– 
) биологически
активных веществ: общие закономерности,
особенности и возможные механизмы //
Биохимия. – 1992. – Т. 57, вып. 10. – С. 1443–1460.
< индекс---содержание № 4---след. статья в № 4---след. в рубрике >
УДК 616-006:519.7
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ ПРЕПАРАТОВ В СВЕРХМАЛЫХ ДОЗАХ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ИХ ВВЕДЕНИЯ[1]
Н.А. Бабушкина
(1), Л. А. Островская(2), В.А. Рыкова(2), М.М. Фомина(2),Н.В. Блюхтерова(2), Е.Б. Бурлакова(2), А.В. Кулешова(3)
(1)Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, г. Москва;
(2)
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля, г. Москва;(3)
Московский институт радиотехники, электроники и автоматики, г. МоскваМетодом математического моделирования проведена оценка эффективности применения противоопухолевого препарата – доксорубицина – в терапевтической и сверхмалых дозах в отношении экспериментальной опухоли мышей (карциномы Льюис). Получена бимодальная зависимость “доза – эффект”. Показано, что введение сверхмалых доз цитостатика приводит к изменению параметров модели роста опухоли относительно контроля. Рассмотрены различные подходы к объяснению механизмов действия лекарственных препаратов в сверхмалых дозах.
Лечение любого патологического состояния требует не только подбора адекватного препарата или комбинации лекарственных средств, но и разработки оптимальной схемы их применения. Для управления этим процессом необходимо количественно оценить ответную реакцию объекта лечения на введение препарата, выражаемую обычно в виде зависимости “доза – эффект”. В качестве дозы можно рассматривать любое количественно определенное воздействие в соответствии с применяемым способом лечения. Показателями эффекта могут служить различные характеристики, отражающие изменение состояния объекта в процессе лечения.
Противоопухолевые препараты, как правило, применяются в области доз, близких к максимально переносимым. Действие препаратов в этом диапазоне доз характеризуется пропорциональной зависимостью эффекта от дозы. Необходимость “высокодозовой” терапии обусловлена недостаточной избирательностью действия большинства современных цитостатиков, которые в стандартных терапевтических дозах наряду с поражающим действием на опухоль вызывают токсические нарушения в различных системах организма и приводят к развитию нежелательных побочных явлений.
В литературе накоплен обширный фактический материал, свидетельствующий о биологических эффектах лекарственных препаратов в сверхмалых дозах [1 – 14]. Проблема изучения сверхмалых доз (СМД) лекарственных соединений, в первую очередь, противоопухолевых препаратов, заслуживает особого внимания как с точки зрения исследования фундаментальных механизмов их действия, так и для разработки новых научно-обоснованных подходов к оптимизации терапевтических воздействий.
На протяжении ряда лет в Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН ведутся исследования данной проблемы. Экспериментально доказана биологическая активность ряда цитостатиков – нитрозометилмочевины, циклофосфана, доксорубицина – при их применении в диапазоне СМД 10
–5 – 10–20 М (1 М = 1 моль/л) в отношении экспериментальной опухолевой модели – карциномы легких Льюис [12 – 14]. Установлено, что направленность и выраженность биологического эффекта цитостатиков в области СМД зависит как от природы действующего агента, так и от дозы препарата и штамма опухоли. Обнаружена способность цитостатиков (нитрозометилмочевины, доксорубицина) оказывать в СМД противоопухолевый эффект, сопоставимый с активностью препаратов в стандартных дозах (10–2 – 10–3 М) [12 – 14].Однако, как показали многочисленные эксперименты [1], при использовании препаратов в области сверхмалых доз характер дозовой зависимости принципиально меняется, приобретая вид так называемых “полимодальных” кривых (рис. 1), и получаемый эффект при равномерном снижении дозы может меняться от положительного до нулевого или даже отрицательного эффекта, выражающегося в стимуляции роста опухоли. Наличие столь сложных “полимодальных” дозовых зависимостей требует большой точности в определении эффективной дозы, так как даже незначительное отклонение от нее может привести к прямо противоположному эффекту либо к отсутствию эффекта. До настоящего времени нет общепринятой теории для описания механизмов, лежащих в основе действия СМД, которая позволила бы объяснить и построить “полимодальные” дозовые зависимости. Поэтому они строятся экспериментальным путем. В результате проводимых исследований накоплен обширный экспериментальный материал в виде кинетических кривых изменения размеров опухоли в отсутствии воздействия и после него для различных режимов химиотерапии [12 – 14]. Этот материал позволяет применить метод математического моделирования для описания роста опухоли и получения параметров, которые могут служить критерием оценки результата воздействия препарата на опухоль, и для построения зависимости эффекта от дозы.
Применительно к онкологии практическая направленность такого рода исследований состоит в отходе от концепции “высокодозовой” терапии и попытке разработки методов применения известных цитостатиков в сверхмалых дозировках, способных обеспечить ингибирование опухолевого роста без развития токсических побочных явлений.
Применение математического моделирования для описания кинетики роста опухоли позволило оценивать эффективность химиотерапевтического воздействия по изменению значений параметров модели и по длительности задержки роста опухоли. Длительность задержки роста опухоли отражает эффекты, связанные с гибелью клеток непосредственно после воздействия и наиболее четко определяется при однократном введении препарата. Конечный размер опухоли, отражающий изменение вида кинетических кривых роста опухоли, характеризует прогноз течения опухолевого процесса на поздние сроки его развития и наиболее точно оценивает эффективность режимов многократного введения препарата.
Полученные оценки эффективности доксорубицина с использованием параметров модели подтверждают результаты, полученные в Институте биохимической физики РАН [12 – 14], когда показателем противоопухолевого эффекта служил общепринятый параметр, характеризующий отношение средних размеров опухоли у леченых животных к контролю [12 – 14, 18].
При однократном введении доксорубицина четко прослеживается различие в действии стандартной терапевтической дозы и сверхмалых доз. Введение терапевтической дозы не приводит к изменению параметров роста опухоли, вызывая только задержку ее роста, связанную с гибелью опухолевых клеток, что и отражает ее противоопухолевый эффект. Введение СМД вызывает не только задержку роста опухоли, но и изменение параметров ее роста, что свидетельствует о наличии дополнительных механизмов воздействия на опухолевый процесс, которые снижают ее конечный размер в отдаленные сроки.
При многократных режимах с использованием трех и четырехкратных введений доксорубицина с интервалом в 6 и 4 сут, соответственно, эффективность СМД резко снижается по сравнению с терапевтической дозой. Причем некоторые СМД приводят к стимуляции роста опухоли. Объяснения причин такой реакции опухоли невозможны без понимания механизмов действия СМД.
При ежедневном пятикратном введении доксорубицина, как для терапевтической дозы, так и для СМД, эффект был практически идентичен как по длительности задержки роста опухоли, так и по конечному размеру опухоли.
Оценка эффективности терапии по длительности задержки роста опухоли позволила выявить закономерность нарастания эффекта при уменьшении СМД в диапазоне от
10-5до 10-20 М. Эта закономерность не прослеживается только для режима трехкратного введения, при котором применение СМД приводит к стимуляции роста опухоли. Этот результат требует дополнительного исследования. Построенные зависимости “доза – эффект” являются бимодальными и свидетельствуют о сопоставимости эффекта действия доксорубицина в терапевтической дозе 1,4 · 10-3 М и в дозе 10-20 М.Накопленные экспериментальные данные об эффектах воздействия СМД различных препаратов и биологически активных соединений требуют разработки теории, объясняющей наблюдаемые результаты. До настоящего времени нет общепринятой точки зрения на механизмы и процессы, лежащие в основе действия СМД. Однако имеется ряд гипотез, которые отражают направления поиска этих механизмов в области биохимии, биофизики, физиологии и фармакологии.
В основе большинства гипотез возможные механизмы действия СМД рассматриваются с позиций молекулярной рецепции. Так, в основе одной из гипотез лежат представления о наличии высокоэффективных систем усиления сигнала, который формируется благодаря протеканию каскадных процессов. Предполагается, что для достижения ответа на действие эффектора достаточно, чтобы он связался только с незначительной частью рецепторов, имеющихся на клетке [19, 20].
Гипотеза, разрабатываемая в работах [7, 11], предполагает формирование ответа в условиях неравновесного связывания лиганда с рецептором. Предполагается, что для достижения биоэффекта достаточно того, чтобы самые “быстрые” молекулы действующего вещества достигли клеточной мишени.
В работах [21 – 23] предложена интерпретация эффектов СМД на основе адаптационного механизма, поскольку адаптация приводит к тому, что клетка может реагировать не на саму концентрацию вещества, а на изменение его концентрации.
Все перечисленные подходы можно применять только для доз, больших
10-23 М. Известно, что число Авогадро примерно равно 6 · 1023 моль–1. Значит для доз менее 10-24 М во всем экспериментальном объеме жидкости может не быть ни одной молекулы действующего вещества. Следовательно, для доз менее 10-23 М наблюдаемые эффекты с позиций молекулярной рецепции не могут быть объяснены.С учетом этого обстоятельства в ряде работ рассматривается гипотеза, объясняющая эффект действия биологически активных веществ в сверхнизких дозах с позиций анализа молекулярной структуры воды и ее водородных связей [24, 25]. Анализ различных состояний воды выявил наличие информационного характера химических взаимодействий и возможность передачи информации в живых системах путем изменения структурных состояний водной среды внутри организма. Результаты исследований показали, что можно изменять ориентацию части структурных элементов воды в зависимости от характера воздействия. Новое расположение структурных элементов воды служит формой записи информации о произведенном воздействии, и вода может выступать в качестве молекулярного информационного ретранслятора с соседними элементами.
Кроме приведенных гипотез, существует множество и других, но ни одна из них пока не является строгой теорией, объясняющей механизм действия веществ в сверхмалых дозах.
1. Подколзин А.А., Гуревич К.Г. Действие биологически активных веществ в малых дозах. – Изд-во КМК, 2002. – 170 с.
2. Действие малых доз нитрозометилмочевины на стационарную клеточную популяцию. Эксперимент и моделирование / Т.В. Крутова, С.Б. Черникова, А.А. Конрадов, Е.Б. Бурлакова // Известия РАН, сер. Биол. – 1992. – № 4. – С. 511.
3. Bonavida B. Citotoxicite antitumoral a tris faible dose // In: Abstr. of the Second Intern. Congr. on Ultra Low Doses / France, Bordeaux, 1993. – Р. 12.
4. Burlakova E.B. Some specific aspect of ultra low dose effect of chemical compaunds and physical agents // In: Abstr. of the Second Intern. Congress on Ultra Low Doses / Ibid. – Р. 16.
5. Doutremepuiech C. Etude de l‘aspirine a tres faible dose // In: Abstr. of the Second Intern. Congress on Ultra Low Doses / Ibid. – Р. 2.
6. Effect of ethylnitrosourea on the stationary cell population / T.V. Krutova, S.B. Chernikova, A.A. Konradov, E.B. Burlakova // In: Abstracts. of the Second Intern. Congress on Ultra Low Doses / Ibid. – Р. 22.
7. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Худяков И.В. Воздействие химических агентов в сверхмалых дозах на биологические объекты // Изв. АН СССР, сер. Биол. – 1990. – № 2. – С. 184–193.
8. Benveniste J., Davenas E. L’agiation de solutions hantement diluees n’induit pas d’activite biologique specifique // C.R. Acad. Sci. Paris., 1991. – Р. 461–466.
9. The simila principle / P. Bellavite, S. Lussignolli, M.L. Semizzi, R. Ortolani, A. Signorini // British Homoeopathic Journal. – 1997. – Vol. 86. – P. 73–85.
10. Блюменфельд Л.А. Понятие конструкции в биологической физике. К вопросу о механизме действия сверхмалых доз // Российский химический журнал. – 1999. – Т. 43, № 5. – С. 15–20.
11. Бурлакова Е.Б. Особенность действия сверхмалых доз биологически активных веществ и физических факторов низкой интенсивности // Там же. – С. 3–11.
12. Сверхмалые дозы доксорубицина: ингибирование опухолевого роста в эксперименте / Л.А. Островская, Н.В. Блюхтерова, М.М. Фомина и др. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – 2002. – Приложение № 4. – С. 52–54.
13. Возможности использования сверхмалых доз цитостатиков в химиотерапии опухолей / Л.А. Островская, Н.В. Блюхтерова, М.М. Фомина и др. // Наука – производству. – 2002. – № 3. – С. 59–60.
14. Чувствительность экспериментальных опухолевых моделей к сверхмалым дозам доксорубицина / Островская Л.А., Блюхтерова Н.В., Фомина М.М. и др. // Радиационная биология. Радиология. – 2003. – Т. 43, № 3. – С. 273–281.
15. Эмануэль Н.М. Кинетика экспериментальных опухолевых процессов. – М.: Наука, 1977. – 419с.
16. Бабушкина Н.А Математическое моделирование сложных режимов химиотерапии экспериментальных опухолей: Дис. канд. биол. наук. – М.: ИБХФ, 1985. – 189 с.
17. Иванов В.К., Петровский А.М. Количественная оценка выживаемости клеточных популяций при фракционированном облучении // Мед. радиология. – 1982. – Т. 27, № 3. – С. 77–80.
18. Методические рекомендации по предклиническому изучению специфической активности противоопухолевых препаратов, предлагаемых для испытания в клинике. – М.: Минздрав РФ, 2000.
19. Гуревич К.Г. Вероятностное описание системы “лиганд-рецептор” // Биофизика. – 1999. – Т. 44, вып. 6. – С. 1022–1026.
20. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. Практический курс. – М.: Фаир-пресс, 1999. – 716 с.
21.
Сазанов
Л.А., Зайцев С.В. Действие
сверхмалых доз (
– ) биологически
активных веществ: общие закономерности,
особенности и возможные механизмы //
Биохимия. – 1992. – Т. 57, вып. 10. – С. 1443–1460.
22. Зайцев С.В., Ефанов А.М., Сазанов Л.А. Общие закономерности и возможные механизмы действия биологически активных веществ в сверхмалых дозах // Российский химический журнал. – 1999. – Т. 43, № 5. – С. 28–33.
23. Zaitsev S.V., Il’ina A.D., Varfolomeev S.D. // In: Research in Biochemical Kinetics. – N.-Y.: Nova Science Publishers, Inc., 1993. – Р. 102–119.
24. Зенин С.В., Тяглов Б.В. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах // Журн. физ. хим. – 1994. – Т. 68, № 3. – 500 с.
25. Зенин С.В., Полануер Б.М., Тяглов Б.В. Экспериментальное доказательство наличия фракций воды // Гомеопатическая медицина и акупунктура. – 1998. – № 2. – С. 41.
(
(095) 334-88-20[1] Работа доложена на Научных чтениях памяти профессора А.М. Петровского, Москва, Ин-т проблем управления, 17 марта 2005 г.