Как карельские математики атаковали неизлечимую болезнь

Учёные Карельского научного центра РАН помогали разработать лекарство для лечения неисцелимого пока кожного заболевания

14.05.2018 в 08:42, просмотров: 1419

Этот редкий недуг называется пузырчатка обыкновенная (Pemphigus vulgaris). Суть его заключается в том, что иммунная система человека вдруг дает сбой и начинает работать против собственной кожи и слизистой оболочки, вызывая незаживающие волдыри и язвы. Современная медицина пока не знает методов лечения этой болезни, поиски лекарств ведутся учеными по всем направлениям, в том числе и на стыке наук. Не последнюю роль в решении этой проблемы играют и математики.

Как карельские математики атаковали неизлечимую болезнь
Научный кофе-брейк в Институте прикладной математики. Фото: Александр Трубин

У обывателей математик закрепился в образе этакого смурного,  одержимого цифрами субъекта, сутками не отходящего от экрана монитора, по которому бегут бесконечные ряды формул. Журналисты тоже не балуют математиков вниманием: говорят непонятно, на видео статичны - сидит человек и «гоняет мышку по коврику»... У них даже перерыв в работе называется scientific cоffeе-break («научный кофе») ‒ время, когда можно не только получить чашечку любимого напитка, но и порцию полезной информации от коллег. В общем, живут в своем обособленном мире. Но на самом деле это не так. Математический мир, пожалуй, единственный на Земле не имеет границ, политических или расовых условностей. В нем  сотни и сотни добровольцев незаметно для нас помогают человечеству решать возникающие перед ним задачи.

Одной из таких задач стал поиск компонентов препарата для лечения пузырчатки обыкновенной. В процессе работы Наталия Никитина и Евгений Ивашко - сотрудники лаборатории телекоммуникационных систем Института прикладных математических исследований КарНЦ РАН - провели 12 миллионов (!) виртуальных компьютерных экспериментов по моделированию на молекулярном уровне взаимодействия различных химических веществ с источником заболевания. И только четыре из них дали надежды на исцеление.

                          Евгений Ивашко и Наталья Никитина

‒ Наташа, для проведения экспериментов вы использовали некий суперкомпьютер?

‒ Нет, обычный персональный компьютер и систему Enterprise Deskop Grid на базе BOINC. Дело в том, что в научном мире уже давно существуют, можно сказать, объединения по интересам. Возникает какая-то проблема, на решение которой вызываются добровольцы. Ими могут быть целые институты, научные лаборатории или просто отдельные учёные со своими ПК. Заказчик делит общую задачу на десятки тысяч, сотни тысяч, а то и миллионы подзадач, которые добровольцы начинают решать на компьютерах. Потом результаты собираются и изучаются.

В 2011 году мы с Евгением Ивашко были на семинаре “BOINC Workshop” в Ганновере, и там познакомились с немецким ученым Стефаном Меллером, работавшим в Институте экспериментальной дерматологии города Любек. Он и предложил участие в проекте по разработке препарата для лечения аутоиммунной болезни.

Компоненты лекарств вообще традиционно подбираются опытным путем, это долгий и малоэффективный процесс. Поэтому в последнее время математики с их возможностями все чаще привлекаются для компьютерного моделирования воздействия химических веществ на клетки человеческого организма с целью преодоления болезни. Этот метод называется виртуальным скринингом (подбором с помощью ЭВМ), и относительно быстро дает надежные результаты.

‒ Ну да, как известно, кибернетика сосчитала, сколько звезд на небе, капель воды в море… Но вы же не химики, физиологи или медики…

‒ Нам и не нужны их глубокие знания. В дерматологическом институте нам рассказали, что источник заболевания, в принципе, известен ‒ определенная белковая молекула. Но не определено химическое вещество, общее название которого ‒ лиганд, способное воздействовать на неё и обезвредить. В начале разработки лекарства это ключевая задача. Механизм решения кажется простым, но таких лигандов – миллионы только в открытом доступе…

 Пузырчатка может превратить жизнь в ад. Фото:  huidziekten.nl

Нашлись еще добровольцы из Германии, Италии, Великобритании, США, и мы создали виртуальный суперкомпьютер, состоящий из 52 персональных машин. Институт экспериментальной дерматологии предоставил для проведения виртуального скрининга пространственную модель белка и несколько целевых подмножеств лигандов из базы данных ZINC (в ней содержатся модели миллионов молекул, которые можно заказать и протестировать в лаборатории).

Справка МК

Стеро́иды — вещества животного или растительного происхождения, обладающие высокой биологической активностью. Анаболические стероиды – гормоны природного происхождения (реже синтетического), которые вызывают генетические изменения в клетках. В результате происходит ускорение синтеза белка, образование новых клеток и мышечных структур. 

Работа шла в течение 10 месяцев, и в результате нам удалось выделить 12 лигандов, которые по всем математическим параметрам могли воздействовать на зловредную белковую молекулу. Данные отправили в лабораторию. Ответ, с одной стороны, порадовал: четыре лиганда могут бить молекулу-мишень «в яблочко». Но с другой… Эти вещества, после изучения с чисто медицинской точки зрения, оказались стероидами, а применить их на стадии экспериментального лечения человека невозможно из-за огромного количества побочных эффектов. Но в целом проект доказал свою работоспособность, и наши исследования оценили, как большой успех. Так что работу нужно продолжать.

‒ Насколько я знаю, этот скрининг принес пользу не только медицине, но и вам, как ученым-математикам. Ваша совместная с Евгением Ивашко и Андреем Черных статья «Планирование заданий для оптимизации виртурального скрининга лекарств» была опубликована в журнале «Journal of Computer-Aided Molecular Design» ‒ авторитетном мировом издании в области биоинформатики…

‒ Да, в продолжение проекта мы разработали математическую стратегию управления вычислениями, позволяющую получать первые результаты виртуального скрининга очень быстро. Таким образом, их можно направить в лабораторию, не дожидаясь досчёта остальных молекул. Ведь процесс виртуального скрининга занимает месяцы. На этот раз работа проводилась совместно с нашим соотечественником Андреем Черных, который живёт и работает в Мексике. Мы реализовали программу, провели эксперименты на тестовой базе данных. Остаётся испытать новую разработку при поиске лекарства от пузырчатки или других заболеваний.

Фото автора