El ácido arginilglicilaspártico ( RGD ) es el motivo peptídico más común responsable de la adhesión celular a la matriz extracelular (MEC), y se encuentra en especies que van desde Drosophila hasta humanos. Las proteínas de adhesión celular llamadas integrinas reconocen y se unen a esta secuencia, que se encuentra dentro de muchas proteínas de la matriz, incluidas la fibronectina , el fibrinógeno , la vitronectina , la osteopontina y varias otras proteínas adhesivas de la matriz extracelular. [1] El descubrimiento de RGD y la elucidación de cómo RGD se une a las integrinas ha llevado al desarrollo de una serie de fármacos y diagnósticos, [2] mientras que el péptido en sí se utiliza de forma ubicua en bioingeniería . [3] Dependiendo de la aplicación y de la integrina a la que se dirige, RGD puede modificarse químicamente o reemplazarse por un péptido similar que promueva la adhesión celular.
Ruoslahti y Pierschbacher identificaron RGD como la secuencia de reconocimiento mínima dentro de la fibronectina necesaria para la unión celular a principios de la década de 1980. Para ello, los autores sintetizaron varios péptidos basándose en el supuesto sitio de unión celular de la fibronectina. Luego acoplaron esos péptidos a un plástico recubierto de proteínas y probaron cada uno para determinar su actividad promotora de la unión celular. Sólo aquellos que contenían la secuencia RGD mejoraron la unión celular. Además, demostraron que los péptidos que contenían RGD eran capaces de inhibir la unión celular a sustratos recubiertos de fibronectina, mientras que los péptidos que no contenían RGD no lo hacían. [4]
Estos estudios fundamentales también identificaron los receptores celulares que reconocen la secuencia. Estos estudios utilizaron un péptido sintético que contenía RGD para aislar los receptores putativos y luego demostraron que los liposomas que contenían las proteínas aisladas podían unirse a la fibronectina, de manera muy similar a las células con receptores de superficie. [5] [6] Los receptores descubiertos se denominaron más tarde integrinas. [7] [8] El motivo RGD se presenta de maneras ligeramente diferentes en diferentes proteínas, lo que hace posible que las numerosas integrinas de unión a RGD distingan selectivamente las proteínas de adhesión individuales. [9] [10]
La comprensión de las bases moleculares de la unión a las integrinas ha permitido el desarrollo de varios fármacos para las enfermedades cardiovasculares y el cáncer, entre ellos eptifibatida , tirofiban y cilengitida . [11] [2] Estos fármacos inhiben la unión de integrinas. Los radiotrazadores PET, como la fluciclatida, utilizan péptidos que contienen RGD para localizar los tumores, lo que permite el seguimiento del cáncer. [12]
La eptifibatida y el tirofiban son fármacos anticoagulantes indicados para prevenir la trombosis en los síndromes coronarios isquémicos agudos. [13] [14] La eptifibatida también está aprobada por la FDA para pacientes sometidos a intervención coronaria percutánea . [15] Estos medicamentos bloquean la activación de la integrina responsable de la agregación de plaquetas (αIIbβ3, también conocida como glicoproteína IIb/IIIa ) en respuesta a las glicoproteínas sanguíneas fibrinógeno y factor von Willebrand . La eptifibatida (comercializada como Integrilin) es un péptido cíclico (circular) de siete aminoácidos, mientras que el tirofiban es una pequeña molécula diseñada para imitar la química y la afinidad de unión de la secuencia RGD. [16] [17]
Cilengitida , un pentapéptido cíclico (RGDfV), es un fármaco en investigación destinado a bloquear el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos en tumores al interferir con la activación de la integrina αVβ3 . [18] Esta integrina está regulada positivamente en células tumorales y endoteliales activadas. [19] Esta y otras terapias antiangiogénicas dependen de cortar el suministro de sangre al microambiente del tumor, lo que provoca hipoxia y necrosis . [20] La cilengitida se ha evaluado para el tratamiento del glioblastoma , pero, como ocurre con otras terapias antiangiogénicas, no se ha demostrado que altere la progresión ni mejore la supervivencia, ya sea sola o en combinación con tratamientos estándar. [21]
CEND-1, también conocido como iRGD , es un péptido cíclico que se dirige a los tumores mediante la unión a los receptores de integrina alfa V. [22] También se une y activa la neuropilina-1 , lo que provoca una apertura temporal del tumor y una mayor administración de agentes anticancerígenos al tejido tumoral. Actualmente se está probando en ensayos clínicos en pacientes con tumores sólidos. [23]
A medida que las terapias antiangiogénicas contra el cáncer han logrado un uso generalizado, ha aumentado el interés en la monitorización no invasiva de la angiogénesis. Uno de los objetivos de angiogénesis más examinados es la integrina αVβ3. Los péptidos radiomarcados que contienen RGD muestran alta afinidad y selectividad por la integrina αVβ3 y se están investigando como herramientas para monitorear la respuesta al tratamiento de tumores mediante imágenes PET . [24] Estos incluyen 18 F-Galacto-RGD, 18 F-Fluciclatide-RGD, 18 F-RGD-K5, 68 Ga-NOTA-RGD, 68 Ga-NOTA-PRGD2, 18 F-Alfatide, 18 F-Alfatide II y 18 F-FPPRGD2. [19] [12] [24] En un metanálisis de estudios que utilizan PET/CT en pacientes con cáncer, se demostró que este método de diagnóstico puede ser muy útil para detectar neoplasias malignas y predecir resultados a corto plazo, aunque a mayor escala. se necesitan estudios. [19]
Los péptidos basados en RGD han encontrado muchas aplicaciones en investigación biológica y dispositivos médicos. Se encuentran en el mercado placas de cultivo recubiertas con péptidos que imitan los motivos de adhesión de las proteínas ECM, que promueven el cultivo prolongado de células madre embrionarias humanas. [25] RGD también es una herramienta universalmente utilizada en la construcción de materiales "inteligentes" multifuncionales , como las nanopartículas dirigidas a tumores. [26] Además, RGD se usa ampliamente en ingeniería de tejidos para promover la regeneración de tejidos. [3]
Los métodos convencionales de administración de fármacos , como la administración sistémica o tópica, están asociados con muchos problemas, como baja solubilidad, efectos no deseados y farmacocinética desventajosa . Se han empleado nanopartículas para aumentar la solubilidad y dirigir la administración del fármaco al tejido deseado, aumentando la concentración del fármaco en el sitio de acción y disminuyendo la concentración del fármaco en otros lugares, aumentando así la eficacia del fármaco y disminuyendo los efectos secundarios. [27] [3] RGD se ha empleado para dirigir nanopartículas que contienen fármacos a tipos de células específicos, especialmente células cancerosas que expresan la integrina αvβ3. [3]
Muchos grupos de investigación utilizan RGD para dirigir el quimioterapéutico doxorrubicina a las células cancerosas. Al igual que otros quimioterapéuticos de su clase, la doxorrubicina provoca caída del cabello, náuseas, vómitos y mielosupresión , y puede provocar miocardiopatía e insuficiencia cardíaca congestiva . Doxil, disponible clínicamente, utiliza liposomas para reducir la acumulación de doxorrubicina en el tejido miocárdico, reduciendo así la cardiotoxicidad. [28] Sin embargo, dichas nanopartículas se basan en la focalización pasiva de los tumores mediante el efecto EPR , que varía según el paciente y el tipo de tumor. [28] [29] Las estrategias de focalización activa tienen como objetivo aumentar el transporte de fármacos a las células para mejorar la eficacia y contrarrestar la resistencia a múltiples fármacos. [28]
Además de la doxorrubicina, se han utilizado nanomateriales conjugados con RGD para administrar los quimioterapéuticos cisplatino , docetaxel , paclitaxel , 5-fluorouracilo y gemcitabina a las células cancerosas. Estos nanomateriales también se han utilizado para administrar terapias combinadas de alteración vascular y citotóxica . [3]
Si bien la terapia génica ha ganado una atención significativa por parte de la comunidad médica, especialmente para la terapia contra el cáncer, la falta de vectores de administración de genes seguros y eficientes se ha convertido en un cuello de botella para la traducción clínica. [30] Si bien los vectores virales demuestran una alta eficiencia de transfección y protegen los genes administrados, existen preocupaciones de seguridad asociadas con las respuestas inmunes al virus. Se han propuesto muchos vectores no virales, especialmente lípidos y polímeros catiónicos . Sin embargo, estos demuestran una baja eficiencia de transfección en comparación con los virus. Por lo tanto, se ha acoplado RGD a vectores no virales para dirigir la entrega de material genético a las células deseadas, aumentando así la eficiencia de la transfección . [30]
La ingeniería de tejidos tiene como objetivo reemplazar los tejidos perdidos o dañados dentro del cuerpo. El éxito de tales esfuerzos ha dependido en gran medida de la capacidad de dirigir el comportamiento celular y fomentar la regeneración de los tejidos. Un método clave para hacerlo utiliza ligandos derivados de ECM, como RGD, para controlar las respuestas celulares a un biomaterial , como la unión, la proliferación y la diferenciación. [31]
Las altas tasas de enfermedades cardiovasculares crean una gran demanda de injertos para la cirugía de derivación vascular, especialmente injertos de pequeño diámetro que previenen la oclusión . [3] Se ha demostrado que la modificación de los injertos de tejido vascular con RGD inhibe la adhesión plaquetaria, mejora la infiltración celular y mejora la endotelización. [3] También se han realizado esfuerzos para regenerar los tejidos cardíacos dañados mediante la aplicación de parches cardíacos después de un infarto de miocardio. [32] Se ha demostrado que la adición de RGD a una estructura de tejido cardíaco promueve la adhesión celular, previene la apoptosis y mejora la regeneración del tejido. [33] El péptido RGD también se ha utilizado para mejorar la adhesión y proliferación de células endoteliales en válvulas cardíacas sintéticas. [34]
Los defectos o fracturas óseas pueden ocurrir de varias maneras, incluidos traumatismos, neoplasias, osteoporosis o trastornos congénitos. Los tratamientos como los autoinjertos o aloinjertos adolecen de falta de sitios donantes y posibilidades de enfermedades transmisibles, respectivamente. Por lo tanto, existe un interés considerable en el desarrollo de construcciones óseas diseñadas mediante ingeniería tisular, que deberían fomentar la regeneración del tejido. [35] Se ha demostrado que recubrir un implante con RGD mejora la adhesión, proliferación y supervivencia de las células óseas. Los estudios in vivo de dichos recubrimientos demostraron además una osteointegración mejorada . La modificación de la superficie de un implante de titanio con una proteína que contiene RGD mejoró la mineralización ósea y la integración del implante y evitó el fallo de la prótesis. [34]
El daño a la córnea causa un deterioro significativo de la visión, cuyo tratamiento más común es el trasplante de córnea con aloinjerto. Sin embargo, los injertos de córnea de donantes son escasos y, al igual que otros injertos de tejido, conllevan el riesgo de rechazo o enfermedades transmisibles. [36] Por lo tanto, las opciones de ingeniería de tejidos son deseables. En andamios de biomateriales de seda que replican la estructura jerárquica de la córnea , la adición de RGD mejoró la unión celular, la alineación, la proliferación y la expresión de la proteína ECM . [3] [36] Además, RGD se ha utilizado en la regeneración del epitelio pigmentado de la retina. Este tejido puede generarse a partir de células madre pluripotentes inducidas y embrionarias humanas , aunque con una diferenciación ineficiente . Se ha demostrado que los hidrogeles de alginato RGD mejoran la derivación del tejido retiniano a partir de células madre. [3] [37]
RGD y otros ligandos bioactivos pueden presentarse en la superficie de un biomaterial en varias disposiciones espaciales diferentes, y se ha demostrado que estas disposiciones tienen un impacto significativo en el comportamiento celular. En monocapas autoensambladas , se descubrió que la adhesión y proliferación tanto de las células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) como de las células madre mesenquimales humanas (MSC) aumentaban en función de la densidad del péptido RGD. Estos estudios también mostraron que la densidad de RGD podría cambiar la expresión de integrinas, lo que se ha postulado para permitir el control de las vías de señalización bioquímica. Investigaciones adicionales de MSC en monocapas autoensambladas mostraron que la modulación de la densidad de RGD y la afinidad de RGD por αvβ3 (mediante el uso de RGD lineal y ciclado ) podría usarse para controlar la diferenciación de MSC. [38] También se ha evaluado el efecto de la presentación de RGD en células en biomateriales 3D, que replican con mayor precisión el entorno in vivo . En los hidrogeles degradables de polietilenglicol , la longitud de las estructuras similares a capilares formadas por las HUVEC era directamente proporcional a la densidad de RGD en el hidrogel. [38] [39] Además, los estudios en nanomodelos han demostrado que, mientras que un aumento en la densidad global de RGD aumenta la fuerza de adhesión celular hasta la saturación, un aumento en la densidad de RGD local (mico/nanoescala) no sigue esta tendencia. [38]
RGD es el más utilizado de una clase más amplia de péptidos adhesivos celulares. Estas secuencias cortas de aminoácidos son el motivo mínimo de una proteína más grande que es necesaria para unirse a un receptor de la superficie celular que impulsa la adhesión celular. [40] La mayoría (89%) de los estudios publicados sobre biomateriales funcionalizados con péptidos adhesivos celulares utilizan RGD, mientras que IKVAV y YIGSR se utilizan en el 6% y el 4% de esos estudios, respectivamente. [40] Los péptidos adhesivos celulares aislados de fibronectina incluyen RGD, RGDS, PHSRN y REDV. [41] [42] YIGSR e IKVAV se aíslan de laminina, mientras que DGEA y GFOGER/GFPGER se aíslan del colágeno. [41] También se han sintetizado secuencias de aminoácidos artificiales, que no tienen ninguna similitud biológica con las proteínas de la MEC, e incluyen el péptido RRETAWA específico de α5β1. [31] [43]
Los péptidos lineales RGD sufren de baja afinidad de unión, rápida degradación por proteasas y falta de especificidad por el tipo de integrina. [44] RGD se puede ciclar o convertir en un compuesto cíclico mediante enlaces disulfuro, tioéter o anillos aromáticos rígidos. Esto conduce a un aumento en la afinidad de unión y la selectividad por la integrina αVβ3 en relación con αIIBβ3. [44] [30] Por ejemplo, se demostró que el péptido cíclico ACDCRGDCFCG, también conocido como RGD4C, es 200 veces más potente que los péptidos RGD lineales comúnmente utilizados. [30] La rigidez estructural de los péptidos RGD cíclicos mejora sus propiedades de unión y previene la degradación en el residuo de ácido aspártico altamente susceptible, aumentando así su estabilidad. [30] Muchos medicamentos y diagnósticos derivados de RGD están ciclados, incluidos Eptifibatida, Cilengitida, CEND-1, 18 F-Galacto-RGD y 18 F-Fluciclatida-RGD. [13] [18]