Productos farmacéuticos recombinantes a partir de células microbianas: una actualización de 2015

Fábricas de células

Desde los primeros tiempos del ADN recombinante, el conocimiento cada vez mayor de la fisiología y el estrés celulares, y de los factores que intervienen en la expresión génica heteróloga y la producción de proteínas, potenció el uso de diferentes fábricas vivas, a saber, células procariotas y eucariotas, plantas o animales . Al utilizar estos sistemas, la producción recombinante resuelve los problemas de disponibilidad de fuentes, se considera un proceso bioseguro y ecológico y confiere la capacidad de modificar las secuencias de aminoácidos y, por tanto, la función de las proteínas, para ajustar mejor el producto a una función deseada . Existe un amplio y creciente espectro de sistemas de expresión que están disponibles para la producción de proteínas recombinantes . Escherichia coli fue la plataforma predominante cuando surgió el sector biofarmacéutico en la década de 1980, y le siguió la implantación de la levadura Saccharomyces cerevisiae. Ambos sistemas y las metodologías genéticas asociadas presentan una versatilidad inusitada, lo que los hace adaptables a diferentes demandas de producción . A pesar de la exploración de las células de insecto como sistema inicialmente exitoso, especialmente para las proteínas orientadas a la vacunación, las líneas celulares de mamíferos (sobre todo las células CHO) son hoy en día el sistema celular derivado de animales predominante debido a su idoneidad para producir proteínas convenientemente glicosiladas (Fig. 1). La capacidad de realizar modificaciones postraduccionales contrasta con los complejos requisitos nutricionales, la lentitud de crecimiento y la fragilidad, y los plazos y costes de producción relativamente elevados. Así, entre los muchos sistemas convencionales y emergentes basados en células para la producción de proteínas, las bacterias, las levaduras y las líneas celulares de mamíferos son los más comunes en biofarmacia, y tanto los sistemas procariotas como los eucariotas están evolucionando constantemente y compitiendo para mejorar sus propiedades e intensificarse como plataformas de elección para la producción de fármacos proteicos . Aunque las bacterias han perdido su papel de liderazgo inicial en este campo, alrededor del 30 % de los productos biofarmacéuticos comercializados se siguen produciendo en este sistema, como consecuencia de la inusual manipulabilidad fisiológica y genética de las células procariotas.

De hecho, el objetivo principal en el desarrollo de nuevas plataformas de producción de proteínas es mejorar la funcionalidad de los fármacos mediante el logro de un plegamiento proteico exitoso y de modificaciones postraduccionales, manteniendo la baja complejidad y la alta flexibilidad asociadas al cultivo de células procariotas. En este contexto, las bacterias Gram-positivas como Bacillus megaterium y Lactococcus lactis permiten la secreción eficiente de proteínas en ausencia de componentes endotóxicos de la pared celular, mientras que los hongos filamentosos (como Trichoderma reesei, ), el musgo (Physcomitrella patens, ) y los protozoos (Leishmania tarentolae, ) promueven patrones de glicosilación similares a los de las proteínas de mamíferos, pero siendo cultivados a través de métodos más simples que los requeridos por las células de mamíferos. En otro lugar se pueden encontrar amplias descripciones de plataformas emergentes (bacterianas y no bacterianas) dirigidas específicamente a la producción de fármacos proteicos de alta calidad. El reciente desarrollo de una cepa de E. coli libre de endotoxinas y su aplicación a la fabricación de proteínas y materiales proteicos allana el camino para una producción rentable y versátil de proteínas destinadas a usos biomédicos al saltarse los pasos de eliminación de endotoxinas, ganando así en bioseguridad y reduciendo los costes de producción . Es de esperar que todos estos nuevos sistemas ofrezcan pronto productos mejorados en enfoques de biofabricación aún sencillos y totalmente controlados.

Tendencias en biofármacos proteicos

Cerca de 400 productos basados en proteínas recombinantes han sido producidos con éxito y están aprobados como biofármacos , término que se refiere a los productos terapéuticos generados por tecnologías que involucran organismos vivos . Otros 1.300 candidatos proteicos están en fase de desarrollo, de los cuales alrededor del 50% se encuentran en estudios preclínicos y otro 33% en ensayos clínicos (Fig. 2). En este contexto, es previsible un aumento del número de aprobaciones en los próximos años. Desarrollada por Eli Lilly & Co en los años 70, Humulin, una insulina humana recombinante fabricada en la bacteria E. coli , fue el primer biofármaco aprobado (por la FDA) en 1982 . Otras proteínas naturales, como las hormonas, las citoquinas y los anticuerpos (Orthoclone OKT3) fueron algunos de los nueve productos aprobados en la década de 1980 (Tabla 1). En la actualidad, las áreas terapéuticas que más se han beneficiado de los biofármacos recombinantes son los trastornos metabólicos (por ejemplo, la diabetes de tipo 1, de tipo 2, la obesidad o la hipoglucemia), los trastornos hematológicos (por ejemplo, la anemia renal, la hemofilia A, los trastornos hemorrágicos o de la coagulación) y la oncología (por ejemplo, el melanoma, el cáncer de mama o el colorrectal), con el 24, el 18 y el 15 % de las aprobaciones respectivamente (Fig. 3). En este sentido, la oncología es un mercado en clara expansión. En el periodo 2010-2014, 9 de los 54 biofármacos aprobados eran fármacos antitumorales, siendo el cáncer la indicación más común en este periodo. Profundizando en las bases moleculares de los biofármacos, existe una clara tendencia hacia los productos basados en anticuerpos. Durante el mismo periodo (2010-2014), 17 de los 54 fármacos proteicos aprobados fueron anticuerpos monoclonales (31,5 %), frente al 11 % de 1980-1989. Además, entre los diez biofármacos proteicos más vendidos a nivel mundial en 2014 (Tabla 2), seis son anticuerpos o proteínas derivadas de anticuerpos (Humira, Remicade, Rituxan, Enbrel, Avastin, Herceptin; http://qz.com/349929/best-selling-drugs-in-the-world/).

Antes, los biofármacos eran versiones recombinantes de proteínas naturales, con la misma secuencia de aminoácidos que las respectivas versiones nativas (con solo pequeñas modificaciones, a menudo resultantes de la estrategia de clonación). Desde la década de 1990, una proporción significativa de las aprobaciones se basa en formas altamente modificadas de proteínas recombinantes. Esta novedosa alternativa, basada en la fusión de proteínas o dominios y en versiones truncadas, ofrece un amplio espectro de posibles combinaciones para obtener nuevos biofármacos con diferentes actividades unidas que no se encuentran juntas en la naturaleza.

Fármacos proteicos para el tratamiento del cáncer

La oncología es una de las indicaciones terapéuticas que dominan el mercado biofarmacéutico, ya que el cáncer es una de las principales causas de morbilidad y mortalidad en todo el mundo. La cirugía y la radioterapia son eficaces para curar el cáncer en las primeras fases de la enfermedad; sin embargo, no pueden erradicar la enfermedad metastásica. La presencia de micrometástasis o de metástasis clínicamente evidentes en el momento del diagnóstico exige su uso en combinación con la quimioterapia genotóxica para aumentar las tasas de curación . Sin embargo, el éxito de la quimioterapia se ha visto obstaculizado por su falta de selectividad y especificidad, de modo que la toxicidad para los tejidos normales limita la dosis que puede administrarse a los pacientes. El desarrollo de biofármacos capaces de inhibir dianas moleculares específicas que impulsan el cáncer (por ejemplo, los anticuerpos monoclonales anti-Her2-Trastuzumab- o anti-VEGF-Bevacizumab-) va en esta dirección.

Entre los biofármacos proteicos comercializados, casi el 24 % (94 productos) se utilizan en terapias antitumorales. La mayoría de estos productos se utilizan con fines de apoyo para minimizar los efectos secundarios de la quimioterapia, generalmente neutropenia o anemia (en la Tabla 3 se muestran algunos ejemplos representativos). Diecinueve de esos 94 productos son verdaderos fármacos antitumorales, el 69 % de los cuales se producen en E. coli (Fig. 4) y se basan en secuencias aminoacídicas diseñadas, fusiones de proteínas y dominios proteicos únicos (Tabla 4).

Claramente, las versiones de proteínas modificadas son las más abundantes en las terapias contra el cáncer, por encima de los polipéptidos naturales. Como ejemplos relevantes, el aflibercept Ziv es una proteína de fusión recombinante producida en células CHO utilizada contra el cáncer colorrectal. Consiste en porciones de cada uno de los receptores del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGFR1 y VEGFR2) fusionados a la fracción constante (Fc) de una inmunoglobulina humana IgG1 (Fig. 5). Esta construcción actúa como señuelo al unirse a VEGF-A, VEGF-B y al factor de crecimiento placentario (PlGF), que activan el VEGFR. Esta trampa dificulta la interacción entre los factores de crecimiento y los receptores, inhibiendo la vía del VEGF que participa en el proceso angiogénico . La denileucina diftitox es una proteína recombinante compuesta por dos fragmentos de toxina diftérica (A y B) y una interleucina-2 humana (Fig. 5). La toxina diftérica es una potente exotoxina secretada por Corynebacterium diphteriae. Debido a su peculiar estructura, todo el complejo, producido en E. coli, es capaz de entregar un agente citotóxico directamente a un objetivo específico. Hay dos bloques activos principales cuya función es, en primer lugar, entregar selectivamente el biofármaco (IL-2) y, en segundo lugar, causar citotoxicidad (toxina A y B) . La proteína de fusión se une al receptor de la IL-2, que se expresa en las células cancerosas (linfoma cutáneo de células T). Una vez que la fracción de la toxina se internaliza, el dominio catalítico promueve la muerte celular a través de la inhibición de la síntesis de proteínas .

Como la administración de fármacos dirigidos contra el cáncer es un área de investigación más reciente y en expansión, también están muy representados otros biofármacos no recombinantes basados en proteínas. Entre ellos se encuentran principalmente los conjugados anticuerpo-fármaco (ADC), como Brentuximab vedotin, Trastuzumab emtansina, o los conjugados nanopartícula-fármaco, como nab-paclitaxel . En estos casos, la proteína homóloga actúa como vehículo dirigido para los fármacos químicos convencionales. Una vez más, este enfoque persigue la administración selectiva del fármaco a células diana específicas, con el objetivo de aumentar la actividad antitumoral y reducir al mismo tiempo la toxicidad en las células normales y los efectos secundarios asociados.

Los productos contra el cáncer que proporcionaron los mayores ingresos en 2013 están representados en la Fig. 6. El 60% de esos productos son proteínas recombinantes, lo que respalda la idea de que la producción de proteínas recombinantes sigue siendo una plataforma en alza y prometedora, que ofrece margen para importantes avances en el sector biofarmacéutico.