Computadoras, lanzaderas de la terapia antisida


Miguel Romero Cuevas
Secretario General de la Fundación eSalud y Técnico de proyectos de la Red de Trastornos Adictivos, Fundación IMABIS


Resumen

El “Diseño de Fármacos Asistido por Ordenador” es un área del conocimiento que utiliza distintas aplicaciones y métodos bioinformáticos para descubrir nuevos fármacos. Este campo de trabajo comenzó a desarrollarse a principios de los años 80 y su primer resultado exitoso se puede considerar la aportación al desarrollo de nuevos inhibidores de la enzima proteasa del Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH) que revolucionó le terapéutica anti-SIDA mediante la combinación de fármacos. A partir de ese momento, la revolución de las computadoras y la utilización de nuevas tecnologías y métodos de cómputo distribuido, bases de datos, aplicaciones web,… han actuado de catapulta para el desarrollo de nuevos medicamentos contra el SIDA y en la aceleración de desarrollo de soluciones para otros procesos patológicos y enfermedades.


Introducción: la terapia antirretroviral de alta eficacia (TARGA)

Desde su descubrimiento en 1981, el SIDA ha causado la muerte a más de 25 millones de personas, convirtiéndolo en una de las epidemias más destructivas en la historia de la humanidad, alcanzando la cifra de 39,5 millones de personas infectadas en 2006, con 2,9 millones de muertes y 4,3 millones de nuevos infectados ese mismo año[1]. Aunque la epidemia continúa en expansión y todavía no hay una cura definitiva para la enfermedad, el panorama ha cambiado mucho desde las primeras personas que se infectaron a principios de los 80. Sobre todo, debido a la instauración en 1996 de la terapia antirretroviral de alta eficacia (TARGA) que consiste en combinar distintos fármacos que actúan en distintas dianas del ciclo de replicación viral, esencialmente sobre dos enzimas, la Transcriptasa Inversa y la Proteasa. Esta terapia se considera el mayor descubrimiento terapéutico que se ha hecho hasta la fecha para combatir el SIDA, y durante su primera década en vigor, ha logrado en los países desarrollados retrasar sustancialmente la progresión de la enfermedad, prolongando la supervivencia y manteniendo la calidad de vida de las personas infectadas por VIH, siendo ahora la prioridad hacer llegar esta terapia a los países con rentas medio bajas[2].


Este éxito de la TARGA, fue propiciado en gran medida por la aplicación de las nuevas tecnologías al descubrimiento de nuevos fármacos contra una de las enzimas virales, la proteasa, consiguiendo disminuir los costes asociados a la investigación y desarrollo, y lo que es más importante, la disminución significativa del tiempo de desarrollo de los medicamentos. Así, esta gestión de la enfermedad constituyó un cambio de paradigma, que todavía hoy se sigue aplicando no sólo en la búsqueda de nuevos fármacos contra la enfermedad, sino en el aprovechamiento de los medicamentos disponibles actualmente para obtener los mejores efectos realizando un régimen personalizado de administración.


Primera aproximación a la terapia anti-SIDA: monoterapia con AZT

A comienzos de la década de 1980 los médicos comenzaron a tratar pacientes con enfermedades poco comunes, neumonías, infecciones de hongos y tipos de cáncer poco frecuentes. Pronto se dieron cuenta que estos pacientes presentaban un síntoma común: el deterioro progresivo de su sistema inmunológico. La medicina no disponía de ningún tratamiento para evitar este deterioro. Pero en 1983, un grupo de investigadores dirigidos por Luc Montagnier, en el Instituto Pasteur de Francia, y Robert Gallo, en el Instituto nacional contra el cáncer de EE.UU., aislaron el virus responsable, el VIH, al que identificaron como un retrovirus.


A partir de ese momento se puso en marcha toda la maquinaria para descubrir nuevos fármacos efectivos, en donde científicos que habían trabajado con los retrovirus en la lucha contra el cáncer no tardaron mucho en descifrar sus genes. Los investigadores utilizaron este conocimiento para trazar muchos de los detalles clave del ciclo de replicación viral (figura 1) y para identificar las proteínas del VIH.


El ciclo biológico del VIH era similar al de otros retrovirus. En líneas generales se puede decir que la primera etapa de cualquier ciclo de replicación vírico es la entrada del virus en la célula huésped. La siguiente etapa importante en el ciclo de los retrovirus y la que los define es la capacidad de sintetizar ADN a partir de ARN por acción de una enzima codificada por el virus (transcriptasa inversa). Seguidamente se produce otra reacción mediada por otra enzima vírica (integrasa), que es la integración del genoma vírico dentro del genoma de la célula huésped. Esta integración es “cuasi” azarosa, ocurriendo preferentemente en puntos del genoma activos en la transcripción. Una vez integrado en forma de provirus se produce la replicación, expresión génica y producción de proteínas víricas. Por último se lleva a cabo la maduración de las proteínas, su ensamblaje y liberación final de los nuevos viriones.


Figura 1. Ciclo de replicación viral en el que se observan las distintas etapas del mismo.

Del conocimiento del ciclo de replicación del VIH se dedujo que, éste presenta etapas propias y diferentes a las de las células humanas. Estas etapas podían ser utilizadas como puntos de ataque (dianas) para el desarrollo de la quimioterapia anti-VIH. Teóricamente un agente anti-VIH puede ejecutar su acción en gran variedad de puntos del ciclo de replicación vírico. Pero, en general los investigadores concentraron sus esfuerzos en determinadas dianas. Sobre todo, es de resaltar el papel que desempeñaron en la terapéutica las tres enzimas codificadas por el virus. Éstas eran perfectamente diferenciables de las humanas y presentaban la gran ventaja de que son específicamente virales sin que en sus procesos intervengan elementos celulares. Por ello, estos tres elementos fueron y son tres puntos muy importantes en investigación.


En este aspecto, la mayor parte de los primeros intentos para diseñar un fármaco contra el SIDA se centraron en la inhibición de la transcriptasa inversa. La zidovudina (AZT) fue el primer fármaco anti-HIV aprobado en 1985, éste fue originalmente desarrollado como posible tratamiento contra el cáncer en 1964 pero demostró no tener acción contra las células cancerosas. Sin embargo, una colaboración del National Cancer Institute de Estados Unidos y la compañía farmacéutica Burroughs Wellcome permitió el descubrimiento del fármaco como inhibidor de la replicación viral y su inclusión en ensayos clínicos. Durante algún tiempo, parecía que el AZT bastaría para ralentizar la duplicación viral y detener el avance de la enfermedad; sin embargo en distintos estudios, se empezó a comprobar que en pacientes de SIDA sometidos a tratamiento con AZT, el VIH podía hacerse resistente al fármaco en menos de un año.


En ese momento, se comenzó a trabajar en la idea de utilizar una terapia de combinación, de tal forma que varios fármacos inhibieran simultáneamente el ciclo de replicación viral en varias etapas diferentes. Fue así como comenzó el trabajo sobre una segunda enzima del ciclo de replicación viral, la proteasa.


En busca de la terapia combinada

Se puede considerar que el inicio del desarrollo de la TARGA comienza con la investigación de nuevos inhibidores de la proteasa del virus, que aparece como diana terapéutica de gran importancia y con grandes expectativas de futuro debido a su función y al momento del ciclo de replicación viral en el que actúa. Los inhibidores de esta enzima interfieren de una doble forma sobre el ciclo de replicación viral, por un lado interfieren en el proceso proteolítico de las polipropteínas Gag y gag-pol por parte de la proteasa y de un segundo modo interfiriendo en la maduración y ensamblaje de los nuevos viriones haciendo que éstos sean no infectivos[3].


En un primer momento se comenzaron a aplicar las estrategias clásicas de diseño de nuevos fármacos mediante la conjunción de técnicas de química y de farmacología desarrolladas durante el siglo XX:


  • Rastreo de inhibidores de otras dianas parecidas. Las primeras estrategias de aproximación al diseño de nuevos inhibidores de esta enzima se fundamentaron en los trabajos anteriores desarrollados para inhibir la renina.
  • Sustitución sistemática de los aminoácidos localizados alrededor de los distintos puntos de corte de la proteasa por el resto de aminoácidos naturales y algunos no naturales. Este método consistía en obtener péptidos (no hidrolizables por la enzima) a partir de las secuencias de aminoácidos de los puntos de corte de la proteasa.
  • Diseño y síntesis de moléculas miméticas del “estado de transición”. Esta estrategia fue utilizada con notable éxito en la búsqueda de inhibidores de otras proteasas. Se trataba de ir sustituyendo estructuras peptídicas por estructuras de carácter orgánico que tuvieran propiedades similares.
  • Búsqueda de moléculas con acción antiproteásica mediante rastreo bruto. Esta estrategia consistía en realizar pruebas que detecten una posible actividad a un gran número de moléculas obtenidas por distintos métodos y en principio sin diseño alguno.


Desafortunadamente, estos primeros intentos no dieron grandes resultados debido fundamentalmente a que las características de un buen inhibidor no son necesariamente las de un buen fármaco. En muchos casos, por ejemplo, el organismo no siempre toleraba bien un buen inhibidor. Algunos compuestos eran tóxicos porque interferían en las funciones normales del cuerpo. Otros funcionaban únicamente a dosis peligrosamente altas. Y otros no se absorbían bien en el intestino o se metabolizaban en el hígado antes de alcanzar el objetivo terapéutico. Por lo tanto, la clave del diseño de fármacos estaba en crear un compuesto que funcionase específicamente contra el objetivo, que no fuera tóxico, que pudiera administrarse en dosis moderadas y que permaneciese en el organismo el tiempo suficiente para surtir efecto.


Inhibidores de la proteasa: primer gran éxito del Diseño de Fármacos Asistido por Ordenador

Frente a las técnicas clásicas de desarrollo de fármacos, a mediados de los años 60 surge la posibilidad de diseñar fármacos partiendo de la estructura tridimensional de su diana terapéutica a partir de la resolución de las primeras estructuras de proteínas, la hemoglobina y la mioglobina por Max Perutz y John Kendrew, hecho que les valió el premio Nobel de Química de 1962. En 1977 se creó la base de datos de Brookhaven conocida como PDB (protein data bank), donde se han ido acumulando todas las estructuras experimentales publicadas de DNA y proteínas, alcanzándose más de 42.000 estructuras en marzo de 2007[4].


Estas nuevas técnicas suponen un punto muy importante en el desarrollo de nuevos fármacos contra la proteasa justo cuando se consigue la determinación por rayos X de su estructura tridimensional en 1989 por parte de Manuel Navia en los laboratorios Merck y Alexander Wlodawer en el centro de investigación del cáncer de Frederick en Maryland (figura 2) que abrió el campo a la utilización de las técnicas de Diseño de Fármacos Basado en la Estructura.


Figura 2. Estructura tridimensional de la proteasa del VIH.

Esto propició que una vez conocida la estructura de la proteasa (diana) se pudieran utilizar las nuevas tecnologías para desarrollar modelos matemáticos que ayudaran a conocer dónde y cómo se unirían los fármacos (ligandos), analizar sus propiedades químicas y desglosar los fármacos en distintas partes. Incluso se empezó a disponer de modelos fiables de interacción ligando-diana para abordar la estimación de la afinidad de grandes bibliotecas de compuestos químicos que podrían funcionar como potenciales fármacos de la proteasa salvando así el gasto innecesario de dinero en la realización de experimentos basados en ensayo-error.


Conociendo la estructura tridimensional de la proteasa, los investigadores empezaron a desarrollar moléculas cada vez más pequeñas que podían inhibir la enzima salvando los problemas de toxicidad anteriores y llegando a aprobarse por la Food and Drug Administration (FDA) de Estados Unidos en diciembre de 1995, el primer inhibidor de la proteasa, el saquinavir (Hoffmann-La Roche) (figura 3), al cual siguieron el ritonavir (laboratorios Abbott) y el indinavir (Merck) para el cual, la investigadora Katharine Holloway desarrolló un método computacional de cálculo de energías de interacción[5]. Es de resaltar el hecho de que desde la identificación en 1988 de la proteasa como diana farmacológica para el tratamiento del sida hasta la principios de 1996 no pasaron más de 8 años, en un proceso que normalmente puede tardar 12 o 15 años y millones de dólares invertidos en el desarrollo de moléculas.


Figura 3. Estructura tridimensional de la proteasa del VIH con el inhibidor saquinavir en su centro activo.

En julio de 1996, en la Conferencia Internacional sobre el SIDA de Vancouver se describieron resultados extraordinarios que se habían observado con un cóctel de fármacos que combinaba inhibidores de proteasa del VIH con antiguos fármacos antivirales del tipo del AZT[6].


A partir de entonces, las compañías farmacéuticas comenzaron a implementar las técnicas computacionales para diseñar nuevos ligandos de la proteasa del VIH, comprobando computacionalmente la unión de los mismos a la encima y aconsejando y dirigiendo la síntesis de nuevas moléculas hacia aquellas estructuras químicas que presentaran mejores perfiles[7].


Por otro lado, estos métodos están propiciando un cambio de paradigma en la estrategia de búsqueda de nuevos y mejores medicamentos, mejorando las cifras clásicas de 10 a 12 años de investigación y desarrollo (I+D), con un gasto medio de 800 millones de €, tras lo cual tan solo un 5-10% de las moléculas que llegan a fase de ensayo clínico terminan siendo comercializadas[8].


Figura 4. Esquema de la línea temporal en el descubrimiento de nuevos fármacos.

El verdadero éxito de los inhibidores de la proteasa del VIH radica en su efecto revolucionario en el diseño de fármacos actual. Las proteasa del VIH constituye en la actualidad el modelo para el diseño de fármacos basado en estructuras, incluidos el diseño de nuevos inhibidores de la transcriptasa inversa[9], la enzima viral integrasa[10] y los recientes intentos de diseñar vacunas contra los virus[11].


El escape del virus: control y predicción bioinformática de la resistencia a fármacos

El principal obstáculo para el triunfo final del tratamiento es la habilidad del virus para mutar muy rápidamente y adquirir resistencia a la TARGA[12]. Para identificar la secuencia de distintas poblaciones de virus, se están secuenciando continuamente en distintos países las regiones importantes del genoma del VIH. Estos esfuerzos están propiciando el descubrimiento de un gran número de mutaciones asociadas a resistencias a fármacos, las cuales tienden a producirse siguiendo patrones mutacionales. La interpretación de un determinado patrón con respecto de sus implicaciones en la resistencia y la respuesta a la terapia combinada es un campo extremadamente complejo.


Tradicionalmente las guías para interpretar los diferentes datos de los genotipos han sido realizadas por grupos de expertos que han presentado estos resultados en forma de listados de mutaciones. Sin embargo, la gran variabilidad de los distintos datos nacionales, reflejan la dificultad en la interpretación de esta información y la necesidad de aproximaciones más racionales.


En este sentido, la bioinformática puede ser utilizada para predecir la resistencia de una variante de VIH frente a un fármaco individual, o para realizar el ranking de diferentes combinaciones de fármacos con respecto de la efectividad esperada contra el virus[13].


  • Predicción de la respuesta (fenotipo) según el genotipo de la variante vírica. La gran mayoría de datos de fenotipos virales se encuentran bases de datos propietarias, pero están surgiendo iniciativas como la Stanford University HIV Drug Resistance Database[14]. Además se están desarrollando herramientas estadísticas para la predicción de resistencia a fármacos según un genotipo dado por ejemplo la aplicación comercial Virco[15] u otros servicios gratuitos como PIRSpred-protein inhibitor resistance/susceptibility prediction y geno2pheno[16] y EuResist.
  • Clasificación de la respuesta a combinaciones de fármacos. Este aspecto se está empezando a tratar con iniciativas como la HIV Resistance Response Database Initiative[17].
  • Modelado de la evolución vírica. Las mutaciones que confieren resistencias no se diseminan uniformemente ni independientemente unas de otras en una población viral. Es más, bajo una misma presión farmacológica, éstas tienden a acumularse siguiendo una secuencia determinada. El modelado de esas rutas es importante para conocer el desarrollo no solo de la población actual, sino de futuras poblaciones de virus evolucionadas a partir de esta.


A modo de conclusión, se puede decir que los avances en bioinformática aplicada al estudio del VIH están propiciando nuevos proyectos integradores como el proyecto europeo de laboratorio virtual Virolab[18] que se basa en tecnología de computación distribuida GRID para proporcionar herramientas de compartición, procesamiento y análisis de datos virológicos, inmunológicos, clínicos y experimentales. Integrando datos de virus, pacientes y bibliográficos que podrán ser analizados mediante técnicas estadísticas, de visualización y simulación molecular permitiendo la predicción de la respuesta vírica e inmunológica con patrones complejos de mutaciones.


Este tipo de computación distribuida o informática GRID, es un nuevo modelo para resolver problemas de computación masiva sin necesidad de grandes infraestructuras, simplemente utilizando un gran número de computadoras organizadas que estén conectadas a un sistema de telecomunicaciones distribuida. Esta tecnología puede compartir recursos heterogéneos (ordenadores deferentes con sistemas operativos distintos), situados en distintos lugares y pertenecientes a diferentes dominios de administración sobre una red que utiliza estándares abiertos. Esto es, cualquier usuario conectado a Internet puede aportar la potencia de cálculo de su computadora para un determinado proyecto. En este campo, el proyecto más desarrollado de computación GRID a nivel mundial es el SETI@home de la NASA que utiliza ordenadores conectados a Internet para la Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre.


FightAIDS@Home: tecnología GRID de la sociedad para la sociedad

Otro de los grandes hitos logrados por las computadoras en el avance de la lucha contra el sida es el lanzamiento en el año 2004 del primer proyecto de computación distribuida GRID aplicada a la biomedicina: FightAIDS@Home (http://fightaidsathome.scripps.edu/). Hasta el momento se han realizado 4 experimentos en los que utilizando programas de Diseño de Fármacos Asistido por Ordenador se han rastreado casi 1.000.000 de moléculas como posibles fármacos inhibidores de distintas variantes de la proteasa del VIH. En la actualidad, se lleva completado el 50% del quinto experimento que consiste en la búsqueda de fármacos antiproteasa teniendo en cuenta efectos producidos en la unión ligando-proteasa por moléculas de agua.


Como toda la tecnología GRID, el éxito de este proyecto radica en su sencillez, y cualquier persona con un ordenador personal conectado a Internet puede contribuir simplemente descargando un programa cliente desde la página e instalándolo localmente para que los recursos del ordenador personal no utilizados puedan ser aprovechados por el servidor del proyecto para realizar los cálculos computacionales. Normalmente este cliente salta a modo de protector de pantalla cuando el ordenador está inactivo.


A partir de noviembre de 2005, el proyecto FightAIDS@Home se unió a la iniciativa World Community Grid (http://www.worldcommunitygrid.org/), que es un sistema público de computación GRID cuya misión es desarrollar proyectos en beneficio de la humanidad. Después de FightAIDS@Home se han incorporado 4 proyectos más a la iniciativa:


  • Plegamiento del Proteoma Humano - fase 2 (23 de junio de 2006), cuyos objetivos son obtener estructuras de alta resolución de proteínas humanas como posibles dianas terapéuticas y explorar los límites de la predicción de estructuras tridimensionales mediante técnicas computacionales.
  • Ayuda para derrotar al cáncer (20 de julio de 2006). Desarrollado por New Jersey, Rutgers University and UMDNJ - Robert Wood Johnson Medical School, el objetivo de este proyecto es analizar Microarrays de tejidos para determiner como mejorar la terapia contra el cáncer mediante herramientas de diagnósticos más temprano y preciso.
  • Comparación de Genomas Fiocruz (21 de Noviembre de 2006). Este proyecto compara información genómica para mejorar la calidad y la interpretación de datos biológicos para el mejor entendimiento de los sistemas biológicos, patógeno-huésped e interacciones medioambientales.
  • Ayuda a la cura de la Distrofia Muscular (19 de diciembre de 2006). Este es el último proyecto incorporado a la World Community Grid e investiga las interacciones proteína-proteína para más de 40.000 proteínas de estructura conocida.


Estas iniciativas parten de la base de que la innovación tecnológica junto a la investigación científica y la aportación voluntaria pueden cambiar el mundo, pero ¿se puede ir más allá?


Videojuegos y computación GRID: curar jugando

Hoy día ya se está trabajando proyectos que explotan el potencial del procesador 'Cell' (Sony-Toshiba-IBM) de la videoconsola PlayStation 3 (PS3).


Estos son los casos de la iniciativa Folding@Home de la Universidad de Stanford que estudia el plegamiento de las proteínas para poder conocer las bases moleculares de las enfermedades asociadas. Entre los distintos proyectos desarrollados se encuentra uno destinado a conocer el plegameinto del dominio de unión a ADN de la Integrasa del VIH, esta enzima es otro de las dianas importantes en el tratamiento de la enfermedad junto con la transcriptasa inversa y la proteasa, y su conocimiento puede dar con una nueva generación de moléculas anti-VIH que puedan acercar un poco más la cura definitiva de la enfermedad.


Figura 5. Estructura tridimensional del dominio principal de la enzima integrasa del VIH.

En este mismo campo, es de resaltar también un proyecto de un grupo de investigación de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona que ha desarrollado un programa que permite desarrollar computación GRID en la PS3 con el fin de acelerar los estudios sobre dinámica molecular de proteínas, un paso previo al desarrollo de nuevos fármacos. Utilizando todo el potencial de cálculo del procesador “Cell” que puede equivaler a 100 procesadores de ordenadores personales estándar. El proyecto se lanzará en España bajo la denominación www.ps3grid.net y pretende conformar una red de 500 o 1000 PS3.


Como conclusión final, el uso de ordenadores, al igual que sucede en todas las áreas del conocimiento, ha facilitado y abaratado los costes de las diversas etapas de I+D de nuevos medicamentos contra el SIDA, por lo que no parece muy aventurado decir que han sido unas verdaderas lanzaderas del desarrollo de la terapéutica actual, y ¿lo seguirán siendo? Podemos soñar un poco, o mejor, por ahora podemos jugar para curar.


6. Referencias Bibliográficas

  1. La epidemia de SIDA en diciembre de 2006. ONUSIDA. Programa conjunto de las Naciones Unidas sobre el VIH/SIDA. http://www.unaids.org
  2. Towards Universal Access by 2010: how WHO is working with countries to scale-up HIV prevention, treatment, care and support. WHO Advocacy report. http://www.who.int/hiv/treatment/en/index.html
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  5. Reynolds, C.H., Holloway, M.K., Cox, H.K. Computer-Aided Molecular Design. Chapter 3.ACS Washington, 1995.
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  8. Sánchez J. Farma 2010: el nuevo listón de la información. IBM. consulting.http://www5.ibm.com/es/press/notas/2002/diciembre/farma.html . accedido 11 diciembre 2003
  9. H Chung F. Wong, J. Andrew McCammon. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 2003, 43: 31-45.
  10. Chen, I.J., Neamati, N., Nicklaus, M.C., Orr, A., Anderson, L., Barchi, Jr., J.J., Kelley, J.A., Pommier, Y., and MacKerell, Jr. A.D. "Identification of HIV-1 Integrase Inhibitors via Three-Dimensional Database Searching using ASV and HIV-1 Integrases as Targets" Bioorganic & Medicinal Chemistry. 2000, 8: 2385-238.
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  18. Sloot, P. M., Boukhanovsky, A. V., Keulen, W., Tirado-Ramos, A. & Boucher, C. A. A Grid-based HIV expert system. J. Clin. Monit. Comput. 2005, 19: 263–278.

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