Три учёных, открывшие метод лечения ожирения на основе GLP-1, получили в 2024 году премию Ласкера-Дебейки за клинические медицинские исследования

Прием нового гормона

В середине 1970-х годов Хабенер, молодой эндокринолог, открыл свою лабораторию в Массачусетской больнице общего профиля, и вскоре его внимание привлек диабет. Обычно глюкоза заставляет поджелудочную железу вырабатывать инсулин, который выводит сахар из кровотока в клетки. При диабете недостаток инсулина поддерживает высокий уровень глюкозы в крови, в то время как клетки голодают. Хотя введение инсулина было основой одной из форм терапии, исследователи изучали альтернативную тактику. Другой гормон поджелудочной железы, глюкагон, повышает концентрацию сахара в крови, поэтому его прекращение может принести пользу людям с диабетом, считалось в докладе.

Хабенер решил использовать новые инструменты молекулярной биологии и выделить ген, кодирующий глюкагон. Рекомендации Национального института здравоохранения США по исследованиям рекомбинантной ДНК в то время ограничивали манипуляции с генами млекопитающих, поэтому он остановился на удильщике, который имел преимущество, поскольку содержал специальный орган, производящий большое количество глюкагона.

Ученые знали, что активные пептидные гормоны высвобождаются из более крупных белков ферментами, которые расщепляются в определенных местах. В 1982 году Хабенер сообщил, что ген глюкагона рыб кодирует предполагаемый белок-предшественник, содержащий глюкагон и, кроме того, второй пептид, напоминающий глюкагон. Та же самая пара аминокислот, лизин-аргинин, которая отмечает места расщепления в других белках-предшественниках гормонов, появляется в нескольких местах. Разрезание этого места освободит глюкагон и второй пептид.

В следующем году Грэм Белл (Chiron Corporation) обнаружил, что ген, кодирующий глюкагон хомяка, также кодирует версию второго рыбьего пептида, который он назвал глюкагоноподобным пептидом-1 (GLP-1). Аналогичные результаты последовали у человека и других млекопитающих.

Пропущенный этап обработки?

К этому времени химик Светлана Мойсов из Университета Рокфеллера самостоятельно стала поклонницей глюкагона. Она хотела найти способ производить его в больших количествах для механистических исследований. В рамках этих усилий она изучала структуру гормона в качестве аспиранта, научного сотрудника и исследователя. Руководитель диссертации Мойсова Брюс Меррифилд (Премия Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования 1969 года; Нобелевская премия по химии 1984 года) изобрел так называемый твердофазный синтез белка, и к середине 1970-х годов он стал предпочтительным методом для быстрого производства большого количества белка. поставки чистого материала.

К сожалению, из-за химических особенностей глюкагона некоторые аминокислоты вступают в побочные реакции с сильной кислотой, необходимой для этого процесса. По этой причине общепринятое мнение считало, что глюкагон не поддается твердофазному методу.

Это препятствие не остановило Мойсова. Она разработала альтернативную стратегию, позволяющую избегать сильных кислот. Более того, ее подход обеспечил степень чистоты, никогда ранее не достигавшуюся при синтезе пептидов. Высокие урожаи и отсутствие примесей окажутся решающими для многих аспектов ее будущей работы.

К 1983 году, когда Мойсов перешел в Массачусетскую больницу общего профиля в качестве директора центра пептидного синтеза, она усовершенствовала схему и начала применять свой опыт к GLP-1. Этот пептид заинтриговал ее отчасти потому, что она думала, что он может заполнить давний пробел. В начале 1900-х годов ученые предположили, что вещества в кишечнике стимулируют поджелудочную железу вырабатывать гормоны. Твердые доказательства существования таких «инкретинов» появились в 1964 году, когда исследователи продемонстрировали, что прием глюкозы вызывает большее высвобождение инсулина, чем инъекция глюкозы. Они пришли к выводу, что что-то в кишечнике провоцирует секрецию инсулина. Такие инкретины до сих пор ускользали от идентификации, и кандидатом был GLP-1, ранее неизвестный пептид, напоминающий гормон (глюкагон), который, как известно, влияет на уровень сахара в крови.

Мойсов ломал голову над предсказанной последовательностью предполагаемой 37-аминокислотной цепи GLP-1. Присутствие одних и тех же аминокислот в одних и тех же положениях в разных белках предполагает, что они выполняют важную функцию, однако GLP-1 начинается с участка из шести аминокислот, которых нет в глюкагоне или других молекулярных родственниках. Мойсов заметил аргинин в положении 6. Аргинины отсекаются хорошо известными человеческими ферментами, и если бы GLP-1 начинался после этой аминокислоты, полученный пептид - теперь состоящий из 31, а не 37 аминокислот в длину - идеально соответствовал бы своему семейству глюкагонов. члены.

Разбираемся в сути вопроса GLP-1

Мойсов намеревался определить, может ли более короткая версия GLP-1 [GLP-1 (7-37)] быть высвобождена из более длинной [GLP-1 (1-37)] и служить недостающим инкретином. С этой целью она синтезировала большие количества каждого чистого пептида отдельными партиями, таким образом гарантируя последовательность в последующих исследованиях. Она создала антитела, связывающие общую область; следовательно, они признают оба варианта. Что особенно важно, она также выяснила, как разделить GLP-1 (1-37) и GLP-1 (7-37) внутри смеси, используя заряд аминокислот, который уникален для более длинной молекулы. Эти инновации позволили ей найти GLP-1 в тканях, отличить GLP-1 (7-37) от GLP-1 (1-37) и точно определить активный пептид.

Таким образом, на ранних этапах открытия GLP-1 основой сопротивления были эти бесценные реагенты и методы, которые предоставили ученым возможность сделать однозначные выводы о существенных аспектах биологии GLP-1.

Затем Мойсов провел первую серию окончательных экспериментов. Она радиоактивно пометила свои пептиды и соединила их с антителами к GLP-1, чтобы проверить, обнаруживается ли GLP-1 у животных. Это так. Затем Мойсов разделил пептиды и установил, что укороченный GLP-1 (7-37) составляет значительную часть от общего количества. Таким образом, этот меньший пептид существует в природе и, в частности, в кишечнике, как сообщили Мойсов, Хабенер и их коллеги в 1986 году.

Мойсов и Хабенер объединились с Гордоном Вейром (Диабетический центр Джослина) и в 1987 году продемонстрировали, что крошечные концентрации чистого GLP-1 (7-37), например, в кровотоке, стимулируют секрецию инсулина изолированными поджелудочными железами крыс, которые продолжают функционируют даже при удалении из организма. Более длинная форма остается инертной даже при концентрациях, в 10 000 раз более высоких. Эти наблюдения показали, что GLP-1 (7-37), далее называемый GLP-1, является физиологически значимым пептидом.

Затем Хабенер и Мойсов перешли к исследованиям на людях. Совместно с Дэвидом Натаном (Массачусетская больница общего профиля) они определили, что GLP-1 стимулирует высвобождение инсулина и снижает уровень глюкозы в крови. Эта публикация 1992 года доказывала, что этот гормон может стать основой для создания безопасного лекарства от диабета, и несколько компаний, в том числе Novo Nordisk, AstraZeneca, Eli Lilly и GSK, ухватились за эту идею. Вскоре потенциал GLP-1 расширится.

Жирные кислоты, полные потенциала

Пару лет спустя Кнудсен возглавила разработку терапевтического препарата GLP-1 в Ново Нордиск, а в 1996 году ее внимание привлекла статья. Стивен Блум (больница Хаммерсмит, Лондон) ввел GLP-1 в мозг крыс, и потребление пищи животными резко упало. Пептид, как предположил Блум, посылает сигнал о насыщении.

Возможность того, что этот гормон может бороться с ожирением, а также с диабетом, уже вызвала интерес Кнудсена из-за намеков на более ранние исследования на животных, проведенные Оле Мэдсеном (Научно-исследовательский институт Хагедорна, Копенгаген). Идея о том, что молекула, вызывающая одно заболевание, может также бороться с другим, нарушила общепринятое мнение, и, отстаивая эту идею, Кнудсен столкнулась с сопротивлением. Однако, чтобы использовать его для любого использования, ей пришлось преодолеть ошеломляющее ограничение.

В организме человека GLP-1 исчезает через несколько минут после попадания в кровоток. Фермент под названием дипептидилпептидаза 4 (ДПП-4) пережевывает его, а почки очищают остатки. Чтобы превратить GLP-1 в лекарство, ученым необходимо сделать так, чтобы он выдержал эти атаки. Кнудсен стремился создать агент, который будет оставаться активным в течение 24 часов после однократной инъекции под кожу.

Поигравшись с составами с медленным высвобождением и препаратами, устойчивыми к разрушению, опосредованному DPP-4, она остановилась на стратегии присоединения жирных кислот к GLP-1. Жирные кислоты естественным образом связываются с обильным белком в кровообращении, называемым альбумином, который переносит вещества по организму. По мнению Кнудсена, альбумин будет переносить груз GLP-1 через кровоток, защищая его от ферментативного разрушения и почечной фильтрации. Жирная кислота постепенно высвобождает GLP-1, чтобы тот мог захватить свой рецептор на клетках-мишенях и вызвать его действие.

Команда Кнудсена создала аналоги GLP-1, которые различались по нескольким параметрам, включая длину и тип жирных кислот, место прикрепления внутри GLP-1 и химический линкер. Затем исследователи оценили поведение соединений. Они стремились стабилизировать пептид и продлить его срок службы у животных, одновременно максимизируя эффективность и сохраняя аминокислотную последовательность как можно ближе к последовательности человеческого GLP-1, чтобы обойти иммунореактивность. Результаты были подробно описаны в двух статьях, опубликованных в 2000 и 2007 годах.

Исследователи остановили свой выбор на кандидате, которого они назвали лираглутидом (см. рисунок). Они увеличили период полувыведения после подкожной инъекции с 1,2 до 13 часов. Он показал хорошие результаты в клиническом исследовании 2010 года с участием 1300 человек с диабетом 2 типа, а побочные эффекты были в основном легкими или умеренными. Европейское агентство лекарственных средств (EMA) одобрило лираглутид (Виктоза®) для контроля уровня сахара в крови при диабете 2 типа в 2009 году, а в следующем году последовало Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Таким образом, лираглутид стал первым препаратом на основе GLP-1, принимаемым один раз в день.

Праздник успеха

Тем временем накапливающиеся данные подтвердили мнение о том, что GLP-1 снижает аппетит и массу тела, и с этой целью команда Кнудсена начала использовать лираглутид. В ключевом исследовании субъекты, не страдающие диабетом, ожирением или избыточным весом, потеряли в среднем более 12 фунтов за год. Более трети людей в группе лираглутида потеряли не менее 5% массы тела и почти четверть потеряли более 10%. Лираглутид заставляет людей чувствовать себя более сытыми и менее голодными, поэтому они добровольно едят меньше. FDA и EMA дали ему зеленый свет в 2014 и 2015 годах соответственно, и это был первый препарат на основе GLP-1, одобренный для лечения ожирения (Saxenda®).

Ученые Ново Нордиск хотели пойти еще дальше; сделать так, чтобы лекарство действовало не на день, а на неделю. Он должен был бы оптимально прилипать к альбумину: достаточно плотно, чтобы дольше сохраняться в организме, но достаточно свободно, чтобы достаточные количества могли высвободиться и связаться с рецептором.

Команда, которая искала этот терапевтический препарат, под руководством химиков Йеспера Лау и Томаса Круза, заменила одну аминокислоту в GLP-1 молекулой, которая придает устойчивость к расщеплению DPP-4, а затем систематически тестировала различные жирные кислоты и комбинации химических линкеров. Исследователи изучили около 4000 соединений и остановились на одном, период полураспада которого резко увеличился — до 165 часов. Они назвали его семаглутидом (см. рисунок).

Семаглутид получил одобрение FDA для лечения диабета (Ozempic®) в 2017 году и ожирения (Wegovy®) в 2021 году. Препарат способствует почти вдвое большей средней потере веса, чем лираглутид: 28 фунтов за 16 месяцев. Побочные эффекты семаглутида в основном незначительны, но серьезные желудочно-кишечные проблемы заставляют некоторых людей прекращать прием препарата. С момента его выхода на рынок более миллиона человек в США получили рецепты на препарат Wegovy®.

Лираглутид и семаглутид открыли новые возможности для создания мощных лекарств второго поколения. Тирзепатид компании Eli Lilly, который содержит не только GLP-1, но и другой инкретин, называемый GIP, обеспечивает еще более впечатляющие эффекты, чем семаглутид. Компания добавила глюкагон для его дальнейшего обогащения, и люди, принимающие кандидат под названием ретатрутид, теряют в среднем более 20% своего веса.

В отличие от влияния GLP-1 на диабет, который в первую очередь связан с поджелудочной железой, его активность по подавлению аппетита сосредоточена главным образом в мозге, и многочисленные исследователи, в том числе Кнудсен, подробно описывают его поведение там. Исследователи изучают возможность его использования при огромном спектре заболеваний, включая хронические заболевания почек, жировую болезнь печени, нейродегенеративные состояния, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также зависимость. Терапия на основе GLP-1 также защищает сердечно-сосудистую систему, и ранее в этом году FDA одобрило семаглутид для уменьшения сердечного приступа и инсульта у людей с уже существующими сердечно-сосудистыми заболеваниями, избыточным весом или ожирением.

Помимо ученых, упомянутых выше, многие другие внесли ключевой вклад в историю GLP-1. В число этих людей входят покойный Вернер Крейцфельдт (Геттингенский университет), Ричард ДиМарчи (тогда в Эли Лилли), Дэниел Друкер (Университет Торонто), Джон Энг (тогда в Медицинском центре по делам ветеранов Бронкса), Йенс Хольст (Копенгагенский университет). , Михаэль Наук (Рурский университет в Бохуме) и Нэнси Торнберри (тогда работавшая в компании Merck).

Благодаря своим амбициозным и целеустремленным усилиям Хабенер, Мойсов и Кнудсен изменили перспективы здоровья огромного числа людей, чей лишний вес ставит под угрозу их благополучие. Их работа запустила новую батарею лекарств-блокбастеров, которые продвигают GLP-1 в фармацевтическую сферу с беспрецедентным охватом.

Эвелин Штраусс