Muchos procesos fisiológicos importantes dependen de la regulación de la actividad de las enzimas proteolíticas y pueden producirse consecuencias dramáticas cuando se altera el equilibrio entre una enzima y sus sustratos . En este sentido, el descubrimiento de ligandos de moléculas pequeñas , como los inhibidores de proteasas , que pueden modular las actividades catalíticas tiene un enorme efecto terapéutico. [1] Por lo tanto, la inhibición de la proteasa del VIH es uno de los enfoques más importantes para la intervención terapéutica en la infección por VIH [2] y su desarrollo se considera un gran éxito del diseño de fármacos basado en la estructura . [3] Son muy eficaces contra el VIH [4] y, desde la década de 1990, han sido un componente clave de las terapias antirretrovirales para el VIH/ SIDA . [5]
El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es un lentivirus que tiene dos especies principales, el VIH-1 que causa la mayoría de la epidemia , y el VIH-2 , un pariente cercano cuya distribución se concentra en África occidental. [6] La infección por VIH se describió por primera vez en 1981 en San Francisco y la ciudad de Nueva York. [7] En 1985, se identificó al VIH como el agente causal del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) y su genoma completo estuvo disponible de inmediato. Este conocimiento allanó el camino para el desarrollo de inhibidores selectivos . [6]
El VIH-2 conlleva un riesgo de transmisión ligeramente menor que el VIH-1 y la infección tiende a progresar más lentamente hacia el SIDA. [7] En el uso común, VIH suele implicar VIH-1. [8]
La proteasa del VIH-1 es una de las proteasas aspárticas más conocidas y un objetivo atractivo para el tratamiento del SIDA. [9]
Tras el descubrimiento de la proteasa del VIH, sólo pasaron 10 años para que su primer inhibidor llegara al mercado. [10] Los primeros informes de antagonistas altamente selectivos contra la proteasa del VIH se revelaron en 1987. Los ensayos de fase I de saquinavir comenzaron en 1989 y fue el primer inhibidor de la proteasa del VIH en ser aprobado para uso con receta en 1995. Cuatro meses después, se aprobaron otros dos inhibidores de la proteasa, ritonavir e indinavir . [6] En 2009, diez inhibidores de la proteasa han llegado al mercado para el tratamiento contra el VIH, pero un inhibidor de la proteasa, amprenavir , fue retirado del mercado en 2004. [6] [11]
El VIH pertenece a la clase de virus llamados retrovirus , que llevan información genética en forma de ARN . El VIH infecta a las células T que llevan el antígeno CD4 en su superficie. Cuando el VIH infecta su célula diana, requiere la fusión de las membranas virales y celulares. [12] El primer paso es la interacción entre las proteínas de la envoltura del virus (gp120, gp41) y los receptores específicos de la superficie de la célula huésped (por ejemplo, el receptor CD4) en la célula diana. Luego, el virus se une a los correceptores de quimiocinas CXCR4 o CCR5 , lo que resulta en cambios conformacionales en las proteínas de la envoltura. Esta fusión crea un poro a través del cual la cápside viral ingresa a la célula. [13] Después de la entrada en la célula, el ARN del virus se transcribe de forma inversa a ADN por la primera enzima codificada por el virus , la transcriptasa inversa . El ADN viral ingresa al núcleo donde se integra en el material genético de la célula por la integrasa , una segunda enzima codificada por el virus. La activación de la célula huésped conduce a la transcripción del ADN viral en ARNm . A continuación, el ARNm se traduce en proteínas virales y la tercera enzima codificada por el virus, es decir, la proteasa del VIH, es necesaria para escindir un precursor de poliproteína viral en proteínas maduras individuales. El ARN viral y las proteínas virales se ensamblan en la superficie de la célula para formar nuevos viriones . Los viriones brotan de la célula y se liberan para infectar otras células. Todas las células infectadas mueren finalmente debido a este extenso daño celular, desde la destrucción del sistema genético del huésped hasta la gemación y liberación de viriones. [12]
Existen varios pasos en el ciclo de vida del VIH que pueden verse afectados, deteniendo así la replicación del virus. Un paso muy crítico es la escisión proteolítica de los precursores polipeptídicos en enzimas maduras y proteínas estructurales catalizadas por la proteasa del VIH. [12] Los inhibidores de la proteasa del VIH son sustancias químicas similares a péptidos que inhiben competitivamente la acción de la aspartil proteasa del virus. Estos fármacos impiden la escisión proteolítica de las poliproteínas Gag y Pol del VIH, que incluyen componentes estructurales y enzimáticos esenciales del virus. Esto impide la conversión de partículas del VIH en su forma infecciosa madura. [6]
Los inhibidores de la proteasa pueden alterar el metabolismo de los adipocitos causando lipodistrofia , un efecto secundario común asociado con el uso de la mayoría de los inhibidores de la proteasa del VIH. Se han propuesto muchos mecanismos, por ejemplo, la inhibición de la diferenciación de los adipocitos , la acumulación de triglicéridos y el aumento de la lipólisis . Las teorías que consideran el efecto de los inhibidores de la proteasa en la captación de glucosa estimulada por la insulina también se han relacionado con el síndrome lipodistrófico. Es posible que los inhibidores de la proteasa puedan causar una disminución en la fosforilación de tirosina de IRS-1 estimulada por la insulina , lo que representa la inhibición de los primeros pasos en la señalización de la insulina. La disminución de la secreción de adiponectina y la expresión inducida de interleucina-6 asociada con los inhibidores de la proteasa del VIH también pueden contribuir a la inhibición de la captación de glucosa estimulada por la insulina. [14]
Los inhibidores de la proteasa se diseñaron para imitar el estado de transición de los sustratos reales de la proteasa . Un enlace peptídico que consiste en –NH-CO- se reemplaza por un grupo hidroxietilénico (-CH 2 -CH(OH)-) que la proteasa no puede escindir. Los inhibidores de la proteasa del VIH se ajustan al sitio activo de la proteasa aspártica del VIH y se diseñaron racionalmente utilizando el conocimiento del modo de acción de la proteasa aspartil . El imitador del estado de transición más prometedor fue la hidroxietilamina, que condujo al descubrimiento del primer inhibidor de la proteasa, el saquinavir . Después de ese descubrimiento, se diseñaron otros inhibidores de la proteasa del VIH utilizando el mismo principio. [15]
La proteasa del VIH es una enzima homodímera simétrica en C2 que consta de dos monómeros de 99 aminoácidos . Cada monómero aporta un residuo de ácido aspártico que es esencial para la catálisis, [6] Asp-25 y Asp-25´. La proteasa del VIH tiene la secuencia Asp- Thr - Gly , que se conserva entre otras enzimas proteasas aspárticas de mamíferos. Una región de lámina beta extendida en los monómeros, conocida como colgajo, constituye en parte el sitio de unión del sustrato con los dos residuos de aspartilo que se encuentran en el fondo de una cavidad hidrófoba . [12] [16] [17] Cada colgajo flexible contiene tres regiones características: cadenas laterales que se extienden hacia afuera ( Met 46, Phe 53), cadenas hidrófobas que se extienden hacia adentro ( Ile 47, Ile54) y una región rica en glicina (Gly48, 49, 51, 52). Ile50 permanece en la punta de la curva y cuando la enzima se desliga, una molécula de agua forma enlaces de hidrógeno con la cadena principal de Ile50 en cada monómero. [17]
Las proteasas del VIH catalizan la hidrólisis de los enlaces peptídicos con una alta selectividad de secuencia y capacidad catalítica. El mecanismo de la proteasa del VIH comparte muchas características con el resto de la familia de proteasas aspárticas, aunque no se conoce por completo el mecanismo detallado de esta enzima. [12] La molécula de agua parece desempeñar un papel en la apertura y el cierre de las aletas, así como en el aumento de la afinidad entre la enzima y el sustrato. Los residuos de aspartilo están involucrados en la hidrólisis de los enlaces peptídicos. [17] El sitio de escisión preferido para esta enzima es el lado N-terminal de los residuos de prolina, especialmente entre fenilalanina y prolina o tirosina y prolina . [6] [16]
El primer inhibidor de la proteasa del VIH, el saquinavir, es una hidroxietilamina peptidomimética [6] y se comercializó en 1995. [18] Es un análogo del estado de transición de un sustrato nativo de la proteasa. [6] La observación de que la proteasa del VIH-1 escinde las secuencias que contienen los dipéptidos Tyr-Pro o Phe-Pro fue el criterio de diseño básico. [19] La adición del grupo decahidroisoquinolina (DIQ) fue una de las modificaciones más significativas que llevaron al descubrimiento del saquinavir. Este sustituyente mejora la solubilidad acuosa y la potencia al limitar la libertad conformacional del inhibidor. [20] El saquinavir es eficaz contra el VIH-1 y el VIH-2 [5] y suele tolerarse bien, pero no se alcanza una concentración sérica elevada. [11]
El ritonavir , un inhibidor de la proteasa del VIH peptidomimético, se comercializó en 1996. [18] Fue diseñado para adaptarse a la simetría C2 en el sitio de unión de la proteasa. [6] Los desarrolladores de ritonavir, Abbott Laboratories , comenzaron con compuestos que eran activos contra el virus pero tenían poca biodisponibilidad . Se realizaron algunas mejoras, por ejemplo, se eliminaron los residuos de fenilo terminales y se colocaron grupos piridilo en su lugar para agregar solubilidad en agua. El producto final de estas mejoras fue el ritonavir. [19] Los efectos secundarios gastrointestinales significativos y una gran cantidad de píldoras son los principales inconvenientes del ritonavir y, por lo tanto, no se usa como tratamiento único. [11] Sin embargo, es un fuerte inhibidor del metabolismo mediado por la enzima citocromo P450 [19] y solo se usa en una terapia combinada con otros inhibidores de la proteasa para potenciar la farmacocinética. [11]
El indinavir , un inhibidor de la proteasa del VIH peptidomimético hidroxietilenado, llegó al mercado en 1996. [6] [18] El diseño del indinavir se guió por el modelado molecular y la estructura cristalina de rayos X del complejo enzimático inhibido. Los componentes fenil terminales contribuyen a la unión hidrofóbica para aumentar la potencia . [19] Es un análogo del sitio de escisión de fenilalanina-prolina de la poliproteína Gag del VIH. [6]
El nelfinavir fue el primer inhibidor de la proteasa que no era peptidomimético. En el proceso de diseño del nelfinavir, un inhibidor no peptídico y biodisponible por vía oral, se utilizó un análisis iterativo de la estructura de los cocristales proteicos de los inhibidores peptídicos y se reemplazaron partes de los inhibidores por sustituyentes no peptídicos. [19] El nelfinavir contiene un nuevo grupo 2-metil-3-hidroxibenzamida, mientras que su terminal carboxilo contiene el mismo grupo DIQ que el saquinavir. [19] El nelfinavir se comercializó en 1997 [18] y fue el primer inhibidor de la proteasa indicado para el SIDA pediátrico . [19]
Amprenavir llegó al mercado en 1999. [18] Es un inhibidor de la proteasa del VIH no peptídico amino- sulfonamida N , N -disustituido [6] y comparte algunas características comunes con inhibidores de proteasa anteriores. Tiene un núcleo similar al de saquinavir pero con diferentes grupos funcionales en ambos extremos. En un extremo tiene un grupo carbamato de tetrahidrofurano y en el otro extremo hay una isobutilfenil sulfonamida con una amida añadida. Esta estructura da como resultado menos centros quirales , lo que hace que sea más fácil de sintetizar y le da una mayor solubilidad acuosa. Eso a su vez proporciona una mejor biodisponibilidad oral. [19] Sin embargo, amprenavir fue retirado del mercado en 2004 ya que fosamprenavir, su profármaco , demostró ser superior en muchos aspectos. [6]
El lopinavir se comercializó en el año 2000 [18] y fue diseñado originalmente para disminuir las interacciones del inhibidor con Val 82 de la proteasa del VIH-1, un residuo que a menudo está mutado en las cepas resistentes a los fármacos del virus. [19] Es un inhibidor de la proteasa del VIH peptidomimético [6] y su núcleo es idéntico al del ritonavir. En lugar del grupo terminal 5- tiazolilo en el ritonavir, el lopinavir tiene un grupo fenoxiacetilo y el grupo 2-isopropiltiazolilo en el ritonavir fue reemplazado por una valina modificada en la que el extremo amino tenía una urea cíclica de seis miembros unida. [19]
El fosamprenavir se comercializó en 2003 [18] y es un profármaco fosfoéster que se metaboliza rápidamente y de forma extensa a amprenavir. [21] La solubilidad y biodisponibilidad son mejores que las del amprenavir [6], lo que resulta en una carga diaria reducida de píldoras. [22]
El atazanavir se comercializó en 2003 [18] y es un inhibidor de la proteasa azapeptídico [18] diseñado para adaptarse a la simetría C2 del sitio de unión de la enzima. [11] El atazanavir mostró mejores perfiles de resistencia que los inhibidores de la proteasa del VIH anteriores. [4] Es único entre los demás inhibidores de la proteasa, ya que solo se puede absorber en un entorno ácido. [11]
Tipranavir es un inhibidor no peptídico de la proteasa del VIH-1 [11] y llegó al mercado en 2005. [18] A diferencia de otros inhibidores de la proteasa del VIH en el mercado, tipranavir se desarrolló a partir de una plantilla de cumarina no peptídica y su actividad antiproteasa se descubrió mediante un análisis de alto rendimiento . [23] Esta sulfonamida que contiene 5,6-dihidro-4-hidroxi-2-pirona surgió a partir de análisis de cumarinas y dihidropironas 3-sustituidas. [24] Posee una amplia actividad antiviral contra el VIH-1 resistente a múltiples inhibidores de la proteasa. [25]
El darunavir llegó al mercado en 2006 [18] y es un análogo no peptídico del amprenavir, con un cambio crítico en el grupo tetrahidrofurano (THF) terminal. En lugar de un solo grupo THF, el darunavir contiene dos grupos THF fusionados en el compuesto, para formar una fracción bis-THF que lo hace más eficaz que el amprenavir. Con este cambio estructural, la estereoquímica alrededor de la fracción bis-THF confiere cambios de orientación, que permiten la unión continua con la proteasa que ha desarrollado una resistencia al amprenavir. [26]
A continuación se enumeran todos los inhibidores de proteasa aprobados por la FDA.
Todos los inhibidores de la proteasa del VIH en el mercado contienen un motivo central que consiste en un andamiaje de hidroxietileno, con la única excepción del núcleo central de tipranavir, que se basa en un andamiaje de cumarina. [15] Un grupo muy importante en los inhibidores de la proteasa del VIH es un grupo hidroxilo en el motivo central que forma un enlace de hidrógeno con el ácido carboxílico en los residuos Asp-25 y Asp-25' en el sitio de unión. [16] [27] Los enlaces de hidrógeno entre la molécula de agua, que está unida a Ile50 e Ile50', y los grupos carbonilo de los inhibidores peptidomiméticos parecen conectarlos con las regiones de la solapa. [19] Por otro lado, en los inhibidores no peptídicos, hay un aceptor de protones que reemplaza la molécula de agua tetracoordinada e interactúa directamente con los dos residuos Ile50 en la solapa de la enzima. [28] Los bolsillos específicos en el sitio de unión de la proteasa del VIH, a menudo denominados S1, S1', S2 y S2', reconocen aminoácidos hidrófobos en sustratos naturales. Por lo tanto, aumenta la potencia de los inhibidores que tienen grupos hidrófobos que complementan estas áreas. [29] Algunos residuos en el sitio de unión de la enzima son capaces de formar enlaces de hidrógeno con grupos hidrófilos en el inhibidor, por ejemplo, con las fracciones THF en amprenavir y darunavir. Dado que darunavir tiene una fracción bis-THF, en lugar de una única fracción THF como en amprenavir, puede formar más enlaces de hidrógeno y aumentar la energía de unión . [26]
Las mutaciones que codifican alteraciones de la forma conformacional facilitan la resistencia del VIH a los inhibidores de la proteasa. [26] Las ubicaciones de estas mutaciones se encuentran principalmente en el sitio activo de la enzima proteasa del VIH, así como fuera del sitio activo, incluidas las de los sitios de escisión de la proteasa en los precursores de la poliproteína Gag-Pol. Los sitios de escisión tienen secuencias muy diversas, por lo que la proteasa reconoce sus sustratos no basándose en la secuencia, sino en la forma 3D conservada que comparten los sustratos cuando se unen al sitio activo. Esta forma conservada se ha denominado envoltura del sustrato . [30] Se ha demostrado que las mutaciones del sitio activo cambian directamente las interacciones de los inhibidores, y se producen principalmente en posiciones donde los inhibidores entran en contacto con residuos de proteasa más allá de la envoltura del sustrato. [31] Se considera que las mutaciones del sitio no activo afectan por otros mecanismos, como influir en la estabilidad del dímero y la flexibilidad conformacional. [32] [33]
Se han descrito más de 100 mutaciones puntuales de un solo gen , de las cuales al menos 26 son específicas de los inhibidores de la proteasa. De estas, hay alrededor de 15 mutaciones primarias o mayores que son lo suficientemente significativas como para cambiar la actividad del fármaco. [26] Se han encontrado muchos residuos mutados en la proteasa del VIH-1 que causan resistencia al fármaco, por ejemplo, Leu33 cambia a Ile, Val o Phe; Val82 a Ala , Phe, Leu o Thr; Ile84 a Val; y Leu90 a Met. [34] Diferentes mutaciones afectan a diferentes inhibidores de la proteasa. Por ejemplo, las mutaciones en Leu90 evidentemente afectan a saquinavir y nelfinavir mientras que la actividad de indinavir se ve afectada por mutaciones en Met46, Val82 e Ile84, y fosamprenavir se ve afectado cuando Ile50 cambia a Val y en Ile84. Una combinación de mutaciones puede producir resistencia al fármaco de alto nivel, pero las mutaciones individuales normalmente no equivalen a resistencia al fármaco a los inhibidores de la proteasa. [26] Las mutaciones se pueden dividir en mutaciones primarias y mutaciones secundarias. Las mutaciones primarias a menudo tienen solo un pequeño efecto sobre la resistencia. Las estructuras químicas de la mayoría de los inhibidores de proteasa son bastante similares, por lo que no es sorprendente que algunas mutaciones primarias conduzcan simultáneamente a la resistencia a múltiples inhibidores de proteasa. La resistencia cruzada es uno de los principales problemas del tratamiento con inhibidores de proteasa. [35] Las mutaciones adicionales que surgen en la proteasa durante la terapia continua con inhibidores de proteasa se denominan comúnmente mutaciones secundarias. Esto puede conducir a una resistencia a los inhibidores de proteasa de alto nivel. [35]
La base de datos de secuencias de proteasa y transcriptasa inversa del VIH de Stanford (también llamada “base de datos de resistencia a fármacos del VIH”) se formó en 1998 con secuencias de proteasa y transcriptasa inversa del VIH de personas con antecedentes de tratamiento antirretroviral bien caracterizados, y está disponible públicamente para consultar mutaciones de resistencia y correlaciones genotipo-tratamiento, genotipo-fenotipo y genotipo-resultado [ cita requerida ]
Aunque la envoltura del sustrato proporciona la estrategia general de diseñar inhibidores que imiten al sustrato y permanezcan dentro de la envoltura para evitar la resistencia conferida por la mayoría de las mutaciones del sitio activo, [36] [37] no existe una estrategia general para abordar el problema de la resistencia a los fármacos, especialmente debido a las que se producen fuera del sitio activo. Las investigaciones dirigidas al desarrollo de nuevas terapias para curar el SIDA se centran en evitar la resistencia cruzada a los fármacos que ya están en el mercado. [12]
En enero de 2018, darunavir seguía siendo el inhibidor de la proteasa del VIH más reciente en llegar al mercado. [38]
En 2006, GlaxoSmithKline interrumpió el desarrollo clínico de fase II de brecanavir , un inhibidor de la proteasa en investigación para el tratamiento del VIH, debido a problemas insuperables relacionados con la formulación. [39]
En el verano de 2009, GlaxoSmithKline y Concert Pharmaceuticals anunciaron su colaboración para desarrollar y comercializar medicamentos que contienen deuterio . Uno de ellos es el CTP-518, un inhibidor de la proteasa para el tratamiento del VIH, que se espera que entre en ensayos clínicos de fase I en la segunda mitad de 2009. El CTP-518 es un nuevo inhibidor de la proteasa del VIH desarrollado mediante la sustitución de ciertos átomos de hidrógeno clave del atazanavir por deuterio. Los estudios preclínicos han demostrado que esta modificación conserva totalmente la potencia antiviral, pero puede ralentizar evidentemente el metabolismo hepático y, por tanto, aumentar la vida media y los niveles plasmáticos mínimos . Por tanto, el CTP-518 tiene el potencial de ser el primer inhibidor de la proteasa del VIH que elimina la necesidad de administrar una dosis conjunta con un agente potenciador, como el ritonavir. [40]