Возможности современной комбинаторной химии и биологии

Возможности современной комбинаторной химии и биологии:
Исследование патогенеза аутоиммунной нейродегенерации методами
комбинаторной химии и биологии
Александр Габибов
Казань, 2014
Paul Ehrlich
1854-1915
Magic bullet
Ehrlich reasoned that if a
compound could be made
that selectively targeted a
disease-causing organism,
then a toxin for that
organism could be delivered
along with the agent of
selectivity. Hence, a "magic
bullet" (magische Kugel, his
term for an ideal
therapeutic agent) would be
created that killed only the
organism targeted. The
concept of a "magic bullet"
was to some extent realized
by the invention of
monoclonal antibodies as
they provide a very specific
binding affinity.
MESSAGE
Combinatorial Chemistry and
Biology is a hallmark of XXI
century
MESSAGE
B cell diversity allows to
design proteins with novel
functionality
MESSAGES
1. B cells as a “reservoir” of broad genetic
repertoires.
2. Autoimmunity gives additional
opportunities for screening approaches.
3. Maturation in silico. Design of new long
releasing drugs
4. Multiple Sclerosis:
- Possible triggering
- B cell directed therapy
Autoimmune disorders as a source of catalytic antibodies
“normal” repertoire is powered in autoimmunity
Главная функция иммунной системы –
распознавание «свой-чужой»
повышенное
норма
ослабленное
злокачественная
трансформация
аутоиммунная
патология
Monoclonal Antibodies Have Moderate
Activity as Single Agents
• High degree of specificity for tumor antigens1
• Generally well tolerated2
• Long half-life resulting in longer systemic exposure2
Act through direct signaling, recruitment of cytotoxic effector cells and complement fixation 1,2
Apoptosis through direct
intracellular signaling3
Tumor lysis through
host immune effector cells3
NFКB
References: 1. Ducry L et al. Bioconjug Chem. 2010;21(1):5-13. 2. Carter P et al. Am Assoc Cancer Res Educ Book. 2005;2005(1):147-154.
3. Sharkey RM et al. CA Cancer J Clin. 2006;56(4):226-243.
13
Elements of an
Antibody-Drug Conjugate (ADC)
Antibody
Specific for a tumorassociated antigen that has
restricted expression on
normal cells.1,2
Cytotoxic agent
Linker
Attaches the cytotoxic agent
to the antibody. Newer linker
systems are designed to be
stable in circulation and
release the cytotoxic agent
inside targeted cells.1-3
Designed to kill target cells when
internalized and released.1,2
References: 1. Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 2. Senter PD. Curr Opin Chem Biol. 2009;13(3):235-244. 3. Polson AG et al.
Cancer Res. 2009;69(6):2358-2364.
14
Rationale for ADCs:
to Expand the Therapeutic Window
• ADCs are designed to target delivery of a cytotoxic agent
− Increase the delivery of a cytotoxic agent to a tumor
− Limit tissue exposure to free cytotoxic agent
Conventional
Antibody-DrugChemotherapy
Conjugates
Reference: Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169.
15
Target Antigen Should Be Abundantly Expressed
on Tumor Cells Compared to Healthy Cells
Target antigen
Expressed abundantly
on tumor cells1,2
Limited or no expression on
normal or vital tissues1,2
• Efficient internalization of target antigen increases drug delivery
and enhances cell-killing1,3
References: 1. Alley SC et al. Curr Opin Chem Biol. 2010;14(4):529-537. 2. Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169. 3. Polson AG et al.
Expert Opin Investig Drugs. 2011;20(1):75-85.
16
Primary Mechanism of Action of ADCs:
Targeted Delivery of a Cytotoxic Agent
Reference: Carter PJ et al. Cancer J. 2008;14(3):154-169.
17
Limitations of Early ADC Technology1-3
• Unstable linker technology: linker breakdown outside target
tumor tissue
− Resulting in broader systemic exposure to the cytotoxic agent
− Poor ADC localization to target tumor
• Modest activity
References: 1. Senter PD. Curr Opin Chem Biol. 2009;13(3):235-244. 2. Chari RVJ. Acc Chem Res. 2008;41(1):98-107. 3. Teicher BA.
Curr Cancer Drug Targets. 2009;9(8):982-1004.
18
Next-Generation ADCs: Designed to be Stable in
Circulation and Release a Cytotoxic Agent in Target Cells
• Newer ADC linker technology is intended to spare
non-targeted cells and thus reduce many of the toxic effects
of traditional chemotherapy while enhancing the antitumor
activity1,2,3
References: 1. Ducry L et al. Bioconjug Chem. 2010;21(1):5-13. 2. Alley SC et al. Curr Opin Chem Biol. 2010;14(4):529-537. 3. Teicher BA.
Curr Cancer Drug Targets. 2009;9(8):982-1004.
19
Directed evolution
Rational design
High resolution 3D
Combinatorial approach
Effective screening
Бактериофаги
- Быстрый рост
- Простота
-Дешивизна
-Большие размеры библиотек
Дрожжи
– быстро
– просто
• Процессинг эукариот:
– гликозилирование
– дисульфидные связи
Лентивирусы
-Инфицирование практически
любых клеток млекопитающих
-Возможность расширения
репертуара за счет инфицирования
одной клетки несколькими
вирусными частицами
Лентивирусные библиотеки
Создание линии клеток с
химерным рецептором TPO-IL-6
«Идентификация кроссреактивных антител к вирусным антигенам
из репертуара рекомбинантных антител больных рассеянным
склерозом»
Рассеянный склероз. Почему это важно?

Хроническое нейродегенеративное заболевание
аутоиммунной природы

Ранний возраст начала заболевания (15-25 лет) и
последующая инвалидизация трудоспособного населения
обуславливает чрезвычайно важное социально-экономическое
значение РС.

В среднем прямые и непрямые расходы на лечение одного
пациента с рассеянным склерозом составляет в развитых
странах около 40.000 долларов в год

В США суммарные экономически потери оцениваются более
чем в 10 миллиардов долларов ежегодно.

В Российской Федерации приблизительное количество
больных РС оценивается в 200.000 человек.

Только официально РФ выделяет около 5 миллиардов рублей
в год отдельной строкой в бюджете на помощь данной
категории граждан, экономический же ущерб составляет в
десятки раз больше.

Дотации госбюджета РФ в год на закупки одного из основных
лекарственных средств при РС – Copaxone составляют
примерно 2 млрд рублей.
Гемато-энцефалический
барьер
Роль B-клеток в иммунных процессах
(Natalizumab) IgG4 anti-a4 integrin
Предотвращает
адгезию
трансмиграцию T, B –клеток
моноцитов в ЦНС
(глататимер ацетат) конкурирование с
ОБМ за связь с HLA-DR и индукция GAспецифических регуляторных Т-клеток
В настоящий момент клинические испытания проходит ряд моноклональных антител
Rituximab/Natalizumab – неспецифическое воздействие на Т-/В-клетки
Очевидно, что необходимо знание о соответствии «структура-функция» аутоантител
и
и
Потенциальные аутоантигены при РС
Пример устройства фаг-дисплейной библиотеки
субстрат
рекомбинантный
для дисплея
для дисплея
лиганд белок
устойчивость
к антибиотику
фагмида
лиганд
устойчивость
к антибиотику
субстрат
для дисплея
фаговый
вектор
фаг-помощник
Моновалентный фаг
Поливалентный фаг
Обогащение аутоиммунной библиотеки одноцепочечных
антител (scFv) на основный белок миелина
Инкубация
исходной
библиотеки
(8×108) c ОБМ
ОБМ
pI 12-13
Элюция
фаговых
антител
Отмывка
ОБМ
ОБМ
Элюция
фаговых
антител
Отмывка
Наработка
фагов в E.coli
Повторная
инкубация
библиотеки
с ОБМ
Следующий
раунд
Селекция ОБМ-связывающих scFv из фаг-дисплейной библиотеки
Отбор ОБМ-специфических
scFv
3 подхода
Создание фаг-дисплейной
библиотеки одноцепочечных
антител из 8 больных РС
~10⁹ индивидуальных клонов
Для обогащения библиотеки была подобрана степень
гидролиза ОБМ трипсином. Гидролизаты ОБМ (показаны
во врезке) гибридизовали с поликлональными анти-ОБМ
антителами (черная кривая) и с фагом M13K07 (серая
столбчатая диаграмма). Оптимальная концентрация
трипсина составила 0,12 мкг энзима на 1 мг белка (точка
5) – когда связывание с поликлональными анти-ОБМ
антителами ещё существует, а неспецифическое
связывание с бактериофагом M13K07 значительно
уменьшено.
Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011
Подбор степени гидролиза ОБМ
Характеризация специфичности и аффиности отобранных
анти-ОБМ scFv
Согласно результатам
ППР (BIACORE) ряд scFv
эффективно
взаимодействовал с
ОБМ
Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011
Специфичность к фрагментам ОБМ 65-92
и 130-156 совпадает с данными по
связыванию IgG из крови больных РС
Структурная гомология отобранных анти-ОБМ scFv
Тяжелые цепи
Легкие цепи
MS1, MS2 – анти-ОБМ
антитела из ЦСЖ
больных РС
EBV_xx – анти-LMP1
scFv из библиотеки
Griffin 1
Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011
EBV как возможный триггер РС
The New England Journal of Medicine, 2003. Hartmut Wekerle
Доказательство кроссреактивности отобранных
анти-ОБМ антител к LMP1 in vitro
Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011
Одноцепочечное антитело E2 одновременно
способно связывать два белка – ОБМ и LMP1
Доказательство кроссреактивности отобранных анти-ОБМ
антител к LMP1 in vitro на примере полноразмерного
моноклонального IgG человека
Моноклональный полноразмерный IgG человека E2
одновременно способен связывать два белка – ОБМ и LMP1
Gabibov, Belogurov, Lomakin et.al FASEB J.2011
Доказательство антиген-направленной дифференциации
полученных антител на основе данных о частоте мутаций
RCDR-количество мутаций в гипервариабельных участках
MV-общее количество мутаций в вариабельных участках
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Рациональный анализ комбинаций тяжелых и легких цепей
анти-ОБМ антител, полученных комбинаторным подходом
Изменение аффиности к ОБМ при варьировании лёгких цепей
согласно результатам ИФА
Сохранение сродства к
ОБМ во всех
комбинациях с тяжелой
цепью антитела,
специфичного к ОБМ
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Изменение аффиности к
ОБМ при варьировании
тяжелых и лёгких цепей
согласно результатам
ППР (BIACORE)
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Antibody variant
A10-B5
A10-B5V6
A10-E2
A10-F11
F11-B5
F11-B5V6
F11-E2
F11-F11lambda2
F11-F11_kappa
F11-A17
F11-a-thyr
a-thyr-E2
E2-a-thyr
E2-A17
E2-B5
E2-B5V6
E2-E2
E2-F11 lambda-2
E2-F11 kappa
B5-B5
B5-B5V6
B5-E2
B5-F11
A17-E2
ka, 1/Ms
8.0×102
6.1×103
1.8×104
3.8×103
1.2×105
1.7×104
3.0×105
6.5×105
4.2×105
5.0×104
2.9×105
9.0×103
3.1×102
1.4×103
1.3×102
3.0×103
2.5×103
4.3×103
8.0×104
7.5×103
5.0×103
1.8×103
1.8×103
kd, 1/s
7.9×10-5
9.0×10-5
3.0×10-4
1.5×10-4
1.4×10-4
5.9×10-4
3.0×10-4
1.5×10-4
4.2×10-4
7.5×10-5
8.0×10-4
8.0×10-4
3.8×10-4
7.0×10-4
1.0×10-3
1.5×10-4
2.0×10-4
3.0×10-4
3.0×10-3
1.3×10-3
1.0×10-3
1.4×10-3
2.3×10-4
нет связывания
KD, M
9.9×10-8
1.5×10-8
1.7×10-8
3.8×10-8
1.1×10-9
3.5×10-8
1.0×10-9
1.7×10-9
1.0×10-9
1.5×10-9
2.8×10-9
8.9×10-8
1.2×10-6
5.2×10-7
7.9×10-6
5.0×10-8
8.0×10-8
7.1×10-8
3.8×10-8
1.7×10-7
2.0×10-7
8.0×10-7
1.3×10-7
Изменение аффиности к ОБМ при варьировании тяжелых и лёгких
цепей согласно результатам ППР (BIACORE)
Одним цветом выделены
комбинации с одинаковой
легкой цепью
Одним цветом выделены
комбинации с одинаковой
тяжелой цепью
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Анализ полиреактивности
при варьировании тяжёлых
и лёгких цепей с
использованием технологии
Luminex
ОБМ
МОГ
БСА
Показана повышенная
полиреактивность в основном с
положительнозаряженными белками
0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
нет связывания
0 ,4
0 ,5
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1
1 ,1
1 ,2
сильное связывание
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Анализ библиотек, предобогащенных на различные антигены, с
помощью метода широкомасштабного секвенирования
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014
Анализ библиотек, предобогащенных на различные антигены, с
помощью метода широкомасштабного секвенирования
Определены гены
зародышевой линии
для аутореактивных
антител
Lomakin et.al, Mol. Immunol, 2014 in press
Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013
Сравнение встречаемости CDR3 тяжелых цепей в обогащенных библиотеках по сравнению с исходной
библиотекой РС. Также на графиках отмечены экспериментально исследованные клоны, отобранные с
помощью моноклонального фагового ИФА (зеленый цвет). Указаны последовательности CDR3 наиболее
интересных клонов
Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013
Сравнение встречаемости CDR3 лёгких цепей в обогащенных библиотеках по сравнению с исходной
библиотекой РС. Также на графиках отмечены экспериментально исследованные клоны, отобранные с
помощью моноклонального фагового ИФА (зеленый цвет). Указаны последовательности CDR3 наиболее
интересных клонов
Распределение суммарного заряда CDR3 в библиотеках,
предобогащенных на разные антигены
А - тяжелых цепи
Б - легкие цепи
Показано повышение количества заряженных
CDR3 при обогащении библиотеки на
аутоантигены и вирусный белок lmp1
Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013
Показана гомология
отобранных аутоантител с
антителами к белкам:
•
•
•
•
•
вируса Эпштейна-Барра
вируса бешенства
ротавируса
стрептоккока
пневмоккока
Acta Naturae, Ломакин, Захарова и др., 2013
Гомология тяжелых цепей отобранных антител с противовирусными антителами, известными из
опубликованных данных (базы данных Protein Data Bank proteins (pdb), UniProtKB/Swiss-Prot
(swissprot). Жирным отмечены антитела, отобранные в данной работе.
MBP
Musse et al, PNAS 2006
Abzymatic Site-specific
MBP hydrolysis
The cleavage sites are localized inside the
encephalitogenic epitopes
Ponomarenko et al, PNAS 2006
EPeFRET - сенсор каталитической активности
аутоантител
Progressive MS
n=13
Other Neurological Diseases
n=22
9%
77%
85%
Novel Biomarker for Multiple Sclerosis
RR MS
n=13
0%
Healthy Donors
n=11
Belogurov et. al Journal of Immunology 2008
Определение фрагментов МВР, связывающихся
аутоантителами, при рассеянном склерозе
A. Belogurov Jr., et al. Journal of Immunology 2008, FASEB J. 2013
Клинические испытания перспективного препарата для
лечения рассеянного склероза Миелоксен (Фаза IIa)
1.
2.
3.
Инкапсулированные пептиды МВР более чем на 40% снижают тяжесть заболевания у модельных
животных
Предложенная терапия ингибирует нейродегенеративный процесс, подавляет экспрессию провоспалительных Th1 цитокинов и аутоантител, а также индуцирует ремиелинизацию и экспрессию
нейротропного фактора мозга
В настоящий момент завершена I стадия и успешно проходит фаза IIa клинических испытаний
A Belogurov Jr. et al., Autoimmunity 2009, FASEB J. 2013
Antidotes toward chemical
weapons: promiscuity of catalytic
sites.
Poisoning of OPC leads to collapse nervous
system
OH
O
+
N
HO
O
N
O
acetylcholine
O
N
O
covalent coupling of toxin with
acetylcholine esterase leads
to increase of acetylcholine in
synapse and collapse of
nervous system
Question of OPC-poising therapy
The major target of organophosphorous toxins are cholinesterase-like
enzymes;
Extremely low LD50 value
OPC-associated mortality is 200000 people per year;
There are real threats of acts of terrorism, for example sarin attack in
Tokyo underground at 20 March of 1995
Risk group
Soldier
Stuff of OP
poisons
utilization plant
Farmers
Users
Therapy of OPC-poising
Classical therapy: low-weight anticholinesterase drugs and reactivators
Pyridostigmine
Atropine
2-PAM
Bioscavangers: enzyme which inactivate OP-molecule
Enzyme therapy
Antibody therapy
Enzyme therapy.
Buturylcholinesterase is a perspective antidote
Butyrylcholinesterase is a serine hydrolase which
exists practically in all tissues of mammal
organisms.
Butyrylcholinesterase has high reactivity toward
several OPC, which inactivate acetylcholine
esterase
Injection of a dose of 200 mg of human BChE can
protect humans against 2-5 LD50 of soman or VX
with no side effects
Sarin
Soman
VX
Parathion
The ways of recombinant protein drugs
clearance from patients
 Capture by cells and lysosome degradation
 Clearance by kidney
 Proteolytic degradation from bloodstream
Strategies of enhancement of therapeutic effects.
How we may do long-living therapeutics?
A
Genetic
modification
Expression and maturation
of the protein in the cell
B
+
protein
Polymeric molecule (PEG,
dextran, polysialic acid,)
Conjugate
Proteinpolymer
А. Modification of the gene to arrange new sites of glycosylation (Darbepoetin).
B. Chemical modification. Covalent conjugation of recombinant protein by
polymeric molecules. Pegylation. «PEGINTRON” (IF alfa 2A) “PEGASYS”)IF
alfa 2B). PEG – G-CSF (Neulasta), PEG – EPO (Mircera), PEG – asparaginase
(Oncaspar)
Long-living therapeutics
CHO-based expression system employing genes encoding butyrylcholinestrase and proline-rich
peptide under control of EF promoter resulted in self-assembled active enzyme multimers, which
revealed enhanced pharmacodynamics being polysialylated.
•
Ilyushin et al,
PNAS 2013
Enzyme Catalysis in Organic Synthesis. Chapter 14. Catalytic
antibodies. Smirnov I., Belogurov A., Gabibov A. Wiley-VCH, 2012
Antibody therapy.
Catalytic bioscavangers increase efficient of therapy
Catalytic antidotes
O
O
O P O
O P O
S
S
O
O P O
S
N
O
O P O
S
N
N
O
O
O P
OH
O
O
O P
OH
O
O
O P
OH
O
O
O P
OH
N
N
N
N
HS
HS
HS
HS
N
Reactive immunization and kinetic selection as combinatorial
approaches to rise novel artificial biocatalysts
Chemical selection of phage display library
could obtain kinetically selected protein templates that
attain enzyme-like attributes
Enzymes
Million years of evolution
Artificial Enzymes made by Combinatorial Approaches
Several months or weeks evolution
Selection in the test tube
from naïve repertoire 108 in mouse to 109 in semisynthetic libraries
Enzyme superfamily of different types could be substituted by
immunoglobulin superfamily
reactibody - immunoglobulin variable fragments obtained by
mechanism-based, irreversible covalent reaction
A.17 antibody has unusual deep cavity with
nucleophilic tyrosine at its base
I. Smirnov, I. Kurkova et al, PNAS 2011
Griffin.1 scFv library
+
CH3
N
O
Ph
P
A17 Catalytic Antibody
Screening for
biotin-X binding
O
O
NO2
X-phosphonate
Conversion of scFv into the whole
size human antibody expressed in CHO cells
P
BtX
S
A17 antibody is modified by
X-phosphonate and other
irreversible inhibitors
Reshetnyak et al. JACS,2007
--
Reactibody A17 is predisposed for covalent catalysis.
Ponomarenko et al. Acta Chrystal. D, 2014
MATURATION
IN SILICO
MESSAGE: Combination of instrumental and computational methods may be
regarded as an efficient strategy to obtain artificial biocatalysts de novo
Modification
Hybrid QM/MM
and MD
approach
Covalent intermediate
Turnover
Modification
Covalent intermediate
Turnover
Molecular docking
X-RAY
(PDB: 2XZC)
Stop-flow data
X-RAY
(PDB: 2XZA)
NO CATALYSIS
Molecular docking
MS data
Steady-state kinetics
ПеТАР – Персонифицированная Терапия
Аутоиммунных заболеваний и Рака
Персонализированная медицина – методика лечения тяжелых социальнозначимых заболеваний, основанная на индивидуальном подборе терапии в
зависимости от генетических, метоболических и иммунологических
особенностей пациента, а также от индивидуального течения болезни.
«Выбор лечения не может быть точным без
понимания наследственной структуры и
условий, в которых жили предки»
Иван Ефремов.
«Туманность Андромеды», 1955 г.
Продукты проекта - наборы (кассеты) терапевтических
антител к индивидуальным раковым антигенам, а также
кассеты иммунотоксинов для уничтожения
патологических В - клеток при аутоиммунных
заболеваниях.
Терапия «блокбастерами»
«Одно лекарство для всех»
ПеТАР
Индивидуальный подбор терапии в
зависимости от генетических
особенностей пациента и
индивидуального течения болезни
Социальная значимость персонификации
- повышение продолжительности
и качества жизни онкологических
пациентов и пациентов с
инвалидизирующими
аутоимунными заболеваниями
- сокращение расходов на закупки
дорогостоящих лекарств для
пациентов, у которых
стандартная терапия не
эффективна.
PACT strategy
1. A patient as a book
3. Proofreading
2. Major Revision
4. Revised manuscript
DEVELOPMENT OF PATIENT-SPECIFIC TARGETED B-CELL DEPLETION IN AUTOIMMUNITY
Identification of disease triggering
antigenic motifs
High throughput screening of natural and semisynthetic libraries
Identification of auto reactive BCR
repertoires
Phage display; SCID/hu mice platform; Genetic
Elements platform; look through mutagenesis
platform
Design of personalized immunotoxines
Design of specific immunotoxins for directed
autoreactive B cells depletion
Target validation and immunotoxine
selection
Patient ex vivo cultures; High yield mammalian cell
lines; disposable bioreactors
Patient-specific targeted B-cell depletion
therapy
Controlled targeted therapy
Multiple sclerosis
Do Myelin-Directed Antibodies
Predict Multiple Sclerosis?
N EJM, 2003
The B-Cell – Old Player, New
Position on the Team
NEJM, 2008
B-cells as one of the key players in the MS
Specific B-Cells depletion in MS
CD4CD25High
TOLERANCE
MBP
BCR
Autoreactive
B-Cell
B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP)
Traditional therapy
BCR
Autoreactive
B-Cell
B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP)
Specific therapy
CD4CD25High
TOLERANCE
MBP
BCR
Autoreactive
B-Cell
B-Cell Receptor (BCR), fragments of myelin basic protein (MBP)
Design of specific B-cell killers
A. Stepanov, A. Belogurov Jr., et al. PLoS ONE 2011
PACT
Pharma 2020: The vision. Which path will you take?
A growth market
US MARKET
The global population is projected
to rise from 6.5 billion in 2005 to
7.6 billion in 2020. It is also aging
rapidly; by 2020, about 719.4m
people – 9.4% of the world’s
inhabitants – will be 65 or more,
compared with 477.4m (7.3%) two
years ago. Older people typically
consume more medicines than
younger people; four in five of
those aged over 75 take at least
one prescription product, while
36% take four or more.
The number of deaths from heart
attacks has declined by over 50% in
most industrialised countries since
the 1960s, for example, while five year
survival rates for US patients
with cancer (expressed as an average
for all sites) have risen from 53% in
the mid-1980s to 66% today.
16% of 300 m US people have no medical
cover. In 2005, the US spent almost $2 trillion
on healthcare, about $50-60 billion of
which went on providing medical
treatment for the indigent. It is
extremely difficult to calculate the
additional cost of covering the
uninsured population as a whole,
but one study suggests that it could
be between $125 billion and $150
billion a year, depending on the
particular model that is used.
PricewaterhouseCoopers
PricewaterhouseCoopers
Background
The National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) was established in December 2011 to advance the development, testing and
implementation of diagnostics and therapeutics across a wide range of human diseases and conditions. NCATS strives to support research to reduce,
remove or bypass costly and time-consuming bottlenecks in the therapeutic development pipeline.
By improving the process by which these tools and medicines are developed, NCATS aims to make translational science more efficient, less expensive and
less risky. In this way, NCATS complements — and does not compete with — the work of the private sector and the other NIH Institutes and Centers.
NCATS unifies complementary programs in these cross-cutting areas:
► Clinical and Translational Science Activities o Clinical and Translational Science Awards (CTSA), a consortium of medical research
institutions working to improve the way clinical and translational research is conducted nationwide
► Rare Diseases Research and Therapeutics o Office of Rare Diseases Research, which coordinates and supports research on rare
diseases
Bridging Interventional Development Gaps, which provides access to critical pre-clinical resources needed for the development of
new therapeutic agents
Therapeutics for Rare and Neglected Diseases, a program to encourage and speed the development of new drugs for rare and
neglected diseases
► Re-engineering Translational Sciences o NIH Chemical Genomics Center, which provides researchers with access to the large-scale
screening and chemistry capacity necessary to identify compounds that can be used as chemical probes to validate new therapeutic
targets
Discovering New Therapeutic Uses for Existing Molecules, part of the Rescuing and Repurposing Drugs initiative , matches
researchers with a selection of molecular compounds from industry to test ideas for new therapeutic uses
Tissue Chips for Drug Screening, which aims to develop 3-D human tissue chips that accurately model the structure and function of
human organs to better predict drug safety
Toxicology in the 21st Century (Tox21), which is screening a collection of 10,000 compounds to identify potentially toxic disruptions
in biological pathways and develop ways to predict toxicity more accurately
In addition, NCATS’ Cures Acceleration Network enables overarching and flexible support for a
for a variety of initiatives and is designed to address scientific and technical challenges that impede transitional research .
NIH Office of the Director (OD)
For Immediate Release
Friday, September 16, 2011
Contact:
NIH Communications
301-496-5787
Home > News & Events Subscribe to receive future NIH news releases.
NIH, DARPA and FDA collaborate to develop cutting-edge technologies to predict drug safety
President Obama announced today that the National Institutes of Health will collaborate with the Defense Advanced
Research Projects Agency (DARPA), and the U.S. Food and Drug Administration to develop a chip to screen for safe and effective drugs far more swiftly
and efficiently than current methods, and before they are tested in humans. The chip will be loaded with specific cell types that reflect human biology. It will
be designed to allow multiple different readouts that can indicate whether a particular compound is likely to be safe or toxi c for humans. DARPA and NIH
will run separate and independent programs, but they will work closely to ensure maximum benefit and efficiencies. For exampl e, DARPA and NIH will
facilitate collaborations between researchers and FDA to advance the goals of both programs. This fall, the two agencies, in coordination with FDA, will
solicit proposals from industry, government labs, academic institutions, and other research organizations on how best to deve lop the chip, bringing together
the latest advances in engineering, biology, and toxicology to bear on this complex problem.
"Drug toxicity is one of the most common reasons why promising compounds fail," Francis S. Collins, M.D., Ph.D., NIH director said. "We need to know
which ones are safe and effective much earlier on in the process. This is an
unprecedented opportunity to speed development of effective therapies, while saving time and money."
Over the next five years, the NIH plans to commit up to $70 million and DARPA will commit a comparable amount to this effort. This groundbreaking effort
is an example of the types of innovative projects that would be led by the proposed National Center for Advancing Translation al Sciences (NCATS).
NCATS would help identify barriers to progress and provide science-based solutions to reduce costs and the time required to develop new drugs and
diagnostics. FDA will help determine how this new technology can be utilized to assess drug safety, prior to approval for first-in-human studies.
"We know the development pipeline has bottlenecks in it, and everyone would benefit from fixing them, "Collins said. "What we need are entirely novel
approaches to translational science, to take full advantage of the deluge of new biomedical discoveries that have been made i n recent years."
As proposed, NCATS will study the steps in the process of diagnostics and therapeutics development, identify the
bottlenecks, and experiment with innovative methods to streamline the process. By focusing on developing innovative new tools and methods for
therapeutics development, as opposed to developing therapeutics themselves, NCATS will enable others to bring safer and more effective medical
products to market in less time. In this way, NCATS will complement, and not compete with, the work of the private sector and other NIH translational
science efforts.
About the National Institutes of Health (NIH): NIH, the nation's medical research agency, includes 27 Institutes and Centers and is a component of the
U.S. Department of Health and Human Services. NIH is the primary federal agency conducting and supporting basic, clinical, an d translational medical
research, and is investigating the causes, treatments, and cures for both common and rare diseases. For more information about NIH and its programs,
visit http://www.nih.gov.
NIH...Turning Discovery Into Health ®
Глобальная проблема
Животные модели
Статические культуры
Системный подход
Человеческие клетки
НО не человек
НО не системный подход
93
Кризис разработок новых ЛС
50
40
30
20
10
0
1997
Трагедии при
тестировании:
1999
2001
Jesse Gelsinger
OTC gene therapy
2003
2005
“Elephant man”
antiCD28-TGN1412
Вывод с рынка:
Примеры:
Lipobay
Vioxx
Tysabri
2007
2011
Расходы на исследования
новых препаратов, млрд $
60
Утвержденные FDA
(NME's)
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Transforming Environmental
Health Protection
Francis S. Collins,
George M. Gray,
and John R. Bucher
Science 2008: 319 (5865), 906-7.
94
Кризис разработок новых ЛС
Проблема: Более 50% разрабатываемых фармацевтических
препаратов прошедших доклинические исследования,
оказываются токсичными для человека.
Отсутствуют in-vitro человеческие клеточные модели, которые
позволят тестировать новые препараты.
Решение: Разработка методик испытаний препаратов с
использованием клеточных модели тканей человека,
объединенных в единую систему.
95
Человек-на-чипе
Trends in Cell Biology, December 2011, Vol 21, No. 12,
D. Huh, G. A. Hamilton and Donald E. Ingber, From 3D cell culture to
organs-on-chips
96
Микробиореактор Homunculus
Состоит из сменного клеточного блока и блока управления
 Динамическая система – Насос на чипе
 ADMET принцип – много моделей органов
 Масштаб - 100,000 раз меньше человека
 Быстрое прототипирование
новых дизайнов чипа
97
Дизайн чипа
V поколение чипа: 6 клеточных ячеек
Кишечник, Печень + 4 органа-мишени
Кишечник
Насос
СО2 канал
Печень
Клеточная ячейка
98
Возможные сферы использования
Микробиореактор Homunculus – биотехнологическая
платформа, реализующая на клеточном уровне
упрощенную модель взаимодействий тканей
человеческого организма
1. Доклиническое изучение безопасности и эффективности новых
препаратов и комбинаций препаратов на моделях тканей
человека (токсичность, эффективность)
2. Подбор схем терапии на образцах биопсии пациента
(персонализированная медицина)
99
Мониторинг состояния клеток
1) Оптические методы
- поглощение
- флуоресценция
- биолюминисценция
2) Электро-химические методы
LDH, Глюкоза, Са2+
Клеточные Маркеры
Глюкоза
Лактат
Перекись
3) Метаболомика:
Хроматография
Масс-спектрометрия
Любые
метаболиты
5) Транскриптомика:
ПЦР
Микрочипы
Генетические
маркеры.
маленькие РНК
100
Традиционные подходы к лечению
рассеянного склероза
Новые подходы к лечению
рассеянного склероза,
разрабатываемые в лаборатории
биокатализа ИБХ РАН
Copaxone (глатирамера ацетат)/IFNb Индукция толерантности иммунной
– общая иммунносупрессия
системы к ОБМ. Пептиды основного
белка миелина.
Миелоксен®
Моноклональные антитела
Rituximab/Natalizumab –
неспецифическое воздействие на
Т-/В-клетки
Направленная элиминация клонов
аутореактивных В-клеток
иммунотоксинами
Ингибиторы активности протеасомы: Иммунопротеасома в ЦНС как
Bortezomib – апоптоз активно
мишень для направленного действия
пролиферирующих клеток
низкомолекулярных ингибиторов
Belogurov A. Jr., et al. FEBS Lett, 2012
Der Mensch als Industriepalast (Man as Industrial Palace) Stuttgart, 1926. Chromolithograph. National Library of Medicine. Fritz Kahn
(1888-1968) Kahn’s modernist visualization of the digestive and respiratory system as "industrial palace," really a chemical plant
COLLABORATION
RUSSIA
Institute of Biophysical Chemistry RAS
Prof. Eugene Nikolaev, Dr. Alexey Kononikhin
Pharmsintez LTD, Dr. Dmitry Genkin
ENGLAND
Lipoxen LTD, Dr. David Moss, Dr. Andrew Bacon
USA
Prof. Al Tramontano, UC Davis, Medical school
National Institute of Allergy and Infectious Diseases
National Institutes of Health
FRANCE
The University of Technology, Compiegne
Prof. Daniel Thomas, Alain Friboulet, Drs. Dominidue Pillet, Marjorie Paon, Berangere
Avalle.
Département de Toxicologie – CRSSA Institut de Recherche Biomédicale des
Armée
Prof. Patrick Masson , Drs Eugénie Carletti, Florian Nachon
ISRAEL
Melamed Medicals Dr. Dobroslav Melamed
M.M. Shemyakin & Yu.A. Ovchinnikov
Institute of Bioorganic Chemistry,
Russian Academy of Sciences
Authors:
Alexey A. Belogurov Jr., Ivan V. Smirnov, Alexey Stepanov, Jacob
Lomakin, Natalie A. Ponomarenko, Maria Zakharova