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AVANCES DE CIENCIA

Historia de una pastilla

¿Cómo pasa una molécula que puede curar una enfermedad del laboratorio a la farmacia?

Las química Carmen Fernández Alonso y Nuria Campillo Martín recorren las etapas de esta historia en un libro que sale hoy.

María del Carmen Fernández Alonso / Nuria E. Campillo Martin

María del Carmen Fernández Alonso y Nuria E. Campillo Martin, autoras de Cómo se fabrica un medicamento (CSIC/Catarata, 2018)

María del Carmen Fernández Alonso y Nuria E. Campillo Martin, autoras de Cómo se fabrica un medicamento (CSIC/Catarata, 2018)

Extracto de “Como se fabrica un medicamento”, de María del Carmen Fernández Alonso y Nuria E. Campillo Martin (CSIC/Catarata, 2018)

Selección a cargo de Michele Catanzaro

Los otros Avances de Ciencia

Disponer de un medicamento en el mercado para tratar o curar una enfermedad supone un largo viaje; se puede decir que es casi una carrera de obstáculos y de fondo. El primer escollo que hay que abordar es la identificación y validación de posible dianas terapéuticas. Para ello hay que estudiar las macromoléculas biológicas (proteínas, receptores, enzimas…) involucradas en la enfermedad a tratar mediante estudios experimentales (ratones knockout, modificados genéticamente para que el gen o genes en estudio resulten inactivos) o empleando técnicas computacionales (bioinformática) para poder entender los mecanismos naturales bajo los que opera esa patología.

Superado el primer salto —haber identificado a los actores involucrados en la patología—, el siguiente objetivo que vencer es la identificación, desarrollo, validación y optimización de potenciales compuestos activos. De forma paralela o iterativa se desarrolla la fase preclínica durante la que se efectuarían estudios de seguridad y se realizarían ensayos en células o tejidos (in vitro) y en organismos vivos (in vivo), que permitirían la formulación del medicamento para su uso en pruebas clínicas y la caracterización de sus propiedades farmacológicas y toxicológicas.

La siguiente etapa de la carrera sería el desarrollo clínico y sus diferentes fases, mediante las cuales se evaluarían, ya en humanos, parámetros farmacocinéticos y farmacodinámicos que proporcionen información sobre el efecto y seguridad del producto tanto en sujetos sanos como en pacientes que padezcan la enfermedad, en grupos cada vez más amplios. Llegarán a la meta solo aquellos medicamentos que hayan superado positivamente cada una de las pruebas de este tortuoso camino.

Con este libro queremos contar de una manera sencilla cuáles son las diferentes etapas por las que una molécula inicial va desarrollándose y evolucionando en su recorrido hasta convertirse en un medicamento. Este es un camino largo y complejo, ya que se necesitan, de media, al menos diez años para que un nuevo medicamento complete el viaje que va desde su prometedor descubrimiento inicial hasta la ansiada meta de entrar en el mercado.

"El coste medio para investigar y desarrollar cada medicamento con éxito se estima en aproximadamente mil millones de euros […]. Se calcula que la probabilidad general de éxito clínico (la probabilidad de que un fármaco pase con éxito todos los ensayos) es inferior al 12%."

M.C. Fernández Alonso y N. E. Campillo Martin

"Como se fabrica un medicamento" (CSIC/Catarata, 2018)

También es un proceso caro: el coste medio para investigar y desarrollar cada medicamento con éxito se estima en aproximadamente mil millones de euros (Dimasi, Grabowski y Hansen, 2016). Este número incorpora el coste de los fracasos, de esos miles y a veces millones de compuestos que se van quedando por el camino ya que muy pocas de estas moléculas iniciales recibirán finalmente la aprobación: se calcula que la probabilidad general de éxito clínico (la probabilidad de que un fármaco pase con éxito todos los ensayos) es inferior al 12%.

Tampoco podemos olvidarnos de la dimensión social de todo este proceso, de las repercusiones que el hallazgo, o no, de una cura para una enfermedad determinada tiene sobre la ciudadanía, del interés evidente que todos tenemos en recibir un tratamiento adecuado y efectivo cuando enfermamos y de la esperable preocupación (y desesperación) cuando padecemos una dolencia grave, como por ejemplo el cáncer, para el que las expectativas de vida no son halagüeñas.

Consideramos que entender este complejo proceso nos ayudará a poner en contexto y dimensionar de manera adecuada el problema de encontrar la cura a las diferentes enfermedades y nos dará argumentos sólidos para evaluar con criterio cualquier noticia en esta área que nos llegue a través de los medios de comunicación.

[…]

Búsqueda de la diana terapéutica

La vida de un medicamento comienza en el momento en que surge la necesidad de encontrar una solución terapéutica para una enfermedad determinada. Y, por tanto, empieza cuando se estudian y analizan qué factores o actores están alterados y están interfiriendo con el funcionamiento normal. Es decir, tenemos que encontrar el blanco o diana terapéutica que esté provocando o al menos esté involucrado en el proceso patológico. Este podría ser una macromolécula que se haya producido en exceso; o que, por el contrario, no se produce en cantidades normales; o que se pliega con una estructura anormal. Por ejemplo, en la diabetes, la producción de insulina es insuficiente o bien las células no responden a esta, y en el caso del cáncer, puede haber demasiada cantidad de un mensajero químico que hace que las células tengan un crecimiento anormal.

El proceso de descubrimiento del blanco terapéutico involucrado o responsable de una enfermedad es una tarea complicada y costosa tanto desde un punto de vista económico como temporal. Desgraciadamente, a veces es imposible saber en detalle qué es lo que no está funcionando y los científicos no pueden decir con exactitud quién es el responsable de la enfermedad. Las enfermedades suelen ser multifactoriales, es decir, no hay involucrada solo una diana específica, sino que hay varias rutas o vías implicadas en el proceso patológico. Un claro ejemplo es la enfermedad de Alzheimer, que es compleja y multifactorial, y hay un número importante de rutas y proteínas involucradas (Martínez, 2009).

También puede ocurrir que las vías o rutas encontradas o las dianas identificadas, aunque estén involucradas, no sean la causa principal de la enfermedad, siendo solo una más de las respuestas del organismo, y que, por lo tanto, apuntar a estas dianas con fármacos no sea el tratamiento correcto para esa enfermedad. En este caso, el proyecto de desarrollo del fármaco perseguiría a la diana equivocada y acabaría fracasando. Todo esto resalta lo crucial de seleccionar la diana adecuada para el desarrollo de tratamientos eficaces.

Este primer paso en el proceso de desarrollo de un medicamento, el establecimiento de la diana, se puede desglosar en tres etapas: 1) definición del modelo patológico o de enfermedad, 2) identificación de la diana o dianas responsables, y 3) validación de la misma.

Modelo de enfermedad

Tener un modelo teórico de la enfermedad a estudiar permite explorar cómo funciona una enfermedad en el laboratorio, es decir, ayuda a caracterizar los mecanismos de acción, los actores involucrados y otros factores para así evitar realizar estos estudios directamente en los pacientes. Disponer de un modelo de la enfermedad que nos interesa ayuda a los científicos a conocer en profundidad sus características, además de poder estudiar y repetir los experimentos y análisis tantas veces como se requiera, lo cual es necesario e imprescindible para disponer de unos resultados fiables.

Estos modelos teóricos intentan imitar la biología animal o humana anómala que se desarrolla en una enfermedad particular. Los modelos pueden ser tanto modelos in vitro, células o tejidos en una placa, como modelos in vivo, en animales.

Un ejemplo de la importancia de disponer de un modelo adecuado de la enfermedad lo podemos encontrar en la enfermedad de Parkinson. Esta se caracteriza por una pérdida progresiva de las neuronas dopaminérgicas de una región cerebral denominada “sustancia negra” (Martínez y Gil, 2015). Sin embargo, la causa por la cual estas neuronas concretas degeneran se desconoce, dificultando notablemente el descubrimiento de tratamientos efectivos.

"Un ejemplo de la importancia de disponer de un modelo adecuado de la enfermedad lo podemos encontrar en la enfermedad de Parkinson. En la actualidad no existe un buen modelo animal que reproduzca las causas de la muerte neuronal que tiene lugar en esta enfermedad."

M.C. Fernández Alonso y N.E. Campillo Martin

"Cómo se fabrica un medicamento" (CSIC/Catarata, 2018)

Así, los investigadores se enfrentan a un grave problema, y es que en la actualidad no existe un buen modelo animal que reproduzca las causas de la muerte neuronal que tiene lugar en esta enfermedad. Los modelos más habituales en investigación de párkinson se basan en la sintomatología, los síntomas que los animales presentan son similares a los que se observan en los pacientes humanos y, por tanto, son modelos que vienen muy bien para tratar los síntomas de la enfermedad. Sin embargo, estos modelos normalmente no replican la fisiopatología real del párkinson, y por lo tanto los resultados obtenidos con los mismos en la mayoría de casos no se pueden extrapolar a la clínica.

De una manera teórica o académica se pueden definir principalmente dos tipos de estrategias para caracterizar o proveer de modelos terapéuticos: 1) aproximación molecular, y 2) aproximación clínica (system approach) (Lindsay, 2003), y en la práctica se selecciona una u otra estrategia (o ambas) en función de la enfermedad a estudiar.

Los modelos moleculares hacen uso de muestras patológicas y modelos celulares, también denominados in vitro. Mientras, en la aproximación clínica se estudia el organismo completo, empleando las ciencias clínicas (ensayos directos sobre pacientes) y estudios in vivo (modelos animales).

Identificación de la diana terapéutica

Los investigadores en esta etapa tratan de identificar qué actores (macromoléculas, células, genes…) de la enfermedad en estudio están alterados o se comportan de una forma distinta a la conocida en un modelo sano.

Una diana o blanco terapéutico es una macromolécula que está involucrada de alguna manera en una enfermedad o patología. Se calcula que hoy en día hay unas 8.000 dianas terapéuticas caracterizadas. Estas dianas pueden ser factores secretados, receptores de la superficie celular o vías de señalización intracelular.

Por ejemplo, en las enfermedades hereditarias, la patología puede desencadenarse por una diferencia en la secuencia de genes o en la expresión de los mismos que provoque un desequilibrio en la expresión de la proteína y/o en el funcionamiento de la proteína expresada por dicho gen. De esta manera, puede haber una presencia excesiva (sobreexpresión) de la misma o bien una deficiencia o encontrarse completamente ausente. En el caso de una enfermedad provocada por un patógeno externo, como un virus o una bacteria, el patógeno invadirá al huésped con moléculas que no están presentes en una persona sana.

En el descubrimiento de dianas terapéuticas, el propósito es identificar esas moléculas diferentes. Esto puede lograrse por medio de diversas tecnologías, entre ellas, experimentos con chips de ADN, electroforesis de proteínas, espectrometría de masas (EM), secuenciación de ADN y técnicas de imagen por ordenador.

Tradicionalmente, la identificación de los blancos moleculares implicados en los procesos fisiológicos normales o en los patológicos se llevaba a cabo desde la biología, es decir, se aislaba y caracterizaba una determinada diana, generalmente de tejidos animales, con el fin de clonar el gen que codificaba dicha diana de interés, para confirmar posteriormente que dicho gen y por tanto la proteína o receptor asociados estaban involucrados en la enfermedad en estudio. Se trata de un proceso conocido como “de la función al gen” (Debouck y Metcalf, 2000).

Ahora, gracias a la secuenciación de un gran número de genomas, incluido el humano, ha habido una evolución en el proceso de desarrollo de nuevos fármacos ya que se ha pasado del estudio de unos pocos genes relacionados con la enfermedad al estudio masivo de genes relacionados con las enfermedades. El avance de la secuenciación masiva de diferentes genomas ha permitido el descubrimiento de nuevos genes, muchos de ellos sin función conocida, lo que ha llevado al proceso de desarrollo de fármacos mediante una estrategia conocida como “del gen al cribado”, intentando relacionar cambios en los genes (genómica), en la expresión de las proteínas (proteómica) y en la variación genética (mutagénesis) con el desarrollo de las enfermedades. Se identifican nuevas dianas a partir del estudio comparativo de una muestra sana frente a una muestra enferma, en función de los genes y de las proteínas.

Desgraciadamente, la identificación de dianas empleando estas disciplinas conlleva a veces mucho tiempo y de forma paralela se emplean otras estrategias como los estudios fenotípicos (siendo el fenotipo la expresión de un determinado genotipo en función de un determinado ambiente).

Genómica

Las estimaciones recientes sitúan entre 20.000 y 25.000 el número de genes en el genoma humano, de los cuales en torno a 5.000 podrían estar implicados en procesos patológicos. De estos últimos, solo ciertos genes y las proteínas que codifican serán de interés para el desarrollo de fármacos que modifiquen el proceso patológico.

La genómica estudia el genoma de los organismos. Y ¿qué significa esto? Pues la secuenciación del ADN, el análisis de las secuencias para encontrar genes y su comparación con secuencias genómicas de otros organismos.

Se puede decir que el padre de esta área fue un monje agustino alemán Gregor Mendel, gracias a sus estudios con guisantes de la variedad Pisum sativum. Sus conclusiones finales, conocidas como “leyes de la genética de Mendel”, explican la transmisión por herencia genética de las características de los organismos padres a sus descendientes.

Desde estos inicios hasta nuestros días un gran número de trabajos nos han llevado del estudio de estos guisantes a lo que hoy es la genética. De entre estos, cabe destacar la investigación de Rosalind Franklin y su fotografía de las fibras de ADN empleando difracción de rayos X, que permitió a Watson y Crick deducir la estructura del ADN.

Gracias a la genómica se pueden seleccionar, a partir del conjunto de genes del genoma humano, aquellos que dan lugar a proteínas y que pueden llegar a ser dianas terapéuticas.

La genómica ayuda al análisis del nivel de expresión de los genes comparando muestras sanas frente a muestras enfermas, y permite caracterizar las alteraciones genéticas de una determinada enfermedad.

Proteómica

Se habla mucho de la proteómica, pero realmente ¿qué es? Se trata de una disciplina que estudia el proteoma de un organismo. Y, de nuevo, la misma pregunta anterior.

El proteoma, término empleado por primera vez en 1995, engloba el contenido total de proteínas que se traducen del genoma de un organismo. El proteoma de una célula es variable y dinámico en función de la respuesta a estímulos o a condiciones de estrés o enfermedad, lo que lo diferencia del genoma, que es bastante constante. Así, la proteómica es el estudio sistemático de las diversas propiedades de las proteínas derivadas del genoma utilizando métodos bioquímicos, generando una descripción detallada de la estructura, función y control de los sistemas biológicos, como la secuencia, cantidad, modificaciones, interacciones con otras proteínas, etc., tanto en condiciones normales como patológicas.

Una de las líneas de la proteómica —la proteómica de expresión— es identificar y caracterizar las proteínas que marcan la diferencia entre un sujeto sano y uno enfermo, a nivel de célula o tejido. Además de ser muy útil para la identificación de blancos biológicos para el desarrollo de fármacos, otros objetivos de la proteómica son el estudio de la localización subcelular de las proteínas y el estudio de las interacciones proteína-proteína —rama conocida como proteómica del mapa celular o estructural—. Por último, la proteómica funcional estudia y caracteriza los mecanismos de acción, los mecanismos de la enfermedad y las interacciones de las proteínas y los fármacos.

Destacar que, adicionalmente, hay también diferentes herramientas o técnicas para analizar las diferentes proteínas de una célula y su variación de un individuo sano a uno enfermo.

Asociación genética

La presencia de mutaciones en un gen determinado puede causar enfermedades, algunas de ellas muy graves, como sucede con la enfermedad de Huntington, la distrofia muscular de Duchenne o la fibrosis quística, entre otras. Por tanto, la identificación y caracterización de estas mutaciones es de vital importancia para ayudar en el conocimiento del mecanismo de las enfermedades y el hallazgo de nuevas dianas terapéuticas. Sin embargo, la mayoría de las patologías son enfermedades complejas y multifactoriales, es decir, que no se producen por un único gen, sino que está influyendo un número múltiple de ellos, por lo que resulta muy complicado llegar a la identificación de todos los genes implicados. Pero los investigadores saben resolver y esquivar obstáculos, y así el papel de los genes en una enfermedad se puede estudiar mediante asociación genética.

Los estudios de asociación genética analizan la relación estadística entre variables genéticas poblacionales y un fenotipo determinado como, por ejemplo, el riesgo de enfermedad. Conocer estar relaciones ayuda a descubrir el componente genético que hay detrás de las enfermedades de alta prevalencia en la población, como la diabetes mellitus (DM), la enfermedad coronaria o la insuficiencia cardiaca (Sevilla, 2007).

Bioinformática

A lo largo de las últimas décadas se han publicado diferentes definiciones para explicar el término “bioinformática”. De una forma general y aproximada, este definiría el uso de ordenadores para gestionar la información biológica. Siendo más precisos, la bioinformática es un área que aúna diferentes disciplinas científicas como la biología, la informática, las matemáticas y la tecnología de la información con el objetivo final de llegar a nuevos conocimientos biológicos y crear una perspectiva global a partir de la cual se puedan explicar y discernir conceptos y principios básicos de la biología.

"La bioinformática es un área que aúna diferentes disciplinas científicas como la biología, la informática, las matemáticas y la tecnología de la información con el objetivo final de llegar a nuevos conocimientos biológicos y crear una perspectiva global a partir de la cual se puedan explicar y discernir conceptos y principios básicos de la biología."

M.C. Fernández Alonso y N.E. Campillo Martin

"Cómo se fabrica un medicamento" (CSIC/Catarata, 2018)

Existen tres subdisciplinas importantes dentro de la bioinformática: 1) el desarrollo de nuevos algoritmos con los cuales gestionar la información de grandes bases de datos, 2) el análisis e interpretación de varios tipos de datos, incluidas las secuencias de nucleótidos y aminoácidos, los dominios de proteínas y las estructuras de proteínas, y 3) el desarrollo y la implementación de herramientas que permiten el acceso y la gestión eficiente de diferentes tipos de información, como la del National Center for Biotechnology Information.

Por lo tanto, la bioinformática, ayudada por la informática, se ocupa de la recopilación, almacenamiento, organización, análisis, manipulación, presentación y distribución de información relativa a los datos biológicos o médicos, tales como las macromoléculas (ADN o proteínas, por ejemplo). Además de utilizarse como una herramienta esencial en el análisis de los resultados obtenidos con las técnicas antes comentadas, la bioinformática puede contribuir a los procesos de identificación y validación de objetivos proporcionando información funcional de las proteínas a estudiar.

Validación de una diana

Una vez identificada la diana terapéutica, el siguiente paso es la validación del blanco con el objetivo de confirmar dos puntos clave. En primer lugar, que la molécula diana interviene realmente en la enfermedad y es esencial para el desarrollo de la misma. La identidad como blanco terapéutico puede estar cuestionada por diferentes motivos, como que la vía de señalización donde interviene la proteína identificada no está completamente caracterizada o que la interacción de múltiples componentes en una ruta biológica compleja, como la señalización intracelular, sea tal que la molécula elegida sea fácilmente sustituida por rutas alternativas en un organismo vivo, y resulte no ser esencial. El segundo punto establece la necesidad de confirmar que la diana es druggable, es decir, susceptible de ser modulada por fármacos. Se tiene que responder a la pregunta: ¿puede desarrollarse un fármaco seguro y eficaz contra dicha diana? Los científicos completan este segundo componente de la validación de dianas terapéuticas antes de que el fármaco entre en fase de estudio en humanos.

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