El ácido arginilglicilaspártico ( RGD ) es el motivo peptídico más común responsable de la adhesión celular a la matriz extracelular (ECM), que se encuentra en especies que van desde Drosophila hasta los 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 medicamentos y diagnósticos, [2] mientras que el péptido en sí se usa de forma ubicua en bioingeniería . [3] Dependiendo de la aplicación y la integrina a la que se dirija, RGD puede modificarse químicamente o reemplazarse por un péptido similar que promueva la adhesión celular.
A principios de los años 1980, Ruoslahti y Pierschbacher identificaron la RGD como la secuencia mínima de reconocimiento dentro de la fibronectina necesaria para la adhesión celular. Para ello, los autores sintetizaron varios péptidos basándose en el hipotético sitio de adhesión celular de la fibronectina. Luego acoplaron esos péptidos a un plástico recubierto de proteína y probaron cada uno de ellos para determinar su actividad promotora de la adhesión celular. Se descubrió que solo aquellos que contenían la secuencia RGD mejoraban la adhesión celular. Además, demostraron que los péptidos que contenían RGD podían inhibir la adhesión celular a los 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 la misma manera que las células con receptores de superficie. [5] [6] Los receptores descubiertos se denominaron posteriormente integrinas. [7] [8] El motivo RGD se presenta de formas ligeramente diferentes en diferentes proteínas, lo que hace posible que las muchas integrinas que se unen a RGD distingan selectivamente las proteínas de adhesión individuales. [9] [10]
La comprensión de la base molecular de la unión a las integrinas ha permitido el desarrollo de varios fármacos para las enfermedades cardiovasculares y el cáncer, entre ellos eptifibatide , tirofiban y cilengitide . [11] [2] Estos fármacos inhiben la unión a las integrinas. Los radiotrazadores PET como la fluciclatida utilizan péptidos que contienen RGD para dirigirse a los tumores, lo que permite el seguimiento del cáncer. [12]
La eptifibatida y el tirofibán 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 una intervención coronaria percutánea . [15] Estos fármacos 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 de von Willebrand . La eptifibatida (comercializada como Integrilina) es un péptido cíclico (circular) de siete aminoácidos, mientras que el tirofibán es una molécula pequeña diseñada para imitar la química y la afinidad de unión de la secuencia RGD. [16] [17]
Cilengitide , 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 se regula positivamente en el tumor y las células endoteliales activadas. [19] Esta y otras terapias antiangiogénicas dependen de cortar el suministro de sangre al microambiente tumoral, lo que lleva a hipoxia y necrosis . [20] Cilengitide se ha evaluado para el tratamiento del glioblastoma , pero, como es el caso de otras terapias antiangiogénicas, no se ha demostrado que altere la progresión o mejore la supervivencia, ya sea solo 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 conduce a 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 contra el cáncer antiangiogénico han alcanzado un uso generalizado, ha aumentado el interés en el monitoreo no invasivo de la angiogénesis. Uno de los objetivos de la angiogénesis más ampliamente examinados es la integrina αVβ3. Los péptidos radiomarcados que contienen RGD muestran una 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 metaanálisis 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 se necesitan estudios a mayor escala. [19]
Los péptidos basados en RGD han encontrado muchas aplicaciones en la investigación biológica y en dispositivos médicos. En el mercado se encuentran placas de cultivo recubiertas con péptidos que imitan los motivos de adhesión de las proteínas de la matriz extracelular, que promueven el cultivo prolongado de células madre embrionarias humanas. [25] La RGD también es una herramienta de uso universal en la construcción de materiales "inteligentes" multifuncionales , como nanopartículas dirigidas a tumores. [26] Además, la RGD se utiliza ampliamente en la 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 la administración dirigida del fármaco al tejido deseado, aumentando la concentración del fármaco en el sitio de acción y disminuyendo la concentración del fármaco en otras partes, aumentando así la eficacia del fármaco y disminuyendo los efectos secundarios. [27] [3] La RGD se ha empleado para dirigir nanopartículas que contienen fármacos a tipos de células específicos, especialmente células cancerosas que expresan integrina αvβ3. [3]
Muchos grupos de investigación utilizan RGD para dirigir la doxorrubicina quimioterapéutica a las células cancerosas. Al igual que otros quimioterapéuticos de su clase, la doxorrubicina causa pérdida de 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 dependen de la orientación pasiva de los tumores por el efecto EPR , que varía según el paciente y el tipo de tumor. [28] [29] Las estrategias de orientación 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, los nanomateriales conjugados con RGD se han utilizado para administrar los fármacos quimioterapéuticos cisplatino , docetaxel , paclitaxel , 5-fluorouracilo y gemcitabina a las células cancerosas. Dichos nanomateriales también se han utilizado para administrar terapias combinadas citotóxicas y de alteración vascular . [3]
Si bien la terapia génica ha ganado una atención significativa de la comunidad médica, especialmente para la terapia del 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, la RGD se ha acoplado a vectores no virales para dirigir la administración de material genético a las células deseadas, aumentando así la eficiencia de transfección . [30]
La ingeniería tisular 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 estimular la regeneración de los tejidos. Un método clave para lograrlo utiliza ligandos derivados de la matriz extracelular , como RGD, para controlar las respuestas celulares a un biomaterial , como la adhesión, la proliferación y la diferenciación. [31]
Las altas tasas de enfermedades cardiovasculares crean una gran demanda de injertos para cirugía de bypass vascular, especialmente injertos de diámetro pequeño que previenen la oclusión . [3] Se ha demostrado que la modificación de 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 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 un andamiaje de tejido cardíaco promueve la adhesión celular, previene la apoptosis y mejora la regeneración tisular. [33] El péptido RGD también se ha utilizado para mejorar la adhesión y proliferación de células endoteliales en válvulas cardíacas sintéticas. [34]
Los defectos óseos o fracturas pueden ocurrir de varias maneras, incluyendo trauma, neoplasia, osteoporosis o trastornos congénitos. Los tratamientos como los autoinjertos o aloinjertos sufren de falta de sitios donantes y posibilidad de enfermedad transmisible, respectivamente. Por lo tanto, existe un interés considerable en el desarrollo de construcciones óseas de ingeniería de tejidos, que deberían estimular la regeneración tisular. [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 mejor osteointegración . La modificación de una superficie de implante de titanio con una proteína que contiene RGD mejoró la mineralización ósea y la integración del implante y evitó el fracaso 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 alogénica. Sin embargo, los injertos de córnea de donantes son escasos y, al igual que otros injertos de tejido, conllevan el riesgo de rechazo o enfermedad transmisible. [36] Por lo tanto, las opciones de ingeniería de tejidos son deseables. En los andamios de biomaterial de seda que replican la estructura jerárquica de la córnea , la adición de RGD mejoró la adhesión 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 se puede generar a partir de células madre pluripotentes inducidas y embrionarias humanas, sin embargo con una diferenciación ineficiente . Se ha demostrado que los hidrogeles de RGD- alginato mejoran la derivación de tejido retiniano a partir de células madre. [3] [37]
RGD y otros ligandos bioactivos se pueden presentar en la superficie de un biomaterial en una serie de diferentes disposiciones espaciales, y se ha demostrado que estas disposiciones tienen un impacto significativo en el comportamiento celular. En monocapas autoensambladas , se encontró que la adhesión y proliferación tanto de células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC) como de células madre mesenquimales humanas (MSC) aumentaron en función de la densidad del péptido RGD. Estos estudios también mostraron que la densidad de RGD podría cambiar la expresión de integrinas, que se ha postulado que permite el control de las vías de señalización bioquímica. Una investigación adicional de MSC en monocapas autoensambladas mostró que la modulación de la densidad de RGD y la afinidad de RGD por αvβ3 (a través del 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 HUVEC fue directamente proporcional a la densidad de RGD en el hidrogel. [38] [39] Además, los estudios en nano-modelado 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 local de RGD (micro/nano-escala) no sigue esta tendencia. [38]
RGD es el más utilizado de una clase más grande de péptidos adhesivos celulares. Estas secuencias cortas de aminoácidos son el motivo mínimo de una proteína más grande que es necesaria para la unión 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 la fibronectina incluyen RGD, RGDS, PHSRN y REDV. [41] [42] YIGSR e IKVAV se aíslan de la laminina, mientras que DGEA y GFOGER/GFPGER se aíslan del colágeno. [41] También se han sintetizado secuencias de aminoácidos artificiales, que no tienen similitud biológica con las proteínas de la matriz extracelular, e incluyen el péptido específico de α5β1 RRETAWA. [31] [43]
Los péptidos RGD lineales sufren de baja afinidad de unión, degradación rápida por proteasas y falta de especificidad para el tipo de integrina. [44] RGD se puede ciclar, o convertir en un compuesto cíclico , a través de enlaces disulfuro, tioéter o anillos aromáticos rígidos. Esto conduce a un aumento en la afinidad de unión y selectividad para 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 fármacos y diagnósticos derivados de RGD están ciclados, incluidos Eptifibatide, Cilengitide, CEND-1 y 18 F-Galacto-RGD, y 18 F-Fluciclatide-RGD. [13] [18]