Investigadores de la Southern Methodist University han descubierto tres compuestos similares a fármacos que revierten con éxito el fracaso de la quimioterapia en tres de los cánceres más comúnmente agresivos: ovario, próstata y mama.
Las moléculas se descubrieron por primera vez de forma computacional a través de supercomputación de alto rendimiento. Ahora, su eficacia contra cánceres específicos se ha confirmado mediante experimentos de laboratorio húmedo, dijeron los profesores de bioquímica Pia Vogel y John G. Wise, que dirigieron el estudio.
Wise y Vogel informan sobre el avance en la revista Nature Informes científicos .
El descubrimiento computacional se confirmó en los laboratorios de Wise-Vogel en SMU después de que los micro-tumores agresivos cultivados en los laboratorios fueran tratados con una solución que transportaba las moléculas en combinación con un fármaco de quimioterapia clásico. El fármaco de quimioterapia por sí solo no fue eficaz para tratarel cáncer resistente a los medicamentos.
"La naturaleza diseña todas las células con mecanismos de supervivencia, y las células cancerosas no son una excepción", dijo Vogel, profesor y director del Centro para el Descubrimiento, Diseño y Entrega de Medicamentos de SMU. "Así que fue increíblemente gratificante que pudiéramos identificar moléculasque pueden inhibir ese mecanismo en las células cancerosas, lo que refuerza la eficacia de los medicamentos quimioterapéuticos. Vimos que los medicamentos penetraron en estas células cancerosas resistentes y permitieron que la quimioterapia las destruyera. Si bien esto está lejos de ser un medicamento desarrollado que estará disponible en el mercadopronto, este éxito en el laboratorio nos da la esperanza de desarrollar nuevos medicamentos para combatir el cáncer ".
La batalla actual para derrotar al cáncer se ve frustrada por el fracaso de la quimioterapia en los cánceres avanzados. Las células cancerosas inicialmente tratadas con medicamentos de quimioterapia finalmente evolucionan para resistir los medicamentos. Eso hace que la quimioterapia sea ineficaz, lo que permite que los cánceres crezcan y se propaguen.
La clave para la resistencia de las células cancerosas son a menudo ciertas proteínas que se encuentran típicamente en todas las células, cancerosas o no, que están equipadas con mecanismos beneficiosos que bombean las toxinas para garantizar la supervivencia continua de una célula. La naturaleza ha establecido que estas bombas son frecuentesen todo el cuerpo, y algunas áreas tienen naturalmente más bombas que otras.
"La propia célula cancerosa puede usar todas estas defensas incorporadas para protegerla de los tipos de cosas que estamos usando para tratar de matarla", dijo Wise.
El más común de estos mecanismos de defensa beneficiosos es una proteína de bombeo, glicoproteína P o gp-P, como se llama. Otro es el que se observa en el cáncer de mama y muchos otros cánceres, llamado proteína de resistencia al cáncer de mama, BCRP. En el caso decélulas cancerosas en la primera ronda de tratamiento, estas bombas generalmente no se producen en niveles altos en las células, lo que permite que la quimioterapia ingrese a la mayoría de las células del tumor. Esto a menudo da lo que parece un buen resultado.
Desafortunadamente, en las células cancerosas que no mueren, la quimioterapia a menudo cambia la célula, que luego se adapta para protegerse multiplicando agresivamente la producción de sus bombas defensivas.
En rondas posteriores de quimioterapia, los mecanismos de bombeo de P-gp y BCRP han proliferado. Resisten eficazmente la quimioterapia, que ahora tiene mucho menos éxito o no tiene éxito en absoluto.
"si hay suficientes bombas presentes, el cáncer ya no se puede tratar", dijo Wise, profesor asociado en el Departamento de Ciencias Biológicas de SMU. Los investigadores en el campo han buscado sin éxito compuestos para inhibir las bombas que podrían usarseen la clínica también.
Las moléculas que descubrieron Wise y Vogel detuvieron las bombas.
"Efectivamente devuelven a las células cancerosas una sensibilidad como si nunca antes hubieran visto quimioterapia", dijo Vogel. "Y nuestros datos indicaron que las moléculas no son específicas del cáncer. Pueden usarse para tratar todo tipo de cánceresporque inhiben no solo la bomba de P-gp, sino también la bomba de proteína del cáncer de mama ".
Para probar los compuestos, los investigadores usaron cantidades de quimioterapia que no matarían estos cánceres resistentes a múltiples fármacos si las bombas no estuvieran bloqueadas.
"Queríamos asegurarnos de que, al usar estos cánceres realmente agresivos, si desactivamos la bomba, la quimioterapia entra allí y hace que la célula muera, por lo que no la detiene temporalmente", dijo Wise."Pasamos bastante tiempo probando ese punto. Resulta que cuando una célula muere, pasa por cambios morfológicos muy predecibles. El ADN se corta en pedazos pequeños, y podemos ver eso, por lo que el núcleo se fragmenta,y podemos ver eso. Bajo el microscopio, con la tinción adecuada, se puede ver que estas células de cáncer de próstata altamente resistentes a los medicamentos, por ejemplo, están muertas ".
El Informes científicos artículo, "Los inhibidores dirigidos de la glicoproteína P aumentan la mortalidad inducida por la quimioterapia de las células tumorales resistentes a múltiples fármacos", está disponible en acceso abierto en http://rdcu.be/EUkb .
Otros coautores son Amila K. Nanayakkara, Courtney A. Follit y Gang Chen, en el Departamento de Ciencias Biológicas de SMU; y Noelle S. Williams, Departamento de Bioquímica, UT Southwestern Medical Center, Dallas.
Llegando al corazón del problema
La característica única del experimento es que las moléculas también se probaron en microtumores tridimensionales. Eso es una desviación de los experimentos habituales de cultivo celular, que son una película bidimensional.
En los experimentos bidimensionales, todas las células se exponen a la quimioterapia porque la película tiene solo una capa de células de grosor. Ese método ignora uno de los desafíos clave para revertir los tumores: cómo introducir medicamentos en el centro de un tumor,no solo en su superficie.
"Demostramos que con la ayuda de nuestros compuestos inhibidores, en realidad hacemos que el tumor sea penetrable para la quimioterapia", dijo Vogel. "Podemos matar las células en el medio del tumor".
Un camino hacia tratamientos médicos personalizados
Los efectos secundarios dañinos de la quimioterapia en órganos no cancerosos son bien conocidos. El descubrimiento de moléculas que se dirigen a una bomba específica puede mitigar ese problema.
Se puede tomar una muestra del tumor de un paciente para ver qué bomba está causando la resistencia al fármaco. Luego, la molécula que elimina esa bomba específica se puede agregar a la quimioterapia.
"Eso significa que no se abre la puerta de par en par a las toxinas en el sistema nervioso central", dijo Wise. "Eso tiene algunas implicaciones reales para el futuro y para la medicina personalizada. En la mayoría de los ensayos clínicos anteriores, los inhibidores se han abiertoel cerebro hasta las toxinas. Por lo que podemos decir hasta ahora, nuestros inhibidores no aumentan la toxicidad de los quimioterápicos en las células normales ".
Un descubrimiento audaz
P-gp está presente de una forma u otra en todo lo que vive.
"Está en su perro, está en su gato, está en células de levadura, está en bacterias, está en todas partes", dijo Wise. "¿Por qué está en todas partes? Porque es una solución realmente maravillosa al problema de eliminar las toxinas de unCell. P-gp es una solución evolutiva tremendamente sofisticada para ese problema. Y como ocurre con la mayoría de las cosas en biología que funcionan bien, todo el mundo lo entiende, porque si no lo tienes, no sobreviviste ".
Los biólogos dicen que la P-gp puede bombear 95 de 100 quimioterapéuticos, lo que indica que puede tomar casi cualquier fármaco y tirarlo de una célula.
"Así que hay cierta audacia al decir que podemos usar una computadora y apuntar a una parte de esta proteína, el motor, y evitar totalmente la parte de la proteína que ha evolucionado para bombear casi cualquier cosa que parezca una drogade la célula ", dijo Wise." Es una afirmación audaz y los hallazgos nos sorprendieron ".
En sus experimentos computacionales y de laboratorio húmedo, Wise y Vogel buscaron moléculas que inhiben la hidrólisis de ATP, la reacción de energía química que impulsa la bomba de P-gp.
"Apuntamos al motor de la bomba en lugar de la parte de la bomba de la bomba porque casi todas las fallas de los ensayos clínicos en otros estudios fueron en realidad compuestos que se dirigieron a la parte de la bomba de la bomba, y simplemente ralentizarían el bombeo deel quimioterapéutico ", dijo Vogel." Había llegado el momento de hacer estos modelos estructurales. Hicimos la hipótesis de que podríamos evitar por completo el mecanismo de bombeo y solo apuntar al motor ".
método computacional altamente predictivo
Los experimentos de laboratorio húmedo confirmaron la precisión de los hallazgos computacionales, dijo Vogel.
"La capacidad de predicción de los métodos computacionales fue realmente alta", dijo. "Superó completamente mis expectativas. Habíamos seleccionado ciertas moléculas que se predijeron en esos experimentos computacionales para interactuar con la bomba de ciertas formas y no de otras, ypudimos demostrar en nuestros experimentos de laboratorio húmedo que las predicciones eran acertadas ".
Fascinado por el enfoque novedoso de la investigación, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales financió gran parte de la investigación.
Wise y Vogel aprovecharon el poder de computación de alto rendimiento de ManeFrame de SMU, una de las supercomputadoras académicas más poderosas de la nación. Wise clasificó entre 15 millones de compuestos similares a fármacos disponibles comercialmente disponibles públicamente en forma digital de la base de datos de farmacología Zinc enla Universidad de California, San Francisco.
Luego, nuevamente usando ManeFrame, Wise corrió los compuestos a través de un modelo generado por computadora de P-gp. El modelo virtual, diseñado y construido por Wise, es el primer microscopio computacional de este tipo que simula el comportamiento real de P-gpen el cuerpo humano, incluidas las interacciones con compuestos similares a los medicamentos mientras adquieren diferentes formas.
El proceso de eliminación encuentra la aguja en el pajar
De los 15 millones de compuestos similares a fármacos que se examinaron virtualmente, los investigadores encontraron 180.000 que se predijo que en la computadora interactuarían fuertemente con la parte de la planta de energía recolectora de ATP del motor de la bomba. De ellos, Wise y Vogel eliminaron los queinteractuar bien con la parte de la bomba. Aproximadamente el 0,15 por ciento sobrevivió, varios cientos.
"Eso le dice cuán promiscuo es ese sitio de unión para los compuestos", dijo Wise.
A partir de ahí, compraron y probaron en el laboratorio varias de las moléculas restantes.
"Fue un proceso de eliminación", dijo Vogel. "De los primeros 38 que probamos, encontramos cuatro. Y debido al enfoque computacional que tomamos, hizo que las fallas fueran relativamente baratas. Esta es una prueba de principio de que al menos enEn esos casos, los compuestos se comportan exactamente en el laboratorio como se predijo en la computadora. Lo que me emociona muchísimo, nunca, nunca lo hubiera pensado ".
Los laboratorios de investigación de Vogel and Wise son parte del Centro para el Descubrimiento, Diseño y Entrega de Medicamentos en Dedman College de SMU. La misión del centro es un enfoque multidisciplinario novedoso para la investigación científica dirigida a problemas de importancia médica en la salud humana.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Metodista del Sur . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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