Bloqueando la producción del FGFR3 para tratar la acondroplasia (1ª parte)

Traducción: Maria Cristina Terceros

Introducción

El blog tiene en la actualidad 24 seguidores (es lo que dice Google…) Esos lectores resilientes probablemente piensan que repito demasiado la misma información, ya que los artículos muchas veces comienzan con conceptos básicos sobre la acondroplasia antes de entrar directamente en el tema. Eso es verdad, pero yo sé que a veces otros visitantes pasan por aquí, por lo que es bueno intentar ponerlos a todos a un mismo nivel. A fin de cuentas, siempre intento incluir algo nuevo en estas introducciones (¡lo que es verdad también en esta de aquí!)

Releyendo los artículos más recientes, me doy cuenta de que, a veces, el lenguaje y las explicaciones pueden parecer difíciles de ser comprendidos para el lector de primer viaje. Si éste cree que está siendo difícil entender algunos de los temas comentados aquí, puede dar un vistazo a los primeros artículos del blog, escritos en 2012. Ellos podrán ayudar a circular más fácilmente a través de los nuevos. Por ejemplo, el tema de este artículo ya fue visto anteriormente en otros tres artículos de 2012:

• 16/05/2012. Enfocándose en la producción del FGFR3 para rescatar el crecimiento óseo en la acondroplasia. 
• 16/05/2012. El mundo del RNA:apagando el FGFR3 en la acondroplasia, primera parte.
• 16/05/2012. El mundo del RNA: apagando el FGFR3en la acondroplasia, segunda parte.

Y, en 2013, escribí otro artículo sobre este tema:

• 15/07/2013. Interfiriendo en la producción deFGFR3: una estrategia en potencial en el tratamiento de la acondroplasia.

 Será de utilidad leerlos antes de continuar, ya que el tema tiene sus complejidades.

Algunas informaciones básicas

La acondroplasia es causada por una mutación en el gen FGFR3, el cual codifica  (contiene las instrucciones para la producción de) una proteína llamada receptor del factor de crecimiento del fibroblasto tipo 3 (FGFR3) (1,2). El FGFR3 tiene un papel fundamental en el desarrollo óseo, que es el de reducir la velocidad del crecimiento del hueso (3). Funciona como un freno en el interior de las estrechas regiones localizadas dentro de ambas extremidades de los huesos largos llamadas placas de crecimiento (Figura 1). Las placas de crecimiento son las estructuras responsables por el alargamiento de los huesos tubulares (o largos). Las células dentro de la placa de crecimiento, los condrocitos, son responsables por el crecimiento del hueso a través de un proceso bastante complejo, donde el FGFR3 forma parte de él.

Figura 1. La placa de crecimiento

En las Figuras 1 y 2 podemos observar que los condrocitos de la placa de crecimiento están posicionados de manera que, bajo el estímulo continuo de muchos agentes de crecimiento activos (incluido el FGFR3), parten de un estado de reposo (resting zone), pasan a un organizado frenesí proliferativo (proliferative zone), son sometidos a un aumento masivo de volumen (hypertrophic zone) y, finalmente, dan lugar a las células responsables por la construcción del nuevo hueso, los osteoblastos. Como un pequeño detalle, algunos autores en revisiones recientes han considerado que el tamaño de la zona hipertrófica es determinante para el alargamiento del hueso (4).

Figura 2. El ciclo de vida de los condrocitos y muchos de los agentes que participan en el desarrollo del crecimiento óseo.

Como mencionado anteriormente, el FGFR3 actúa para equilibrar el efecto de otros varios agentes que estimulan la proliferación de los condrocitos. Si no hubiese FGFR3, los huesos crecerían excesivamente, causando problemas de salud, como vemos en casos relatados en la literatura (5).

Sin embargo, en la acondroplasia, la mutación en el gen FGFR3 hace con que éste se active mucho más de lo normal, lo que a su vez lleva a la interrupción del crecimiento del hueso. Bajo el efecto de un FGFR3 superactivo, los condrocitos reducen su tasa de proliferación, y menos de ellos sufren hipertrofia (Figura 3). Con menos condrocitos madurando y creciendo, la zona hipertrófica no llega a su potencia total y vemos que hay comprometimiento en el crecimiento óseo. Básicamente, casi todas las características clínicas y las consecuencias para la salud en la acondroplasia, pueden ser explicadas a través de este mecanismo (4).

Figura 3. Placas de crecimiento de un modelo de rata con acondroplasia (derecha) y de un animal no afectado (a la izquierda).

Compare las longitudes de las zonas proliferativas (PZ) e hipertróficas (HZ) entre las placas de crecimiento normal y afectada. Adaptado y reproducido aquí de Yingcai W et al. PNAS 1999;96:4455-60, solamente con fines educativos.

La actividad del FGFR3 depende de las señales que llegan de afuera de los condrocitos. En la Figura 4, se puede ver que el FGFR3 es como una antena de TV, colocada en el tejado de la casa (membrana celular). Éste recibe señales químicos traídos por factores de crecimiento de fibroblastos (FGFs) que circulan en las cercanías de los condrocitos, en el interior de la placa de crecimiento. Cuando un FGF enciende la antena, una señal química atraviesa el cuerpo de la antena (el cuerpo del FGFR3) y enciende otras varias cascadas químicas en el interior de los condrocitos (6). Digamos que es el FGFR3 activo “apretando botones en el panel de control de la célula”.

Figura 4. Las cascadas químicas intracelulares del FGFR3 (de Nature Reviews Cancer 2005).

Los científicos cuentan ahora con una buena comprensión de cómo el FGFR3 actúa en los condrocitos, los “botones” que aprieta para hacer con que los condrocitos paren de crecer, aunque no es raro que traigan más detalles para este proceso.

Aprender sobre el mecanismo de acción de las proteínas, tales como el FGFR3, es como crear un mapa de carreteras destacando sus cruzamientos, puntos de chequeos, estaciones de tren, etc. Ese mapeamiento permite que los investigadores trabajen en soluciones para superar la falta o el exceso de actividad de esas proteínas. Muchas terapias actuales para un gran número de enfermedades han sido creadas con la ayuda de esos mapas, una vez que ayudan a encontrar los objetivos correctos para combatir una determinada condición médica.

Pensando en terapias para la acondroplasia, como también para otras muchas enfermedades causadas por una única proteína hiperactiva, el movimiento natural es el de encontrar un agente que pueda interrumpir a esa proteína de ejercer su función. Teóricamente, eso podría ayudar a revertir o a minimizar sus efectos.

Se puede conseguir interrumpir la acción del FGFR3 a través de variadas y diferentes vías (observa las “estaciones de tren” en el mapa de la cascada de señalización en la Figura 3), desde bloquear la recepción de la señal de la antena o a través del bloqueo de los botones en el panel de control hasta el de contrabalancear el efecto de una de aquellas cascadas químicas, a través del estímulo de una cascada antagonista.

La mayoría de esas estrategias ya fue revisada aquí en el blog. Por ejemplo, podemos bloquear la antena con anticuerpos concebidos para que se conecten con ella. Existen por lo menos tres anticuerpos contra el FGFR3 publicados en la literatura, los cuales han sido explorados en estudios clínicos para el cáncer activado por FGFR3 (ver este artículo).

Podemos bloquear los botones en el panel de control con pequeñas moléculas llamadas inhibidores de tirosina quinasa (TKI). Hay muchas TKIs disponibles, pero hasta ahora ninguna lo suficientemente buena como para ser usada en la acondroplasia (ver este artículo). Y se puede también estimular otra antena de la célula (otro receptor) para reducir la actividad del FGFR3, como observamos con el vosoritide, un análogo del péptido natriurético tipo C (CNP), actualmente en un estudio clínico de fase 2 para la acondroplasia. El vosoritide imita al CNP al unirse a su receptor localizado en la membrana celular del condrocito (como el FGFR3). El receptor es activado y su señalización intercepta la MAPK, la principal cascada de señalización del FGFR3, inhibiéndola en el nivel de la “estación del tren” RAF (Figura 5) (ver este artículo).

Figura 5. La cascada de señalización del CNP intercepta la cascada MAPK desencadenada por el FGFR3.

Matsushita M et al. (2013). PLoS ONE 8 (12): e81569. Reproducido aquí apenas con fines ilustrativos.

Éstos son apenas algunos ejemplos entre otras diversas estrategias que ya están siendo exploradas para la acondroplasia (ver este artículo). Sin embargo, existen otros tipos de abordaje que podrían ser adecuados para controlar o regularizar el FGFR3 y, después de esta larga introducción, vamos a hablar sobre una de ellas, que sería la de bloquear la producción del FGFR3 (está en el título, ¿no es verdad?) En realidad, ya la revisamos aquí en el blog (¡los artículos en lo alto de este texto! ¿Llegaron a leerlos?) Pero, como hay nueva información que va llegando, pensé que valdría la pena hablar sobre ella nuevamente. A fin de cuentas, está estrategia podría ayudarnos, más adelante, a entrar en otra nueva estrategia en potencial que también trabaja con DNA, RNA y maquinaria de transcripción de genes.

Regulando el regulador

Como sabemos, nuestro DNA es una especie de caja fuerte donde es almacenada la información química necesaria para crear las proteínas fundamentales para nuestro cuerpo. La vida es un proceso dinámico y existe siempre la necesidad de producir nuevas proteínas, de manera que las células, tejidos y el cuerpo puedan funcionar normalmente como un todo (Animación 1, inglés, 2:41min).

Animación 1. Desde el DNA hasta la proteína (yourgenome.org).

La forma como el proceso por el cual el DNA es “leído” y “copiado” para generar proteínas, frecuentemente puede llevar a estados en que algun gen que codifica la información para generar una proteína podría permanecer ampliamente “abierto” para ser “leído”, de manera que la proteína podría ser producida sin parar. Esto, a su vez, podría dar como resultado, problemas de salud. Por ejemplo, algunos tipos de células cancerígenas, como ser en el cáncer de mama, son capaces de iniciar la superproducción de “antenas”, tales como nuestro FGFR3, para captar más señales externas en circulación que estimulan todavía más el crecimiento del cáncer.

En condiciones normales, este exceso de producción de proteínas no se da porque la célula tiene diferentes medidas de control de calidad que funcionan para regular este proceso. Una de ellas está constituida por moléculas de RNA.

Pero, aquí vayamos lentamente, paso a paso. Recuerdo que, en mi época de colegio, cuando comencé a estudiar biología celular, existían tres tipos clásicos de RNA: RNA mensajero (mRNA), RNA de transferencia (tRNA) y RNA ribosómico (todos ellos aparecen en la animación anterior). Bien, desde entonces, la lista de los tipos de RNA no paró de crecer. Podemos dar un vistazo en esta página de Wikipedia (en inglés) para obtener una lista de tipos de RNA ya identificados.

Algunas de estas moléculas de RNA están bastante involucradas en el proceso de control de la producción de proteínas y el enfoque aquí está en la familia microRNA, o simplemente miRNA (ya visto en los artículos mencionados anteriormente). Se demostró que esas moléculas de RNA controlan la cantidad de proteínas producidas por la célula. Les invito a que vean la Animación 2, (Inglés, 4:53min) de Katarina Petsche, quien nos da una visión global de la síntesis del miRNA y de cómo éste funciona:

Animación 2. La síntesis y el mecanismo de acción del miRNA (por Katarina Petsche).

Básicamente, debido a la capacidad de degradación de mRNAs, los miRNAs han sido clasificados como moléculas "silenciadoras de genes". Como la proteína-objetivo no es producida, es como si el gen no estuviese funcionando (o apagado, silenciado).

Existen millones de miRNAs diferentes y cada uno de ellos fue concebido para unir a un número limitado de mRNAs. Ya fueron identificados varios miRNAs, como ser el miRNA-100 (o miR-100), que se une al mRNA del FGFR3, pero aquí tenemos un problema. Si bien los miRNAs son bastante específicos con sus objetivos, estos objetivos no son únicos. Cuando pensamos en “silenciamiento” de un gen específico, por ejemplo el FGFR3 en la acondroplasia, no significa que se quiera “silenciar” otros genes-objetivos, ya que eso podría conducir a otros problemas de salud.

Entre los variados miRNAs que mostraron que ejercían una función de control sobre el FGFR3, el miR-100 parece ser uno de los más relevantes, ya que existen evidencias de que éste realmente controla el FGFR3. Diferentes estudios publicados recientemente exploraron la unión entre el miR-100 y el FGFR3 en el cáncer pancreático (7), el glioblastoma (8), el sarcoma (9) y en células de cáncer de pulmón (10) y mostraron que, en las células que "súper producen" miR-100 había menos FGFR3 disponible y vice-versa, y todos concluyeron que el miR-100 fue capaz de inhibir el crecimiento del cáncer en sus experiencias. No debemos sentirnos confundidos ante el hecho de que el FGFR3 sea usado por las células cancerígenas para crecer. Esto sucede porque el FGFR3 es un freno solamente para los condrocitos de la placa de crecimiento; en otras células éste funciona como un acelerador… Estos tipos de descubrimientos pueden llevar al desarrollo de una nueva estrategia de estímulo de expresión (de producción) de miR-100 en las células cancerígenas que utilizan el FGFR3 para crecer, para silenciar el gen FGFR3 y combatir el tumor.

Entonces, si un abordaje como éste puede ser usado para el tratamiento contra el cáncer, ¿serían adecuados el miR-100 u otros miRNAs para el tratamiento de la acondroplasia?

Probablemente no, porque, aunque exista evidencia de que ellos inhiben al FGFR3, también existen otras proteínas que pueden verse afectadas por sus acciones, lo que también podría acarrear problemas indeseables. En resumen, los miRNAs no son lo suficientemente específicos.

Bien, entonces, ¿cuál sería el objetivo de esta revisión? El tema es que los investigadores fueron capaces de crear, en laboratorio, otro tipo de RNA que hace básicamente lo mismo que los miRNAs (aprender un poco sobre uno, es aprender sobre el otro…). Sin embargo, existe una diferencia importante: como es sintetizado en el laboratorio, probablemente tendrá una especificidad mucho más grande para el FGFR3. Esta molécula de RNA sintética es llamada de pequeño RNA de interferencia (small interference RNA) o simplemente siRNA. Estudios ya realizados muestran que los siRNAs usan la misma maquinaria celular y causan efectos similares a los de los miRNAs (11). Los investigadores tienen que introducir el siRNA en el interior de la célula y después ver que éste funciona como un miRNA. Actualmente, un abordaje “simple” para probar que un gen se une a una determinada función se da en la aplicación de un siRNA específico y en la observación de los efectos de silenciamiento de aquel gen.  Por ejemplo, eso fue realizado en diferentes contextos de enfermedades (11) y también en la acondroplasia, en un estudio realizado por Pintor y Legeai-Mallet (12).

Si has leído el artículo de 2013 sobre RNAs sabes que por lo menos una empresa de biotecnología con sede en los Estados Unidos de América (Marina Biotech) patentó una estrategia de interferencia de RNA como posiblemente útil para el tratamiento de la acondroplasia (13). Ahora, descubrí otra patente para el uso de moléculas de ácidos nucleicos para tratar la acondroplasia (14) (Santaris Pharma, Roche), entonces parece que ha habido algunos intentos recientes para llegar al FGFR3 en la acondroplasia usando la estrategia siRNA.

No sabemos si estos abordajes llegarán al desarrollo clínico, debido a que uno de los principales desafíos para las terapias en base a ácidos nucleicos (el RNA está compuesto por ácidos nucleicos, como ya sabes) es cómo hacer con que esos agentes alcancen sus objetivos. Como las moléculas de RNA son tan poderosas, el cuerpo tiene un gran número de agentes de protección para garantizar que esas moléculas no circularán libremente por mucho tiempo. El RNA es el código genético de muchos virus causantes de enfermedades, y el cuerpo debe estar preparado para liberarse de ácidos nucleicos extraños, para defenderse de infecciones. Por lo tanto, las moléculas de RNA tienden a ser rápidamente degradadas por enzimas neutralizantes, y esto podría explicar en parte por qué no vemos progresos rápidos en esta área. Para la acondroplasia, el desafío es todavía más grande, debido a que las células objetivo, los condrocitos, están en un ambiente bastante protegido, el cartílago de la placa de crecimiento, un lugar difícil de ser alcanzado (ver este artículo anterior del blog).

Entregando la encomienda

La entrega a domicilio es realmente un desafío, y es por este motivo que usé el verbo “introducir” cuando describí el uso del siRNA tres párrafos antes. No es fácil hacer con que las moléculas de RNA lleguen al interior de las células, es necesario usarse un taxi (lo que se llama de transportador, vector, etc.), o un disfraz. Por ejemplo, en varios estudios fueron aplicados apéndices en la molécula del RNA, lo que las hizo más estables y resistentes a la neutralización por enzimas. En enfermedades donde la célula objetivo se encuentra en un tejido con flujo directo de sangre, esto puede ser suficiente para permitir con que el siRNA entre en la célula, pero en un tejido como la placa de crecimiento, donde no existe un flujo sanguíneo directo, ¿cómo es que esto puede ser alcanzado?

Aquí no se trata de una cuestión trivial. Una posible estrategia para hacer con que una droga llegue a su objetivo es encontrar algo que solamente ese objetivo posee (como un marcador), cosa que no es tarea fácil, pero aun así se trata de algo viable. En el caso de los condrocitos de la placa de crecimiento, posiblemente uno de estos marcadores es un receptor celular (otra antena) llamado CD44. El problema aquí es que el CD44 es expresado por muchas células diferentes. Entonces, ¿se trata de algo inútil? Tal vez no, porque la mayoría de las células que poseen CD44 no expresan el FGFR3 en un nivel significativo, de manera que la influencia de un siRNA contra el FGFR3 en ellas, posiblemente no iría a causar cualquier problema. La idea sería anexar o cubrir la molécula de RNA a otra molécula que podría unirse al CD44. Una vez unido, el sistema celular que mantiene el equilibrio de las antenas traería este CD44 ocupado hacia el interior de la célula, donde el siRNA sería liberado para encontrar su objetivo y ejercer su función esperada. Ésta es apenas una idea personal, nunca encontré un trabajo que explorase este abordaje específicamente en esta área.

Conclusión

Podría parecer que esta revisión no ayudó mucho en términos de traer una nueva terapia potencialmente espectacular para la acondroplasia. Sería más como una revisión general de la enfermedad, una vez que el blog ya tiene artículos sobre miRNAs y siRNAs. Sin embargo, no estamos perdiendo tiempo: los procesos aquí brevemente mencionados, servirán para ayudarnos a viajar por un proceso todavía más complejo, la edición de genes (gene editing), una potencial estrategia terapéutica que se encuentra en este momento bajo las luces de los reflectores.

¿Podría ser usada para el tratamiento de la acondroplasia?

Por lo que ya aprendí hasta ahora, diría que sí, pero vamos a ver en el próximo artículo. Aún me encuentro estudiando este tópico...

Referencias

1.Bellus GA et al. Achondroplasia is defined by recurrent G380R mutations of FGFR3. Am J Hum Genet 1995;56(2):368-73. Free access.

2.Rousseau F et al. Mutations in the gene encoding fibroblast growth factor receptor-3 in achondroplasia. Nature 1994;371(6494):252-4. Free access.

3. Laederich MB and Horton WA. FGFR3 targeting strategies for achondroplasia.Expert Rev Mol Med 2012;14:e11.

4. Narayana J and Horton WA. FGFR3 biology and skeletal disease. Connect Tissue Res 2015;56(6):427-33. 

5. Makrythanasis P et al. A novel homozygous mutation in FGFR3 causes tall stature, severe lateral tibial deviation, scoliosis, hearing impairment, camptodactyly, and arachnodactyly. Hum Mutat 2014;35(8):959-63.

6. Ornitz DM and Marie PJ. Fibroblast growth factor signaling in skeletal development and disease. Genes Dev. 2015 Jul 15;29(14):1463-86. Free access.7. Li Z et al. MicroRNA-100 regulates pancreatic cancer cells growth and sensitivity to chemotherapy through targeting FGFR3. Tumour Biol 2014;35(12):11751-9.

8. Luan Y et al. Overexpression of miR-100 inhibits cell proliferation, migration, and chemosensitivity in human glioblastoma through FGFR3. Onco Targets Ther 2015;8: 3391-400. Free access.

9. Bi Y et al. Overexpression of miR-100 inhibits growth of osteosarcoma through FGFR3.Tumour Biol 2015;36(11):8405-11.

10. Luo J et al. Overexpression of miR-100 inhibits cancer growth, migration, and chemosensitivity in human NSCLC cells through fibroblast growth factor receptor 3.Tumour Biol 2015; published online Aug 28. DOI 10.1007/s13277-015-3850-z. 

11.Videira M et al. Preclinical development of siRNA therapeutics: towards the match between fundamental science and engineered systems.Nanomedicine 2014;10(4):689-702.

12. Guzman-Aránguez A, Legeai‐Mallet L, Pintor J. Fibroblast growth factor receptor 3 inhibition by small interfering RNAs in achondroplasia. Anales Real Acad Nac Farm 2011; 77(1).

13. Marina Biotech Patent WO 2011139842 A2. Nucleic acid compounds for inhibiting fgfr3 gene expression and uses thereof.

14. Santaris Pharma WO 2014080004 A1. Compositions and methods for modulation of fgfr3 expression.