La optofarmacología, ciencia de vanguardia en tratamientos oncológicos y del dolor

 

Mireia Hernández Hernández

 

Unidad de Investigación Clínica y Ensayos Clínicos INCLIVA, Instituto de Investigación Sanitaria INCLIVA, Hospital Clínico Universitario de Valencia.

SCReN (Spanish Clinical Research Network) Plataforma Española de Unidades de Investigación Clínica y Ensayos Clínicos.

optofarmacología

La optofarmacología es una disciplina emergente de la farmacología que consiste en aplicar luz sobre un fármaco fotosensible para optimizar su respuesta fotoquímica y fotofísica, así como también sus propiedades terapéuticas.

Las moléculas biológicas  que actúan de forma natural en los seres vivos son muy precisas, actuando de forma localizada, a dosis reguladas y duración definida. Los fármacos de los que disponemos en la actualidad, presentan limitaciones importantes ya que tienen una distribución lenta e imprecisa, con falta de especificidad espacial o temporal en el organismo y dificultad en el ajuste de la dosis, entre otros. Estas carencias son las que intenta suplir la optofarmacología, técnica que se basa en el uso de la luz para controlar la actividad de los medicamentos. La optofarmacología es una disciplina emergente de la farmacología que consiste en aplicar luz sobre un fármaco fotosensible para optimizar su respuesta fotoquímica y fotofísica, así como también sus propiedades terapéuticas.

La optofarmacología está siendo muy investigada en ámbitos muy diversos, como en el de la Física, Química y Medicina, además de en el de la Biología Molecular. Algunos ejemplos de investigadores en estos campos son: Pau Gorostiza, físico y profesor de ICREA (Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados) del Instituto de Bioingeniería de Cataluña, que junto con el neurobiofísico Ehud Isacoff de la Universidad de California en Berkeley (EEUU) y colaboradores han desarrollado un fármaco sensible a la luz para apagar y encender neuronas; Ernest Giralt, químico de la Universidad de Barcelona, investiga, junto con el Dr. Gorostiza, la modulación con luz de las interacciones entre proteínas para tratar enfermedades como el alzhéimer o el carcinoma adrenocortical pediátrico; Marcos Malumbres es un biólogo molecular del CNIO (Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas) que investiga terapias que se dirijan contra los microtúbulos.

Cabe destacar dos investigaciones que se han llevado a cabo mediante el uso de esta novedosa técnica. Una de ellas publicada en Julio del 2015 en la revista Cell y realizada en el campo del tratamiento oncológico y otra, la más reciente, que se ha publicado en Abril de 2017 en la revista eLife, que trata del diseño del primer fotofármaco para el tratamiento del dolor.

En Julio de 2015, el grupo de investigación dirigido por el bioquímico Oliver Thorn-Seshold, de la Universidad de Múnich (Alemania), publicó un estudio en la revista Cell en el que se explica el desarrollo de una técnica que permite modificar las moléculas anticancerosas para que funcionen solamente bajo la presencia de luz. Esta estrategia presenta un gran potencial para reducir los efectos secundarios que sufren millones de personas en tratamiento quimioterápico.

La palabra cáncer es un término muy amplio que abarca más de 200 tipos de enfermedades que pueden tener características, causas, evolución y tratamientos distintos. Sin embargo, existe un denominador común para todas estas enfermedades: las células cancerosas adquieren la capacidad de multiplicarse y diseminarse por todo el organismo de forma descontrolada.

Imagen de microscopía de fluorescencia donde se observa huso mitótico de una célula humana en división. Se pueden ver de color verde los microtúbulos que permiten el movimiento de los cromosomas (ADN), de color azul, durante la mitosis. Los cinetocoros de los cromosomas, la zona de anclaje de los microtúbulos, se observan de color rojo.

Los microtúbulos son componentes altamente dinámicos del citoesqueleto de la célula eucariota que participan en procesos esenciales tales como la división celular, morfología y polaridad celular, transporte intracelular y motilidad. Son estructuras tubulares formadas por moléculas de tubulina, cada una de las cuales es un dímero que consta de dos proteínas globulares llamadas α-tubulina y β-tubulina. Los dímeros de tubulina se unen formando un protofilamento y 13 protofilamentos juntos en paralelo forman el cilindro hueco al que llamamos microtúbulo. Estos túbulos  se alargan o se acortan por polimerización o despolimerización de dímeros de tubulina, respectivamente, permitiendo que el ADN (Ácido Desoxirribonucleico) de la célula pueda repartirse en dos células hijas durante la división celular. A nivel experimental, en investigaciones de biología celular, y a nivel clínico, en la terapia del cáncer, se estudian moléculas que interfieran en  la dinámica de los microtúbulos, produciendo efectos antimitóticos y pro-apoptóticos, siendo una de las clases de quimioterápicos más utilizados en la práctica clínica. Uno de estos compuestos inhibidores del crecimiento de los microtúbulos es el paclitaxel, extraído de la corteza de un árbol nativo de Norteamérica, que se utiliza en tratamientos quimioterápicos en personas con cáncer de mama, ovarios o pulmón. Este compuesto actúa uniéndose a los microtúbulos y paralizándolos, de modo que el ADN no puede movilizarse a través de ellos y las células en división son eliminadas. El problema surge cuando la bioactividad de estos inhibidores no puede ser controlada ni espacial ni temporalmente. Estas sustancias no pueden aplicarse a una zona específica del organismo y durante un tiempo determinado, de modo que se eliminan tanto células sanas como cancerosas, produciendo neurotoxicidad y otros efectos secundarios, y obligando a limitar la dosis del quimioterápico a administrar.

El estudio presentado por el Dr. Thorn-Seshold y su equipo, utiliza las fotostatinas (Photostatins, PSTs) como inhibidores de microtúbulos que pueden ser controlados in vivo por luz. Las fotostatinas son pequeñas moléculas análogas de la cobrestatina A-4 (CA4), fármaco desestabilizador de los microtúbulos que se une al dominio de unión de la colchicina entre las subunidades de α-tubulina y β-tubulina. La CA4 es un candidato prometedor como fármaco quimioterápico debido a su potencia y a sus propiedades antiangiogénicas, entre otras, existiendo tres derivados de este fármaco que han llegado a probarse en ensayos clínicos. En este estudio, la CA4 se modifica químicamente sustituyendo sus dobles enlaces entre átomos de C (C=C) por dobles enlaces entre átomos de N (N=N), resultando en una molécula fotosensible. Cuando se ilumina con luz UV (390-430 nm de λ) se fotoisomeriza a su conformación cis (activa, produce despolimerización de microtúbulos) y cuando se hace con luz verde (500-530 nm de λ) lo hace a su conformación trans (inactiva). Este proceso puede modular la dinámica de los microtúbulos produciendo una respuesta en un tiempo inferior a 1 segundo, controlando la mitosis  en células vivas y actuando con precisión contra la célula afectada. Se trata de un proceso reversible y estable, pudiéndose dar muchos ciclos de activación-inactivación. Además, la conformación activa, cis-PSTs, isomeriza espontáneamente a la forma trans-PSTs, inactiva, en un periodo de tiempo medio de 0.75- 120 min en ausencia de luz UV, asegurando que la concentración de isómeros activos cis disminuya por falta de iluminación sin necesidad de aplicar luz verde.

Esta investigación ha demostrado que la bioactividad de las PSTs puede controlarse temporal y espacialmente. Cuando las PSTs son iluminadas con luz, son 250 veces más citotóxicas que cuando permanecen en la oscuridad, proceso reversible que las hace muy útiles en investigaciones del ámbito de la biología celular y mejorando la precisión espacial de la quimioterapia. Esto conllevaría una reducción de la toxicidad de los tratamientos permitiendo aumentar la dosis de fármacos antitumorales. Además, hablaríamos de un fármaco muy seguro e inocuo ya que sólo se activaría en el lugar afectado y durante el tiempo necesario.

Este método está aún bastante limitado.  Por un lado, la eficacia de las PSTs sólo se ha estudiado in vitro, en líneas celulares, e in vivo, es decir, en el área preclínica. Además, esta técnica en principio se utilizaría sólo en tumores superficiales, por ejemplo de piel y retina, aunque no se descarta el acceso a tumores internos mediante la implantación de luces LED que iluminen y activen los fármacos.

También hay lagunas aún por investigar en este ámbito. Faltaría estudiar los efectos de la activación de las PSTs en diferentes puntos del ciclo celular. También estaría aún por demostrar que las PSTs puedan tener éxito a nivel clínico ya que se requieren concentraciones µM (0.5- 10 µM) para que la forma activada de las PSTs despolimerice los microtúbulos mientras que los fármacos más relevantes clínicamente, como la cobrestatina A-4, inducen efectos similares a concentraciones nanomolares. Otro aspecto a considerar sería el hecho de que aún siendo altamente más potente la forma cis-PSTs, la forma activa, en comparación con su isómero trans-PTSs, podría no ser suficientemente efectiva en la práctica clínica. Por otro lado, el uso de luz UV para la fotoisomerización podría limitar su aplicación clínica, así como luces de longitud de onda más corta tienen una baja penetración tisular pudiéndose requerir la implantación de algún dispositivo que emita luz dependiendo de la localización del tumor. Además, es necesario mantener la exposición a luz UV del isómero cis, la forma activa, debido a su rápida inactivación espontánea, pudiendo producir efectos citotóxicos.

Por otro lado, la optofarmacología puede ayudar a ampliar el abanico terapéutico en la lucha contra el dolor y reducir notablemente los efectos indeseables de muchos fármacos, como el elevado riesgo a la adicción de la morfina y la baja eficacia analgésica de los antiinflamatorios no esteroideos (AINE) ante el dolor intenso y crónico, entre otros. Recientemente se ha llevado a cabo un estudio en el que se explica el desarrollo del primer fotofármaco activado por luz para tratar el dolor. Este trabajo está dirigido por el profesor Francisco Ciruela, de la Facultad de Medicina y Ciencias de la Salud de la Universidad de Barcelona, el Instituto de Neurociencias de la UB y el Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge (IDIBELL), y Amadeu Llebaria, del Grupo de Química Médica y Síntesis (MCS) del Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC-CSIC).

Estructura 3D del dominio de unión a ligando del complejo que forma el receptor glutamato metabotrópico mGluR5, con glutamato. En esta imagen se aprecian los distintos componentes del complejo (iones, agua e hidrógeno, entre otros). Protein Database 3LMK visualizada con NLG3 viewer.

El fotofármaco estudiado se ha denominado JF-NP-26, y se trata de una molécula de mecanismo de acción conocido, un analgésico, modificada químicamente para ser fotosensible e inactiva, que se activa con un haz de luz del espectro visible (con λ de 405 nm) dirigido mediante una fibra óptica que se irradia en el tejido diana. La iluminación con luz violeta del fármaco induce una reacción fotoquímica que induce la liberación de la molécula activa (raseglurant), que bloquea eficazmente el receptor metabotrópico de glutamato tipo 5 (mGluR5), implicado en la transmisión neuronal del dolor, entre otras funciones neuronales. El bloqueo de este receptor se produce tanto en sistemas de expresión ectópica como en neuronas primarias estriadas y permite anular la recepción del dolor desde la periferia del cuerpo al cerebro del organismo. La administración sistémica en ratones seguida por la iluminación local basada en diodos emisores de luz (LED), tanto del tálamo como de los tejidos periféricos, indujo la analgesia dependiente de la luz mediada por JF-NP-26 tanto en los modelos neuropáticos como en los modelos de dolor inflamatorio agudo /tónico.

Estos datos ofrecen el primer ejemplo de control óptico de la analgesia in vivo usando un modulador alostérico negativo del receptor mGluR5 fotocatalizado. Este enfoque muestra el elevado potencial terapéutico de los receptores endógenos puesto que no se produce ningún efecto tóxico hasta que el tejido diana se irradia con luz, no ocasiona efectos secundarios en animales, ni a dosis elevadas, y posee una alta resolución espacio temporal, lo que puede permitir un mejor manejo de los trastornos difíciles de tratar. Por otro lado, el raseglurant, la molécula liberada por la acción de la luz, ha sido estudiado en ensayos clínicos como analgésico contra la migraña, descartándose por su hepatotoxicidad, de forma que esta nueva técnica podría evitar estos efectos adversos promoviendo su uso como analgésico.

La principal limitación de este estudio, como en el caso de las fotostatinas estudiadas por Thorn-Seshold, es que se basa en modelos animales, en el estadío preclínico, siendo el primer fotofármaco diseñado para el tratamiento del dolor in vivo. Además, el raseglurant no es un AINE (paracetamol, ibuprofeno) ni un opioide (morfina, fentanilo), grupos farmacológicos clásicos contra el dolor, por lo que está poco explorado su mecanismo analgésico.

La optofarmacología aplicada a nuevos medicamentos experimentales puede considerarse ciencia de vanguardia para tratamientos quimioterápicos y del dolor. No obstante, hay que destacar de nuevo la limitación de esta técnica en cualquiera de los campos de la ciencia en los que se está investigando. Sólo se ha estudiado en el ámbito preclínico, desconociéndose actualmente su posible efecto terapéutico. No obstante, la experiencia apunta a que posee un enorme potencial para que pueda tener los mismos efectos en los seres humanos.

Referencias:

Universitat de Barcelona- Diseñan el primer fotofármaco para el tratamiento del dolor.http://www.ub.edu/web/ub/es/menu_eines/noticies/2017/04/014.html

Borowiak M, et al. Photoswitchable Inhibitors of Microtubule Dynamics Optically Control Mitosis and Cell Death. Cell. 2015 July 16; 162: 403-411.http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.06.049

Castle BT and Odde DJ. Optical Control of Microtubule Dynamics in Time and Space. Cell. 2015 July 16; 162.http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.06.064

Janke C and Steinmetz MO. Optochemistry to control the microtubule cytoskeleton. The EMBO Journal. 2015 July 17; 34 (16): 2114-2116.http://dx.doi.org/10.15252/embj.201592415

Font J, et al. Optical control of pain in vivo with a photoactive mGlu5 receptor negative allosteric modulator. E-Life. 2017 Apr 11; 6: e23545.http://dx.doi.org/10.7554/eLife.23545

 

 

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