Nuevas sustancias farmacéuticamente activas a partir de miles de millones de moléculas recién combinadas

Hoy en día se habla mucho de nuevos tratamientos médicos espectaculares, como la terapia personalizada del cáncer con células inmunitarias o anticuerpos modificados. Sin embargo, estos tratamientos son muy complejos y caros, por lo que su aplicación es limitada. La mayoría de las terapias médicas siguen basándose en pequeños compuestos químicos que pueden producirse en grandes cantidades y, por tanto, a bajo coste.

Miles de millones de nuevas moléculas en pocas semanas

El cuello de botella en el desarrollo de nuevas terapias moleculares es el número limitado de nuevas sustancias activas que pueden encontrarse con las técnicas actuales. Un método desarrollado en la década de 2000 en Harvard y la ETH de Zúrich promete poner remedio: Las bibliotecas químicas codificadas en ADN (DEL).

Hasta la fecha, la tecnología DEL podía utilizarse para producir millones de compuestos químicos y probar su eficacia de una sola vez. Sin embargo, el inconveniente era que los investigadores sólo podían crear moléculas pequeñas a partir de unos pocos componentes químicos. Los químicos de la ETH de Zúrich han perfeccionado y mejorado considerablemente este proceso.

Con la ayuda del nuevo método, publicado recientemente en la prestigiosa revista Science, los investigadores pueden sintetizar y probar automáticamente no sólo unos pocos millones, sino miles de millones de sustancias diferentes en unas pocas semanas. El método también puede aplicarse para producir moléculas de fármacos mucho más grandes, como péptidos en forma de anillo, que pueden utilizarse para atacar otras dianas farmacológicas.

Crear y probar todas las combinaciones

"Los primeros principios activos desarrollados con ayuda de la tecnología DEL se encuentran actualmente en ensayos clínicos avanzados. Este nuevo método DEL vuelve a ampliar enormemente las posibilidades", explica Jörg Scheuermann. Él y su grupo de investigación del Instituto de Ciencias Farmacéuticas se cuentan entre los pioneros de la tecnología DEL, considerada clave para aprovechar en la práctica las posibilidades combinatorias en la producción química de moléculas.

El objetivo de la química combinatoria es producir tantas variantes moleculares como sea posible a partir de bloques de construcción individuales. De todas estas combinaciones, los investigadores pescan las que demuestran la actividad deseada. El número de moléculas diferentes crece exponencialmente con el número de ciclos de síntesis y con el número de bloques de construcción diferentes que se combinan en cada ciclo de síntesis.

Utilizar el código del ADN para identificar las moléculas activas

Para que los investigadores puedan identificar los compuestos activos individuales en la "sopa molecular" de rápido crecimiento en las pruebas de eficacia, el método DEL une un fragmento corto definido de ADN a la molécula en paralelo con cada bloque de construcción de ingrediente activo. De este modo se crea una secuencia de ADN única como código de barras legible para cada combinación de componentes.

Por ejemplo, puede analizarse la capacidad de toda la sopa de moléculas para unirse a una proteína específica, y los segmentos individuales de ADN pueden amplificarse e identificarse claramente mediante la técnica PCR (reacción en cadena de la polimerasa) conocida de las pruebas COVID.

Evitar el crecimiento exponencial de la contaminación

La realidad química, sin embargo, ha limitado seriamente hasta ahora las posibilidades de la tecnología DEL. El proceso de unión de los fragmentos de ADN con los componentes químicos es invariablemente fiable, pero la eficacia con la que esos componentes se unen químicamente varía en función de la combinación. Como resultado, el código del ADN pierde su carácter único.

El mismo código puede referirse no sólo a la molécula completa con todos los bloques de construcción, sino también a variantes truncadas que contienen sólo algunos de los bloques de construcción. Además, estas impurezas aumentan exponencialmente con cada ronda de síntesis. En la práctica, esto ha limitado el tamaño manejable de las bibliotecas DEL a combinaciones de tres o cuatro bloques conectados y, por tanto, a varios millones de compuestos diferentes.

Autodepuración incorporada

El equipo de investigación de Scheuermann ha encontrado ahora una forma de evitar la creciente contaminación de la biblioteca molecular: purificar la DEL que se ha sintetizado hasta el último bloque de construcción. El método de los investigadores de la ETH se basa en dos partes principales. En primer lugar, la síntesis de las moléculas se acopla a partículas magnéticas que pueden manipularse fácil y automáticamente. Esto permite, entre otras cosas, realizar ciclos de lavado. En segundo lugar, el equipo introdujo un segundo componente de acoplamiento químico en las partículas que sólo puede unirse al último de los bloques de construcción previstos.

Todas las moléculas truncadas a las que les falta, por ejemplo, el último bloque de construcción, pueden eliminarse en un solo paso de lavado. Al final, la biblioteca sólo tiene las moléculas que contienen todos los bloques de construcción especificados en el código de ADN.

Conflicto con la química combinatoria

A pesar de lo elegante que parece el método sobre el papel, fue difícil de poner en práctica, como afirma Scheuermann: "Fue especialmente difícil encontrar partículas magnéticas que no interfirieran con el acoplamiento enzimático de los fragmentos de ADN". En el transcurso de sus proyectos de doctorado, Michelle Keller y Dimitar Petrov, de mi grupo, invirtieron mucho tiempo y energía para asegurarse de que el método funcionara de forma fiable."

La idea de realizar este tipo de química combinatoria en partículas surgió ya en los años 90, pero sólo ahora los investigadores de la ETH han podido ponerla en práctica para la síntesis de bibliotecas.

Moléculas más diversas y de mayor tamaño

La tecnología DEL autodepurativa no sólo permite manejar bibliotecas mucho mayores, de varios miles de millones de moléculas, sino también sintetizar moléculas más grandes formadas por cinco o más bloques de construcción. "Antes podíamos buscar sustancias activas pequeñas que encajaran como una llave en la cerradura del sitio activo de proteínas de interés terapéutico, pero ahora también podemos buscar otras más grandes. Estas sustancias activas de mayor tamaño pueden acoplarse no sólo a los centros activos de una proteína, sino también a otras zonas específicas de su superficie, por ejemplo, para impedir que se una a un receptor", afirma Scheuermann.

La investigación biológica fundamental también se beneficia de la posibilidad de encontrar moléculas que se unan a determinadas superficies de proteínas, ya que esto permite etiquetar y examinar proteínas en su contexto celular. Además, el método de la ETH podría ser de gran ayuda para grandes iniciativas internacionales de investigación como Target 2035. Esta iniciativa se ocupa de las aprox. 20.000 proteínas humanas y su objetivo es encontrar, para 2035, una molécula para cada una de ellas que se una específicamente a esa proteína y pueda, por tanto, influir en su función.

Servicio de spin-off para la industria y la ciencia

Para poner la tecnología a disposición de la industria farmacéutica y la investigación básica de la forma más eficiente posible, Scheuermann y su equipo crearán una empresa derivada. Esta empresa ofrecerá el proceso completo: desde el desarrollo de colecciones de DEL y la síntesis automatizada hasta las pruebas de eficacia automatizadas y la identificación de las moléculas basada en el ADN. "Estamos viendo un inmenso interés por parte de la industria y la investigación, especialmente en moléculas cíclicas, que hasta la fecha no han sido accesibles en grandes cantidades", afirma Scheuermann.