farmacologia molecular del cancer
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Farmacología molecular de antineoplásicos
QF Felipe González VillalobosPreparación de Productos Estériles
Therapia IVFresenius Kabi Chile
Contenidos
• Ciclo celular y cáncer
• Farmacología Molecular aplicada en antineoplásicos
• Clasificación ATC de fármacos antineoplásicos– Complejos de coordinación platinados– Agentes antimicrotúbulos– Antimetabolitos– Antibióticos antitumorales– Agentes aquilantes– Inhibidores de Tirosina Kinasa– Anticuerpos Monoclonales– Otros
Ciclo celular
Farmacología molecular aplicada a antineoplásicos
Farmacología molecular
• Estudio de los efectos farmacológicos de las sustancias biológicamente activas a nivel molecular, relacionando la interacción agonista, ligando receptor y estructuras químicas.
Interacción del antagonista UCM-21195 con un modelo 3D del receptor serotoninérgico 5-HT4.
Clasificación de fármacos antineoplásicos
• 6 principales grupos (clase L01 según criterios ATC).
Complejos de coordinación platinados
Complejos de coordinación platinados
• Relación estructura-actividad (SAR)
– Los dos aminos ligandos deben estar en posición CIS.– Los ligandos X, usualmente aniones, deben consistir en grupos que
tienen fuerza de unión intermedia con Pt(II) o deben ser buenos grupos salientes. Ej: Cl- , SO4
2-, oxalato, citrato.– El ligando amino, mono o disustituido, debe poseer al menos un grupo
N-H.
Pt
YHN NHY
X X
Targets no DNA
• 5-10% Unión a DNA• 75-85% Unión a proteínas
• Membrana celular:– Fosfolípidos– Fosfatidilserina
• Citoplasma:– Microfilamentos del citoesqueleto– Péptidos con tioles (SH-)– Glutation (GSH) y metalotioneinas
• Otros:– Receptores– Proteínas con cisteína y metionina– Atomos de N de residuos de histidina
RESISTENCIA Y TOXICIDAD
Cisplatino
• Formación de aductos con DNA• Activación de molécula mediante hidrólisis• Principales targets: N7 de guanina y adenina
Mecanismos de muerte celular: necrosis y apoptosis
Oxaliplatino• Volumen estérico de ciclohexano
– Impide puente de replicación (síntesis de DNA mas lejos de los aductos)– Evita reconocimiento por enzimas reparadoras
• Número menor de aductos de oxaliplatino para alcanzar la citotoxicidad de cisplatino o carboplatino
• Carencia de resistencia cruzada con cisplatino y carboplatino
Carboplatino
• Hidrólisis mas lenta debido al débil grupo saliente• Posee menor nefrotoxicidad debido a sus ligandos dicarboxilatos que
facilitan su excreción.
Diferencias en la formación de aductos entre compuestos platinados
Agentes antimicrotúbulos
Taxanos
• Compuestos naturales derivados de la familia Taxoidaceae• Primer taxano: paclitaxel (Taxus brevifolia) dificultad de extracción a
gran escala• Taxano semisintético: docetaxel (Taxus baccata)
Docetaxel Paclitaxel
Microtúbulos: targets de taxanosMicrotúbulos
• Formación de huso mitótico
• Componente principal es la tubulina
• Posee proteínas asociadas (MAPs) que estabilizan y median interacciones celulares.
• Estructura polar con un extremo(+) (beta) que polimeriza 3 veces más rápido que el extremo(-) (alfa)
• Parten del centrosoma, ubicado en la cercanía del núcleo, hacia la periferia celular
Centrosoma
Tubulina
• Estructura del monómero:
– Dominio N-terminal: plegamiento Rossman y 205 residuos.
– Dominio intermedio: residuos 201-381.
– Dominio C-terminal: asociado a la unión de MAPs
Modelo de tampon de tubulina GTP
Mecanismo de acción de taxanos
• Target celular: N-terminal del aa 31 de la β-tubulina• Estabiliza el microtúbulo e inhibe la depolimerización requerida para la
mitosis y proliferación celular. • La célula queda estancada en fase G2M• Bloqueo del paso metafase anafase
GDP
Taxano
GDP
Lazo M
SAR taxanos
• OH-1 no es esencial, puede removerse, epimerizarse o esterificarse.• Anillo oxetano-2 es esencial para actividad• Sustituyentes acilos en 3, 4 y 8 son esenciales.• Remover OH-5 disminuye levemente la actividad• Un OH libre en 6 es requerido. Al esterificarse produce profarmacos solubles.• El fenilo-7 es requerido• Reducción de carbonilo-10 mejora levemente la actividad
Diferencias entre taxanos
• Docetaxel posee mayor afinidad a β-tubulina• Efecto antiangiogénico de docetaxel es 4 veces mayor a paclitaxel• Docetaxel actúa preferentemente en fase S, parcialmente en G1.
• Paclitaxel ataca prefentemente en fase G2 y M
Epotilonas• Originados de bacterias (Sorangium celulosum) por fermentación en
grandes cantidades• Poseen un estrecho espectro antifúngico (sólo Mucor hiemalis)• Poseen mayor solubilidad acuosa• Peores sustratos para la glicoproteína P• Limitación: labilidad metabólica (hidrólisis de lactona)
Ixabepilona
Similitud estructural con taxanos
Ixabepilona
Paclitaxel
Alcaloides de la Vinca
• Descubiertos de la familia Catharanthus• Savia de la especie C. roseus se identificaron: vincristina y vinblastina.• Derivados semisintéticos: vindesina, vinorelbina y vinflunina.
Catharanthus roseus
Mecanismo de acción
Se unen tanto a tubulina no polimerizada como a microtúbulos y sus acciones son dependientes de la concentración:• Concentraciones muy altas inducen a la tubulina a formar polímeros espirales • A concentraciones relativamente altas causan la despolimerización de los microtúbulos y deshacen el
huso mitótico, bloqueando las células en mitosis • A concentraciones más bajas, los alcaloides de la vinca suprimen la dinámica de los microtúbulos sin
despolimerizar el huso mitótico, aunque aún son capaces de bloquear las células en mitosis e inducir apoptosis
Relación estructura-actividad
Formación de un bolsillo hidrofóbico (Bridging region)
Puntos críticos de unión:- Hidroxilo terciario del C20 con el carbonil carboxil de la prolina β222- Hidroxilo terciario del C20 forma puentes de hidrógenos con tirosina β224- Grupo carbonilo C17 interactúa con la amida de la asparragina α329
Bridging region
Zonas de anclaje molecular
Antimetabolitos
Antagonistas del folato
• Moléculas hidrofílicas aniónicas importantes para la síntesis de purinas, pirimidinas, serina y metionina
• El primero fue aminopterina, desarrollado en 1948 para inducir remisiones temporales en leucemias infantiles.
• 10 años mas tarde se desarrollo metrotexato• Actualmente se ha desarrollado el pemetrexed
Metabolismo del ácido fólico
Mecanismo de acción de metotrexato
Relación estructura actividad
A necesarias las aminas para atacar DHFR. Aminas alquiladas bajan potencia
B N aumentan actividad
C “Región de unión”, alterable pero a excepción del C6
D Pueden colocarse otros heterociclos
E Modificaciones dan compuestos sin interés
F Transporte a membrana
G Tolera modificaciones
Inhibidores de la Ribonucleotido Reductasa (RNR)
• Importante en la sintesis de 2-deoxiribonucleotidos, precursores inmediatos del DNA.
• Implica cambio de un OH por un H
Hidroxiurea
• Sintetizada por químicos alemanes en la década del 50.• Radiosensibilizador• Reprime el radical tirosilo del sitio activo de la RNR, inactivando la enzima
Gemcitabina (difluordeoxicitidina)
• Profármaco nucleosídico que inhibe la DNA polimerasa, pero también posee leve acción en RNR.
Inhibidores de la timidilato sintetasa
• Cataliza la conversión de deoxiuridina monofosfato a timidilato en una metilación reductora.
• Leve cambio, pero aporta lipoficidad para discriminar otras bases de uracilo.
Ciclo de la timidilato sintetasa
5-Fluoruracilo (5-FU)
• Dsarrollado en la década de 1950 al observar que hepatomas en ratas utilizaban uracilo a una tasa mas alta que los tejidos normales.
• Profármaco que entra por transporte facilitado
Capecitabina
• Creada debido al la gran toxicidad gastrointestinal de 5-FU.• Activada por una cascada de 3 enzimas• Posee una alta lipoficidad debido a su grupo pentiloxilcarbonil.• El último paso enzimático se produce 10 veces mas rápido en celulas
tumorales que en células normales.
Mecanismo de acción de capecitabina
Inhibidores de la fosforribosilpirofosfato (PRPP) amidotransferasa
• Produce un desplazamiento nucleofílico de un pirofosfato del fosforribosilpirofosfato (PRPP) por una molécula de amoniaco, generado por hidrólisis de glutamina a acido glutámico.
• Es el primer paso irreversible de la síntesis de novo de purinas
Tiopurinas y compuestos relacionados
• Deben metabolizarse por la hipoxantina guanina fosforribosil transferasa(HGPRT)
Azatioprina
Inhibidores de la glicinamida ribonucleótido formil transferasa (GARFT)
• Cataliza el tercer paso bioquímico, la transformación de glicinamida ribonucleótido (GAR) a su formil derivado (FGAR) usando 10-formil-THF como donante de formilo.
Nucleósidos
• Activados a sus trifosfatos por fosforilación catalizada por kinasas.• Luego se incorporan al DNA afectando su replicación e impidiendo la
reparación.• También inhiben a la DNA y RNA polimerasas
L-Asparraginasa
• Rol fisiológico: hidrólisis de L-asparragina a acido aspártico y amonio.• Los tejidos normales pueden sintetizar L-asparragina en cantidades
suficientes para la síntesis de proteínas, pero algunos tumores linfoides la toman del plasma.
• Su administración produce hidrólisis de L-asparragina circulante y previene la captación de ésta por el tumor, lo que conlleva a interrumpir la síntesis proteica.
Antibióticos antitumorales
Antibióticos antitumorales
• Sustancias producidas por microorganismos con actividad antitumoral al interaccionar con DNA.
• Mecanismos de acción: agentes alquilantes, agentes de unión no covalente, y agentes que rompen DNA.
Actinomicina D (Dactinomicina)
• Cromoforo fenoxazinona (actinocina) unido a dos pentapeptidos lactónicos.
• Aislado de cultivos de Actinomices antibioticus en 1940.
Mecanismo de acción de
Actinomicina D
Mitomicina C
• Prototipo de compuesto alquilante biorreductivo
• Aislado por primera vez de un cultivo de Streptomyces caespitosus en 1958.
• Posee 3 grupos funcionales citotóxicos: -una quinona , una aziridina y un carbamato
• La quinona debe reducirse y los otros grupos poseen las actividades alquilantes
Mecanismo de acción de Mitomicina C
Mecanismo de acción de Mitomicina C
Bleomicina
• Forman una familia de glicopeptidos con un PM: 1,5kD.• Sintetizados por el hongo Streptomyces verticillis (el preparado es una mezcla
de A2 y B2).
Mecanismo de acción de Bleomicina
Mecanismo de acción de Bleomicina
Antraciclinas
• Antibióticos caracterizados por un cromóforo tetracíclico plano antraquinónico.
• Las dos primeras (daunorubicina y doxorubicina) fueron aisladas en 1960 de la actinobacteria Streptomyces peucetius.
• Poseen 3 mecanismos: Generación de ROS, Intercalación con DNA, e Inhibición de topoisomerasa II
Generación de ROS
Intercalación con DNA
Topoisomerasa II
• Enzima que modifica la tipología del DNA. Modificación en la tipología es importante para: segregación de cromosomas, replicación, transcripción y reorganización de cromatina.
• Existe como homodimero en solución con PM: 300 a 360 kD.• Existen 2 tipos en humanos y eucariotas complejos: alfa y beta. Ambas poseen diferentes
sitios de rotura en DNA y diferente tasa de disociación de el.• La enzima cataliza la relajación de porción negativa a la positiva del DNA• Requiere ATP y cationes divalentes para funcionar
Acción de la topoisomerasa II
Camptotecinas
• La camptotecina fue aislada en 1966 de un árbol chino Camptotheca acuminata y su desarrollo terapéutico fue limitado debido a su pobre solubilidad y toxicidad inaceptable.
• Se hicieron modificaciones en anillo A, en C-7 de anillo B resultando 2 compuestos muy usados: topotecan e irinotecan.
Topoisomerasa I
• Monómero en solución con un PM de 90 a 110 kD.• Relaja el DNA de negativo a positivo y viceversa.• No requiere de ATP ni cationes divalentes para su actividad.
Mecanismo de acción de camptotecinas
Podofilotoxinas
• Glucósidos semisintéticos de la podofilotoxina, principio activo extraído de la planta Podophylum peltatum.
• Mecanismo de acción: Inhibidores de la topoisomerasa II• Posible mecanismo específico: inhibición de la liberación de ADP de la
hidrólisis del ATP.
Agentes alquilantes
Agentes alquilantes
• Fármacos antineoplásicos mas antiguos y utilizados.• Son compuestos capaces de unir un grupo alquilo a un grupo de una
biomolécula en condiciones fisiológicas (solución acuosa, 37º C, pH 7.4).• Actúan en cualquier fase del ciclo celular, son mas citotóxicas en G1 y S.
Reacción electrófilo-nucleófilo
• Con excepción de los nitrógenos que participan en el vínculo de los nucleósidos (N9 y N1 en purinas o pirimidinas), todos los átomos de nitrógeno y el oxígeno de las bases de purina y pirimidina son nucleófilos y, en consecuencia, los fármacos terapéuticamente útiles siempre se comportan como electrófilos de carbono.
• Prioridad de unión: N7 de guanina> N1 de adenina> N3 de citosina> N3 de timina
• Atracción entre nucleófilos y electrófilos se rige por dos interacciones relacionadas pero independientes:
– Atracción electrostática entre cargas positivas y negativas (control electrostática) – Solapamiento de orbitales
• Consecuencias de la alquilación:– Evita replicación y transcripción– Fragmentación de DNA por rx hidrolíticas– Alteración de puentes de hidrógeno (mal apareamiento )
Tipos de agentes alquilantes
• Monofuncionales• Bifuncionales• Trifuncionales
Mostazas Nitrogenadas
• El N es capaz de desplazar un ión cloruro intramolecular para formar el ión aziridium, altamente electrofílico.
• Se produce entrecruzamniento entre bases de DNA diferentes.• Son bifuncionales (poseen dos sitios electrofílicos)• Hay pruebas de que la inhibición de la replicación del
ADN causado por entrecruzamientos de ADN da lugar a la terminación de la transcripción.
Reacciones de alquilación
Fragmentación del DNA
Clorambucilo
• Sintetizado por Everett y colegas en 1953.• Al poseer un carboxilo, el efecto EN es fuerte; por ende disminuye la
nucleoficidad del N.• Activado por β-hidroxilación
Bendamustina
• Descubierta en el este germano en 1960, pero sus estudios comenzaron a realizarse recién en 1990.
• El benceno es reemplazado por un bencimidazol.• El grupo carboxílico aumenta solubilidad.
Melfalán
• Contiene una L-fenilalanina (postulado para melanomas en donde la melanina es un producto de la metabolización de L-fenilalanina).
• Función de cadena lateral: facilitar absorción por el sistema sodio dependiente ASC (Ala, Cys, Ser).
Estramustina
• Se diseñó como profarmaco debido al grupo atrayente carbonilo.• Se esperaba: alquilación y actividad en R.estrogénico.• Estudios demostraron que su acción radica en interacción con
microtúbulos (desmontaje).• Importante en Ca de próstata debido que existen proteínas de unión a
estramustina (EMBP).
Ciclofosfamida
• Hipótesis de su creación: algunas células tumorales poseen altas [fosforamidas]. (RECHAZADA).
• Enlace P=O impide formación de ión aziridium
• La activación se hace por CYP450 y por deshidrogenasa alcohólica hepática. (Tox hepática)
Ifosfamida
• Metabolismo más lento debido a impedimento estérico de C-4 (por eso las dosis de ifosfamida son mayores para alcanzar mismo efecto que con ciclofosfamida).
• C-4 permite formación de metabolitos inactivos
Aziridinas (etileniminas)
• Grupo farmacológico con aziridium incluido.• Poseen grupos atrayentes para así aumentar pka y por ende aumentar
electroficidad. • Son necesarios 2 aziridium como mínimo
Metanosulfonatos (Busulfan)
• Metanosulfonatos son buenos agentes salientes.• Actividad óptima: puente de 4 átomos de C
Nitrosoureas
• Poseen un grupo nitroso que labiliza en enlace C-N, esto genera una sal de diazonio.
• 2 mecanismos: alquilación y carbomoilación (inhibición de reparación de DNA)
• Atraviesan la BHE por su alta lipoficidad
Triazenos (dacarbazina)
• Actividad citotóxica: metildiazonio generado por metabolismo.• Metabolismo: demetilación oxidativa• Fotodegradativa
Temozolomida
• Dg específico: astrocitoma anaplásico• No sufre bioactivación hepática (favorable para diferentes tipos de
metabolizadores)
Metilhidrazinas (Procarbazina)
• Se sintetizaron pensando en su acción iMAO, pero en los estudios de carcinogénesis se demostró su actividad antitumoral.
Inhibidores de tirosina kinasa
Proteinas Tirosin kinasa
• Desordenes comunicacionales son mecanismos importantes en patogenia tumoral.
• PTKs regulan la actividad biológica de proteínas por fosforilación de aa con ATP induciendo cambios conformacionales, de inactiva a activa proteína.
• Existen 3 tipos:– Tirosina kinasa (TK): fosforilan el OH fenólico de Tyr– Serina treonina kinasas: fosforilan OH de ambos aa– Histidina kinasas (HK): fosforilan el N del His
• Fosforilación de proteínas es un mecanismo de transducción implicado en transporte, proliferación celular, diferenciación y respuestas hormonales.
• Pueden ser citoplasmáticas o transversas en membrana (receptor protein kinases, RPTKs).
• CA aumento de PTKs y mensajeros asociados
Principales cascadas de señales relacionadas con kinasas
Inhibidores de PTKs usados en la clínica
Tipo Objetivo Agente
Tyr kinasa EFGR (HER-1) Erlotinib, Lapatinib, Cetuximab
EGFR (HER-2) Trastuzumab
VGFR Bevacizumab
BCR-ABL Imatinib, Nilotinib
Ser/Tre kinasa MTOR Tensirolimus, Everolimus
Inhibidores de EGFRs
• El receptor del factor de crecimiento epidermal (EGFR) es sobreexpresado en algunos tumores (mutación de gen normal a oncogen).
• Existen 2 tipos: HER-1 y HER-2
Inhibidores de EGFR
Inhibidores de VEGFR
• Angiogénesis: crecimiento de nuevos vasos sanguíneos de microvasculatura pre-existente.
• Rol clave en metástasis• Existen varios receptores: VEGFR-1 (FLT-1), VEGFR-2 (KDR), PDGF (platelet-
derived growth factor), FGF (fibroblast growth factor).
Inhibidores de BCR-ABL (Abelson kinasa)
• En células normales, los genes bcr y abl están en diferentes cromosomas y codifican diferentes proteínas.
• Leucemia mieloide crónica (LMC) se asocia al intercambio genético entre cr 9 y 22 (se altera y se convierte en cr Filadelfia).
• La transferencia deja un gen híbrido (bcr-abl). Este gen alberga una proteína BCR-ABL oncogénica, una PTK con alta actividad ABL.
• El dominio TK está presente en la porción híbrida ABL
• Existe sobreexpresión de leucocitos
Desarrollo de Imatinib y Nilotinib
Cascada PI3K-AKT-mTOR
Inibidores mTOR
• mTOR regula la traducción específica de sub-poblaciones de mRNA, importantes para proliferación y supervivencia.
• La inhibición de mTOR suprime proliferación y crecimiento de linfocitos y ciertas líneas celulares.
• Primer compuesto: Macrólido Rapamicina (sirolimus), aislado de Streptomyces higroscopicus del suelo en Rapa Nui.
• No se unen a mTOR, sino a una inmunofilina (FKBP-12), y éste complejo inhibe mTOR.
Anticuerpos Monoclonales
Producción de anticuerpos monoclonales
Anticuerpos monoclonales recombinantes
Nomenclatua de anticuerpos monoclonales
Mecanismo de acción
Inhibidores del proteosoma
• Degradación de proteínas es útil para suministro de aa y eliminar proteínas innecesarias. Dos realizan esto:
• Lisosoma: proteinas EC por endo y fagocitosis.• Proteosoma: poteínas dañadas o innecesarias
• El proteosoma es un target anticancerígeno ya que controla niveles de varias proteínas esenciales para la progresión del ciclo celular y apoptosis (ciclinas, caspasas, BCL, NF-κB).
Mecanismo de acción de proteosoma
Bortezomib
• Dipéptido de ácido bórico que penetra en la célula e inhibe la actividad proteolítica de la subunidad 5 del proteosoma .
• Pathway aumento de niveles de i-κB conduce a la inhibición de NF- κB, resultando en inhibición de crecimiento, apoptosis, baja en la producción de citoquinas angiogénicas y moléculas de adhesión.
Talidomida
• Introducido en 1950 como sedativo en mujeres embarazadas.
• Inhibidor de angiogénesis: – Inhibe producción de citokinas angiogénicas (factor de crecimiento fibrobástico básico,
bFGF) y VEGF.
• Efecto antineoplásico: – inhibe producción de TNK-α (factor de crecimiento y supervivencia de células del
mieloma).– Aumenta expresión de NK – Aumenta eliminación de citokinas del microambiente de la médula ósea (IL-6, IL-1b,
IL.10), éstas modulan el crecimiento de las celulas del mieloma.
Talidomida
Lenalidomida
Diferencias entre talidomida y lenalidomida
• Lenalidomida es 10-6000 veces mas potente en inhibir citokinas proinflamatorias.• Lenalidomida es 300 veces más potente en inhibir proliferación celular.• Talidomida es 10 veces mas potente en efecto antiangiogénico
Retinoides
• Vitamina A y análogos (retinoides) tienen importancia en diferenciacion y crecimiento celular y la pérdida de función retinoide se acopla a carcinogénesis.
Actividad antineoplásica• Unión al receptor clásico de ácido retinoico (RAR) y al receptor X no
clasico de retinoides (RXR).• Todos los TRANS activan RAR y los CIS a ambos.• RAR puede heterodimerizar con RXR, dps se unen a DNA (elementos de
respuesta al acido retinoico, RARE).• Si no existe ligando, el complejo induce represión de genes. Con el
ligando, se inducen cambios conformacionales lo que induce transcripción de genes.
Retinoides y leucemia promielocítica (APL)
• APL proviene de una translocación que produce una proteína quimérica entre RAR-α y PML (proteína de leucemia promielocitica).
• Esto induce mal funcionamiento de ambas proteínas y resulta en la detención de la maduración de las celulas en promielocitos.
• La administración de ATRA induce la diferenciación de estas células para producir neutrófilos maduros
Trióxido de arsénico (As2O3)
Anexos
Pasos bioquímicos de la síntesis de pirimidinas y purinas
Sintesis de pirimidinas
Síntesis de purinas