отдел кинетики химических и биологических процессов

Лаборатория количественной онкологии

Лаборатория количественной онкологии
Заведующий - д.м.н., профессор Корман Давид Борисович
Телефон: 939-74-51

В 1962 году Николаем Марковичем Эмануэлем было принято решение о существенном расширении исследований по созданию новых противоопухолевых препаратов. Подходы к этим исследованиям основывались на впервые выдвинутых им ещё в 1957 году идеях о физико-химических механизмах возникновения и развития злокачественных опухолей и роли свободных радикалов в этих процессах. Было решено организовать в Институте весь цикл связанных с этим работ: синтез новых соединений, изучение их противоопухолевых свойств и механизмов действия, разработку лекарственных форм перспективных препаратов и проведение их клинических испытаний. К этому решению Н.М.Эмануэль пришел после того, как убедился в неэффективности существовавшей до этого в системе Академии наук организация подобных работ, когда в одном научном учреждении синтезируются вещества, в других - проводится их экспериментальное изучение, в третьих - исследуются механизмы действия, в четвертых - ведутся клинические испытания. Он понял, что надо создавать новые организационные формы и со свойственным ему организаторским блеском реализовал эту идею в Институте химической физики АН СССР.

Так был создан отдел кинетики химических и биологических процессов, на базе которого 15 лет назад был организован Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, в котором над различными проблемами биологии, в первую очередь, онкологии совместно работали физики, химики, математики, биологи и врачи. Этот уникальный для того времени коллектив, который сейчас называется «Школой академика Н.М. Эмануэля», явился прообразом будущих многочисленных научных центров.

Одним из этапов реализации этой программы стала организация в1961-1963 годах двух групп – экспериментальной онкологии и экспериментальной и клинической химиотерапии опухолей. Для руководства этими исследованиями были приглашены два крупных ученых-биолога: профессор Лана Пименовна Липчина и профессор Евгений Матвеевич Вермель - один из основоположников отечественной противоопухолевой химиотерапии, первым начавший в нашей стране лечить онкологических больных с помощью лекарственных средств, создатель первого отечественного противоопухолевого препарата «омаин». Для практической организации этих исследований была приглашена к.б.н. Сара Анатольевна Кругляк, имевшая огромный опыт экспериментальной работы, в том числе по разработке новых химиотерапевтических средств. Впоследствии эти группы были преобразованы в соответствующие лаборатории, а в 1973 году они были объединены в одну лабораторию количественной онкологии, продолжающую работу до настоящего времени в составе ИБХФ имени Н.М. Эмануэля РАН.

Одним из пунктов программы Н.М. Эмануэля было создание собственного вивария, который организационно входит в состав лаборатории количественной онкологии, но фактически является общеинститутским подразделением, обеспечивающим на протяжении всех этих лет экспериментальными животными все исследования, проводимые в различных лабораториях института (зав. виварием – Валентина Александровна Рыкова). В 2006 году виварий сертифицирован и получил лицензию на проведение доклинических исследований.

Для биологического изучения опухолей человека и проведения клинических испытаний новых противоопухолевых препаратов, в первую очередь разрабатываемых в институте, была организована клиническая база лаборатории, которая с 1963 по 1977 год находилась в отделении химиотерапии Московской городской клинической больницы №1, а с 1977 года в отделении химиотерапии Московской городской клинической больницы №40. На базе этих отделений совместно с врачами больниц работали сотрудники лаборатории количественной онкологии: врачи-онкологи.

Основное направление исследований лаборатории в целом за прошедшие годы не менялось и может быть сформулировано как изучение кинетических, физико-химических, клеточных, молекулярных механизмов развития опухолей, изучение противоопухолевых свойств новых противоопухолевых препаратов и механизмов их действия, разработка новых подходов к лечению рака.

Крупные циклы исследований, выполненные сотрудниками лаборатории, были направлены на выяснение кинетических закономерностей развития злокачественных опухолей, что соответствовало характерному для Института химической физики кинетическому подходу к описанию различных процессов. Благодаря этим приоритетным экспериментально-биологическим исследованиям впервые были охарактеризованы кинетические закономерности развития большинства перевиваемых, индуцированных и спонтанных опухолей лабораторных животных, изучено влияние противоопухолевых препаратов разных классов на кинетику роста этих опухолей, обнаружены критические явления при трансплантации опухолей. На основе этих исследований был разработан кинетический критерий оценки противоопухолевого эффекта, позволяющий проводить количественную оценку эффективности противоопухолевых воздействий на течение опухолевого процесса в целом. Результаты этих исследований вошли в уникальную монографию Н.М. Эмануэля «Кинетика экспериментальных опухолевых процессов» (М. «Наука», 1977г.).

Кинетический подход был применён и к исследованию закономерностей роста опухолей человека. Была изучена кинетика развития ряда злокачественных опухолей и лейкозов человека, выявлены общие кинетические закономерности выживаемости больных основными злокачественными опухолями после различных терапевтических воздействий (радикальные и паллиативные операции, химиотерапия). На основании полученных данных была разработана оригинальная модель связи выживаемости больных с кинетическими параметрами опухолевого роста, послужившая основой для разработки кинетического метода сравнительной оценки эффективности лечения онкологических больных. Модель позволяла также на основании данных о выживаемости больных давать количественную оценку эффективности терапевтических воздействий непосредственно на опухоль. Материалы этого цикла исследований составили основу 2 докторских и 7 кандидатских диссертаций и вошли в монографию Н.М. Эмануэля и Л.С. Евсеенко «Количественные основы клинической онкологии» (М. «Медицина»,1970 г).

Значительное внимание было уделено изучению кинетики клеточной пролиферации экспериментальных опухолей и опухолей человека с помощью метода авторадиографии. В этих исследованиях были количественно охарактеризованы параметры клеточного цикла различных опухолей животных и человека, их изменение под влиянием противоопухолевых препаратов разных классов, рассматривались клеточные механизмы действия различных препаратов. Эти исследования завершились защитой 3 докторских и 6 кандидатских диссертаций, их результаты нашли отражение в 2 монографиях сотрудника лаборатории О.С.Франкфурта «Клеточный цикл в опухолях» (М. «Медицина»,1975 г) и «Клеточные механизмы химиотерапии опухолей» (М. «Медицина»,1976 г).

Важнейшую часть исследований, проводимых в лаборатории, составляют проблемы противоопухолевой химиотерапии, включающие оценку противоопухолевых свойств разнообразных синтетических соединений и природных веществ, углубленное изучение наиболее активных из них, исследование клеточных и молекулярных механизмов их действия, отбор соединений, перспективных для клинического изучения, и разработку их лекарственных форм, организацию и проведение их клинических испытаний. Н.М. Эмануэлем впервые было предложено исследовать малотоксичные ингибиторы свободно-радикальных процессов – антиоксиданты в качестве потенциальных средств для терапии и профилактики злокачественных опухолей. Один из разделов этого направления, включавшего многие лаборатории Отдела, связанный с изучением противоопухолевых свойств ряда синтетических антиоксидантов из класса пространственно - затрудненных фенолов, разрабатывался в лаборатории количественной онкологии. В результате большого числа разнообразных экспериментальных исследований был выбран препарат для клинических испытаний, получивший название дибунол. Было разработано несколько лекарственных форм препарата (таблетки, суппозитории, линимент), прошедшие клинические испытания на основе клинической базы лаборатории. Результатом этих клинических исследований стало установление высокой эффективности линимента дибунола при опухолях мочевого пузыря. Препарат был разрешен Минздравом СССР для практического применения. При активном участии сотрудников лаборатории было организовано его промышленное производство на Горьковском химико-фармацевтическом заводе и в течение длительного времени препарат широко применялся онкологами и урологами при лечении больных с опухолями мочевого пузыря. За разработку, изучение и внедрение этого препарата группа сотрудников лаборатории во главе с Н.М.Эмануэлем в 1972 году была удостоена Премии Совета Министров СССР. Позже была показана эффективность препарата при лечении лучевых, трофических, термических, химических поражений кожи и слизистых, и эти заболевания стали ещё одним показанием для практического применения дибунола. Очень важным для лаборатории было создание специализированной «группы лекарственных форм» во главе с высококвалифицированным специалистом в этой области Германом Иосифовичем Радкевичем, имевшим огромный опыт разработки и внедрения в производство разнообразных лекформ разных препаратов. Во многом благодаря успешной работе этой группы, удавалось доводить до клинических испытаний создаваемые в Институте новые препараты, а некоторые из них – внедрить в производство и клиническую практику.

Важным этапом развития отечественной противоопухолевой химиотерапии стало исследование нового для того времени класса препаратов - нитрозоалкилмочевин – начатое в лаборатории в 1963 году Ларисой АнатольевнойОстровской (ныне – доктор биологических наук). Первым препаратом этого класса, для которого была доказана высокая противоопухолевая активность в эксперименте и клинике, стала нитрозометилмочевина (НММ), положившая начало дальнейшей разработке большинства препаратов данной группы, некоторые из которых до настоящего времени входят в арсенал средств современной противоопухолевой химиотерапии. В экспериментальных исследованиях, выполненных в лаборатории (Л.А.Островская, Т.В.Король) была обнаружена исключительно высокая противоопухолевая активность препаратов класса нитрозоалкилмочевин, показана широта спектра их действия в отношении перевиваемых и спонтанных опухолей животных, проведено углублённое изучение противоопухолевых свойств препаратов, разработаны оптимальные режимы их применения. На разработанной в лаборатории экспериментальной модели иммунодефицитных фенотипически нормальных мышей (В-мыши) показана высокая активность препаратов в отношении ксенографтов ряда опухолей человека.

Сравнительное экспериментальное исследование большого числа производных, относящихся к классу нитрозоалкилмочевин, позволило установить уникальные особенности фармакологического механизма действия препаратов этой группы. Было обнаружено, что нитрозоалкилмочевины обладают циклонеспецифичностью действия, вызывая гибель как пролиферирующих, так и покоящихся (в фазе G0) опухолевых клеток; индуцируют в пролиферирующих опухолевых клетках длительно существующие (остаточные) структурные повреждения хромосом при быстрой элиминации хромосомных аберраций в нормальных клетках, легко проникают через гематоэнцефалический барьер и обнаруживаются в высоких концентрациях в опухолевых тканях мозга при развитии злокачественных новообразований. Показана высокая эффективность сочетанного применения нитрозоалкилмочевин с противоопухолевыми препаратами других классов (Л.А. Островская, О.С. Франкфурт, М.М. Фомина, Т.В. Король, О.Л. Войнарская). При исследовании молекулярных механизмов действия нитрозометилмочевины и других нитрозоалкилмочевин, проведенных под руководством доктора биологических наук, профессора Лоры Борисовны Горбачёвой, установлено, что эти препараты вызывают глубокое и устойчивое торможение синтеза ДНК и РНК в опухолях, а также в активно пролиферирующих нормальных клетках при более быстром восстановлении синтеза этих макромолекул в нормальных делящихся клетках. Ингибирующий эффект обусловлен нарушениями в структуре ДНК и РНК и ферментативном аппарате репликации и транскрипции. Обнаружено, что монофункциональные нитрозоалкилмочевины (нитрозометилмочевина) в условиях in vivo вызывают образование однонитевых разрывов и фрагментацию ДНК, тогда как хлорэтильные производные нитрозомочевины инициирует образование межнитевых сшивок. Показано, что цитотоксичность алкилнитрозомочевин определяется уровнем образующегося при их действии О6-алкилгуанина и длительностью существования этой модификации, которая зависит от уровня 06-алкилгуанин-ДНК-трансферразы (06-АГТ). Получены экспериментальные данные, указывающие на связь развития резистентности к нитрозоалкилмочевинам с уровнем в клетках этого фермента. При воздействии НММ отмечено более длительное, по сравнению с хлорэтильными производными, существование О6-метилгуанина. Клинические испытания нитрозометилмочевины были начаты в 1966 году Н.П.Дементьевой на клинической базе лаборатории в отделении химиотерапии 1-й Градской больницы и при получении первых положительных результатов продолжены в ряде ведущих онкологических клиник страны. Во время этих испытаний, проводимых под руководством Д.Б.Кормана и Н.П.Дементьевой, была установлена высокая эффективность препарата при лимфогранулематозе, лимфосаркоме, мелкоклеточном раке легкого, меланоме. Было обнаружено, что применение НММ может оказаться эффективным также в случаях первичной или приобретенной резистентности к другим препаратам. На основании полученных данных Фармакологический Комитет МЗ СССЗ в 1972 году рекомендовал нитрозометилмочевину для практического применения при этих опухолях. В 1970-1980-х годах в клинике были разработаны схемы комбинированной химиотерапии, включающие НММ. Как показали многочисленные клинические исследования, ряд схем полихимиотерапии оказался высокоэффективным, их применение может приводить к выраженной регрессии опухоли, вплоть до длительных (более 5-10 лет) полных ремиссий. По результатам экспериментальных и клинических исследований препаратов группы нитрозомочевин сотрудниками лаборатории были защищены 2 докторских и 6 кандидатских диссертаций. Материалы этих исследований составили основу монографии Н.М.Эмануэля, Д.Б. Кормана, Л.А. Островской, Л.Б. Горбачёвой, Н.П. Дементьевой «Нитрозоакилмочевины - новый класс противоопухолевых препаратов» (М. «Наука», 1978 г).

Продолжавшиеся в течение последних 15 лет исследования соединений класса нитрозомочевин позволили выявить ряд высокоэффективных препаратов нового поколения (АДЭКО, диметинур, хлонизол), которые на основании углублённого предклинического изучения представляются перспективными для дальнейшего клинического исследования (Л.А. Островская, М.М. Фомина, Н.В. Блюхтерова, В.А. Рыкова).

Помимо изучения нитрозоалкилмочевин продолжаются широкие исследования противоопухолевых свойств и механизмов действия большого числа разнообразных соединений, в первую очередь, синтезируемых в других Институтах РАН. Среди них можно назвать металлсодержащие производные полиакриловой кислоты (Иркутский институт химии им. А.Е Фаворского СО РАН, академик М.Г. Воронков), ферроценсодержащие соединения (ИНЭОС РАН, профессор Ю.С. Некрасов), комплексные соединения палладия (морфозол) (ИОНХ РАН, профессор И.А. Ефименко), ферментативный белок барназа (Институт биоорганической химии РАН, профессор С.М. Деев), препараты араноза и циклоплатам (РОНЦ РАМН), хлонизол (НИИ онкологии им. проф. Н.Н.Петрова МЗ РФ) и др. В последние годы в лаборатории исследуется возможность использования определения уровня 06-алкилгуанин-ДНК-трансферразы в лимфоцитах крови больных злокачественными опухолями для прогнозирования чувствительности этих опухолей к действию алкилирующих противоопухолевых препаратов (Л.Б.Горбачёва с сотр.). Накопленный за все эти годы опыт экспериментального и клинического изучения противоопухолевых препаратов отражен в монографии Д.Б. Кормана «Основы противоопухолевой химиотерапии» (М. «Практическая медицина», 2006г.)

Новым направлением исследований, проводившихся в лаборатории в течение последних 15 лет, стало изучение закономерностей изменения антиоксидантного статуса организма при развитии злокачественных опухолей, что рассматривалось как создание научных основ для разработки оптимальных методов применения у этих больных медицинских препаратов - антиоксидантов. В качестве обобщенного показателя антиоксидантного статуса (интенсивности свободно-радикального окисления) в организме больных злокачественными опухолями впервые был использовано определение уровня двойных связей (степени ненасыщенности) в липидах крови. При обследовании более 400 больных различными опухолями (рак молочной железы, рак легкого, меланома, лимфосаркома) установлены разнонаправленные, в зависимости от стадии заболевания, изменения этого показателя по сравнению со здоровыми донорами. Неожиданным результатом явилось обнаружение у больных с распространенными опухолями возрастания степени ненасыщенности липидов крови, что интерпретируется как указание на снижение у них свободно-радикального окисления и, следовательно, указывает на бесперспективность применения в таких ситуация антиоксидантов. Подтверждением связи степени ненасыщенности липидов крови со стадией заболевания стали результаты экспериментальных исследований на перевиваемых опухолях, в которых изучалась кинетика изменения этого параметра в процессе роста опухоли. Было обнаружено, что для начального периода развития опухоли характерно снижение уровня двойных связей в липидах крови, по мере прогрессирования опухолевого процесса происходит возрастание количества двойных связей.

Еще одним новым направлением, развиваемым в последние годы, стало исследование биологических эффектов и механизмов действия противоопухолевых препаратов, применяемых в сверхмалых концентрациях. Эти исследования являются частью большой программы исследования эффектов сверхмалых концентраций биологически активных веществ и физических факторов сверхнизкой интенсивности, начатой и руководимой в Институте профессором Е.Б. Бурлаковой.

В рамках этой программы в лаборатории ведется систематическое изучение противоопухолевых свойств сверхмалых доз (СМД) известных, наиболее часто применяемых в клинике, препаратов. Обнаружена биологическая активность ряда цитостатиков – НММ, циклофосфана, доксорубицина при применении в диапазоне сверхмалых доз (10-10–10-20М) в отношении ряда экспериментальных опухолевых моделей. Установлено, что направленность и выраженность биологического эффекта цитостатиков в области СМД зависит от природы действующего агента, дозы препарата и штамма опухоли. Показана способность некоторых цитостатиков (НММ, доксорубицин) оказывать в СМД противоопухолевый эффект, сопоставимый с активностью препаратов в стандартных дозах (10-2–10-3М) (Т.В.Крутова, Л.А.Островская). Установлено, что цитогенетический эффект нитрозометилмочевины в отношении опухолевых клеток практически не изменяется при снижении дозы препарата на 17 порядков (с 10-3 до 10-20М).

Наиболее впечатляющие результаты получены при изучении доксорубицина, который в диапазоне СМД (10-5–10-20М) проявляет противоопухолевую активность в отношении пяти перевиваемых опухолей, относящихся к числу “сигнальных” тест-систем - карцинома легких Льюис, меланома В16, карцинома 755, асцитная опухоль Эрлиха, лейкоз L1210. Применение препарата в определенных дозовых режимах приводило к ингибированию роста этих опухолей на 80–95%., при этом самая низкая доза (10-20 М) проявляет, как правило, наибольший противоопухолевый эффект при всех изученных режимах введения - рост опухоли ингибируется на 90–95% по сравнению с контролем (Л.А.Островская, Д.Б.Корман, М.М.Фомина, Н.В.Блюхтерова, В.А.Рыкова). Показано, что сверхмалые дозы доксорубицина (10-10–10-20М) в условиях in vitro не оказывают прямого цитотоксического воздействия на опухолевые клетки (лейкоз Р388), в отличие от стандартной дозы препарата (10-3М), вызывающей морфологические изменения во всех экспонированных опухолевых клетках. Эти данные могут указывать на различный механизм противоопухолевого действия доксорубицина в стандартных и сверхмалых дозах.

На модели спонтанного лейкоза у мышей линии AKR обнаружена способность фенозана (синтезированный в ИБХФ РАН антиоксидант) в СМД (10-14 моль/кг) оказывать профилактический эффект (снижение частоты возникновения лейкоза) и противоопухолевое действие (продление жизни животных с развившимся лейкозом) (В.Н.Ерохин с сотр).

В последние годы в лаборатории под руководством главного научного сотрудника д.б.н. Л.А.Островской ведутся интенсивные исследования противоопухолевых свойств разнообразных физических факторов и их использования в комплексной терапии в сочетании с цитостатиками, синтетическими и природными соединениями разных классов (низкоинтенсивные электромагнитные воздействия, импульсная лазерная гипертермия с наночастицами, комплексная гипертермия, фотодинамическая терапия ). Эти исследования выполняются в рамках программ, разрабатываемых ФГУП МНТЦ «Наука» Минобразования РФ (профессор М.И. Будник) и ФГУП «НИОПИК» (академик Г.Н. Ворожцов, к.ф-м.н. Б.Я.Коган).

В последние годы значительная часть экспериментальных исследований (более 40 проектов), проводимых в лаборатории, выполнялась в рамках федеральных, муниципальных и академических программ на основе конкурсного внебюджетного финансирования. Среди них - научно-техническая программа Правительства Москвы «Разработка и практическое освоение в здравоохранении новых методов и средств профилактики, диагностики и лечения онкологических, инфекционных и других опасных заболеваний» (головная организация ФГУП «НИОПИК), Программа фундаментальных исследований Отделения химии и наук о материалах РАН «Биомолекулярная и медицинская химия», Программа «Фармацевтика» Научно-технического центра «Наука» Министерства образования РФ и др. За годы существования лаборатории ее сотрудниками опубликовано несколько сотен статей в различных изданиях, в последние годы ежегодно посылается в печать 4-6 статей. Сотрудники лаборатории регулярно участвуют в работе российских и международных съездов, конгрессов, конференций, симпозиумов. В состав лаборатории в настоящее время входит 17 сотрудников, в том числе 3 доктора наук и 4 кандидата наук.

Лаборатория количественной онкологииЛаборатория количественной онкологии
Яндекс.Метрика