Модифікований фермент допоможе позбутися нікотинової залежності

Ріс. 1. Модифікований фермент, здатний зв’язуватися з альбуміном, успішно блокує психоактивну дію нікотину. Асоціат ферменту NicA2 з альбуміном сприяє руйнуванню нікотину, каталізуючи його окислення в кровоносній системі щура (лівий овал); нікотин не потрапляє тварині в мозок (правий овал); нікотин не діє на мозок, і фізіологічна залежність не формується. Графічне резюме обговорюваної статті в Chemical Communications

Американські хіміки вдосконалили описаний ними два роки тому фермент NicA2, який каталізує окислення нікотину в небезпечну для організму людини речовину — N-метилміосмін. Модифікований фермент знижує психоактивну дію нікотину, руйнуючи його в крові до того, як він досягає мозку. Передбачається, що фермент можна буде використовувати для лікування нікотинової залежності.

За оцінками Всесвітньої організації охорони здоров’я, хвороби, викликані курінням тютюну, щорічно забирають життя шести мільйонів осіб (WHO Report on the Global Epidemic 2013: enforcing Bans on Tobacco Advertising, Promotion, Sponsorship). Адже ці хвороби так просто було б запобігти — досить відмовитися від цієї згубної звички.

На жаль, самостійно боротися з нікотиновою залежністю вдається далеко не всім, хоча в тому, що відмова від куріння корисна і для здоров’я, і для сімейного бюджету, не сумніваються навіть завзяті курці. Згідно зі звітом уряду США 2011 року, майже 70% американських курців хочуть кинути курити, близько половини з них хоч раз у житті намагалися кинути, але повністю подолати залежність змогли не більше 6%.

Такий низький результат пов’язаний з особливостями фізіологічної дії нікотину. По-перше, діючи на нікотинові ацетилхолінові рецептори, нікотин сприяє збільшенню концентрації в організмі стимулюючого гормону адреналіну, викид якого призводить до підвищення вмісту глюкози в крові, прискорення серцебиття, збільшення кров’яного тиску і частішання дихання. Все це дозволяє людині на час відчути велику концентрацію уваги і відчути тимчасовий приплив сил після викуреної сигарети (коли цей вплив припиняється, завзятий курець, щоб сконцентруватися на роботі або просто підбадьоритися, найчастіше автоматично дістає з пачки чергову сигарету). По-друге, нікотин збільшує концентрацію у відділах головного мозку гормону задоволення — дофаміну, внаслідок чого і формується причинно-наслідковий зв’язок не тільки між фактом викурювання сигарети і підвищенням працездатності, але і між сигаретою і пов’язаним з її курінням задоволенням.

Зрештою психологічна залежність від куріння, при якій людина з сигаретою здається собі дорослішою або впевненішою або використовує зайвий перекур, щоб просто виділити собі додаткову робочу перерву, переходить у фізіологічну залежність від нікотину, коли довго обходитися без сигарети вже просто неможливо.

Для лікування фізіологічної залежності від нікотину в медицині застосовують замісну терапію, мета якої — змусити людину отримувати відчуття, схожі з отримуваними від куріння, але без самого процесу куріння. Це потрібно, щоб зруйнувати у того, хто кидає курити причинно-наслідковий зв’язок між викуреною сигаретою і відчуттям від впливу на організм нікотину (L. Biener et al., 2006. Impact of Smoking Cessation Aids and Mass Media Among Recent Quitters). Під час такої терапії пацієнт, поступово знижуючи дозу нікотину, приймає його з інших джерел (нікотинові пластирі, жувальні гумки і таблетки), не таких небезпечних як сигарета, основної шкоди від якої все ж завдає не сам нікотин, а продукти згоряння тютюну.

Інший варіант нікотинзамісної терапії — прийом лікарських препаратів, що пов’язуються з тими ж рецепторами, що і сам нікотин. Але навіть найефективніший на сьогодні препарат варениклін, що з’явився на ринку в 2006 році, хоча і дозволяє зменшити тягу до куріння і знизити ефект отримання задоволення від куріння, але при застосуванні протягом шести і більше місяців виявляється всього лише в три рази ефективніше плацебо (M. McDonough, 2015. Update on medicines for smoking cessation). При цьому він має неприємні побічні ефекти (симптоми синдрому скасування), такі як нудота, головний біль і сплутані тривожні сновидіння.

Поряд із замісною терапією куріння, яку в загальному випадку можна назвати стратегією фармакодинамічного лікування, в останнє десятиліття з’явилися і почали поширюватися методи лікування фізіологічної залежності — фармакокинетичні. У рамках фармакокінетичної стратегії лікування створюються вакцини, що стимулюють вироблення антитіл, специфічно пов’язують ту чи іншу речовину, що викликає залежність. До теперішнього часу розроблені вакцини, що допомагають виробленню антитіл до кокаїну, героїну і нікотину (K. D. Janda et al., 2012. Vaccines targeting drugs of abuse: is the glass half-empty or half-full?).

Фармакокинетичне лікування залежностей засноване на тому, що комплекс, що утворюється при взаємодії антитіла і психоактивної речовини, занадто великий для того, щоб пройти гематоенцефалічний бар’єр. У результаті концентрація в мозку речовини, що викликає залежність, знижується або сповільнюється швидкість його надходження в мозок. Це, в свою чергу, розриває у пацієнта причинно-наслідковий зв’язок між прийомом препарату і його впливом на організм. На жаль, як показали клінічні експерименти, ефективність дії вакцин, що сприяють виробленню антитіл, що зв’язуються з нікотином, порівнянна з плацебо (A. Wolters et al., 2014. Vaccination against smoking: an annotated agenda for debate. A review of scientific journals, 2001–13).

Альтернативою утворенню комплексу нікотин-антитіло є руйнування нікотину. У 2016 році Кім Джанда (Kim D. Janda) з колегами з Дослідницького інституту Скриппс (Scripps Research Institute) повідомили, що мікроорганізм Pseudomonas putida виробляє фермент NicA2, який каталізує окислення нікотину в небезпечну для організму людини речовину — N-метилміосмін (MearAl. Structural Analysis Provides Mechanistic Insight into Nicotine Oxidoreductase from Pseudomonas putida). Випробування ферменту in vitro дали обнадійливі результати, однак при експериментах на тваринах виявилося, що фермент, який сприяє руйнуванню нікотину, швидко відфільтровується нирками, його концентрація в крові починала значно зменшуватися через 20 годин після введення в організм, а через 70 годин він практично повністю виводився з організму (рис. 2).

У новій роботі Джанді з колегами вдалося змінити фермент NicA2, сповільнивши його виведення з організму. У 2016 році за допомогою рентгеноструктурного аналізу було встановлено, які амінокислотні залишки ферменту NicA2 беруть участь в утворенні комплексу фермент-субстрат з нікотином, а які ні. Виявилося, що ферменти 52 амінокислотних залишки не беруть участь в окисленні нікотину (M. A. Tararina, K. D. Janda, K. N. Allen, 2016. Structural Analysis Provides Mechanistic Insight into Nicotine Oxidoreductase from Pseudomonas putida). Дослідники замінили 50 амінокислотних залишків новою амінокислотною послідовністю, яка дозволяла зміненому ферменту, що отримав назву NicA2-J1, зв’язуватися з альбуміном — найпоширенішим білком у крові людини, який до того ж може не виводитися з організму десятки діб (рис. 2).

Ріс. 2. Зміна концентрації ферменту NicA2 (синя лінія) і його модифікації NicA2-J1, здатної асоціюватися з альбуміном (червона лінія), в сироватці крові щурів. Графік з обговорюваної статті в Chemical Communications

Дослідники з’ясовували каталітичні властивості модифікованого ферменту. Для цього вони in vitro вивчали реакцію окислення нікотину, вимірюючи концентрації нікотину і продукту його окислення — N-метилміосміну. Вимірювання показали, що і фермент NicA2, і його модифікована версія NicA2-J1 являють собою каталізатори окислення нікотину, що працюють з однаковою ефективністю. Таким чином, видалення 50 амінокислотних залишків з N-кінця і введення фрагментів, що полегшують зв’язання з альбуміном, не вплинуло на властивості активного центру ферменту, в якому і відбувається окислення нікотину.

Таким чином дослідникам вдалося отримати асоціат ферменту, що окисляє нікотин, з альбуміном (рис. 3), швидкість виведення якого з організму значно сповільнювалася. Так, період напіввідання з організму NicA2 становить 25 годин, а NicA2-J1 — 128 годин.

Ріс. 3. Асоціат NicA2-J1 (продукт поєднання ферменту NicA2 з альбуміном). Ліворуч, зелені, блакитні і коричневі спіралі — фрагмент альбуміну (його вторинна структура в основному представлена саме альфа-спіралями). Праворуч, червоний, жовтий, синій — фермент з його активним центром; він пов’язаний із синьою геометричною фігурою з шести- і п’ятикутника — нікотином. Видно, що там, де намальовано нікотин, вже менше спіралей і стрічок; це тому, що обидва типи вторинної структури білка (і спіралі, і складки) симетричні, а активному центру ферменту для роботи потрібна асиметрія. Малюнок з сайту chemistryworld.com

Щоб перевірити, чи буде модифікована версія ферменту руйнувати нікотин, дослідники провели експеримент на тваринах. В організм щурів протягом семи днів за допомогою осмотичних міні-насосів вводили нікотин з розрахунку 3,16 мг на кілограм ваги гризуна на день (середня летальна доза нікотину для людини — 0,5-1 мг/кг, для щурів — 140 мг/кг через шкіру, для мишей — 0,8 мг/кг внутрішньовенно і 5,9 мг/кг при внутрішньогрюшинному введенні). Після накопичення в крові щурів нікотину їм щодня вводили дози модифікованого ферменту NicA2-J1 (10 мг на кілограм). Через один день і через п’ять днів від початку уколів з NicA2-J1 біля щурів брали зразки крові, на сьомий день піддослідних тварин умертвили і взяли зразки тканин мозку. Аналізи показали, що у щурів, які отримували «терапію» експериментальним ферментом, нікотин не виявляється ні в тканинах мозку, ні в крові, причому вже з першого дня введення NicA2-J1. У контрольної групи гризунів, які не отримували новий препарат, нікотин містився і в крові, і в мозку.

Джанда передбачає продовжити роботу над вдосконаленням модифікації ферменту, щоб ще більше уповільнити швидкість його виведення з організму, а також щоб прибрати ті амінокислотні залишки та їх комбінації, які можуть спровокувати у людини небажаний імунний відгук, що призводить до алергічної реакції.

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

Див. також:

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.

Аркадій Курамшин