3.1. Macromoléculas biológicas. Introducción

Comienzo aquí, con esta breve introducción, un nuevo bloque dentro de esta sección en  la que estudiaremos los cuatro tipos principales de macromoléculas biológicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Representan los constituyentes fundamentales de la estructura celular, que al combinarse constituyen la mayor parte del peso seco de la célula, llevando a cabo en la misma una amplia variedad de funciones. Se tratan de moléculas orgánicas, por lo que su principal componente es el carbono, al que se añaden el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N) y otros elementos menores.

Las dos reacciones primordiales que intervienen en la síntesis de las macromoléculas biológicas son las siguientes:

▣         Síntesis por deshidratación

Los bloques básicos de la mayoría de las macromoléculas son subunidades que se conocen con el nombre de monómeros. Dichos monómeros se combinan mediante enlaces covalentes formando moléculas más grandes (polímeros) para lo cual liberan moléculas de agua como subproductos. A este mecanismo se le conoce como síntesis de deshidratación que significa “unir perdiendo agua”.
Durante estas reacciones, el hidrógeno (H⁺) de uno de los monómeros se combina con el grupo hidroxilo (OH^-) de otro, liberando una molécula de agua. Al mismo tiempo, los monómeros comparten electrones y se unen mediante enlaces covalentes.
Los monómeros no tienen porqué ser siempre del mismo tipo e incluso la misma clase de monómero puede dar lugar a diferentes tipos de polímeros. Por ejemplo, los monómeros de glucosa son los integrantes de sustancias tan diferentes como la celulosa, el glucógeno o el almidón.

▣         Hidrólisis

La hidrólisis que significa “disolver en agua” es un tipo de reacción en la que se emplea moléculas de esta sustancia para descomponer los polímeros en sus monómeros constituyentes. En estas reacciones, el polímero se divide en dos componentes: uno de ellos adquiere un átomo de hidrógeno (H⁺) y el otro un grupo hidroxilo (OH^-), ambos procedentes de la ruptura de una molécula de agua.

En estos dos tipos de reacciones pueden intervenir enzimas (un tipo específico de proteínas) cuya función desempeñada se conoce con el nombre de catálisis, la cual consiste en la alteración de la velocidad de una reacción, en los dos casos citados aumentándola.

A través de reacciones de hidrólisis nuestro organismo se encarga mediante la acción de enzimas muy específicas del sistema digestivo de descomponer tanto las proteínas, lípidos y carbohidratos que ingerimos en nuestra dieta en moléculas más pequeñas para que los nutrientes puedan ser absorbidos por las células intestinales. Así, por ejemplo, los lípidos se descomponen mediante la acción de las lipasas, las proteínas lo hacen gracias a enzimas como la pepsina, la peptidasa o el ácido clorhídrico y los carbohidratos mediante la sacarasa, la lactasa, la amilasa o la maltasa.

La descomposición de todas estas moléculas proporciona la energía necesaria para desarrollar las distintas funciones celulares.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
              http://www.differencebetween.net/science/health/difference-between-hydrolysis-and-dehydration-synthesis/

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1.2.4. Optimización de candidatos

El conjunto de complejos farmacológicos que superan la fase de cribado ha de ser reducido y optimizado según una serie de criterios clave.
Para llevar a cabo una mayor reducción en el número de candidatos los investigadores caracterizan la manera en la que se adhieren a sus blancos. Este proceso de optimización es, por tanto, aplicable solamente en el primero de los enfoques estudiado en la anterior entrada, basado en dianas biológicas.
En el segundo de ellos, el fenotípico, su validación resulta bastante difícil de realizar debido al conocimiento limitado del mecanismo de acción de los compuestos.
Entre los factores más importantes relacionados con el acoplamiento o unión entre los fármacos y las moléculas diana encontramos:

▣      El grado de afinidad que el complejo tenga con el blanco biológico.

▣      A cuántos blancos diferentes puede el fármaco unirse.

▣      Durante cuánto tiempo puede el compuesto permanecer adherido a la diana.

Estos criterios ayudarán a determinar cuál es la dosis más eficaz del fármaco y cualquier efecto secundario no deseado que pueda surgir.
Además, han de eliminarse los candidatos que presenten toxicidad en niveles terapéuticos, los que puedan ser inestables químicamente en solución o estado sólido y aquellos que sean sumamente costosos de sintetizar.
Los complejos que superen estos pasos son examinados por químicos que producirán unos compuestos conocidos como análogos, estructuralmente similares con alguna mejora en los criterios mencionados.

Una de las tareas más importantes desarrolladas durante el proceso de optimización es determinar la correlación entre la estructura química del futuro fármaco y su actividad (QSAR^[1]) y de qué manera la primera de ellas afecta a la segunda.

Otro aspecto a evaluarse es la farmacobilidad del compuesto, término con el que se describe la habilidad del fármaco para alcanzar su blanco, acoplarse a él y producir algún tipo de efecto medible. Para conocer la farmacobilidad los científicos hacen uso de la llamada regla de cinco de Lipinski, que establece que un medicamento oral cumplirá su función farmacológica si:

▣      No contiene más de cinco donadores de enlace por puentes de hidrógeno (número total de enlaces nitrógeno-hidrógeno y oxígeno-hidrógeno, NHs y OHs).

▣      No contiene más de diez aceptores de enlace por puentes de hidrógeno (todos los átomos de nitrógeno u oxígeno).

▣      Su peso molecular es inferior a 500 uma.

▣      Un coeficiente de reparto octanol-agua^[2]  (log P) inferior a cinco.

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[1] La relación cuantitativa estructura-actividad, es el proceso por el cual la estructura química se correlaciona cuantitativamente con la actividad biológica (unión de un fármaco con un receptor) o la reactividad química (afinidad de una sustancia por otra para producir reacción).

[2] Cociente o razón entre las concentraciones de una determinada sustancia (soluto) en dos disolventes en equilibrio: octanol y agua. Su fórmula viene dada por:  log P = log ( [soluto]_octanol  /  [soluto]_agua ).

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              https://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_cuantitativa_estructura_actividad
              https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_reparto_octanol-agua

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1.2.3. Cribado de candidatos

Tras la identificación y estudio pormenorizado de la diana que juega un papel clave en la progresión de la enfermedad, se pasa a una segunda etapa basada en el cribado o selección de los futuros fármacos que actuarán sobre ese receptor. Este enfoque es el responsable del descubrimiento de la gran mayoría de los medicamentos comercializados en la actualidad.

En esta etapa, los científicos pueden tener ya una idea aproximada de la clase de compuestos que podrían unirse adecuadamente o no al blanco biológico, reduciendo así el número de ellos que partirán en el cribado inicial. Este número también se verá disminuido por el empleo de sofware especializado y bibliotecas virtuales que contengan amplia información acerca de los mismos.

Posteriormente, en el cribado llevado a cabo en el laboratorio se emplean equipos automatizados con placas multipocillos (que contienen la diana biológica), en las que se evaluará en un período relativamente corto de tiempo la acción de los distintos candidatos objetos a examen.

En principio, se puede llegar a pensar que cuanto mejor sea la unión complejo farmacológico-receptor, mejor será el resultado obtenido pero no siempre es el caso. Conocer el mecanismo de progresión de una enfermedad y el papel de todas sus dianas se hace casi imposible, por lo que los investigadores han desarrollado una aproximación alternativa al problema, denominada acercamiento fenotípico. Este método emplea un modelo vivo^[1] de la enfermedad donde los científicos investigan si, de algún modo, el candidato ha sido capaz de reducir o eliminar los signos de la enfermedad desconociendo los blancos biológicos y sus mecanismos de acción.
La principal ventaja de este enfoque es su mayor potencial para descubrir compuestos farmacológicos de primera categoría. Su inconveniente es que al desconocer el receptor sobre el que actúan se hace más difícil realizar modificaciones químicas sobre dichos compuestos, con lo que también se desconocería cómo estos cambios afectarían a la unión con el blanco terapéutico.

Existe, en cambio, un nuevo tipo de complejos conocidos como biológicos que, en lugar de ser producidos en un laboratorio químico, proceden de sistemas vivos. La mayoría de ellos no se van a adherir a ningún receptor sino que son copias de moléculas existentes en nuestro organismo.

Por ejemplo, la insulina^[2] se ha generado mediante ingeniería genética al introducirse en el DNA de colonias bacterianas. Estas colonias al crecer y multiplicarse leen el código genético humano insertado y producen la insulina.
Algunos de estos fármacos biológicos también pueden actuar sobre receptores, diseñándose a la medida anticuerpos y proteínas que se adhieran o interfieran en aquellos elementos causantes de enfermedades en las células.

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[1] Estos modelos vivos son células, tejidos celulares o incluso ratones desarrollados para modelizar enfermedades humanas.

[2] Hormona formada por 51 aminoácidos, producida y secretada por las células beta de los islotes de Langerhans del páncreas. Se encarga de la regulación de los niveles de glucosa en sangre.

Fuente: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.


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1.2.2. Identificación de receptores

El desarrollo de un nuevo fármaco, propiamente dicho, comienza con la identificación y selección de un blanco, receptor o diana biológica sobre la que actúe ese compuesto farmacológico. Estas dianas son habitualmente proteínas a las que el futuro fármaco se une y ejercer, de este modo, modificaciones en las funciones que desempeña.

Las proteínas son los trabajadores y quienes realizan la mayoría de las funciones de las células humanas, por lo que tiene todo el sentido que sea allí donde se adhieran los fármacos para transformar sus actividades, alterar esta actividad ayudará a eliminar o reducir la enfermedad en las células afectadas. También los genes pueden ser objetivo de los fármacos, los cuales son responsables de proporcionar las instrucciones acerca de qué proteínas han de ser creadas y qué tareas llevarán a cabo dentro de la célula.
Las proteínas y genes sobre las que actúan los fármacos no son siempre humanos, ya que se estima que entre el 15 y el 20% de los medicamentos actuales lo hacen sobre proteínas y genes de los patógenos que invaden nuestro organismo causando enfermedades.

El problema con muchas enfermedades es que en su desarrollo pueden verse involucrados cientos de genes y proteínas, con lo que la selección, por parte de los científicos, del receptor que sea clave en la manifestación de la enfermedad se convierte en un elemento fundamental. Para llevar a cabo esta tarea se hace imprescindible el análisis estadístico de una gran cantidad de datos y entre ellos ser capaz de elegir el blanco biológico más adecuado para nuestro complejo farmacológico.

En algunas ocasiones, la simple unión del fármaco a su diana terapéutica es suficiente para eliminar la enfermedad. Por ejemplo, el antibiótico amoxicilina se une a ciertas proteínas en las paredes celulares de las bacterias infecciosas, provocando la ruptura de estas paredes y, en consecuencia, la muerte de dichas bacterias.
Sin embargo, no siempre es tan fácil, ya que aquellas bacterias que han desarrollado resistencia a los antibióticos han logrado modificar las dianas sobre las que actuaban los fármacos correspondientes, perdiendo así su acción terapéutica.
A menudo, otras enfermedades son muy complejas de combatir por el hecho de que son causadas por una combinación de factores medioambientales, genéticos y de estilo de vida, es el caso del Alzheimer.

Por último, hay otras ocasiones en que, tal vez, sea más apropiado un acercamiento “multi-diana” en el que se administren múltiples fármacos sobre un único blanco biológico, un único fármaco sobre múltiples dianas o una combinación de ambos.

Fuente: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.


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1.2.1. Introducción a la investigación de fármacos. Fase previa

En épocas pasadas, la investigación de nuevos fármacos se realizaba de manera muy diferente a como se lleva a cabo hoy en día. Muchos de ellos eran simples remedios caseros que se transmitían de generación en generación y la gran mayoría descubiertos por accidente. Es el caso de uno de los antibióticos más famosos: la penicilina.

En 1928, Alexander Fleming observó que un cultivo de bacterias estafilococos que estaba estudiando se

contaminó con cierto hongo (penicillium) y cómo el área alrededor de dichos hongos se encontraba libre de esas bacterias. Fue posteriormente Howard Florey quien se dio cuenta del tremendo potencial de la penicilina al aplicarla a soldados heridos durante la II Guerra Mundial.
Aunque de manera mucho menos común, descubrimientos de este tipo todavía ocurren hoy en día, si bien es cierto que sin el enorme impacto que tuvo la penicilina en su tiempo. Actualmente, se sigue un procedimiento más metódico que involucra industrias, investigaciones universitarias, agencias gubernamentales e incluso organizaciones filantrópicas. El desarrollo de medicamentos comienza con el descubrimiento de nuevos fármacos, el cual, se inicia con un número aproximado de 10.000 candidatos potenciales en el que se descartarán 9.999 hasta obtener el mejor de todos ellos, que poseerá el equilibrio más adecuado entre eficacia y seguridad. Esta fase de investigación puede desglosarse, a su vez, en cuatro etapas:

▣        Prefase de investigación de la enfermedad sobre la que actuará el futuro medicamento.

▣        Identificar una diana de la enfermedad sobre la que se adhiera el fármaco (denominada diana o blanco biológico o terapéutico).

▣        Cribado de los compuestos químicos que actúen sobre estas dianas terapéuticas.

▣        Optimizar estos compuestos hasta producir el principal candidato.

FASE PREVIA DE INVESTIGACIÓN

Como has podido comprobar en mi anterior entrada de esta sección, el desarrollo de medicamentos implica un amplio proceso que conlleva un alto coste, tanto en esfuerzo humano como en inversión económica; podrás imaginar, en consecuencia, que antes de embarcarse en el descubrimiento de fármacos es necesario plantearse y resolver un conjunto de preguntas sin las cuales se estaría condenado, sin duda, al fracaso en las investigaciones. Debe, por tanto, poseerse una serie de criterios acerca de los siguientes puntos:

▣      Cuáles son las necesidades médicas no cubiertas en la actualidad, qué droga puede desarrollarse que permita plantear una solución a una enfermedad cuya curación no existe o su tratamiento es deficitario en estos momentos.

▣      Tener amplios conocimientos acerca de esa enfermedad sobre la que el futuro fármaco actuará, lo cual incluye desvelar las causas fundamentales que la originan, lo que no es siempre trivial.

▣      Cuáles de nuestros genes se ven alterados por la enfermedad y cómo ello afecta a la manera en la que éstos codifican las proteínas que producen. Así mismo, de qué manera las interacciones entre estas proteínas son afectadas por esa patología.

▣       De qué forma las células y tejidos también son dañados.

▣       Finalmente, cómo el paciente, de modo global, es afectado por la enfermedad objeto de análisis.

En conclusión, se trata de un estudio que parte del descubrimiento del elemento más pequeño sobre el que puede actuar una determinada patología (proteínas y genes), hasta el nivel más elevado (paciente).

Fuentes:  UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
               UC San Diego: Drug Discovery, Development & Commercialization.

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1.3. Aproximación top-down y bottom-up

La actual tecnología de fabricación se basa en el planteamiento conocido como “top-down” (de arriba hacia abajo) que consiste, de modo similar a lo que hace un escultor, partir de un bloque de material de grandes dimensiones e ir moldeándolo y cincelándolo progresivamente hasta obtener un objeto de un tamaño más pequeño con la forma deseada.
En la aproximación “nano” se va a proceder justo siguiendo el camino contrario, ir de lo pequeño a lo grande, es lo que se denomina aproximación “bottom-up” (de abajo hacia arriba), en la que haciendo una similitud con los juegos infantiles de construcción (compuestos de piezas de distinta forma, color y tamaño) vamos a comenzar con elementos básicos como átomos, nanopartículas, ácidos nucleicos o proteínas para ensamblar moléculas e incluso construir diferentes dispositivos.

Para desempeñar este tipo de trabajo, de enorme dificultad como podrás imaginar, fue necesario el desarrollo de herramientas específicas que posibilitaron tanto la visualización como la manipulación de objetos a escala nanométrica, son los microscopios de sonda de barrido (SPMs), con los que es posible no sólo ver, sino también mover átomos sobre una superficie.

El progreso de la nanociencia y la nanotecnología y el empleo de este tipo de instrumentación avanzada ha dado lugar a una de las características más importantes de esta ciencia: su multidisciplinariedad. Al ir reduciendo la escala, los átomos y moléculas se convierten en los “ladrillos” básicos de los objetos que estudian físicos, químicos, biólogos e ingenieros que han de trabajar juntos y utilizar un lenguaje común. Un ejemplo de esta multidisciplinariedad sería la fabricación de un biosensor donde un biólogo ha de tener conocimientos de física cuántica, y un físico de biología para que este tipo de dispositivos se diseñe con éxito.

Ensamblar molécula a molécula o partícula a partícula para desarrollar toda la tecnología que demandemos puede llegar a hacernos pensar que se trata de algo casi irrealizable, sin embargo, esto es lo que ha venido realizando sobre la Tierra la biología en los últimos 4000 millones de años, ya que partiendo de moléculas simples formó estructuras de enorme complejidad mediante mecanismos de enlazado, auto-ensamblado y reconocimiento. Cualquier organismo vivo es, sin duda, un claro ejemplo de construcción “bottom-up”, puesto que, comenzando con ciertas moléculas orgánicas y una secuencia genética se han llegado a crear sistemas muy complejos tanto funcional como estructuralmente. Como consecuencia, la nanotecnología puede aprender de estos procesos para imitarlos y adaptarlos, incluso a otro tipo de problemas muy distintos de la biología.

El desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología, de acuerdo a expertos, se producirá en tres etapas. En la primera de ellas, entre el año 2000 y el 2020, donde las industrias seguirán empleando, mayoritariamente, las técnicas de producción convencional ("top-down"), fabricando dispositivos cada vez más pequeños. La segunda, entre el 2010 y 2030, comenzará a extenderse el método “bottom-up”, el cual se convertirá en el esquema líder de fabricación durante el resto del siglo XXI. Pero esto no significa que nuestros procedimientos actuales vayan a desaparecer por completo, la utilización de un sistema u otro dependerá de las materias primas, la mano de obra, los costes medioambientales y sociales y, por supuesto, de la rentabilidad económica.

La nanotecnología cuenta ya con un peso económico propio, que alcanzó en el mercado mundial los 50.000 millones de dólares en 2006, y se estima que llegue al billón de dólares en este 2015. Por tanto, este mercado beneficiará a las empresas de aquellos países que estén realizando fuertes inversiones a medio-largo plazo en este nuevo campo.

Fuentes: Fundación española para la ciencia y la tecnología (FECYT). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente 
              y la tecnología del futuro, 2009.
              http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group_subpage.php?id=4252
              http://www3.nd.edu/~kamatlab/facilities_physchar.html

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