Dr. José Marcos Falcón González
Durante mi formación académica como
físico teórico tuve la inquietud de aplicar los conocimientos adquiridos en la
solución de algún problema de interés para la sociedad o en el desarrollo
tecnológico de alguna idea que repercutiera de manera directa en el beneficio
de dicha sociedad. Fue apenas hace hace algunos años que encontré la
oportunidad de trabajar en el desarrollo de un nuevo fármaco, el cual se
pretendía que fuera análogo al antimicótico más popular en la actualidad
llamado Anfotericina B, con el objetivo de mejorarlo.
La importancia de la Anfotericina B
(AmB) radica en el hecho de que los hongos que causan las enfermedades fúngicas
sistémicas no han desarrollado resistencia a este medicamento por lo que ha
sido el más utilizado durante las últimas décadas para combatirlos. Como los
hongos se encuentran omnipresentes en el medio ambiente, pueden ser inhalados o
ingeridos por cualquier mamífero sin ninguna repercusión. Sin embargo, en
personas con el sistema inmune debilitado pueden llegar a causar la muerte. De
hecho, más de treinta millones de personas con sida o diabetes mueren
anualmente debido a la presencia de hongos oportunistas en su organismo. Con el
fin de prevenir esta situación es obligada la administración del antimicótico
AmB al organismo, la cual debe realizarse por vía intravenosa ya que presenta
baja solubilidad y con ello el inconveniente de no poder ser administrada
oralmente. Además, el uso de este medicamento produce serios efectos
secundarios como mareos, vómitos, náuseas o incluso daño renal severo conocido
como nefrotoxicidad.
Diversos grupos de investigación han
dedicado sus esfuerzos en entender los mecanismos de acción del AmB con el
objetivo de reducir sus efectos secundarios y aumentar su solubilidad.
Actualmente, prevalece la idea de que este fármaco se “pega” a los esteroles
presentes en la membrana celular, forma canales iónicos
transmembranales, con apariencia de barril, por los que pasa el material
intracelular hacia el exterior de la membrana, produciendo la muerte celular
(Figura 1 a). Este mecanismo de acción se lleva a cabo tanto en hongos como en
mamíferos, ya que los componentes celulares en ambos casos son exactamente los
mismos, sólo que los esteroles presentes en las células fúngicas son ergosterol
y los presentes en las de mamíferos son colesterol. Sin embargo, el AmB
presenta mayor afinidad por el ergosterol que por el colesterol. Se cree que
esta preferencia es debida a que a bajas o altas concentraciones de fármaco, ya
sea en estado monomérico o agregado, éste se “liga” al ergosterol mientras que
sólo se fija al colesterol cuando el fármaco existe a altas concentraciones y
se encuentra en un estado de agregación. A pesar de que se tiene evidencia
experimental del mecanismo de acción del AmB y se tiene conocimiento de las
propiedades físico-químicas de la molécula, recientemente han surgido dos ideas
paralelas a la hipótesis del canal. La primera, conocida como el modelo de
adsorción superficial, sugiere que el antimicótico mata a la célula del hongo
“atando” al ergosterol desde la superficie de la membrana, como se observa
esquemáticamente en la Figura 1 b, y que la formación del canal es un
proceso subsecuente. La segunda, conocida como la hipótesis de la esponja
(Figura 1 c), propone que la AmB no penetra la membrana lipídica y se encuentra
agregada fuera de ella. Este cúmulo de anfotericina extrae a los esteroles
presentes en la membrana hacia el exterior de la misma.
Figura 1.
Mecanismos de acción del AmB: a) canal transmembranal en forma de barril;
b) modelo de adsorción en la superficie; c) hipótesis de la
esponja (Imagen extraída de Nature Chemical Biology, Vol 10, June 2014.
doi:10.1038/nchembio.1518)
Con base en toda la información disponible sobre la molécula AmB, un grupo de
investigación multidisciplinario encabezado por el Dr. Iván Ortega Blake
desarrolló un derivado químico de la anfotericina B al que llamó A21. Para obtenerlo, se realizó la sustitución de
una histidina en el grupo hidroxilo de la molécula AmB. Evidentemente, la
posible aplicación farmacéutica del análogo químico A21 involucra una gran
cantidad de estudios previos entre los que se encuentran las pruebas
farmacéuicas y preclínicas, las pruebas electrofisiológicas y los
estudios moleculares. Los primeros análisis del antimicótico A21 revelaron: menor toxicidad en mamíferos con relación al AmB;
igual efectividad en contra de los hongos; y mayor solubilidad en agua. Estas
características propiciaron que la industria farmacéutica se haya interesado
inmediatamente por el A21. Sin embargo, queda mucho por hacer desde el punto de
vista científico para describir completamente todas las características y
funcionamiento de este nuevo fármaco con el objetivo de que sea comercializado
por la industria farmacéutica. El A21 cuenta ya con una patente internacional y
ganó el VI Premio a la Innovación Tecnológica que otorga el Consejo de Ciencia
y Tecnología del Estado de Guanajuato.
Pero, ¿qué hace un físico teórico estudiando mecanismos
de acción o aportando al desarrollo de nuevos fármacos? La respuesta es que
todos los sistemas de interés biológico involucran una gran variedad de
interacciones físicas que van desde las cuánticas hasta las electrostáticas,
las cuales son aprovechadas para su caracterización. De hecho, el estudio de
estos sistemas de interés, desde el punto de vista molecular, es llevado a cabo
mediante experimentos y teorías que se basan en las leyes de la física. Dentro
de las técnicas experimentales se pueden mencionar las dos más populares que
son difracción de rayos X y resonancia magnética nuclear. Por otra parte,
desde el punto de vista teórico, resultó lógico proponer a la mecánica cuántica
como una teoría útil para describir estos sistemas, ya que las
dimensiones de los componentes y las longitudes entre ellos son las
características de esta descripción. Aunque resolver la ecuación de Schrödinger
para cada uno de los entes moleculares presentes en el sistema resulta algo
imposible, físicos y químicos cuánticos se han dado la tarea de desarrollar
aproximaciones o teorías alternativas que permiten el estudio apropiado
de estos cuerpos, como ejemplos podemos mencionar la aproximación de
Born-Oppenheimer o la teoría de funcionales de la densidad, respectivamente,
solo por citar algunos. En resumen, por medio de experimento y teoría se
pueden determinar algunas de las propiedades físico-químicas más importantes de
una molécula, por ejemplo, masas, cargas y posición de los átomos que la
componen (Figura 2 a), la longitud de enlace entre ellos, los ángulos de
torsión de esos enlaces, etcétera; a lo que se le llama parametrización del
campo de fuerzas de la molécula.
Para realizar mi estancia posdoctoral en el Laboratorio de la Diversidad Biomolecular de CINVESTAV, dirigido por el Dr. Mauricio Carrillo-Tripp, se me invitó a colaborar con el grupo de investigación que desarrolló el A21. La tarea que se me asignó fue concreta: realizar el estudio molecular del mecanismo de acción para los fármacos AmB y A21. La herramienta que se utilizó para abordar este reto es conocida como Dinámica Molecular, la cual es una técnica de simulación computacional que incorpora la parametrización realizada para cada molécula. Como su nombre lo indica, el modelado por Dinámica Molecular consiste en resolver la segunda ley de Newton con algoritmos bien definidos con el uso de una computadora. Este modelo permite obtener la configuración de cualquier sistema en cualquier instante de tiempo, tal y como se muestra en la figura 2. El tener conocimiento de la evolución del sistema permitirá el cálculo de sus propiedades físico-químicas, termodinámicas y estructurales. En nuestro caso, se pudo concluir que 1) la solubilidad del fármaco aumenta si se encuentra agregado como dímero; 2) no es energéticamente favorable que el fármaco penetre al núcleo hidrofóbico de la membrana (figura 2 b); 3) el antimicótico puede penetrar las cabezas polares de la membrana si la concentración del mismo aumenta; y 4) es termodinámicamente posible que los esteroles migren hacia el exterior de la célula si hay antimicótico adherido a la superficie de la membrana. Este estudio valida que todas las hipótesis sobre los mecanismos de acción son probables.
a)
b) 
Figura 2.
Visualización con el uso de VMD de a) la molécula AmB, en el que se muestra el
dipolo eléctrico de la misma (flecha verde), y b) caja de simulación que
contiene agua (puntos), la membrana lipídica (líneas verde) que contiene
inmersa ergosterol (amarillo), y la anfotericina B agregada en la superficie de
la membrana (esferas en verde, rojo y blanco). La paremetrización permite
distinguir los sitios cargados de las moléculas.
Actualmente, desde UPIIG-IPN se sigue
colaborando con el mismo grupo de investigación con el fin de realizar estudios
más robustos sobre los mecanismos de acción de estos antimicóticos. Además, se
esta utilizando la misma técnica de simulación computacional para describir
anestésicos locales y proteínas de interés para la industria alimenticia.
Para saber más:
Antillón A, de Vries AH, Espinosa-Caballero M,
Falcón-González JM, Flores RomeroD, González–Damián J, et al. (2016) An Amphotericin B Derivative Equally Potent to Amphotericin B and with Increased Safety. PLoS ONE 11(9): e0162171. doi:10.1371/journal.pone.0162171
J. Chem.
Theory Comput., 2017, 13 (7), pp
3388–3397 DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00337 Publication Date (Web): May 29, 2017 Copyright
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