Не верьте, когда вам говорят, будто опухоль трудно уничтожить. Убить раковую клетку «в пробирке» не составляет ни малейшего труда. Если бы перед фармакологической наукой стояла цель всего лишь «уничтожить опухоль» — она была бы достигнута давным-давно. Но задача формулируется иначе: «Уничтожить опухоль, но при этом сохранить в живых организм» — и вот это действительно проблема. Все наиболее эффективные лекарства, направленные на борьбу с чужаками в нашем организме, будь то антибиотики или препараты против паразитических червей-гельминтов, обыгрывают генетическую и молекулярную разницу между клетками паразита и хозяина. Например, действие таких популярных антибиотиков, как стрептомицин и гентамицин, основано на том, что они связываются с рибосомами бактериальных клеток и нарушают синтез белка в них. Рибосомы прокариот отличаются от рибосом эукариот, и собственным клеткам человека эти антибиотики почти не вредят.
Но молекулярный и генетический «портрет» раковой клетки почти идентичен свойствам нормальной клетки, и долгое время было непонятно, как в принципе можно воздействовать на опухоль, не навредив организму. Изобретение химиотерапии оказалось такой же случайностью, как и открытие антибиотиков. Хотелось бы написать «счастливой случайностью», но рука не поднимается описывать так событие, которое потомками было классифицировано как военное преступление.
ФАКТ: раковые клетки слишком похожи на обычные, здоровые, поэтому создание лекарств, которые будут уничтожать опухолевые клетки, не причиняя сильного вреда остальному организму, продолжает оставаться сложной фармакологической задачей.
«Химия» и жизнь
Классическая химиотерапия зародилась на полях Первой мировой войны. Именно там, неподалеку от бельгийского города Ипр, немецкая армия впервые применила боевое отравляющее вещество, вошедшее в историю под названием «горчичный газ», или иприт. В начале ХХ века Германия была ведущей химической державой мира. К сожалению, некоторые открытия немецких химиков оказались технологиями «двойного назначения». Иприт вызывал тяжелейшие поражений глаз, кожи и дыхательных путей, которые не проходили месяцами. Изучая пострадавших от отравления солдат, врачи обнаружили у них пониженный уровень лейкоцитов (белых кровяных клеток) и резкое снижение скорости деления клеток костного мозга (главной кроветворной ткани организма). То есть яд влиял прежде всего на активно делящиеся клетки и не оказывал заметного влияния на остальные.
Этим и объяснялось медленное выздоровление отравленных — ведь заживление ран требует усиленного деления в окружающих тканях. Во время Первой мировой войны наблюдение за этим цитостатическим эффектом использовали главным образом для диагностики ипритового отравления. Однако в 1940-е годы американские ученые Луис Гудман и Альфред Гилман догадались, что этот яд (а точнее, его производные), взятый в необходимой дозировке, должен эффективно убивать раковые клетки. Ведь именно активная и бесконтрольная их пролиферация (деление) является отличительным признаком злокачественной опухоли. «Генетическое» определение рака, которое мы дали в предыдущей главе, станет гораздо точнее, если дополнить его упоминанием об этом ключевом биологическом процессе: «Рак — это болезнь генома, приводящая к избыточной активации клеточного деления».
Вскоре состоялось первое клиническое испытание нового лекарства. (В те времена академические и медицинские нравы радикально отличались от нынешних и те или иные «опыты на пациентах» были обычной практикой для врачей. Строгие протоколы доклинических исследований медицинских препаратов появились гораздо позже.) Больному с диагностированной лимфосаркомой, который вошел в историю медицины под инициалами J. D., ввели внутривенно первую дозу яда. На четвертый день химиотерапии опухоль спала, за неделю внешние симптомы исчезли полностью, а через месяц наступила ремиссия — анализ крови показал отсутствие раковых клеток.
Несколькими годами позже другой американский ученый, Сидни Фарбер, продемонстрировал, что использование антагонистов фолиевой кислоты способно повернуть вспять бешеное деление клеток крови при лейкозе. Фолиевая кислота — витамин, необходимый для нормального кроветворения, — была открыта при изучении одной из форм анемии. Здоровым людям это вещество помогает поддерживать нормальное производство клеток крови. Однако у больных лейкозом — «раком крови», при котором незрелые клетки крови делятся патологически быстро и буквально «забивают» собой сосуды, но при этом не способны нормально выполнять свои функции, — прием препаратов фолиевой кислоты вызывал резкое обострение болезни. Фарбер предположил, что действие веществ, блокирующих активность фолиевой кислоты (антифолатов), должно помочь таким больным. В 1947 году Фарбер сделал первую инъекцию антифолатов двухлетнему малышу, умиравшему от острого лейкоза. Первый препарат не оказал никакого заметного воздействия на больного, а вот второй вариант молекулы-антагониста, получивший название «Аметоптерин», вызвал стремительную ремиссию. За несколько дней число злокачественных клеток-лейкобластов в крови упало в несколько раз, к ребенку вернулись силы и аппетит. Так было положено начало современной химиотерапии.
Однако понадобились еще десятилетия кропотливых лабораторных исследований, чтобы разобраться, почему лекарства этой группы так избирательны в отношении делящихся клеток. Ключом к пониманию молекулярных механизмов действия химиотерапии явилось изучение клеточного цикла — отрезка времени от одного деления клетки до другого.
Клеточный цикл — колесо жизни
В жизни большинства клеток человеческого организма можно выделить несколько периодов — фаз, в каждой из которых происходят определенные события, подготавливающие клетку к размножению и обеспечивающие деление. Причем хотя «работают» клетки в разных тканях нашего организма по-разному, делятся они все более-менее одинаково. Молекулярные механизмы этого ключевого жизненного процесса очень консервативны. Вот почему одним и тем же химиопрепаратом подчас лечат опухоли в самых разных органах.
Первая фаза клеточного цикла называется G0 (G от англ. gap — промежуток), или фаза покоя, — это время, в течение которого клетки не делятся. Некоторые типы клеток, как, например, нейроны или клетки сердечной мышцы, вступают в фазу покоя после достижения зрелости и остаются в ней навсегда, но для остальных клеток эта фаза подобна паузе между двумя делениями. Чем дольше клетка находится в состоянии покоя, тем реже она делится, и наоборот — у раковых клеток G0-фаза обычно очень короткая: они переходят от одного цикла размножения к другому буквально «не переводя дыхания».
Препараты для химиотерапии разрабатывают на основе веществ, которые минимально повреждают клетки, находящиеся в G0-фазе, но активны против клеток, вышедших из состояния покоя. Так удается хотя бы отчасти снизить побочные эффекты, связанные с тем, что токсический эффект химиотерапии в большей или меньшей степени затрагивает любую делящуюся ткань.
Клетка, которая собирается делиться, переходит из G0 в подготовительную G1-фазу. Деление требует большого количества ресурсов, которые нужно подготовить заранее. В течение G1-фазы клетка увеличивается в размерах и производит РНК и белки, необходимые для синтеза ДНК в процессе деления. G1-фаза особенно важна для клеточного цикла, потому что в этот период клетка еще имеет возможность «передумать». Если она по каким-то причинам остается неделящейся, то выходит из G1-фазы и возвращается в состояние покоя. На более поздних стадиях такой «откат», как правило, уже невозможен. Клетка должна завершить процесс деления или погибнуть. Когда она достигает необходимых размеров, а нужные белки уже синтезированы, наступает следующая фаза клеточного цикла — S-фаза.
Это этап клеточного цикла, на котором происходит основное молекулярное событие деления — репликация (копирование) ДНК, то есть удвоение клеточного генома. Многие виды химиотерапии особенно эффективны против клеток, находящихся на этой стадии.
Репликация ДНК — сложный молекулярный процесс, в который вовлечено множество белков. Собственно, копированием ДНК занимаются ферменты ДНК-полимеразы. Но над тем, чтобы создать им «условия для работы», трудятся десятки других молекул. Белки хеликазы и топоизомеразы помогают расплетать двойную спираль. SSB-белки связываются с одноцепочечной ДНК, предотвращая неизбежное «слипание» комплементарных нитей. Белок праймаза синтезирует небольшие затравки — «праймеры», которые необходимы для того, чтобы «главная» ДНК-полимераза могла начать работу. Фермент лигаза «сшивает» концы синтезированных фрагментов ДНК, формируя единую непрерывную нить, и т. д.
Алкилирующие препараты (те самые — производные иприта и их аналоги) «сшивают» молекулы ДНК и не дают им разделиться. Эти лекарства действуют на клетки в любой стадии клеточного цикла, но «голые» молекулы ДНК, освобожденные от своей белковой защиты и готовые к копированию, особенно чувствительны к ним. Аналогичным образом «склеивают» нити ДНК и соединения платины в составе уже упоминавшегося «Цисплатина».
Другой класс лекарств, к которым клетка особенно чувствительна в данной фазе, — антиметаболиты. Они представляет собой «неправильные», «испорченные» нуклеотиды, которые нарушают синтез новой ДНК, и «испорченные» аналоги фолиевой кислоты, необходимой для синтеза пуринов (те самые антифолаты, впервые примененные доктором Фарбером). К этой группе относятся такие лекарства, как «Метотрексат».
В процессе репликации важную роль играет белок топоизомераза, «расплетающий» двойную спираль ДНК. Ингибиторы этого фермента также нарушают процесс деления в S-фазе и имеют антиопухолевый эффект, например антрациклиновые антибиотики.
После S-фазы следует вторая подготовительная фаза G2, а следом за ней фаза собственно видимого клеточного деления (митоза) — М-фаза. Сначала происходит деление клеточного ядра на два, а потом и цитоплазма оказывается разделенной между двумя новыми клетками. Для того чтобы хромосомы оказались равномерно распределены между двумя