Прошлое и будущее радиобиологии противолучевых средств в Институте биофизики Минздрава СССР - ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России
Опубликовано в журнале Медицинская радиология и радиационная безопасность
(http://www.medradiol.ru).
2016. № 5
Введение
Создание Института биофизики Минздрава СССР (далее ИБФ) после окончания Второй мировой войны (официальная дата 1946 г.) знаменовало осознание руководством страны наступления новой, атомной эры, в которой важную роль наряду, конечно же, с физико‑химическим комплексом будут играть и медико‑биологические дисциплины. Поэтому при создании ИБФ под одной крышей были собраны представители разных наук, начиная от физиков и кончая врачами. Создавался многопрофильный академический (по составу привлеченных кадров) центр, но, в то же время, с четкими практическими задачами по тематике исследований. а именно – с задачами разработки способов и средств борьбы с драматическими последствиями облучения человека при действии атомного оружия и при аварийных облучениях. У создателей этого центра было четкое понимание того, что важные практические цели достигаются только на путях совместного поиска ученых академической, теоретической направленности и экспериментально‑исследовательской, на путях изучения физико‑химических основ действия ионизирующего излучения и медикобиологических проявлений этого действия. На каких‑то этапах существования ИБФ это понимание как бы отойдет на второй план, что отразится на его развитии не лучшим образом. В свое время ИБФ не смог удержать в своем составе такие подразделения как кабинет культуры клеток и цитогенетических исследований, лаборатория радиационной патоморфологии, кабинет электронной микроскопии, кабинет радиационной генетики, лаборатория радиационной биохимии. Это привело к снижению как теоретического потенциала, так и методического уровня исследований.
Разработка противолучевых средств в ИБФ
Важная роль в ИБФ сразу была отведена радиобиологическим исследованиям, которые возглавили маститые ученые физиолог
А.В. Лебединский, патофизиолог П.Д. Горизонтов, радиобиолог М.П. Домшлак. Одно из центральных мест в этих исследованиях занял поиск противолучевых средств под руководством П.Д. Горизонтова.
Начинали с изучения способов противодействия токсемии, с антибиотиков, стимуляторов кроветворения (хотя и маломощных). В первоначальных исследованиях преобладали мелкие лабораторные животные, но одновременно
велись исследования и на собаках с прицелом на продвижение препаратов в клинику
радиационной медицины. В 1950‑е гг. доминирующими были представления о ведущей роли нервной системы во всех патологических процессах. Были апологеты этой догмы и среди ученых, вовлеченных в поиск противолучевых
препаратов, что находило отражение в поиске средств преимущественного воздействия на нервную систему. Однако П.Д. Горизонтову более импонировал другой подход, связанный с выявлением конкретных гуморальных факторов влияния радиации на радиочувствительные ткани системы крови и иммунитета, к которым нервная система явно не относилась. такой подход находил полное понимание среди значительной в ИБФ когорты физиков и химиков. Сказывалось и влияние зарубежных исследователей, идей нервизма не разделявших, с работами которых сотрудники ИБФ,
несмотря на свою засекреченность, были хорошо знакомы.
Все это привело к акцентированию работ по поиску радиопротекторов, базировавшихся на концепции перехвата радикалов воды. На передний план вышли серосодержащие протекторы (цистеамин), а затем и биогенные амины (мексамин) с их преимущественно гипоксическим механизмом действия (Е.Ф. Романцев, П.Г. Жеребченко). Радиобиологов снабжали различными препаратами сотрудники химической лаборатории Б.П. Белоусова. Многочисленные источники излучения, сконструированные специалистами ИБФ, обеспечивали полностью потребности экспериментаторов (В.Г. Хрущев). Эффекты противолучевой защиты, получаемые в экспериментах, были очень неплохими, но только на мышах и крысах. Попытки перенесения этих пре‑ паратов на собак были далеко не столь однозначны. Дозы препаратов, легко переносившиеся грызунами, вызывали у собак сильные токсические реакции.
Была и другая проблема, требовавшая поиска новых подходов. Радиопротекторы в лучшем случае решали проблему защиты организма от планируемого радиационного воздействия, но никак не от непредусмотренного в виде техногенной аварии или военного нападения. Радиопротекторы работали только при введении за короткий срок до интенсивного радиационного воздействия.
Прорыв случился в 1960‑е гг. на путях вовлечения в исследования высокомолекулярных соединений, и это была целиком заслуга ученых ИБФ, у истоков которой стояли П.Д. Горизонтов и Б.П. Белоусов. Их замысел состоял в создании препарата на основе вещества, входящего в состав организма какого‑либо вида, очень устойчивого к воздействию ионизирующего излучения. Выбор пал на хитин ракообразных. так была создана растворимая форма полисахарида ‑ гликана хитозана, получившая наименование РС‑10 (радиозащитного средства под номером 10). В отличие от низкомолекулярных радиопротекторов, РС‑10,
во‑первых, обладал способностью оказывать лечебное действие на радиационное
поражение при однократном раннем постлучевом введении, и, во‑вторых, действовал
на крупных лабораторных животных (собак и обезьян) более эффективно, чем на грызунов (В.А. Разоренова, И.Е.
Андрианова). Работы по РС‑10 были отмечены Ленинской премией. если бы результаты исследований были опубликованы в открытой печати, они выводили бы отечественную науку в лидеры гонки по разработке противолучевых средств (дело происходило в те времена, когда угроза атомной войны была реальностью).
Значение открытия РС‑10 состояло в том, что была показана принципиальная возможность создания эффективного противолучевого средства для человека,
притом с широким спектром возможных сроков применения (от профилактического, что за короткий, что за длительный срок, до лечебного). Сам РС‑10, и даже его усовершенствованная модификация РС‑11 (Г.А. Чернов), в клинику не прошли, оказались слишком токсичными. Но они обозначили направление перспективного поиска.
Поиск этот вначале сосредоточился на скрининге высокомолекулярных соединений (ВМС) и даже корпускулярных структур в виде различных вакцин (К.С. Чертков). Было обнаружено значительное число эффективных противолучевых препаратов, в основном среди полисахаридов (продигиозан, маннан, транслам).
Многие из них, в том числе вакцины, были рекомендованы для применения на человеке в качестве средств раннего лечения лучевых поражений, но ни для одного из этих препаратов не было сделано попытки доведения до клинических испытаний и применения в медицинской практике как средства
двойного назначения, т.е. используемого при других видах патологии с целью
обеспечения рентабельности производства. К этой же группе относился препарат деградированной ДНК (дезоксинат). И дезоксинат, и другой препарат из группы нуклеотидов (рибоксин) были разрешены к применению на человеке при лучевой патологии, но своей ниши реального использования как противолучевые средства они не нашли.
ВМС знаменовали наступление периода нового поколения противолучевых средств, базирующихся на концепции модулирования биохимико‑клеточной
стадии развития радиационного поражения посредством активизации системы иммуногемопоэза. В дальнейшем выяснилось, что вышеперечисленные ВМС являются индукторами эндогенных мессенджеров, получивших наименование цитокинов. Между ними возникла конкуренция, которая не прекращается и по настоящее время. Пока перевес на стороне цитокинов.
За рубежом основное внимание среди цитокинов было уделено колониестимулирующим факторам (самый известный представитель, нашедший широкое применение при восстановлении нейтропоэза при жесткой химиотерапии онкозаболеваний, это нейпоген). Отечественные специалисты из ГосНИИ особо чистых биопрепаратов С.А. Кетлинский и
А.С. Симбирцев сделали ставку на интерлейкин‑1β. Сформированная ими междисциплинарная команда, в состав которой в качестве радиобиолога вошел сотрудник ИБФ и автор этих строк, разработала и довела до практического применения в качестве гемости‑ мулятора и иммуномодулятора рекомбинантный препарат беталейкин (премия Правительства РФ за 2006 г). Открытие беталейкина решало еще и проблему двойного назначения, т.к. противолучевой эффект беталейкина базировался на его гемостимулирующих и иммуномодулирующих свойствах.
Надо сказать, что разработка отечественных противолучевых препаратов не была прямолинейным бесконкурентным процессом. С ИБФ конкурировали многие другие организации. В системе РАН в Институте химфизики под руководством сначала академика Н.М. Эммануэля, а затем
Е.Б. Бурлаковой разрабатывались ингибиторы свободнорадикальных процессов и синтетические антиоксиданты. Однако очень эффективных противолучевых препаратов среди этих классов химических соединений обнаружено не было. В Петербурге в НИИ военной медицины проводились работы с использованием в качестве противолучевых средств женских половых гормонов – эстрогенов (диэтилстильбестрол, эстрадиол). Эти препараты оказывали гемостимулирующее действие, однако слабая выраженность указанного действия и вызываемые эстрогенами побочные эффекты (прежде всего, появление вторичных половых признаков у мужчин) резко снижали возможность их применения. Попытка устранить эти недостатки путем разработки нестероидного антиэстрогена
индометофена, предпринятая ВНИХФИ и ИБФ, к сожалению, была прервана в связи с прекращением его лабораторного производства.
Авторитет ИБФ в области разработки противолучевых средств был так вы‑ сок, что в ряде случаев первоначальные разработчики сами шли на привлечение ИБФ к разработке на паритетных началах. так получилось, в частности с радиопротектором альфа‑ адреномиметиком препаратом Б‑190 (впоследствии названным индралином), который был синтезирован Н.Н. Суворовым во ВНИХФИ. Начавшись в Институте авиационной и космической медицины в группе М.В. Васина, эта разработка продолжалась затем в стенах ИБФ под руководством Л.А. Ильина. В результате совместной работы трех институтов индралин был разработан и принят в качестве единственного радиопротектора в аптечке первой помощи при радиационных инцидентах.
Приход к руководству ИБФ Л.А.Ильина ознаменовался не только разра‑ боткой индралина и внедрением его в число средств медицинского обеспечения радиационной безопасности в ВМФ. В ИБФ были интенсифицированы работы по средствам ослабления инкорпорации или ускорения элиминации радионуклидов. Именно в ИБФ обращаются за помощью, за консультациями и за экспертизой в случае реальных или предполагаемых инкорпораций радионуклидов.
В ИБФ была разработана целая линейка отечественных средств по выведению инкорпорированных в организм радионуклидов: цезия (ферроцин), плутония, америция и других трансплутониевых элементов (пентацин
и цинкацин), урана и бериллия (тримефацин), полония‑210 (оксатиол) (В.С. Балабуха,
Л.а. Ильин, Ю.И. Москалев, В.С. Калистратова). Особую ценность представляла разработка йодной профилактики по предотвращению инкорпорации йода‑131 при радиационных авариях (Л.А.Ильин,
А.М. Лягинская). Эта разработка была закончена до Чернобыльской аварии. В случае
ее грамотного применения была бы значительно снижена последующая заболеваемость раком щитовидной железы, особенно у детского населения областей, попавших под выпадение радионуклидов, выброшенных из разрушенного реактора ЧаЭС.
Но подвел непрофессионализм местных служб гражданской обороны и медицинских учреждений. Йодная профилактика в должном объеме и качестве не была осуществлена.
Можно приводить еще много примеров той важной роли, которую играл ИБФ в обеспечении радиационной безопасности в СССР, но из сказанного уже ясно, что именно он был реальным центром разработок противолучевых средств разного предназначения. Ситуация начала меняться с распадом СССР, сопровождавшимся экономическим кризисом. Из‑за высоких коммунальных расходов пришлось расстаться с виварием для мелких и крупных лабораторных животных. Устаревала исследовательская аппаратура. Резко уменьшился приток молодых кадров.
Разработка противолучевых средств в ФМБЦ им. А.И. Бурназяна
Особенно тяжелый период для разработки противолучевых средств совпал с объединением ИБФ и Клинической больницы № 6 в единый центр – ФМБЦ им.
А.И. Бурназяна (далее Центр). Вскоре после объединения начался капитальный ремонт зданий и модернизация научно‑исследовательской инфраструктуры. Реконструкция сопровождалась временной приостановкой работы облучательских установок, утратой помещений для содержания животных в связи с их пероборудованием
под другие нужды. Со временем исследовательская инфраструктура стала восстанавливаться.
Был организован новый отдел, начавший развивать инновационную
технологию по применению стволовых мезенхимальных клеток для лечения местных лучевых поражений (Б.Б. Мороз, И.И.Еремин). В отдел радиобиологии и радиационной медицины была интегрирована радиационно‑биофизическая лаборатория, принесшая с собой современные молекулярно‑биологические технологии (А.Н. Осипов). Наконец, был разработан проект создания современного вивария для содержания свободных от патогенной флоры мышей и закуплено импортное оборудование для него. Это уже знаменовало возможность
перехода на новый уровень научно‑исследовательских работ, отвечающих стандартам, принятым в развитых зарубежных странах.
Правда, выполнению уже разработанного проекта помешал
очередной экономический кризис, но после переработки проекта строительные работы
начались. Более того, принято решение о модернизации одного из корпусов под
виварий для содержания крупных лабораторных животных. Очевидно, следует ожидать
в скором времени решения о приобретении современной облучательской установки.
Поэтому юбилейный 70‑й год с момента основания ИБФ
организованный на его основе Центр встречает с надеждами на укрепление лидирующей роли в отечественной радиобиологии противолучевых средств. Для этого есть определенные основания. В силу разных причин в настоящее время заметно снизилась активность в разработке противолучевых препаратов в системах РАН (Институт биохимфизики, Пущинский центр) и военной медицины (ВМА
им. С.М.Кирова). Эта деятельность все больше концентрируется в системе ФМБА РФ, включающей такие организации как Центр, ГосНИИ особо чистых биопрепаратов, НПЦ «Фармзащита». Из перечисленных учреждений именно Центр обладает наиболее разветвленной структурой, объединяющей радиобиологов‑экспериментаторов, представителей радиационной медицины и клинической медицины в области онкогематологии и онкологии солидных опухолей. Другими словами, именно в системе ФМБА РФ имеются наилучшие предпосылки для создания технологической цепочки по разработке противолучевых средств и доведению их до практического применения. Как показал опыт разработки препарата беталейкин, именно создание технологической цепочки от специалистов в области генной инженерии до врачей обеспечило успех всего проекта. При этом решающую роль в его реализации сыграли именно медики. только они могут найти оптимальный режим применения испытуемого
препарата у человека и дать санкцию на его использование в медицинской практике.
Будущее радиобиологии противолучевых средств в Центре
Однако юбилей – это повод не только вспомнить былые заслуги, но и оценить допущенные промахи и наметить пути в будущее.
Основной недостаток в исследованиях противолучевых средств
заключался в преобладании скрининга и отсутствии выстроенной политики с ясной конечной целью – найти реальные ниши применения отбираемых препаратов как противолучевых средств и как средств двойного назначения. Радиобиологи тиражировали упрощенные исследования на мышах все новых и новых соединений. Множилось число веществ, дающих защитный или лечебный эффект в эксперименте, но довести их до статуса медицинских препаратов даже не пытались. Последняя успешная разработка датируется 2003 г. (беталейкин).
Создание реально используемого противолучевого препарата это, в отличие
от препаратов для распространенных нозологических форм заболеваний человека,
задача особой сложности. Острая лучевая болезнь событие редкое, но пока
существует опасность такого события (авария, ядерный терроризм, случайный
контакт в быту), к нему надо быть готовым. И готовность эту все время надо
повышать и совершенствовать. Редкость острой лучевой патологии создает особую
трудность для создания новых препаратов, которая заключается в невозможности
провести вторую стадию клинических испытаний, требующую испытания на реально больных или пострадавших пациентах.
Правда, разработан подход к преодолению этого препятствия. Он
получил название индикационного и был представлен на примере оценки эффективности радиопротекторов в монографии 1985 г. (Л.М.Рождественский). Ясно, что распространение этого подхода на препараты, обладающие терапевтической активностью, не представляет принципиальной трудности. Принцип везде один: надо в опытах на разных видах животных определить индикатор/маркер, достоверно и специфично отражающий противолучевую эффективность данного препарата. таким индикатором может быть показатель ведущего (для данного препарата) фармакологического эффекта, формирующего состояние повышенной радиорезистентности или направления позитивного влияния на развивающийся пострадиационный процесс. Способ оценки надежности любого индикатора аналогичен таковой оценке для онкомаркера. Нахождение индикатора эффективности для продвижения потенциального противолучевого средства в медицинский препарат является абсолютно необходимым и должно быть узаконено в документе, регламентирующем доклинические исследования противолучевых средств.
Говоря о будущем развитии радиобиологии противолучевых средств, надо понимать, что ситуация в отношении наиболее актуальных направлений исследований
все время меняется. если в 1960–80‑е гг. превалирующим был поиск
радиопротекторов, то в последующие годы на первый план вышли средства ранней (дезоксинат), а затем экстренной терапии (беталейкин) лучевых поражений.
Какова же ситуация с обеспеченностью противолучевыми препаратами в настоящее время?
Если рассматривать ее с позиций возможных сценариев радиационного воздействия на
человека, то складывается такая картина. Наиболее медикаментозно обеспеченным
оказывается сценарий техногенной радиационной аварии. Имеется разработанный и
отработанный на чернобыльских пациентах персоналом клинического отдела ИБФ под руководством
А.К. Гуськовой и А.Е. Баранова протокол лечения острых лучевых поражений (поддерживающая терапия). В Центре разработаны методические рекомендации по применению комбинации цитокинов для лечения лучевых поражений человека. Беталейкин, ставший препаратом двойного назначения, апробирован в Центре при лечении гемобластозов (М.В. Кончаловский). В Центре в экспериментах на мышах и собаках была показана идентичность противолучевых свойств отечественных препаратов Г‑КСФ лейкостима и нейпомакса с зарубежным нейпогеном (Л.М. Рождественский). Для борьбы с инкорпорированными радионуклидами имеется линейка эффективных препаратов. Серьезное продвижение достигнуто в лечении местных лучевых повреждений с использованием клеточной терапии (И.И.
Еремин).
Сложнее обстоит дело с радиопротекторами, необходимыми для защиты персонала аварийных бригад при входе в зоны с повышенным уровнем радиации (сценарии Чернобыльской аварии и аварий на атомных подлодках). Имеется отечественный радиопротектор α‑адреномиметик индралин для больших доз воздействия, а при низких уровнях радиации рекомендован рибоксин.
Однако ориентировочной оценки (с использованием индикационного подхода)
возможной радиозащитной эффективности доз этих препаратов, рекомендованных для использования у человека, нет. Поэтому крайне желательны дополнительные исследования в эксперименте и клинические испытания с использованием индикаторов эффективности указанных препаратов.
По‑настоящему медикаментозно необеспеченными остаются
отдаленные последствия радиационных воздействий на человека. К ним относят раки
и фиброзы в локальном проявлении и раннее старение и укорочение продолжительности жизни в интегрированном виде. Они могут иметь место при любых сценариях облучения, но все же явно выходят на передний план при протяженных, чаще всего полифракционированных и локальных воздействиях в процессе лучевой терапии онкозаболеваний, при длительных космических полетах, у лиц, вовлеченных в радиационные аварии, у лиц, подвергшихся частым обследованиям методами компьютерной томографии и рентгеноскопии, особенно в детском возрасте, наконец, у лиц с врожденными генетическими отклонениями. Именно профилактика отдаленных последствий радиационного воздействия низкой интенсивности, но с более или менее большой накопленной дозой имеет все основания стать главным предметом исследования радиобиологов в недалеком будущем. Важно подчеркнуть, что такие исследования находятся в русле преобладающего в современной молекулярной биологии направления по изучению основ биологии рака и наследственных заболеваний. У радиобиологов ФМБЦ здесь есть своя ниша, связанная с разработкой представлений о радиационно‑индуцированной нестабильности генома как возможной предшественнице малигнизации клетки (В.К. Мазурик, В.Ф. Михайлов).
Поиск средств для борьбы с раковыми заболеваниями ведется во
всем мире. Наряду с химиотерапевтическими препаратами, непосредственно поражающими злокачественные клетки, появляются антиканцерогены и антимутагены профилактизирующей направленности. Будущее исследований по поиску противолучевых препаратов в ФМБЦ мыслится как поиск препаратов, способных затормозить или даже предотвратить развитие пострадиационной нестабильности генома и поэтому условно обозначаемых как стабилизаторы генома. Главная роль в такой стабилизации отводится известному белку р53, регулирующему процессы репарации и апоптотической элиминации поврежденных геномов.
Исследования, уже ведущиеся в ФМБЦ силами лабораторий молекулярно‑генетического, радиационно‑биофизического и радиобиологического профиля, пока еще только нащупывают дизайн будущих полномасштабных исследований в плане выбора модели (клеточная культура и организм), условий облучения (низкомощностное
пролонгированное гамма‑излучение), используемых критериев оценки (экспрессия гена Р‑53, экспрессия микро РНК, двунитевые разрывы ДНК, состояние системы гемопоэза) и, конечно, препаратов модификации показателей нестабильности генома. В отношении исследуемых препаратов один из основных вопросов заключается в том, смогут ли препараты из известных классов ПЛС (радиопротекторов и радиомодификаторов) модифицировать не только ранние, но и поздние эффекты радиационного воздействия или для этого потребуются новые, еще не исследованные вещества.
Заключение
Краткий обзор истории развития разработок противолучевых средств в ИБФ (Центре) показал, что практически на всех этапах данная организация была лидером этого направления в стране и что она обладает уникальным опытом и подбором кадров. Эти обстоятельства накладывают на коллектив Центра, его руководство и руководство ФМБА повышенную ответственность за сохранение и усиление этой лидерской роли. Они же диктуют первоочередные и долговременные задачи и цели. Нельзя не учитывать и складывающуюся в мире обстановку с разработкой противолучевых средств. В США осуществляется большая программа по поиску и доведению до уровня медицинских препаратов большой группы потенциальных противолучевых средств.
Прежде всего, речь должна идти об ускорении восстановления исследовательской инфраструктуры Центра, включая виварии для мелких и крупных лабораторных животных, облучатели и исследовательское оборудование. При этом речь идет не просто о восстановлении в полном объеме существовавшей ранее инфраструктуры, а об ее более высоком, современном уровне. Ясно, что без помощи ФМБа эту задачу самому Центру не решить.
Необходимо выстраивание технологической цепочки, состоящей из:
1) разработчиков противолучевых препаратов;
2) радиобиологов, обеспечивающих доклинические исследовании на моделях клеточных культур и экспериментальных животных с обязательным включением одного из крупных видов (собак);
3) врачей, обеспечивающих клинические испытания новых средств и использование
утвержденных препаратов, если они могут применяться как средства двойного назначения.
Особенно важна на сегодняшний день активизация медицинского звена. Отработку такой цепочки лучше всего проводить при реализации проекта по созданию нового отечественного противолучевого препарата. В настоящее время наиболее продвинутыми для разработки средствами выступают флагеллин (ГосНИИ особо чистых биопрепаратов) и 5‑андростендиол (НПЦ «Фармзащита»). Для обоих препаратов необходимо выявление индикаторов их противолучевой эффективности, которые могли бы быть использованы при второй стадии клинических испытаний.
В качестве отдельной задачи следует рассматривать обеспечение возможности
проведения опытов на крупных лабораторных животных на территории Центра. такая
постановка вопроса связана с возможностью облучения животных на реакторе НИЦ
«Курчатовский институт», расположенном поблизости. Без тестирования
противолучевых средств на крупных лабораторных животных невозможно их доведение
до клинических испытаний и медицинских препаратов по существующему регламенту прохождения лекарственных средств.
В качестве долговременной задачи наиболее перспективным
представляется поиск потенциальных средств ослабления отдаленных последствий при
пролонгированных или частых фракционированных воздействиях ионизирующего излучения. Эти вещества могут рассматриваться также как потенциальные антиканцерогенные и антимутагенные препараты. Заинтересованными структурами
в таких препаратах являются: служба медицинского обеспечения радиационных инцидентов с загрязнением некоторой территории γ‑излучателями, служба медицинского обеспечения космических полетов, медицинские службы, использующие ионизирующее излучение в лечебных или диагностических целях.
