как агонист.

На чувствительных собак и мышей многие другие лекарства, в том числе не сходные с ИВ по структуре молекул, тоже могут вызывать нейрологические нарушения при нормальной дозировке. Кроме того, токсичность ИВ для них сильно возрастает при его совместном употреблении с несколькими другими лекарствами.

Эта подсказка — почти ответ: BBB.

Хотя третья подсказка (BBB, Blood–brain barrier — Гематоэнцефалический барьер, ГЭБ) и содержит основную идею решения, мы будем двигаться от менее вероятных вариантов ответа к более вероятным и следовать общей логике условия.

Из условия ясно, что причина неприятностей с ИВ — почти наверняка генетическая (поскольку они характерны для определенных пород и линий). С высокой вероятностью это мутация (или разные мутации) в одном гене, и такие мутантные аллели случайно распространились или закрепились у определенных пород и линий животных и изредка встречаются у людей. И действительно, всё так и есть. Остается понять, что это может быть за ген и что за мутация.

Ясно, что появление принципиально новой мишени в результате мутации, которая есть только у части особей вида, — вещь очень маловероятная. Конечно, иногда и такое возможно (например, в результате межвидовой гибридизации или горизонтального переноса генов). Но никаких данных о подобных недавних событиях, которые затрагивают лишь определенные породы и отдельных особей млекопитающих, нет. Значит, нам нужно присмотреться к «традиционным» мишеням ИВ.

На самом деле этих мишеней больше, чем сказано в подсказке 1. Сейчас их известно множество (см. послесловие). Отчасти это даже следует из условия. Действие агониста на рецепторы тормозных нейромедиаторов должно вызывать атаксию, мышечную слабость и сонливость — это понятно. Но с чего вдруг этот агонист будет вызывать тремор и судороги? Вероятно, больше выделяется и других, возбуждающих нейромедиаторов (так оно и есть на самом деле — ивермектин действует на один из типов ацетилхолиновых рецепторов).

Тут в цепи наших рассуждений возникает противоречие. Единичная мутация вряд ли может повысить чувствительность к ИВ сразу нескольких белков — разве что это мутация в регуляторном участке ДНК, который отвечает за уровень их экспрессии. В этом ничего невероятного нет: как ни странно, некоторые нейроны млекопитающих используют как нейромедиаторы одновременно и ацетилхолин, и гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) в одних и тех же синапсах. Сложнее представить себе, что из-за повышенного уровня экспрессии рецептора чувствительность к агонисту может возрасти в десятки раз. Значит, скорее всего, дело не в конечной мишени. Нужно искать причину повышенной чувствительности «по дороге» — от приема ИВ к его эффекту.

ИВ липофилен, всасывание его в кишечнике в первую очередь зависит просто от дозы. Он довольно прочно связывается с определенными белками плазмы крови. Можно предположить, что при более слабом связывании в плазме он будет в большей концентрации проникать в ткани. Еще более вероятный вариант — нарушено либо расщепление, либо выведение препарата. Тогда он может действовать более длительное время или накапливаться в организме. Из инструкции легко узнать, что в норме ИВ метаболизируется в печени, выводится в кишечник с желчью, а из организма — с калом (только 1% выводится через почки). Значит, почки отпадают: остается печень. Распад и выведение препарата происходит медленно, длится больше недели (а время полужизни в плазме — около суток). Так что накопление в организме из-за нарушений функции какого-то печеночного фермента — хорошая гипотеза. Она объясняет многие детали условия.

За расщепление ИВ в реальности отвечает цитохром P450 (см. Cytochrome P450). На самом деле это целое семейство ферментов, кодируемых у человека 57 генами. Многие из них обладают широкой специфичностью. Это объясняет, почему при нарушении работы такого фермента хуже расщепляться станут многие лекарства. Список ингибиторов цитохромов P450 включает несколько десятков лекарств; это объясняет, почему токсичность ИВ повышается при совместном приеме с некоторыми препаратами. Наконец, известно, что у цитохромов Р450 высокая изменчивость, есть мутации их генов с потерей функции у людей, и эти мутации влияют на восприимчивость к действию лекарств (в том числе — ИВ).

Однако кое-чего эта гипотеза не учитывает. Во-первых, чаще всего ИВ применяют в виде однократной дозы (по крайней мере, когда речь идет о людях). В этих случаях накопление препарата маловероятно. Более длительное действие при нарушении метаболизма, конечно, может усиливать побочные эффекты, но вряд ли десятикратно. Во-вторых, при ближайшем рассмотрении оказывается, что с желчью выводится в кишечник лишь около 20% ИВ; остальные 80% (по крайней мере, у крыс) выводятся в неизменном виде через стенки кишечника.

Но как же ИВ попадает из крови в просвет кишечника? Оказывается, его выбрасывает наружу один из ABC-транспортеров (см. ATP-binding cassette transporter). Это тоже большое и очень важное семейство белков — достаточно сказать, что они отвечают за множественную лекарственную устойчивость раковых клеток. Один из трех таких белков у человека — это так называемый P-гликопротеин. Этот белок кодируется геном MDR-1, и именно мутации этого гена отвечают за повышенную чувствительность к ИВ.

Возможно, этого объяснения было бы достаточно, если бы не одно но. Рецепторов, на которые действует ИВ, у млекопитающих нет (или почти нет) за пределами головного мозга. А головной мозг, как известно, отделен от крови гематоэнцефалическим барьером (blood-brain barrier, BBB). С этим и связана низкая токсичность ИВ для млекопитающих. Но для липофильных веществ гематоэнцефалический барьер относительно проницаем. Концентрация ИВ в мозге остается низкой не потому, что он туда не проникает, а потому, что его оттуда выкидывает работающий P-гликопротеин. У животных и людей с мутантным геном P-гликопротеина одновременно и повышается концентрация ИВ в крови (потому что он хуже выводится в кишечник), и усиливается его проникновение в мозг (потому что его не выкачивает обратно ABC-транспортер). Действуя в головном мозге как агонист на разные рецепторы, ИВ вызывает описанные в задаче симптомы.

Поскольку специфичность у P-гликопротеина широкая, то понятно, что в этом случае тоже будет повышена чувствительность ко многим лекарствам, особенно обладающим нейротоксичностью. А список лекарств — ингибиторов P-гликопротеина не многим короче, чем для P450.

Ивермектин — действительно героическое лекарство, заслужившее свою Нобелевскую премию. Даже если бы оно помогало только при онхоцеркозе — страшной «речной слепоте» тропических речных долин, — и то его вклад в уменьшение человеческих страданий трудно было бы переоценить. Но спектр его действия оказался на удивление широк: оно токсично и для нематод, и для большинства насекомых, и для клещей. А поскольку многие паразиты (или переносимые ими болезни) передаются от животных к человеку, избавление доомашних животных от паразитов — тоже немаловажная задача. Да и люди страдают не только от онхоцеркоза и других филяриатозов — более 100 млн человек заражены стронгилоидозом, в мире никуда не исчезли подзабытые нами чесотка и педикулез. При всех этих заболеваниях показан ИВ.

Наверное, нелишне напомнить, что ИВ — полусинтетическое лекарство (смесь двух веществ), полученное на основе авермектина. А авермектин — это смесь восьми компонентов, вторичных метаболитов актиномицета Streptomyces avermitilis, который исходно был выделен японским ученым Сатоси Омура из почвы в Ито, в Японии (рис. 1).

Рис. 1. Сатоси Омура берет пробу почвы там же, где в 1973 году была взята судьбоносная проба, принесшая ему Нобелевскую премию. За 45 лет лес не вырубили. Фото из статьи: A. Crump, 2017. Ivermectin: enigmatic multifaceted ‘wonder’ drug continues to surprise and exceed expectations

Кажется, долгое время этот вид бактерий не удавалось найти в других местах. По-моему, это прекрасный довод в пользу сохранения биоразнообразия — и не только больших панд и малых полосатиков, а просто любых мест, где есть почва и растительный покров.

Авермиктины — это 16-членные макроциклические лактоны, относящиеся к макролидам. Из этого и близких видов актиномицетов было получено множество их разновидностей, а из них в свою очередь — множество полусинтетических производных, и штук пять из них используются как антипаразитарные препараты.

Зачем нужны столь разнообразные вторичные метаболиты актиномицетам — кажется, науке неизвестно. В русской Википедии вообще написано, что авермектины не обладают антибактериальной и антигрибковой активностью, но это явная ошибка (см. ниже). Тем не менее, кроме общих слов про защиту, нападение и подавление конкурентов, ничего найти не удалось. Можно только предполагать, что конкурентам сложнее выработать устойчивость к целому набору антибиотиков (см. задачу «Сногсшибательный коктейль»).

Так что ИВ — лишь один, наиболее известный, представитель большой семьи. И, как и у любого настоящего лекарства, у него была долгая и сложная история.

У большинства вышеперечисленных паразитов, видимо, главной мишенью ИВ служат глутаматные хлорные каналы. У нематод и насекомых они есть на мышцах, периферических сенсорных и моторных нейронах, у насекомых также в центральной нервной системе. Похоже, что у вторичноротых таких каналов нет вообще, и если бы ИВ действовал только на них, он обладал бы как антипаразитарное средство идеальной избирательностью.

Хотя мишень у ИВ не одна, иногда он действительно проявляет избирательность. Так, он не действует на некоторые гетеромерные (состоящие из разных субъединиц) глутаматные хлорные каналы нематод и на гетеромерные периферические холинорецепторы млекопитающих, зато действует на гомомерные холинорецепторы, состоящие из семи одинаковых альфа-субъединиц, которые есть у нас в головном мозге (см. решение).

Но ИВ связывается с многими другими ионотропными рецепторами — он встраивается между трансмембранными участками этих белков (рис. 2), которые довольно похожи у многих каналов.

Рис. 2. Связывание ивермектина с трансмембранными альфа-спиральными участками глутаматных хлорных каналов. Рисунок из статьи: A. J. Wolstenholme Glutamate-gated Chloride Channels

К настоящему времени показана способность ИВ действовать, кроме глутаматных хлорных каналов, GABA_AR и некоторых холинорецепторов, также на рецепторы глицина, гистаминовые хлорные каналы, пуринергические P₂X₄-рецепторы (см. P2X purinoceptor 4), а также на многие другие белки, в том числе внутриклеточные (см. I.-Sh. Chen, Y. Kubo? 2018. Ivermectin and its target molecules: shared and unique modulation mechanisms of ion channels and receptors by ivermectin). С одной стороны, это означает, что побочных эффектов у него должно быть гораздо больше, чем можно было ожидать (а значит, наше решение — лишь одно из многих возможных). С другой — это дает надежду найти новые области применения.

ИВ — хорошо зарекомендовавшее себя лекарство с проверенной в клинических испытаниях безопасностью. Врачи внимательно присматриваются к таким лекарствам: ведь при обнаружении новых свойств их можно изучать на больных с меньшими формальностями. Яркий пример — аспирин (см., например, N. McCarthy, 2011. Old dog, new tricks), который и в столетнем возрасте расширяет сферы применения. И молодой, сорокалетний ИВ не отстает (см. A. Crump, 2017. Ivermectin: enigmatic multifaceted ‘wonder’ drug continues to surprise and exceed expectations). Например, ИВ пытаются использовать против еще одной опасной группы паразитов — кровяных двуусток шистосом, у которых, как оказалось, тоже есть глутаматные хлорные каналы. Есть данные об эффективности ИВ при астме, некоторых формах эпилепсии, боковом амиотрофическом склерозе. Показано, что в терапевтических дозах in vitro ИВ может убивать микобактерий — возбудителей туберкулеза и язвы Бурули. В недавней статье показана способность ИВ убивать некоторые штаммы «больничного» золотистого стафилококка (почему не все — неизвестно). В сочетании с другими лекарствами ИВ пытаются использовать для лечения глиобластомы, рака груди и лейкемии, и результаты вполне обнадеживающие. Ну и, конечно, он обладает противовирусной активностью, в том числе против COVID-19 — как же без него! Углубляться в эту область мы не будем, заинтересовавшиеся могут узнать о состоянии дел самостоятельно (см., например, C. Chaccour et al., 2021. The effect of early treatment with ivermectin on viral load, symptoms and humoral response in patients with non-severe COVID-19: A pilot, double-blind, placebo-controlled, randomized clinical trial, а также WHO advises that ivermectin only be used to treat COVID-19 within clinical trials, 31.03.2021; возможно, небольшое улучшение при ковиде ИВ обеспечивает).

Как и при традиционном применении, в этих новых областях использования ИВ нужен индивидуальный подход. Например, у некоторых пациентов он не вызывает такого быстрого снижения количества микрофилярий в крови, как у подавляющего большинства. По некоторым данным, у них как раз слишком хорошо работают P-гликопротеин или цитохром P450. Для таких больных, если их заранее выявить путем генотипирования, можно было бы подбирать более высокие индивидуальные дозы.

Общий вывод: индивидуализированная медицина часто необходима не только людям. А наиболее важный практический вывод из этой задачи касается собаководов. Здесь приведен перечень пород, у которых встречается мутация гена MDR1 c частотой более 5% (имеется в виду общая частота гомозигот и гетерозигот по данной мутации). Выше всего этот процент у колли, длинношерстных уиппетов и шелти. Доминирование в данном случае неполное: гетерозиготы по мутантному аллелю более чувствительны к ИВ, чем особи «дикого типа», только при высоких дозах ИВ, а гомозиготы могут пострадать и при небольшой дозировке. Поскольку гетерозиготность тоже может быть чревата, рекомендуется проверять генотип и у помесей с колли или другими породами из «группы риска».

Для этих и других пород разработаны генетические тесты, которые рекомендуется проводить перед применением ИВ и некоторых других лекарств. У нас тест на мутацию MDR-1 стоит около 1500 рублей. Людей не тестируют: опасные мутации, повышающие чувствительность к ивермектину, судя по данным о частоте серьезных неврологических осложнений, встречаются действительно чрезвычайно редко.

А еще эта задача показывает, как важен может быть для клинических испытаний лекарств выбор не только подходящего вида животных (см. задачу «Мыши или собаки?»), но и подходящей породы. Если бы ученые не располагали для своих опытов никем, кроме колли, возможно ИВ так и не стал бы героем.