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