BDP-CLQ: молекула одновременно распознаёт амилоид и воздействует на его токсичность

Молекула BDP-CLQ объединяет поиск бета-амилоида и воздействие на несколько механизмов болезни Альцгеймера

Одна молекула получила сразу две разные задачи

Большинство молекул, разрабатываемых для болезни Альцгеймера, создаются с достаточно определённой функцией: распознать биологическую мишень, заблокировать конкретный процесс или помочь увидеть патологические изменения. Команда российских исследователей попыталась соединить несколько функций в одной химической конструкции.

Получившееся соединение называется BDP-CLQ. Оно состоит из двух функциональных частей. Первая основана на BODIPY — классе флуоресцентных красителей, способных поглощать свет и затем испускать его на другой длине волны. Вторая связана с клиохинолом (clioquinol) — соединением из группы 8-гидроксихинолинов, способным взаимодействовать с ионами металлов, включая медь.

Идея состоит не просто в механическом соединении красителя и хелатора. Исследователи рассчитывают, что одна часть молекулы позволит обнаруживать патологические агрегаты, а другая — воздействовать на химические процессы вокруг них.

Такой подход называют тераностическим: одна молекулярная система сочетает диагностическую и потенциально терапевтическую функции.

Бета-амилоид сам включает флуоресцентный сигнал BDP-CLQ

Диагностическая часть конструкции основана на необычном поведении флуоресцентной молекулы.

В свободном состоянии отдельные части BDP-CLQ способны вращаться относительно друг друга. Часть поглощённой световой энергии при этом рассеивается без яркой флуоресценции. Когда молекула связывается с агрегатами бета-амилоида, её внутримолекулярное движение ограничивается, и баланс энергетических процессов меняется.

Этот механизм связан с так называемым скрученным внутримолекулярным переносом заряда. Практический результат гораздо проще самого физического объяснения: в присутствии фибрилл бета-амилоида молекула начинает светиться значительно ярче.

В экспериментах с Aβ42 — одной из форм бета-амилоида, тесно связанной с образованием амилоидных отложений при болезни Альцгеймера, — интенсивность флуоресценции BDP-CLQ увеличивалась примерно в пять раз при длине волны 565 нм и в три раза при 650 нм.

Исследователи также определили сродство молекулы к амилоиду. Константа диссоциации составила около 1,45 мкМ для фибрилл Aβ42 и около 2,18 мкМ для мономеров. Чем ниже этот показатель, тем прочнее в данных условиях взаимодействуют молекулы. Таким образом, BDP-CLQ не просто меняет яркость в присутствии амилоида, но непосредственно связывается с ним.

Авторы называют BDP-CLQ первым соединением на основе клиохинола, способным обеспечивать флуоресцентное обнаружение фибрилл бета-амилоида.

Медь здесь не просто металл, который нужно удалить из мозга

Вторая часть исследования связана с ионами меди. Это более сложная история, чем представление о «лишней меди» как непосредственной причине болезни Альцгеймера.

Медь необходима нормальному мозгу и участвует в работе множества белков и ферментов. Проблемой может становиться нарушение её распределения и взаимодействия с белками. Бета-амилоид способен связывать Cu2+, а такие комплексы могут влиять на агрегацию пептида и образование активных форм кислорода, усиливающих окислительный стресс.

Поэтому исследователи давно рассматривают не просто удаление металлов, а изменение патологических взаимодействий между металлами и амилоидом как один из возможных путей воздействия на болезнь.

Клиохинол интересен именно этим свойством. Ещё предыдущие исследования показывали, что он способен связывать медь и вмешиваться во взаимодействие Cu2+ с бета-амилоидом.

У BDP-CLQ сродство к меди оказалось выше, чем у исходного клиохинола: рассчитанный показатель pKd составил 16,6 ± 0,3 против примерно 15,8 для клиохинола. Это указывает на очень прочное связывание Cu2+ в использованных экспериментальных условиях.

Но принципиально важно не превращать этот результат в вывод о необходимости «очищать мозг от меди». Металлы выполняют жизненно важные физиологические функции, а нарушения их обмена при нейродегенерации значительно сложнее простого избытка или недостатка.

BDP-CLQ воздействовал не только на медь

Самая интересная особенность новой конструкции проявилась, когда исследователи начали проверять её не как флуоресцентный датчик, а как многофункциональное соединение.

BDP-CLQ подавлял агрегацию бета-амилоида, проявлял антиоксидантную активность и уменьшал некоторые повреждающие эффекты Aβ в клеточной модели. В частности, исследователи наблюдали снижение вызванного бета-амилоидом изменения механических свойств клеток.

Отдельно была проверена цитотоксичность соединения на клеточной линии человеческой нейробластомы SH-SY5Y, которая широко используется как экспериментальная модель нейрональных клеток. Полумаксимальная ингибирующая концентрация BDP-CLQ составляла около 50,6 мкМ, а комплекса BDP-CLQ с медью — более 50 мкМ, что в условиях этих экспериментов указывало на относительно низкую клеточную токсичность.

Это уточнение существенно. Речь пока не идёт о доказанной безопасности для здоровых клеток человеческого мозга или тем более для человека. Клеточная линия позволяет проверить ранние свойства кандидата, но не воспроизводит всю сложность нервной ткани и организма.

В совокупности эксперименты показывают, почему исследователей привлекает идея многоцелевой молекулы. Вместо отдельного воздействия на амилоид, медь или окислительный стресс BDP-CLQ потенциально способен работать сразу на нескольких связанных уровнях.

История клиохинола напоминает, почему лабораторный эффект ещё не означает лечение

Клиохинол выбран для новой конструкции не случайно. Его взаимодействие с металлами и бета-амилоидом изучается уже десятилетиями, а сам препарат когда-то дошёл до клинических исследований при болезни Альцгеймера.

В небольшом исследовании II фазы участвовали 36 пациентов. Некоторые показатели выглядели обнадёживающими, включая снижение концентрации Aβ42 в плазме, однако убедительного общего улучшения когнитивных функций по сравнению с плацебо продемонстрировано не было. Последующий систематический анализ Cochrane пришёл к выводу, что доказательств клинической пользы клиохинола при деменции Альцгеймера недостаточно. Разработка препарата по этому показанию была прекращена.

Эта история особенно важна для интерпретации BDP-CLQ. Способность связывать медь, изменять агрегацию амилоида или защищать клетки в лаборатории сама по себе не гарантирует воздействия на течение заболевания у человека.

Болезнь Альцгеймера возникает в сложной биологической системе, где одновременно взаимодействуют амилоидная и тау-патология, воспалительные процессы, сосудистые изменения, метаболические нарушения и множество клеточных механизмов. Поэтому привлекательная молекулярная гипотеза должна пройти последовательную проверку на животных моделях, а затем в клинических исследованиях.

Гематоэнцефалический барьер станет первым серьёзным испытанием

Для BDP-CLQ существует ещё одна фундаментальная проблема: молекуле недостаточно хорошо работать рядом с бета-амилоидом в пробирке. Она должна попасть туда, где находится её предполагаемая мишень.

Мозг защищён гематоэнцефалическим барьером — системой клеточных структур, которая строго регулирует переход веществ из крови в нервную ткань. Многие потенциально активные соединения терпят неудачу именно на этом этапе: они демонстрируют хорошие свойства in vitro, но не достигают необходимых концентраций в мозге.

Исследователи поэтому рассматривают оптимизацию структуры BDP-CLQ для улучшения проникновения через гематоэнцефалический барьер как одно из следующих направлений работы.

После этого потребуются эксперименты in vivo. Они должны показать не только распределение вещества в мозге, но и его метаболизм, время выведения, токсичность, влияние на обмен металлов и способность действительно изменять патологию в модели заболевания.

Отдельный вопрос касается диагностической части. Усиление флуоресценции рядом с амилоидом хорошо демонстрирует принцип работы молекулы, однако оптическая визуализация глубоких структур человеческого мозга значительно сложнее лабораторного измерения флуоресценции. Поэтому возможность увидеть амилоид с помощью BDP-CLQ ещё не означает появления готового метода диагностики болезни Альцгеймера у человека.

Многоцелевые молекулы пытаются соответствовать сложности самой болезни

Реальное значение этой работы шире одного экспериментального соединения.

Современная терапия болезни Альцгеймера уже показала, что биологический процесс заболевания можно изменять, в частности воздействуя на амилоид. Но одновременно становится всё очевиднее, что заболевание невозможно полностью объяснить единственным патологическим механизмом.

Отсюда интерес к многоцелевым соединениям: одной химической конструкцией исследователи пытаются влиять на несколько взаимосвязанных процессов. В случае BDP-CLQ это распознавание амилоида, взаимодействие с медью, агрегация Aβ и окислительный стресс.

Есть и дополнительное преимущество. Флуоресцентная часть потенциально позволяет наблюдать, где находится молекула и как она взаимодействует со своей мишенью. Для ранней разработки препаратов это может быть полезно даже в том случае, если BDP-CLQ никогда не станет лекарством: такие конструкции способны одновременно служить экспериментальными инструментами для изучения биологии заболевания.

Но именно многофункциональность создаёт дополнительные требования. Необходимо понять, какие из наблюдаемых эффектов действительно имеют терапевтическое значение, какие концентрации потребуются в мозге, насколько избирательно соединение связывает необходимые мишени и не нарушит ли вмешательство нормальный обмен жизненно важных металлов.

Поэтому сегодняшняя работа — не сообщение о новом лечении болезни Альцгеймера, а ранняя проверка принципа.