Dale oportunidad al BORO como parte de moléculas biológicamente activas

Give Boron a chance in metallo-organic medicinal chemistry.  ORGANOBORADOS en YOUTUBE

El boro es un elemento químico metaloide, semiconductor, tri/tetravalente que existe abundantemente en la nauraleza. Funciona como nutriente de vegetales y recientemente se sugiere su papel como oligoelemento esencial para animales y humanos. Tiene gran relación con el Carbono, por tanto algunas propiedades son similares también.

En los últimos años esto ha llamado la atención de los diseñadores de nuevos fármacos. A las moléculas -que lo contienen- que han sido generados se les ha encontrado gran capacidad de interactuar con receptores de importancia fisiológica y terapéutica, por tanto se cree en el potencial de estos como fármacos para tratar varias de las patologías que afectan actualmente a la humanidad.

Así, varias técnicas han sido utilizadas para el aumento de biodisponibilidad de fármacos, entre ellas la adición de grupos funcionales que contienen boro. En nuestro grupo de trabajo hemos obtenido compuestos con actividad agonista sobre el receptor β2 adrenérgico (un receptor con alta homología a los dopaminérgicos). La actividad de estos ha sido estudiada tanto in vitro como in silico (mediante técnicas computacionales). Muchos de estos compuestos tienen capacidad potencial para interactuar con receptores adrenérgicos y dopaminérgicos, en forma íntegra o actuando como profármacos, y los resultados en modelos animales de enfermedades humanas nos motivan a continuar con el estudio y desarrollo de compuestos que contienen boro.

Fig. 1. Las moléculas con boro parecen tener ventaja en la interacción con algunos blancos biológicos.

Recomendación: Give boron a chance: Boron containing compounds reach ionotropic and metabotropic transmembrane receptors.  Soriano-Ursúa MA, et al. Mini Rev Med Chem. 2011. 11(12): 1031-1038.

Avances en medicina a partir de la biología estructural de los receptores a catecolaminas.

Marvin A. Soriano-Ursúa, Eunice D. Farfán-García, José G. Trujillo-Ferrara.

Introducción

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) o de siete dominios transmembranales (7TMRs) median las respuestas biológicas de muchos neurotransmisores y hormonas, entre ellos las catecolaminas, como lo son dopamina, noradrenalina y adrenalina. Los receptores de estas aminas se han estudiado intensamente porque se consideran blancos ideales para fármacos que modulen las funciones de los sistemas nervioso, cardiovascular y metabólico en humanos.

Los estudios sobre los receptores de catecolaminas (dopaminérgicos y adrenérgicos) han encabezado varios avances en la investigación farmacológica. Por ejemplo, la adrenalina fue una de las primeras biomoléculas para la que la teoría del receptor fue aceptada. Los receptores adrenérgicos (α1, α2, β1, β2 y β3), estuvieron entre los primeros clasificados de acuerdo a la preferencia de sus ligandos, y fueron de las primeras proteínas de membrana clonadas. En la última década, también una gran cantidad de datos estructurales a partir de estudios de cristalografía de rayos X sobre los receptores de catecolaminas (en particular β1 y β2), se han obtenido en tan sólo unos pocos años desde la cristalización del primer receptor transmembranal: la rodopsina. Este avance ha generado gran impacto en el área médica y química, lo que ha dirigido al reconocimiento científico a nivel mundial, incluyendo el otorgamiento del premio Nobel 2012 a los Doctores Lefkowitz y Kobilka quienes estudian estos sistemas.

La aplicación de técnicas computacionales  y farmacologícas modernas a estudios con datos estructurales ha proporcionado nueva información sobre el reconocimiento de ligandos y activación de estos receptores, y por lo tanto ayudan a predecir las interacciones clave en el reconocimiento ligando-receptor. A través de los crecientes avances en estos estudios, nuevos conceptos empiezan a pasar a primer plano: ya no basta analizar la importancia de la interacción ligando-receptor y el agonismo o antagonismo, sino avanzar hacia el análisis de la estabilización de los estados conformacionales de los receptores y la vinculación de estos estados hacia una  mayor o menor actividad de una de las vías de señalización que afectan al sistema biológico en que se expresan estos receptores (Fig. 1). Una vez más, los receptores de catecolaminas juegan un papel de liderazgo en estos avances.

Gracias a estudios en estos receptores se sabe que para analizar la estabilización de las conformaciones del receptor es importante conocer no sólo el modo de unión del ligando, sino la vía que el ligando sigue para llegar al sitio de unión ortostérico (aquel sitio al que se ‘ancla’ el ligando endógeno). En este sentido, se han producido importantes avances mediante el empleo de datos de cristalografía de rayos X. En general, el análisis de interacciones entre los receptores a catecolaminas, está dirigida a la identificación de contactos clave en el sitio ortostérico y la postulación de posibles sitios alostéricos de unión (un sitio alósterico es aquel alcanzado por el ligando que es diferente al ortostérico), y la selectividad de los ligandos para alcanzar estos sitios.

Avances recientes sobre receptores a catecolaminas

En  pocos años desde que se obtuvieron los datos por cristalografía de rayos X para un GPCR (la rodopsina en el año 2000),⁶ se generaron nuevas técnicas para la obtención de datos estructurales sobre otros receptores de este grupo. Y tras este desarrollo de técnicas, la velocidad con que se obtienen datos  estructurales ha aumentado rápidamente. Eso ha hecho que actualmente se hallen datos disponibles para los receptores a catecolaminas, aunque también para otros GPCRs.

En 2007, los primeros datos disponibles para los receptores de catecolaminas se obtuvieron a partir de las estructuras cristalinas de rayos X del receptor adrenérgico β2, obtenidos tras la  estabilización del receptor por una interacción con un anticuerpo en la cara intracelular o por la sustitución de la 3er asa intracelular por T4-lisozima. Entre  múltiples detalles estructurales en el reconocimiento de ligandos, estos hallazgos sugieren que: a) compuestos estructuralmente relacionados con las catecolaminas tienen un sitio de unión común o muy similares, como se evidencia por la alta homología de secuencia en los sitios de unión entre GPCRs (y específicamente entre dos estructuras del receptor β2), b) los estados de conformación activa e inactiva de un receptor no dependen necesariamente de las conformaciones de un “seguro iónico", descrito antes entre Arg-3.49 (según la numeración de Ballesteros-Weinstein) y Glu-6.30 en la región citoplásmica de la rodopsina, y c) la obtención de estructuras por estudios de cristalografía de rayos X es facilitada si se estabilizan dominios intracelulares de los GPCRs (ya que el alto grado de libertad para generar cambios conformacionales de estos dominios generan GPCRs inestables para cristalización).

En 2008 fue desarrollada otra estrategia para la obtención de estructuras proteicas, con la cual se generó la estructura cristalizada del receptor adrenérgico β1. A través de mutaciones puntuales ‘termoestabilizantes’, se obtuvo un cristal con un antagonista incrustado en el sitio ortostérico, y una vez más el ‘seguro iónico’ se observó roto. Esta estructura del β1 mostró que hay gran similitud entre los dominios transmembranales de este receptor con las del β2, pero con diferencias notables en la organización de las asas intra y extracelulares.⁹ Así, con base en esta estructura, se propuso que tanto la constitución como la conformación de la segunda asa extracelular define la entrada del ligando al sitio ortostérico. También hizo evidente que son notables las diferencias en la disposición tridimensional de las asas intracelulares. Por ejemplo, pudo analizarse el hecho de que la tercer asa intracelular del β1, pero no la del β2, tiene una secuencia de 24 aminoácidos que contiene 14 prolinas. Esto podría estar ligado a la mayor capacidad del receptor β2 para inducir la actividad de adenilil ciclasa y producción de AMPc.

En 2010 se reportó la estructura del receptor dopaminérgico D3; al igual que el β1 en complejo con un antagonista. Algunos detalles en los dominios extracelulares sugirieron un sitio de unión para un segundo ligando en la región extracelular con lo que abrieron la posibilidad de establecer nuevas estrategias para la selectividad entre ligandos y receptores D2/D3, así como para otros receptores a catecolaminas.

Desde entonces, los receptores adrenérgicos β1 y β2 se han cristalizado en complejo con varios ligandos que tienen actividad intrínseca diferente, es decir que ejercen diferentes efectos en la señalización dependiente de la acción sobre la proteína G. Tales ligandos incluyen agonistas inversos (disminuyen actividad basal), antagonistas neutros (no modifican actividad basal), agonistas parciales (aumentan la actividad del sistema, aunque no como lo hace el ligando endógeno que lo hace con mayor eficacia) y completos (aumentan la actividad tanto como el más eficaz de los ligandos endógenos), también se han cristalizado con anticuerpos que modifican la actividad intrínseca de estos receptores. Además, el receptor adrenérgico β2 se cristalizó recientemente en el complejo con la proteína G con que se encuentra comúnmente en células de mamífero,¹⁴ y el β1 en complejo con ligandos que presentan selectividad en la señalización, es decir estos ligandos se comportan como bloqueadores de la señalización dependiente de la proteína G y al mismo tiempo como agonistas en la vía de señalización independiente de proteína G (asociada a actividad de diversas cinasas).¹⁵ Las investigaciones realizadas con las estructuras cristalinas de los receptores adrenérgicos se han centrado en la capacidad de los ligandos difusibles para alcanzar el sitio de unión ortostérico, pero múltiples pruebas apoyan la existencia de uno o más sitios alostéricos, y al parecer esto modifica también el estado conformacional generado en el receptor y, por tanto, el efecto en la actividad biológica basal observada en el sistema.

Fig. 1. Evolución del enfoque en el estudio de receptores acoplados a proteínas G(GPCRs) Esquema que muestra los fenómenos asociados al reconocimiento de ligandos y activación de GPCRs. A la izquierda, una vista previa a los avances obtenidos en la última década; a la derecha, un modelo influido por los datos obtenidos desde avances en la biología estructural y algunos ensayos funcionales recientes de estos receptores.

 Implicaciones médicas de los avances en biología estructural de receptores a catecolaminas

Se conoce que los receptores a catecolaminas modulan las funciones de los sistemas nervioso, cardiovascular y metabólico en humanos. Por ello, su estudio tiene implicaciones en la patogenia, fisiopatología, diagnóstico y tratamiento de enfermedades que afectan estos sistemas. El presentar todos los campos en los cuales se ha involucrado a cada uno de estos receptores rebasa el objetivo de la presente revisión, aunque algunas revisiones previas que incluyen a todos ellos, y otras que presentan específicamente recientes implicaciones de cada uno de estos receptores se han publicado. La nomenclatura de los ligandos y aquella usada para describir los fenómenos de su reconocimiento y activación de GPCRs también se ha modificado. Nuevas herramientas terapéuticas farmacológicas se usan con intención de regular selectivamente la acción sobre una de las vías que se asocian a la actividad de un GPCR. 

Para ejemplificar el impacto y cambios inducidos en el uso de términos a partir de los fenómenos planteados desde el análisis de la biología estructural de los GPCR, podemos mencionar la evolución en el diseño y uso de bloqueadores de receptores β1 para el tratamiento de arritmias cardiacas, prevención de reincidencia de infarto al miocardio e hipertensión arterial sistémica. Actualmente se conoce que dentro de este grupo de fármacos (β bloqueadores), se incluyeron al menos 2 subgrupos: agonistas inversos y antagonistas neutros del receptor β1 ; y dentro de estos 2 subgrupos, compuestos con una amplia gama de efectos sobre la recién descrita vía de la cinasas independiente de proteína G. El conocer el perfil particular de cada ‘bloqueador β1’ permite que pueden ser mejor utilizados si se les asigna una indicación específica. Así, por ejemplo, el carvedilol, dejó de ser sólo un bloqueador (antagonista del receptor β1 y su actividad reportada mediada por efecto sobre la proteína Gs acoplada) para convertirse en un fármaco ‘agonista con sesgo o selectividad en la señalización (biased agonist en inglés)’ ya que se comporta como un agonista inverso (aquel que guía la actividad a una menor a la observada en el estado basal del receptor) de la vía dependiente de proteína G, mientras que estimula la vía independiente de proteína G, ambas acciones al alcanzar al receptor adrenérgico β1. Esto ha permitido evitar la aplicación de este fármaco en donde su acción parecía inducir mayor estrago por efecto colateral y aprovechar mejor su aplicación en estados particulares de hipertensión e insuficiencia cardiaca.

También podemos mencionar que el desarrollo de agonistas al receptor adrenérgico β2 ha dejado de centrarse en aquellos que resulten tan eficientes como el agonista completo de referencia, el isoproterenol. Actualmente, se ha reportado compuestos con una vida media y un efecto relajante que rebasa al efecto del agonista completo de referencia, a estos se les llama superagonistas de acción prolongada, y se ofrecen como agentes broncodilatadores de duración prolongada que podrían además tener efecto modulador de procesos inflamatorios que se presentan en asma o enfermedad pulmonar obstructiva crónica, patologías en donde se emplean. Se sugiere que el efecto prolongado, la alta eficacia y potencia de los compuestos recientemente reportados está relacionada con el alcance a sitios alostéricos en el receptor adrenérgico β2, así como con el efecto por vías adyacentes a la vía dependiente de proteína G modulada por el isoproterenol y los agonistas endógenos adrenalina y noradrenalina.

Algunos de estos fenómenos (selectividad en la señalización  y modulación alostérica) también han permitido el diseño racional de nuevos fármacos selectivos de acción dopaminérgica empleados en el tratamiento de esquizofrenia, enfermedad de Parkinson y otros trastornos del Sistema Nervioso Central.

Así, es importante conocer que los avances en la biología estructural de los receptores a catecolaminas nos brindan la oportunidad de generar y emplear de mejor manera ligandos seguros, eficaces y selectivos a estos receptores, con la finalidad de ofrecer herramientas terapéuticas que brinden oportunidad para una mayor calidad de vida en los pacientes que los requieren. 

Versión completa en:Notables avances en medicina a partir de la biología estructural de los receptores a catecolaminas.  Soriano-Ursúa MA, Farfán-García ED, Trujillo-Ferrara JG. Acta Medica Politecnica. 2013. 1(2):17-22.

Avances sobre los receptores b adrenérgicos ofrecen oportunidades de tratamiento para enfermedades cardiovasculares, pulmonares y metabólicas

Por: Marvin A. Soriano-Ursúa. http://marvin-researching.blogspot.mx/

INTRODUCCIÓN

La adrenalina y noradrenalina (integrantes de un grupo de moléculas denominadas catecolaminas por su estructura química) son moléculas que han sido estudiadas por más de un siglo, y es común que la población conozca sus efectos en un individuo. Coloquialmente, se asocian a respuestas de estrés o se dice que nos prepara para enfrentarnos o huir de algo potencialmente peligroso.

En los años recientes se ha observado un progreso continuo en el conocimiento de los receptores (proteínas que son reconocidas para que haya una respuesta biológica) a las catecolaminas, dichos receptores se han clasificado en alfa y beta, y a su vez los beta se han  subdividido en b1, b2 y b3. Pero no sólo las catecolaminas endógenas (que produce el cuerpo) alcanzan a reconocer estos receptores, sino también mediante un diseño racional de sustancias exógenas pueden reconocerlo y esto representa un amplio campo en la investigación médica, porque son un blanco en el diseño de moléculas dirigidas a tratar enfermedades que afectan los tejidos en los que estos receptores se sintetizan (esencialmente padecimientos cardiovasculares, pulmonares y metabólicos).

Dado que para que estas moléculas tengan efectos en una célula u organismo se requiere que interactúen y se unan al receptor, un factor importante en la reacción de cualquier célula u organismo es la cantidad y la proporción de receptores adrenérgicos a y b que expresan en su superficie.

Los receptores adrenérgicos, pertenecen a una familia llamada ‘receptores de 7 dominios transmembranales o acoplados a proteína G’, éstos son capaces de transferir la señal de una molécula que los alcanza desde la superficie extracelular al medio intracelular, mediante un cambio en su conformación (un reacomodo de aminoácidos, sin cambiarlos de configuración) generado cuando una molécula los alcanza, lo que activa a las proteínas G con las que tiene contacto en la superficie intracelular de la membrana. La estimulación de estos receptores por agonistas endógenos o exógenos activan un grupo de proteínas de acoplamiento, llamadas proteínas G, porque hidrolizan al guanosin trifosfato (GTP), que regulan la actividad de una gran variedad de enzimas y de canales de iones. Estas enzimas o canales de iones son llamados efectores, ya que los cambios en su actividad causan alteraciones en el paso de iones al medio intracelular, modificando su conductancia o a nivel de otras moléculas que tienen efectos mayores en el medio intracelular, llamados segundos mensajeros, tal como el adenosin monofosfato cíclico (AMPc). Clásicamente, los receptores  b adrenérgicos se acoplan a proteínas Gs, que estimulan a la enzima adenilil ciclasa para producir AMPc y este se une a protein cinasas que fosforilan otras proteínas, lo que ocasiona  respuestas celulares diversas, aunque en los últimos años se ha descrito que se unen a otras proteínas con las que tienen contacto en el medio intracelular.

A continuación se describen recientes avances en el estudio de estos receptores que implican la posibilidad de generar nuevas herramientas terapéuticas para enfermedades que causan gran impacto en nuestra sociedad, como son las cardiovasculares, el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, la obesidad y el síndrome metabólico.

RECEPTOR b1 ADRENERGICO HUMANO

En los seres humanos, el gen que codifica para el receptor b1 adrenérgico (b1AR) se encuentra en el cromosoma 10 (de 23 que tiene en pares el humano), este gen codifica para una proteína que, tras los procesos de transcripción y traducción genera un receptor de 65KDa con  una región extracelular N-terminal y un dominio L3 citoplasmático mayor que el de los otros receptores b adrenérgicos. Se sintetiza en múltiples tejidos y células sanguíneas, siendo el corazón, el órgano predominante. Por ello, se describen como principal efecto mediado por estos receptores la estimulación de la función cardiaca. Así, se usan moléculas que lo activan para tratar algunos casos de insuficiencia cardiaca; y compuestos que los bloquean para tratar hipertensión.

Uno de los datos que ha llamado la atención sobre el b1AR, es que en algunos individuos (que representan más del 2% de la población) presentan una modificación en el aminoácido 389 (esto es llamado polimorfismo), ya que pueden presentar un residuo diferente en esta posición en lugar del que tiene la mayoría de individuos. Este residuo esta localizado en la zona citoplasmática del receptor, dentro de una a hélice formada tras el séptimo dominio transmembranal. Los polimorfismos del b1AR, tienen importancia médica, ya que algunos como Arg389 por Gli389 se han relacionado a patologías cardiovasculares, como la insuficiencia cardiaca congestiva, cardiopatía isquémica, hipertensión arterial y cardiomiopatía dilatada, enfermedades que afectan a gran porcentaje de la población y cuya incidencia sigue en aumento.

Estudios in vitro con las dos variantes polimórficas Arg389 por Gli389 del receptor, han demostrado que los receptores adrenérgicos b1 con Arg389 tienen una mayor interacción con la proteína G y producen más AMPc, luego del estimulo con b agonistas. Para complementar datos obtenidos de estudios de biología molecular y señalización intracelular; nuestro grupo de trabajo ha evaluado estos polimorfismos mediante el análisis de modelos tridimensionales (3-D) del b1AR construidos con herramientas computacionales, en el que se observaron  cambios en las estructuras  y conformación del receptor con el cambio del aminoácido en la posición 389, así como diferencias en la afinidad de los ligandos (fármacos) y en la posibilidad de fosforilarlos (un evento que modifica su plegamiento en la membrana), lo que ayuda a explicar la implicación que tiene en algunas patologías cardiovasculares. Estos modelos también servirán para generar nuevas moléculas que potencialmente tengan más potencia y eficacia sobre estos receptores; es decir los alcancen y se unan a ellos a menores dosis y tengan mayor efecto sobre su señalización intracelular, independientemente de la forma del receptor que tengan los individuos enfermos que las requieren.

RECEPTOR b2 ADRENERGICO HUMANO.

El receptor b2 adrenérgico (b2AR) se codifica desde un gen que se encuentra en el cromosoma 5. Tiene un peso molecular aproximadamente de 55KDa. Al igual que los b1AR, es objeto de varias modificaciones postraduccionales como glicosilaciones (colocar glucosa) y palmitoilaciones (colocar ácidos grasos). El b2AR se expresa en el músculo liso de diversos órganos; entre ellos, los pulmones, siendo una importante diana biológica para los fármacos broncodilatadores (que relajan la musculatura de las vías aéreas, útiles para tratar asma y enfermedad pulmonar obstructiva crónica). El asma y la Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica (EPOC) son problemas de salud pública, causa importante de morbimortalidad en el mundo, actualmente no tienen cura, sin embargo existen  múltiples fármacos que consiguen una mejoría significativa de las manifestaciones clínicas, como son  los agonistas b2AR (salbutamol, salmeterol, entre otros). Sin embargo uno de los problemas que se presenta en estos fármacos, es la pérdida de eficacia tras su uso continuado, debido a la disminución del número de receptores y el aumento en la frecuencia cardiaca.

Adicionalmente, se ha considerado que los b2AR tienen un importante efecto en el sistema cardiovascular y en diversos procesos metabólicos. Como claro ejemplo, sobre la importancia que tiene el b2AR en las enfermedades cardiovasculares, estudios recientes han demostrado que la sobreexpresión (síntesis en grandes cantidades) de los b2AR a un nivel que mejore el rendimiento cardiaco, puede tener un efecto protector antiapoptótico, sobretodo en los pacientes con Insuficiencia Cardiaca (donde hay hiperactivación de los b1AR por exceso de catecolaminas). En cuanto a la regulación del metabolismo, se sabe que la estimulación del b2AR estimula la regeneración del músculo estriado y regula los niveles de carbohidratos, lípidos y hormonas que regulan el nivel de estos (como la insulina), lo que si bien ha tenido poca aplicación en humanos, ha sido aprovechado en el ganado para obtener productos con mayor cantidad de masa magra.

Han sido descritos 12 polimorfismos para el b2AR. De los cuales Arg16 por Gli16, Gln27 por Glu27, Trh164 por Ile164, Val34 por Met34 y Ser220 por Cys220 ocasionan alteraciones en aminoácidos del receptor y presentan importancia funcional. Los polimorfismos en los codones 16 y 27 no alteran la capacidad de unión de las catecolaminas al b2AR, ni la actividad catalítica de la adenilil ciclasa, sin embargo, están fuertemente relacionados a la susceptibilidad de esos receptores al fenómeno de regulación a la baja (que ocasiona que los receptores dejen de estar en la superficie celular), lo que se ha asociado a mayor incidencia de algunos tipos de asma, enfermedades cardiovasculares y obesidad; así como a una respuesta diferente al tratamiento con fármacos comúnmente utilizados en estas patologías.

Además de los padecimientos respiratorios y cardiovasculares, que se mencionaron de forma breve, el b2AR juega un papel potencial en la patogenia y terapéutica de una varios padecimientos como el cáncer, dermatopatías, alteraciones inmunitarias, dolor neuropático, entre otros, por lo que representa un gran campo de investigación médica. En el laboratorio de Investigación Bioquímica de la Escuela Superior de Medicina, se ha trabajado el diseño y síntesis de nuevos ligandos (moléculas con capacidad de unirse) que contienen boro y se unen al b2AR, resultando compuestos con alta potencia, para relajar musculo liso de tráquea de cobayo (con gran parecido funcional al que tiene el b2AR humano) y eficacia en receptor b2AR humano expresado en células neoplásicas. Algunos resultados obtenidos en experimentos in silico  (así se les llama a los ensayos elaborados mediante el uso de herramientas computacionales) sugieren ventajas por la presencia de boro y la exposición de grupos hidroxilos en dichos compuestos, que generan gran cantidad de enlaces puente de hidrogeno entre el ligando y el receptor. Además, basados en estos experimentos, se han descrito mecanismos de regulación de la actividad del receptor por unión de más de una molécula de catecolamina y se han sugerido algunas modificaciones clave para generar nuevos fármacos, mas selectivos, potentes y con menos efectos adversos.

RECEPTOR b3 ADRENERGICO HUMANO.

Se codifica en el cromosoma 8 en seres humanos. Tiene una homología de secuencia  del 51% con el b1AR y del 46% con b2AR. A diferencia de los b1AR y b2AR, el gen que codifica para el b3AR contiene fragmentos de RNAm que no se traducen (intrones), lo que favorecería la presencia de varias isoformas de este receptor, tal como se ha observado en roedores, donde la existencia de  la isoforma A y B del b3AR presenta una expresión  variable dependiendo del tejido donde se exprese. En los adipocitos, al estimular a la proteína Gs, la activación del b3AR va a favorecer los procesos de termogénesis por medio de la activación de la proteína p38a por parte de la proteincinasa (PCA). Por otra parte, la activación de la ruta de cinasas reguladas por señales extracelulares (ERC) va a mediar la fosforilación de la hormona sensible a lipasa (HSL), que va a ser la mediadora de la lipólisis. Por su alta expresión en los adipocitos, se ha identificado una mutación en el codón 64 del gen que codifica este receptor (Trp64 por Arg64), que se ha asociado con un síndrome de obesidad troncular,  hipertrigliceridemia, hipercolesterolemia, resistencia a la insulina y diabetes mellitus tipo 2.

Los b3AR tiene dos rasgos característicos: una menor afinidad por las catecolaminas comparado con los otros receptores b adrenérgicos, y una relativa resistencia a la desensibilización y a la regulación a la baja. Estas características han llevado a la hipótesis de que la principal función  fisiológica de los b3AR es mantener la señalización durante períodos de sostenida estimulación catecolaminérgica.  Otros sitios donde se puede localizar el receptor b3AR son: a) cerebro (hipocampo, hipotálamo, amígdala y corteza cerebral) teniendo efectos ansiolíticos y antidepresivos, b) intestino, participando en la regulación del flujo sanguíneo, c) vías urinarias con efecto sobre la relajación del musculo detrusor en la vejiga,  d) endotelio vascular, e) Miocardio, generando un efecto inotrópico negativo, y f) miometrio, donde regula la contractilidad. Los b3AR son de gran interés, ya que su reciente descubrimiento en varios tejidos, puede tener implicaciones significativas en el desarrollo de nuevos fármacos. En nuestro grupo de investigación trabajamos en la detección de componentes de moléculas para alcanzar al b3AR mediante el empleo de ensayos in silico que actualmente son una herramienta muy utilizada (a esto se le llama screening o cernimiento de moléculas), ya que permite el ahorro de procesos de síntesis, proporcionando el mejor candidato a resolver problemas de obesidad y otras patologías relacionadas con este receptor.

CONCLUSIONES.

La activación de los receptores b adrenérgicos es de gran interés tanto en la investigación básica como clínica, por la gran implicación terapéutica que representa. A pesar de que existe gran cantidad de información sobre los efectos de la activación del bAR en los diferentes tejidos del organismo, en la actualidad se sigue descubriendo nuevos conceptos y mediadores implicados en la fisiopatología de enfermedades cardiovasculares, respiratorias y metabólicas, donde se encuentra asociado estos receptores, por lo que se generan nuevas perspectivas en la comprensión de la importancia funcional de cada subtipo del receptor b adrenérgico humano. El estudio de las mutaciones del receptor b adrenérgico, es un tema muy interesante y desafiante para la investigación médica, ya que daría la posibilidad de generar nuevos avances tanto en el estudio de la progresión de estas enfermedades, como en los posibles hallazgos farmacológicos, que permitirían tener una mejor alternativa en su terapéutica y obtener fármacos selectivos, potentes y con menos efectos colaterales.

PLACER POR LA DOPAMINA

Por: Marvin A. Soriano-Ursúa. http://marvin-researching.blogspot.mx/ 

El estudio de los efectos de esta molécula permite el abordaje de padecimientos como la Enfermedad de Parkinson, Esquizofrenia, Trastorno por uso de sustancias y Patología Dual    

Introducción
La dopamina es una molécula de acción neuroendocrina que participa en la regulación de diversas funciones como la conducta motora, la emotividad y la afectividad.  Esta molécula se sintetiza a partir del aminoácido L-tirosina y existen mecanismos que regulan de manera muy precisa su síntesis y liberación como lo es el requerimiento de vitamina B6 o Fosfato de piridoxal para la conversión de Levodopa en dopamina.

Las técnicas de clonación molecular han permitido la identificación de cinco subtipos de receptores dopaminérgicos, todos éstos acoplados a proteínas G y divididos en dos familias farmacológicas denominadas D₁ y D₂. Los receptores de la familia D₁ (subtipos D₁ y D₅) están acoplados a proteínas Gs y cuando un ligando con capacidad de activarlo lo alcanza (agonista), estimulan la formación de AMPc (Adenosin monofosfato cíclico) como principal mecanismo de transducción de señales, aunque actualmente se han descrito otras vías de señalización para éstos y otros receptores acoplados a proteínas G. Los subtipos pertenecientes a la familia D₂ (D₂, D₃ y D₄) se acoplan a proteínas Gi e inhiben la formación de AMPc, activan canales de potasio (K⁺) y reducen la entrada de iones de calcio (Ca⁺⁺) a través de canales dependientes del voltaje.

Los receptores dopaminérgicos se encuentran ampliamente distribuidos en diversas áreas del organismo, por ejemplo en la vasculatura de varios órganos. Sin embargo, es en el Sistema Nervioso Central (SNC) donde se han estudiado con mayor detalle. Es frecuente que uno de los subtipos de receptores sea mayormente expresado en un grupo de células contiguas, lo que nos permite delimitar núcleos neuronales responsables de diversas acciones fisiológicas conferidas a la dopamina. El estudio de los sistemas y receptores dopaminérgicos del SNC ha generado gran interés, debido a que diversas alteraciones en la transmisión dopaminérgica han sido relacionadas, directa o indirectamente, con trastornos severos como la enfermedad de Parkinson y la esquizofrenia, así como con la adicción al consumo de diversas sustancias o la práctica reiterada de conductas que generan sensaciones placenteras.

La investigación sobre la transmisión dopaminérgica ha sido acelerada desde la década de los 50, cuando la dopamina fue reconocida como un neurotransmisor, y luego vinculada a la enfermedad de Parkinson y algunos desórdenes psiquiátricos. En los años 70 se estudió la distribución de los receptores para dopamina y se planteó la existencia de dos tipos de receptores dopaminérgicos, denominados D₁ y D₂ por Kebabian y Calne. En 1988, se clonó el primer receptor dopaminérgico subtipo D₂  por Bunzow et al., y en la década siguiente a este hallazgo se identificaron cinco subtipos (y algunas formas alternas de cada uno de éstos).

En los últimos tres lustros se han usado diferentes estrategias experimentales para el estudio in situ e in vivo de los sistemas dopaminérgicos, así como de las características farmacológicas y moleculares de los diferentes receptores para el neurotransmisor. Un hallazgo relacionado fue la cristalización de la rodopsina, primer receptor acoplado a proteínas G en el año 2000 por Palczewski et al.; y gracias al desarrollo de estrategias alternas, en el 2010, se obtuvo la primer estructura por cristalografía de rayos x de un receptor a Dopamina por Chien et al. (del subtipo D₃). Múltiples trabajos actualmente abordan el desarrollo de compuestos selectivos sobre alguno de los subtipos de estos receptores para desarrollar fármacos que permitan el tratamiento de enfermedades relacionadas.

Ha sido en modelos murinos (de la subfamilia de roedores Murinae, que incluye a los ratones y ratas) donde se han identificado los principales núcleos neuronales dopaminérgicos y varios de los conocimientos generados en estos modelos han podido eficazmente ser trasladados a la aplicación en humanos. Así, se han podido diseñar estrategias de estudio para los sistemas homólogos en humanos que permiten el abordaje de problemas médicos y la explicación de algunos mecanismos implicados en enfermedades del Sistema Nervioso Central.

Existen diversas formas de clasificar a los sistemas dopaminérgicos, una de éstas es por la longitud de los elementos que los conforman:

1. Ultracortos. Un primer sistema está formado por las células dopaminérgicas del bulbo olfatorio, en tanto que un segundo sistema lo componen las neuronas interflexiformes  presentes entre las capas plexiformes interna y externa de la retina, importantes en la visión.

2. De longitud intermedia. Incluyen al sistema tuberohipofisiario, con origen en las células dopaminérgicas localizadas en los núcleos hipotalámicos arqueado y periventricular, cuyos axones terminan en el lóbulo intermedio de la hipófisis y en la eminencia media y regulan por ejemplo la liberación de prolactina, importante en la producción de leche.

3. Sistemas largos. Este grupo incluye a las neuronas de la región retrorrubral, del área tegmental ventral y de la sustancia negra en su parte compacta, que envían proyecciones a tres regiones principales: el neoestriado (núcleos caudado y putamen), la corteza límbica (entorrinal, prefrontal medial y cíngulo) y otras estructuras límbicas (el septum, el tubérculo olfatorio, el núcleo accumbens, la amígdala y la corteza piriforme).

Dentro de este tercer grupo se encuentran dos de las vías dopaminérgicas más estudiadas, la vía nigroestriatal y la vía mesolímbica, implicadas en trastornos del movimiento (como la enfermedad de Parkinson) y de la conducta, respectivamente.

Acción de dopamina en la enfermedad de Parkinson y trastornos conductuales

Los niveles en la concentración de dopamina o en la eficacia de los sistemas que la producen o que responden a este neurotransmisor están implicados en diversas patologías.

Desde que Ehringer y Hornykiewicz demostraron en 1960 una disminución importante en el contenido de dopamina en pacientes portadores de la parálisis agitante descrita como enfermedad de Parkinson, numerosos estudios han validado la estrecha relación existente entre la pérdida de neuronas del núcleo denominado parte compacta de la sustancia negra y los trastornos de la postura y el movimiento característicos de esta enfermedad.
El modelo de Albin-Young-Penney permitió en 1989 entender el papel esencial de la dopamina en la regulación directa e indirecta de la actividad inhibidora de la parte compacta de la sustancia negra y del globo pálido interno sobre la actividad excitadora de los núcleos ventrolateral y ventral anterior del tálamo sobre la corteza motora que finalmente regula la función muscular.

La falta de dopamina genera un estado de disminución de la actividad en las placas neuromusculares y por tanto hipocinesia (disminución de la generación de movimientos) y en casos severos parálisis o acinesia (falta completa de movimiento, se usa también en el sentido de dificultad o imposibilidad de efectuar determinados movimientos).

Además de la función motora, la dopamina se ha vinculado con procesos afectivos como el de reforzamiento y de recompensa. Las vías dopaminérgicas, en particular las proyecciones ascendentes del área ventrotegmental hacia el núcleo accumbens, son importantes en el mecanismo cerebral de autoestimulación.

En contraste a la disminución relacionada con la alteración de procesos motores, el incremento de la concentración de dopamina en algunas regiones del sistema mesolímbico (y algunos núcleos fuera de este sistema) se ha relacionado con trastornos en los que los componentes afectivos (función esencial del circuito límbico) están afectados, entre ellos, la esquizofrenia.

De esta forma, se explica que los neurolépticos como el haloperidol, que son antagonistas de los receptores dopaminérgicos de la familia D₂, mostraron ser útiles en el manejo farmacológico de la esquizofrenia, sustentando así la hipótesis de que este trastorno se debe al menos en parte a una hiperactividad de la transmisión dopaminérgica. Esta hipótesis recibió apoyo adicional al observarse que varios fármacos psicoestimulantes (como cocaína, anfetamina, morfina, nicotina) incrementan la transmisión dopaminérgica en áreas cerebrales límbicas involucradas con la emotividad e inducen estados psicóticos con aparición de algunos signos positivos de la esquizofrenia: manifestación de sensaciones placenteras, euforia y alucinaciones (signos negativos se consideran el afecto apagado, pobreza en el discurso, incapacidad de experimentar placer, asociabilidad, y falta de motivación).

También se ha sugerido que en pacientes con esquizofrenia hay una mayor expresión de receptores D₂, D₃ y D₄ en varios núcleos profundos del Sistema Nervioso Central e incluso en la corteza de gente con algunas patologías afectivas; o de isoformas de un subtipo de receptor, como el llamado “D₂ extralargo”; pero los resultados de estudios para comprobar esto han sido controversiales.

Adicionalmente, en procesos adictivos a fármacos conocido como Trastorno por Uso de Sustancias (TUS) o actividades como (comer, abstenerse de comer, hacer ejercicio extenuante, llevar a cabo tareas reiteradas) se ha mostrado un incremento de la transmisión dopaminérgica. Para ello, varios mecanismos han sido descritos como la activación de un sistema opioide endógeno localizado en el área ventrotegmental que estimula la transmisión dopaminérgica, el bloqueo de la recaptura de la dopamina y de otras aminas biogénicas como la noradrenalina y la serotonina, el incremento de la síntesis y liberación de la dopamina o la inhibición del catabolismo de la dopamina. Comúnmente, los pacientes con Trastorno por Uso de Sustancias presentan un trastorno adicional afectivo, lo que ha generado actualmente el acuñe del término Patología Dual para la entidad que manifiestan estos individuos.

 Tratamiento de la disrupción de los niveles de dopamina en el sistema nervioso central y aplicación para tratar enfermedades

Entendiendo el papel fundamental de este neurotransmisor, la principal estrategia empleada en la terapéutica médica para la enfermedad de Parkinson ha sido la administración de      L-Dopa, o agonistas dopaminérgicos que mimeticen la función de  las  neuronas lesionadas.

La L-Dopa continúa siendo la opción adecuada en el tratamiento de la bradicinesia (enlentecimiento o pobreza de movimientos) y rigidez halladas en esta enfermedad. Los efectos adversos observados durante el tratamiento, en particular la discinesia (movimientos anormales e involuntarios), han sido relacionados con cambios en los niveles plasmáticos de L-Dopa. Actualmente, la administración de L-Dopa se lleva a cabo en conjunto con otros fármacos que, en general, tienen como propósito evitar que la          L-Dopa sea biotransformada antes de ejercer su efecto sobre su blanco, el Sistema Nervioso Central y disminuir los efectos periféricos (emesis, náusea, arritmias e hipotensión).

Esta metodología (de adición de fármacos inhibidores de enzimas que metabolizan periféricamente a la L-Dopa) ha resultado eficaz en mejorar los resultados a largo plazo que obtienen los pacientes que consumen estas combinaciones de fármacos. Sin embargo, usar inhibidores de la biotransformación de L-Dopa, conlleva múltiples consecuencias. Entre éstas, un aumento de la discinesia observada en el tratamiento y algunos otros efectos que han sido adjudicados a la poca selectividad de las enzimas inhibidas, lo que justifica la búsqueda de estrategias alternativas. La aparición de efectos adversos se ha visto atenuada en relación directa a la disminución de fluctuaciones en los niveles plasmáticos de L-Dopa. Por lo tanto, otro de los principales objetivos de la terapéutica, es el mantener niveles plasmáticos constantes.

También se ha intentado la adición de compuestos distintos, incluidos cofactores como las vitaminas E (alfa-tocoferol) y B6 (piridoxina). Los cuales han sido administrados sin notables ventajas comparativamente con la administración de sólo L-Dopa. En el tratamiento de Trastorno por Uso de Sustancias o Patología Dual el abordaje es más complejo, pero los compuestos que resultan antagonistas de los receptores dopaminérgicos han dado algunos resultados.

Varias técnicas han sido utilizadas para el aumento de biodisponibilidad de fármacos, entre éstas la adición de grupos funcionales que contienen boro. En nuestro grupo de trabajo hemos obtenido así compuestos con actividad agonista sobre receptores adrenérgicos (con alta homología a los dopaminérgicos). La actividad de éstos ha sido estudiada tanto in vitro como in silico, es decir, mediante técnicas computacionales. Inclusive, nuestro grupo generó uno de los primeros modelos tridimensionales del receptor D₂ dopaminérgico por modelado por homología al cristal del receptor D₃ obtenido por Chien en 2010. Este trabajo ha sido reconocido como uno de los más descargados de la revista Computers in Biology and Medicine en donde fueron publicados los resultados, y el modelo ha sido utilizado en varios estudios posteriores de diseño de nuevos compuestos que intentan alcanzar a este receptor para ejercer su efecto potencial terapéutico.

En nuestro grupo también hemos generado compuestos con potencial capacidad para interactuar con receptores adrenérgicos y dopaminérgicos, en forma íntegra o actuando como profármacos.

Resultados en modelos animales de enfermedades humanas nos motivan a continuar su estudio y desarrollo. En este rubro, hemos observado efectos de compuestos que ejercen restablecimiento agudo de actividad motora en ratones a los que se  les induce afección de su actividad motora mediante la administración de una toxina denominada MPTP, simulando una patología como la enfermedad de Parkinson.

Adicionalmente, se ha utilizado la estrategia de encapsular sustancias activas en formulaciones que permitan liberación controlada de éstas para ejercer sus efectos en el Sistema Nervioso Central de los sujetos a quienes se les administra. Para ello, y contando con el trabajo colaborativo de una industria farmacéutica nacional, hemos diseñado formulaciones liposomales nanodimensionales que se han empleado en modelos experimentales animales, y los resultados (alta capacidad de captura, liberación prolongada y acceso de lo contenido al Sistema Nervioso Central) nos han permitido continuar con su estudio con la intención de tener disponibles formulaciones terapéuticas conteniendo L-Dopa que resulten claramente ventajosas, es decir, que demuestren parámetros farmacocinéticos-dinámicos y biodisponibilidad ventajosos comparados con las formas de tratamiento comerciales.

Por lo anterior, nuestro grupo de trabajo ha incursionado en la generación de conocimiento básico aplicable a la generación de productos que puedan alcanzar a quienes se ven afectados por patologías con lesión de los sistemas dopaminérgicos. Experimentos adicionales podrán mostrar con mayor exactitud el impacto que puedan tener en patologías motoras y conductuales.

Conclusiones

Entre las diversas funciones de la dopamina se hallan la regulación de la actividad motora y la generación de placer, que puede ser despertado por la administración de sustancias exógenas que incrementan los niveles de dopamina en el Sistema Nervioso Central y que en algunos casos produce manifestaciones de procesos psiquiátricos que conocemos como signos positivos de conductas o patologías esquizoides.

Grandes avances se han logrado en los últimos años sobre la elucidación de los mecanismos que se ven lesionados en patologías en que se afectan estos procesos, con respecto a lo logrado en tiempos anteriores. Sin embargo, parece que es poco el avance en relación a la cantidad de posibilidades que existen para explicar algunos fenómenos involucrados en estos trastornos.
La aplicación de los conocimientos generados hasta hoy, incluidos los obtenidos desde nuestros estudios, nos ha permitido el diseño de fármacos más potentes y eficaces, así como formulaciones farmacéuticas eficientes que pueden proponerse para generar mejora en la calidad de vida de las personas que los requieren. En conclusión podemos decir “qué placentero es el camino en el que buscamos herramientas para otorgar el restablecimiento de los niveles de dopamina en aquellos que dejan de ser sujetos sanos por problemas en los sistemas que usan este neurotransmisor. Así, la dopamina es doblemente responsable de nuestro placer”.