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El impacto de las nuevas tecnologías de cribado farmacológico en el proceso de descubrimiento de fármacos

El término "High Throughput Screening (HTS)", o cribado farmacológico de alto rendimiento, consiste en testar grandes colecciones de compuestos químicos o productos naturales para identificar moléculas biológicamente activas. En la era post-genómica, el HTS está siendo fundamental para el descubrimiento de nuevos fármacos.

La innovación en las ciencias de la salud ha tenido en las últimas décadas una gran repercusión en la calidad de vida y en el tratamiento de enfermedades. Un buen ejemplo es el descubrimiento de las bases moleculares de algunos tipos de cáncer y el consecuente impacto en el desarrollo de nuevos medicamentos. Una etapa fundamental en este proceso es la identificación, mediante técnicas de cribado farmacológico, de compuestos químicos que interaccionan con las macromoléculas implicadas en los procesos patológicos, modulando así su actividad biológica.

El HTS ha evolucionado considerablemente desde su comienzo en los años 90 (1). En sus orígenes la tecnología permitía testar unos pocos miles de compuestos en unos meses, y se consideraba un éxito el encontrar alguno cuya potencia estuviera en el rango uM. Hoy en día se pueden evaluar millones de compuestos en unos pocos días. En la mayoría de los casos se identifican series químicas con potencias nM, donde en muchos casos puede observarse claramente una relación estructura-actividad entre los compuestos activos. Además, los procesos de HTS permiten evaluar los compuestos activos en ensayos secundarios de selectividad frente a otras macromoléculas, así como en ensayos biológicamente más complejos: control de rutas metabólicas, monitorización de eventos intracelulares, perfiles de expresión génica, etc. El acceso rápido a todos estos datos permite acelerar considerablemente la identificación de compuestos cabezas de serie para su posterior transformación en candidatos a desarrollo clínico (1), o la identificación de sondas moleculares que permitan validar la diana de interés para su uso terapéutico (2).

En GSK hemos creado dos unidades de HTS, una de ellas en Tres Cantos (Madrid), lo que ha supuesto una fuerte inversión. El primer reto fue la creación de la infraestructura necesaria para la gestión de las colecciones de compuestos químicos. En colaboración con varias empresas de ingeniería y automatización, hemos construido una unidad automatizada para el almacenamiento y manejo más de 2 millones de muestras químicas. Una parte integral de este sistema son los equipos de dispensación de compuestos en las placas de ensayo. Para ello utilizamos dispositivos que, mediante energía acústica o piezoeléctrica, son capaces de dispensar nL de compuestos con alta precisión y exactitud. Otro objetivo muy importante es aumentar continuamente la diversidad química de la colección mediante la síntesis interna o en colaboración con otros grupos o empresas.

El diseño de nuevas tecnologías de ensayos (3,4) y el desarrollo de métodos de análisis de datos (5) son otras áreas clave en el proceso de HTS. Sirvan como ejemplo los cambios en las técnicas de cribado farmacológico para el estudio de los receptores de membrana acoplados a proteínas G (Figura) (4). El método tradicional estaba basado en la unión de ligando marcado radiactivamente a membranas celulares, con posterior filtración para separar el ligando unido del libre. En la actualidad se utilizan una variedad de técnicas homogéneas para medir la unión del ligando al receptor (centelleo por proximidad) o las respuestas intracelulares mediadas por estos receptores (movilización de calcio intracelular, producción de cAMP, o traslocación de b-arrestina). Para monitorizar las cinéticas de Ca2+ intracelular se utilizan sondas fluorescentes sensibles a la concentración de Ca2+, o bio-sensores proteicos (aequorin). Todos estos métodos se llevan a cabo en volúmenes de ensayo muy reducidos (1-5 uL) y en micro-placas de alta densidad. Aproximaciones similares se han desarrollado para otras familias de dianas moleculares, tanto solubles (enzimas o receptores nucleares) como proteínas unidas a membranas (canales iónicos, receptores de citoquinas, etc).

Aunque es todavía prematuro evaluar el impacto real de las inversiones realizadas en HTS, ya existen algunos productos en el mercado cuyo origen está en la utilización de estas nuevas tecnologías. Entre ellos destacan los inhibidores de tirosin quinasas (gefitinb, erlotinib, sorafenib y lapatinib) para el tratamiento del cáncer, los inhibidores de proteasas (tipranavar y sitagliptin) para el tratamiento de VIH y la diabetes respectivamente, o el trombopag, que mimetiza el efecto de la trombopoietina para el tratamiento de la trombocitopenia. Los datos de productos en desarrollo clínico y preclínico también apuntan a una contribución importante del HTS a los proyectos actualmente en estas etapas de desarrollo (6).

Es importante añadir que aunque el HTS se utiliza de manera generalizada para la identificación al azar de compuestos que interaccionan con la diana de interés, esta información se complementa habitualmente con técnicas basadas en el conocimiento estructural de la diana. Por ejemplo, siempre que es técnicamente posible, se utiliza la co-cristalización y análisis por rayos X de la proteína de interés unida a los compuestos activos. La interpretación de estos datos estructurales ayuda a entender mejor los resultados generados en el HTS, contribuyendo de esta manera a una mejor selección de los compuestos que serán utilizados en los programas de optimización química.

Diferentes eventos y metabolitos que pueden ser cuantificados para realizar HTS para receptores acoplados a proteínas G.
Referencias:
  1. Industrialization of the screening process (2004) E. Diez, S. Holland, J.A. et al. Eur. Pharm. Reviews 9(1).74-77.
  2. High-throughput screening assays for the identification of chemical probes (2007) J. Inglese, R.L. Johnson, et al. Nat. Chem. Biol. 3, 466-479.
  3. A homogenous method to measure aminoacyl-RNA synthetase activities using scintillation proximity assay technology (2000) R. Macarron, L. Mensah, et al. Anal. Biochem. 284, 183-190.
  4. Screening technologies for G-protein coupled receptors: from HTS to uHTS (2009) M. de los Frailes and E. Diez . Methods in Mol. Biol. 552, 15-37.
  5. Validation and Screen Reproducibility in High Throughput Screening (2009) I. Coma, L. Clark, et al. J. Biomol. Screening 14(1), 66-76.
  6. High throughput screening contribution to Drug Discovery (2008) E. Diez. 9th Annual Drug Discovery Leaders Summit, Montreaux, Switzerland.

Entrevista a Emilio Díez Monedero

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica? ¿le influyó alguien de forma especial?

R.- Desde que recuerdo con cierta claridad, en mi infancia siempre me interesó el conocer y entender cómo funcionaban las cosas a mí alrededor: los pequeños electrodomésticos, los motores, los productos químicos que se adquirían en las droguerías, y en especial me fascinaba el poder curativo, un poco mágico, de las medicinas. La posibilidad de generar materiales completamente distintos mediante reacciones químicas me parecía algo maravilloso, y desde muy temprano decidí dedicarme a la química. A lo largo de mis años de formación siempre tuve la suerte de tener muy buenos profesores tanto en el colegio como en la universidad, y no puedo decir que una sola persona tuviera una especial influencia en mi futuro. Sin embargo, fue mi profesor de biología en COU quien tuvo mucho que ver con mi interés por la Bioquímica. Fue en aquel año cuando decidí que quería dedicarme a la Investigación Biomédica.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Comencé mi carrera profesional como ayudante de laboratorio, al mismo tiempo que realizaba 4º de Químicas (Bioquímica), en un pequeño laboratorio codirigido por el Profesor Angel Martin Municio y el Profesor Amador Shüller Pérez en el Hospital Universitario de Madrid. Allí realicé más tarde la Tesina, la Tesis Doctoral, y finalmente dirigí durante dos años un pequeño grupo de investigación. Durante este periodo mi interés se centró en el estudio de alteraciones del metabolismo de los lípidos en varias situaciones patológicas, con especial énfasis en su papel en la traducción de señales. Posteriormente realicé una estancia en el Departamento de Bioquímica de la Escuela de Medicina de la Universidad de Massachussets con el Dr. Gary Johnson. Utilizando diferentes técnicas de biología molecular generamos una batería de líneas celulares con formas truncadas o mutantes de las distintas subunidades alfa de las proteínas G. El objetivo era estudiar el papel que las distintas subunidades tenían en las vías de señalización intracelular y así comprender mejor este complejo sistema de trasduccion de señales.
A finales de 1988 me incorporé al Departamento de Immunología y Biología Celular del Centro de Investigación de SmithKline Beecham en King of Prussia (Philadelphia), donde dediqué varios años a la identificación, aislamiento y caracterización de fosfolipasas celulares, con especial interés en aquellas implicadas en la liberación de ácido araquidónico.

A mediados de 1992 cambié el rumbo de mi carrera para dedicarme más directamente al descubrimiento de fármacos. Me trasladé de vuelta a España para dirigir uno de los departamentos del recién inaugurado Centro de Investigación de SmithKline Beecham en Tres Cantos , cerca de Madrid. Durante varios años trabajé en la búsqueda de productos naturales de origen microbiano con actividad farmacológica, y fui al mismo tiempo adquiriendo experiencia en la gestión de grupos multidisciplinares de científicos y tecnólogos. En la actualidad dirijo el Centro de referencia de GlaxoSmithKline en Europa para la identificación de compuestos farmacológicamente activos mediante cribado farmacológico de alto rendimiento. En este centro se desarrollan ensayos bioquímicos y celulares que permiten analizar millones de compuestos químicos con el objetivo de identificar compuestos cabezas de serie para programas de varias áreas terapéuticas.

P.- ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Todas las elecciones que uno hace a lo largo de la carrera profesional suponen dejar de hacer otras cosas, y es muy difícil especular acerca de las consecuencias sobre qué habría sido diferente. Dicho esto yo estoy contento con las decisiones que tomé ya que me han permitido conocer tanto la investigación básica en el mundo académico como la investigación en el entorno industrial. Esto me ha ayudado a tener una perspectiva más amplia sobre el papel de la investigación en la sociedad, y me ha ayudado a transformar las ideas y el conocimiento en soluciones aplicables a la búsqueda de nuevos fármacos.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- Se puede ser un buen investigador con características personales muy diferentes, y de hecho es deseable que así sea para que exista mayor diversidad. Sin embargo dos características importantes para mí son la inquietud continua de aprender y la capacidad reflexiva. La primera es una garantía para estar siempre alerta y no caer en la complacencia con los logros ya conseguidos, y la segunda nos permitirá ser críticos con nosotros mismos y desarrollar nuevas aproximaciones a los problemas a resolver. Ser una persona metódica y con una buena organización ayuda a ser más eficaz, pero creo se puede ser un buen investigador dentro de un aparente desorden. Otro aspecto que creo es importante para llegar a ser un excelente investigador es estar dispuesto a aceptar positivamente las críticas y los retos de otros científicos. Es fácil enfocarse tanto en el problema a resolver que a veces se pierde la perspectiva. Por ello, creo que discutir con otros colegas nuestros resultados y nuestras ideas nos puede hacer cambiar nuestro punto de vista, y a menudo progresar más rápidamente. 

P.- ¿Podría describirnos brevemente cuál es su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia? ¿Cómo ve el futuro de este área cientifica?

R.- En la actualidad dirijo un centro que se dedica a la identificación de moléculas de bajo peso molecular con actividad farmacológica. Trabajamos en colaboración con científicos especializados en diferentes áreas terapéuticas para desarrollar y poner a punto ensayos bioquímicos y celulares de procesos implicados en diferentes patologías, ensayos que nos permitan testar millones de compuestos con el mecanismo de acción deseado. Dentro de este contexto tengo especial interés en dos áreas: el desarrollo y la implementación de ensayos que sean cada vez más biológicamente relevantes; y la mejora de nuestra colección de compuestos químicos, incorporando compuestos con mejores características físico-químicas para llegar a ser buenos fármacos y que aporten más diversidad química a nuestra colección. Estas iniciativas nos permitirán reducir la tasa de fracaso en el proceso de descubrimiento y desarrollo de fármacos, y eventualmente nos ayudarán a poner a disposición de la sociedad fármacos más seguros y eficaces.

P.- ¿Cuál consideraría que  ha sido el principal avance científico del siglo XX? ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- El siglo XX ha sido el de la revolución científica y es difícil tener que elegir una sola contribución como representativa. Pensando en el impacto que ha tenido en nuestra sociedad, quizás los avances en el conocimiento detallado de la estructura atómica han sido lo más relevante. El modelo atómico y la teoría cuántica han permitido el desarrollo de multitud de nuevas aplicaciones que han cambiado radicalmente todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, así como la manera que tenemos de comunicarnos entre nosotros.

Si nos fijamos en nuestra área científica, creo que el desciframiento del código genético primero, y la secuenciación del genoma humano después, han tenido y continuarán teniendo un gran impacto en la biomedicina y en la mejora de la salud humana.

Perfil de Emilio Díez Monedero

Emilio Díez Monedero es Ldo. en Ciencias Químicas y Doctor en Bioquímica por la Universidad Complutense de Madrid. Inició su actividad investigadora en el Hospital Universitario San Carlos en Madrid, donde se dedicó al estudio de las fosfolipasas y su papel en mecanismos de señalización celular. Desde allí se trasladó a Estados Unidos, inicialmente a la Escuela de Medicina de la Universidad de Massachussetts. Posteriormente se incorporó a GlaxoSmithKline en Filadelfia, y en 1992 al Centro que la compañía abrió en el Parque Tecnológico de Tres Cantos en Madrid. Desde entonces sus intereses se han dirigido a la identificación de productos naturales y compuestos de síntesis química con actividad farmacológica en varias áreas terapéuticas.

Actualmente es Director del Centro de «Molecular Discovery Research» de GSK en España que, desde su creación, se ha convertido en unidad de referencia para el cribado molecular de alto rendimiento (HTS). Con una de las mayores colecciones de compuestos del mundo y completamente automatizado, el Centro de Madrid colabora en proyectos de investigación con grupos de investigación de GSK en Europa, Asia y Estados Unidos.