Экспериментальная фармакология и создание новых лекарственных средств

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФАРМАКОЛОГИЯ И СОЗДАНИЕ НОВЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ

В последние сто лет приобрела самостоятельность новая отрасль медицинской науки – фармакология, что было обусловлено появлением создаваемых органической химией многочисленных новых веществ, потенциально обладавших биологической активностью, и необходимостью подвергнуть их специальному исследованию для установления возможности использования с лечебными целями. Фармакология сформировалась как отдельная самостоятельная дисциплина со специфической методологией и выделилась из отделов физиологии.

Это привело  в последние 40 лет к тому, что  получило затем удачное название «лекарственного взрыва».

Несомненно, что создание лекарственного средства — процесс чрезвычайно трудоемкий и дорогостоящий. Из всего количества веществ, потенциально обладающих лекарственными свойствами, истинными лицензируемыми лекарственными препаратами становится менее 1%, даже если исследование проводится на современном, оснащенном новейшим оборудованием предприятии.

В природе существует неисчислимое количество сложных, потенциально полезных или вредных для организма человека веществ, источниками которых служат животные, растения, бактерии и грибы. Некоторые из них уже заняли прочное место в медицине, другие можно использовать для получения полусинтетических лекарственных препаратов, однако большинство новых средств относится к числу чисто синтетических.

До конца XIX века открытие нового лекарственного препарата было исключительно результатом  случайной творческой удачи и  озарения. Поль Эрлих (1854 — 1915) положил конец подобной ситуации, развив идею и дав научную основу исследованиям в области селективной токсичности.

В целом поиск  лекарственных веществ основан  на исследовании их биологической селективности  и прогнозировании действия на организм человека.

ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ ЛЕКАРСТВЕННЫХ  ПРЕПАРАТОВ

Лекарственный препарат должен быть полезным и безопасным, а эти его качества в конечном итоге оцениваются клиницистом. Задача фармаколога заключается в предсказании этих свойств по экспериментальным данным на животных. Эта задача должна быть выполнена таким образом, чтобы была сведена к минимуму возможность пропуска полезного лекарственного вещества.

Наибольшие  трудности экспериментальной фармакологии заключаются в такой организации экспериментов на животных, чтобы можно было собрать максимальное количество информации при использовании относительно малого числа животных и чтобы эта информация имела отношение к человеческой физиологии и патологии. Например, особенно трудно спланировать эксперименты на животных для тестирования препаратов, если их возможная эффективность направлена на коррекцию психических нарушений у человека, но относительно легко при изучении антикоагулянтных эффектов, так как тромбоциты у животных и человека имеют сходные механизмы и определить способность свертывания крови несложно.

Процесс создания нового препарата можно представить  следующим образом.

A. Идея или гипотеза.

Б. Синтез веществ.

B. Исследования на животных: разные животные (мыши, крысы, морские свинки, кролики, кошки, собаки, обезьяны) при исследовании разных веществ. «Фармакология как часть физиологии, изучающая отношение живого организма к химическим агентам, не ограничивается одним каким-нибудь животным, а обыкновенно ставит правилом исследовать каждое вещество на ряде животных», - писал И.П. Павлов еще в конце ХIХ века.

I. Фармакология.

1. Исследование свойств, лежащих в основе предполагаемого терапевтического действия.

2. Другие исследования: по основным физиологическим системам.

3. Изучение взаимодействий с другими лекарственными средствами, с которыми в дальнейшем возможно сочетанное использование.

4. Исследование фармакокинетики.

II. Токсикологические  методы исследования.

1. Однократное введение  дозы (острая токсичность).

2. Повторное введение вещества (подострая, промежуточная и хроническая токсичность).

Используют  не менее двух видов млекопитающих (только один из них — грызуны), не менее двух путей введения (из них один, которым предполагается пользоваться при лечении человека), регистрация признаков проявления токсичности с изучением механизма развития смерти (определяют характер поражения органов-мишеней).

III. Специальные токсикологические  методы исследования.

1. Мутагенность. Бактериологические тесты на мутагенность позволяют определить очаг мутации.

2. Проведения исследований на канцерогенность не требуется до начала ранних фаз испытания на человеке, если только отсутствуют серьезные основания предполагать вероятность канцерогенного действия препарата.

3. Влияние на репродуктивность, в том числе способность к зачатию и тератогенез (teratos — чудовище, genesis — производство). Уже известен случай, происшедший при применении талидомида (аномалии развития плода).

После трагедии с талидомидом к необходимым  требованиям при изучении новых лекарственных препаратов относится исследование на беременных животных. Вначале было принято решение исследовать их в ранние сроки беременности на двух видах животных, но в настоящее время эти исследования значительно расширены. Остается неустановленным, насколько информативны данные, полученные в эксперименте на животных при использовании высоких доз, в отношении защиты человека. Однако ни одно лекарственное средство не может быть разрешено к применению, если оно не прошло подобных испытаний.

ЛАБОРАТОРНОЕ  ЖИВОТНОВОДСТВО — ОСНОВА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные и лабораторные животные. Сведения об использовании животных для изучения морфологического строения организма и функций органов и систем, понимания причин и механизмов заболеваний человека и домашних животных, поисков средств их лечения уходят в глубокую древность, к V веку до нашей эры.

Для постановки различного рода экспериментов издавна  использовались млекопитающие, особенно домашние и сельскохозяйственные животные (собаки, кошки, кролики, козы, овцы, телята, свиньи, лошади), дикие животные (обезьяны, волки, лисы, медведи, грызуны и т.д.), домашние (куры, утки, гуси, индюки) и дикие птицы (воробьи, канарейки), земноводные (лягушки, жабы), рыбы, пресмыкающиеся, разнообразные кишечнополостные и насекомые.

Интересные  наблюдения над животными и ценные открытия в области биологии и медицины были сделаны Цельсом, Гарвеем, Галеном, Гунтером. Неоценимые заслуги перед наукой имеют эксперименты на животных, выполненные на протяжении XIX веке Мажанди, Клодом Бернаром, А.М. Филомафитским, И.М. Сеченовым, И.П. Павловым и др. В XXвеке бурному развитию микробиологической науки и химиотерапии способствовали многочисленные наблюдения над животными, проведенные Л. Пастером, Р. Кохом, И.И. Мечниковым, Д.К. Заболотным, П. Эрлихом. Без широких, разнообразных форм экспериментов на лабораторных животных, особенно на теплокровных, немыслим был бы прогресс современной медицины и биологических наук.

Принимая  во внимание исторические аспекты использования различных животных, в научном эксперименте и в педагогических целях, их происхождение и качество (генетическую однородность, контролируемость по микрофлоре и паразитирующим животным), условно можно выделить следующие группы экспериментальных лабораторных животных:

1. Традиционные (обычные, конвенциональные) лабораторные животные. В эту группу входят те виды животных, которые в течение 50—100 лет используются для проведения научно-исследовательской работы и педагогического процесса (собаки, кошки, кролики, морские свинки, нелинейные белые мыши и крысы, обезьяны, лягушки) и выращиваются в обычных условиях.
2. Домашние и сельскохозяйственные животные, используемые в качестве лабораторных, например, свиньи, козы, овцы (бараны), телята, лошади, куры, гуси и т.д.
3. Генетически контролируемые животные (инбредные и конгенные линии, мутантные стоки, гибриды разных линий).
4. Животные, контролируемые по микрофлоре и паразитарным животным. В эту группу входят безмикробные (стерильные) мыши, крысы, морские свинки, собаки, миниатюрные свиньи, телята, а также мыши, крысы и другие животные, лишенные патогенной микрофлоры и паразитарных животных (SPF-животные), и безлейкозные птицы (куры, перепелки). Разведение и использование этих животных стало возможным благодаря развитию гнотобиологии, методы которой позволяют получать, выращивать и кормить лабораторных животных в безмикробных (стерильных) условиях.
5. Новые виды лабораторных животных. В эту группу следует зачислить целый ряд мелких лабораторных грызунов, прежде всего из семейства хомякообразных, подсемейства хомяков (хомячки: золотистый, серый, джунгарский), подсемейства песчанок (песчанка монгольская), подсемейства полевок (полевки: обыкновенная, рыжая, степная, темная, пеструшка, экономка) и семейства беличьих (белка, бурундук, суслик, сурик), морские животные (дельфины, морские звезды, ежи, зайцы, осьминоги), сумчатые (кенгуру, опоссумы), броненосец, рыбы, пресмыкающиеся (крокодилы, ящерицы), земноводные, насекомые.

Генетически контролируемые животные. Потребность в лабораторных животных с каждым годом возрастает. На лабораторных животных моделируют более 250 заболеваний человека. В настоящее время усилиями ученых многих стран мира благодаря кропотливым многолетним исследованиям с применением метода тесного инбридинга (близкого внутриродственного скрещивания) и тщательному селекционному отбору удалось вывести более 250 линий мышей, свыше 60 линий крыс, 10 линий морских свинок, кроликов, собак, миниатюрных свиней. Каждой линии присущи свои передающиеся по наследству особенности и свойства (повышенная или пониженная чувствительность к опухолям, определенным инфекционным заболеваниям, эпилептическим припадкам и т.д.). Линейные животные, подобно однояйцевым близнецам, гомозиготны. Они ценны тем, что являются генетически однородными и отличаются от нелинейных животных постоянными реакциями на воздействие физиологических, химических и патогенных факторов.

Пониженная  жизнеспособность инбредных линий  лабораторных животных является недостатком  этих ценных биологических моделей. Даже несущественные изменения различных факторов внешней среды, которые еще не оказывают никакого влияния на гетерозиготных (нелинейных) животных, у гомозиготных (инбредных) животных могут вызвать существенные сдвиги в организме.

Выполнение  научной работы на генетически контролируемых лабораторных животных дает возможность получать однородные данные, благодаря чему используется меньшее число животных, чем при проведении опытов на нелинейных животных.

Гнотобиоты («стерильные» лабораторные животные). Как линейные, так и нелинейные животные являются носителями возбудителей многих вирусных, бактериальных и паразитарных заболеваний, которые затрудняют выполнение точных научных исследований. В процессе эксперимента, особенно длительного, контаминирующие в организме возбудители могут активироваться и в корне извратить характер реакций животного на испытуемый агент. В связи с этим возникла потребность получения лабораторных животных, лишенных микроорганизмов и паразитов или имеющих в организме контролируемую микрофлору.

Современный уровень науки и техники позволяет выращивать и содержать в абсолютно стерильных условиях в течение всей жизни лабораторных животных, совершенно лишенных микроорганизмов и паразитирующих в их организме животных или зараженных одним-двумя-тремя известными микроорганизмами. Таким образом, возникла новая отрасль биологической науки — гнотобиология.

Термины «гнотобиоты», «гнотобиология» по предложению  Т.D. Luckey (1963) образованы от корней двух слов: «гното» — известный и «биота» — флора и фауна.

Мысль о возможности выведения в искусственной среде животных, лишенных микроорганизмов, высказывал еще Л. Пастер. Он разработал схему получения стерильных цыплят.

Л. Пастер считал, что жизнь животных не может протекать  нормально без микроорганизмов, в то время как некоторые его современники предполагали, что микрофлора причиняет макроорганизму только вред. Поиски безмикробных животных, обитающих на земле, не увенчались успехом, но доказано, что ряд птиц и животных Арктики обладают очень скудной микрофлорой.

Первыми гнотобиотами стали в начале XX века цыплята и морские свинки, т.е. животные, которые сразу после рождения могут поедать корм.

Гнотобиология — новая  отрасль науки, которая успешно  стала развиваться в сороковых  годах XX века благодаря достижениям науки и техники, созданию сложных, дорогостоящих и точных приспособлений (камер-изоляторов), обеспечивающих полную стерильность содержания и кормления животных. В 1944г. в Нью-Йорке был проведен первый симпозиум по выведению и использованию безмикробных животных.

В настоящее время в  стерильных условиях гнотобиотических изоляторов получены для медико-биологических  экспериментов безмикробные мыши, крысы, морские свинки, хомячки, кролики, кошки, собаки породы бигль, ягнята, козлята, поросята и обезьяны.

С развитием гнотобиологии разрешена проблема контроля лабораторных животных по микробным, вирусным, паразитарным, а также антигенным факторам.

Различают следующие виды гнотобиотов: полностью лишенные микроорганизмов  — безмикробные (монобиоты) и гнотоформные животные, то есть зараженные одним (диобиоты) или несколькими видами (полибиоты) микробов, а также — животные, свободные от естественных патогенных возбудителей инфекционных и инвазионных заболеваний (СПВ-животные, SPF-животные, что означает Specific pathogen free).

Вне всяких сомнений, что  безмикробные животные представляют собой  ценные и точные биологические модели, научная работа на которых откроет  новые горизонты в области  микробиологии, вирусологии, иммунологии, фармакологии, онкологии, хирургии, космической медицины, а также ветеринарии. Использование гнотобиотов позволит выяснить значение микрофлоры кишечника в биосинтезе и метаболизме биологически активных соединений и токсинов, степень участия микроорганизмов в превращениях лекарственных веществ и возникновении опухолей и других заболеваний.

SPF-животные широко используются  для изучения фармакологической  активности и оценки токсичности  лекарственных препаратов.

Работа на линейных животных и гнотобиотах  приблизила экспериментальную биологию и медицину к категории точных наук. Большие финансовые затраты на выведение линейных и стерильных животных окупились новыми научными открытиями в области физиологии, биохимии, иммунологии, онкологии и других биологических наук.