Los PROTAC revolucionan los fármacos de moléculas pequeñas

Los investigadores están explorando cómo las PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTAC) pueden tratar potencialmente el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas y otras afecciones difíciles de tratar. Los PROTAC son moléculas pequeñas heterobifuncionales que ayudan a activar el sistema ubiquitina-proteasoma para la degradación de proteínas y se consideran un subconjunto de los degradadores de proteínas dirigidos (TDP). Consisten en un ligando, un conector y una fracción de reclutamiento, y unen la proteína que debe degradarse con la ligasa E3. Esto conduce finalmente a la degradación de dicha proteína, mientras que el PROTAC se recicla para repetir el proceso con otra molécula proteica.  

Las variantes de los PROTAC incluyen:  

• PROteolysis Targeting AntiBodies (PROTAB)  ‍
• Pegamentos moleculares
• Quimeras dirigidas a lisosomas (LYTAC)
• Quimeras dirigidas a la degradación por macrófagos (MADTAC)

Analizamos la CAS Content Collection^TM, la mayor colección de información científica seleccionada por expertos humanos, para comprender mejor cómo ha cambiado el panorama de la investigación en los últimos años, y descubrimos un aumento notable tanto en las publicaciones de revistas como en las patentes relacionadas con los PROTAC en los últimos años (véase la Figura 1). Nuestro análisis también reveló qué PROTAC están ganando terreno entre los investigadores y las enfermedades a las que se dirigen con mayor frecuencia.

Cómo actúan los PROTAC sobre las proteínas

La degradación de proteínas es un proceso fisiológico normal para eliminar proteínas dañadas o mal plegadas. Los PROTAC facilitan este proceso actuando como puente entre las proteínas diana de interés (es decir, aquellas que desempeñan un papel en el cáncer y otras enfermedades) y las ligasas E3. Estas ligasas marcan la proteína de interés con ubiquitina; las etiquetas de ubiquitina actúan como una señal para el sistema ubiquitina-proteasoma de que la molécula de proteína debe ser degradada. Los PROTAC acercan estas ligasas a las proteínas diana, permitiendo la ubiquitinación y la posterior degradación (véase la Figura 2).

La molécula PROTAC en sí está compuesta por un ligando, un conector y una fracción de reclutamiento; el ligando actúa como medio para dirigirse a la proteína de interés, el conector permite un espaciado óptimo entre la proteína y las ligasas E3, y la fracción de reclutamiento permite la activación de las ligasas E3 adecuadas.

Inicialmente, los PROTAC estaban compuestos por un ligando, un conector y una fracción de reclutamiento, y se dirigían a una sola proteína de interés. Sin embargo, los nuevos desarrollos han dado lugar a diferentes diseños de PROTAC que pueden dirigirse a las proteínas de numerosas formas:

• PROTAC duales y multiobjetivo: A diferencia de los PROTAC convencionales, estos pueden diseñarse para dirigirse a más de un tipo de proteína. ‍
• PROTAC basados en péptidos: Utilizan restos peptídicos en lugar de moléculas pequeñas como ligando de direccionamiento en los PROTAC convencionales. Esto les permite actuar sobre proteínas que no cuentan con inhibidores de moléculas pequeñas existentes. ‍
• bioPROTAC: Consisten en ligasas E3 modificadas con una proteína unida que funciona como el ligando de direccionamiento en los PROTAC convencionales e interactúa con la proteína de interés. ‍
• Quimeras dirigidas a la proteólisis formadas por química clic intracelular (CLIPTAC): Se han desarrollado los CLIPTAC para intentar superar los problemas de administración oral de los PROTAC. Estos forman el PROTAC dentro de las células mediante la administración secuencial del ligando de direccionamiento y el resto de reclutamiento de E3; el acoplamiento intracelular utiliza una reacción de cicloadición de Diels-Alder con demanda electrónica inversa (IEDDA) entre la tetrazina unida al resto de reclutamiento de E3 y el trans-cicloocteno unido al ligando de direccionamiento. ‍
• PROTAC de liberación por clic (crPROTAC): Utilizan la reacción IEDDA de forma similar a los CLIPTAC. La idea consiste en administrar una versión profármaco del PROTAC que libere la versión activa únicamente en las áreas o sitios deseados. ‍
• Quimeras dirigidas fotoquímicamente (PHOTAC): Logran una degradación proteica máxima tras la activación por luz, lo que confiere selectividad y reduce potencialmente los efectos fuera de diana.

Las ligasas E3 despiertan interés investigador

Dado que los PROTAC reclutan ligasas E3, analizamos los casi 2000 documentos relacionados con PROTAC en la CAS Content Collection y encontramos cuatro ligasas E3 de especial interés para los investigadores (véase la Figura 3).

• Cereblon: Es una proteína compuesta por unos 440 residuos de aminoácidos que interactúa con numerosas proteínas para formar el complejo de la ligasa de ubiquitina E3. El cereblon se considera la ligasa E3 más estudiada en relación con los PROTAC. ‍
• VHL: Actúa como receptor/subunidad de reconocimiento de sustrato para el CRL2, un complejo de ligasa E3 de tipo cullin-RING (CRL), junto con la elongina B, la elongina C, la cullina 2 y la proteína de caja RING (Rbx1). ‍
• IAP: Es una familia de proteínas que incluye la IAP celular 1 (cIAP1), la cIAP2 y la IAP ligada al cromosoma X (XIAP). Los PROTAC dependientes del reclutamiento de IAP suelen denominarse borradores de proteínas específicos y no genéticos dependientes de IAP (SNIPER). ‍
• MDM2: Es una proteína compuesta por unos 480 residuos de aminoácidos cuya sobreexpresión se ha relacionado con la resistencia a la quimioterapia.

Identificamos coocurrencias en la literatura entre ligasas E3, receptores de reconocimiento de sustrato y dianas proteicas (véase la Figura 4). El cereblon y la VHL coocurren con mayor frecuencia con proteínas que contienen bromodominios. Otras coocurrencias frecuentes con el cereblon incluyen proteínas de leucemia y linfoma de células B, así como receptores de andrógenos (AR) y receptores de estrógenos (ER). La MDM2 y la IAP muestran una distribución uniforme entre las dianas proteicas:

Los PROTAC se dirigen al cáncer, las enfermedades infecciosas y las afecciones neurodegenerativas

Nuestro análisis muestra que el cáncer sigue siendo la principal enfermedad a la que se dirige la investigación sobre PROTAC, seguida de las enfermedades infecciosas y las afecciones neurodegenerativas (véase la Figura 5).

El cáncer de mama, el cáncer de próstata y el melanoma son los cánceres sólidos más comunes que coocurren con los PROTAC, y los recientes avances en la diana de los AR en el cáncer de próstata y los ER en el cáncer de mama explican la prevalencia de estas enfermedades en la literatura.

Las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, que implican proteínas mal plegadas, también pueden ser objeto de los PROTAC degradadores de proteínas. Si estos fármacos de moléculas pequeñas logran destruir las proteínas defectuosas que causan estas enfermedades, podría suponer importantes avances terapéuticos que aborden las causas, no solo los síntomas. La proteína tau, por ejemplo, cuenta con un número creciente de publicaciones en el campo de los PROTAC (véase la Figura 6), lo que demuestra el creciente interés por desarrollar estos fármacos para afecciones neurodegenerativas.

Otras dianas proteicas comunes incluyen los AR, los ER y las proteínas que contienen bromodominios, pero también proteínas que hasta ahora se han resistido al tratamiento con fármacos de moléculas pequeñas, como KRAS y BCL2. Estos esfuerzos aún no han producido candidatos clínicos, ya que la mayoría se centran en AR y ER, pero ofrecen nuevas posibilidades para actuar sobre estas proteínas que desempeñan papeles importantes en diversos tipos de cáncer.

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Los ensayos clínicos con PROTAC crecen rápidamente

Desde 2020, el número de fármacos en fase preclínica de desarrollo se ha multiplicado por más de cuatro. En 2024, había seis PROTAC en ensayos clínicos de fase I y otros seis en fase II (véase la Figura 7). Esto es notable si se considera que la primera publicación en una revista científica relacionada con los PROTAC data de 2001, hace poco más de dos décadas.

La mayoría de estos ensayos se dirigen a formas inespecíficas de cáncer, pero el cáncer de mama y el de próstata también ocupan un lugar destacado. Los fármacos para estas últimas enfermedades han alcanzado las fases II y III. Por ejemplo, el vepdegestrant (ARV-471), un PROTAC diseñado por Arvinas y Pfizer para el tratamiento del cáncer de mama, ha llegado a la fase III (ref). El GT20029, el primer PROTAC tópico diseñado por Suzhou Kintor Pharmaceutical, es otro tratamiento prometedor dirigido al AR que ha alcanzado la fase II.

También hay ensayos preclínicos en curso para dianas proteicas implicadas en las enfermedades de Alzheimer, Parkinson y Huntington, así como para quinasas implicadas en el VIH, la hepatitis B y enfermedades autoinmunes. La variedad de dianas que se están explorando para el tratamiento con PROTAC demuestra el potencial de estos fármacos para abordar numerosas afecciones difíciles de tratar.

Superar los desafíos para el uso clínico de los PROTAC

Aunque los PROTAC son muy prometedores, su desarrollo se encuentra en una fase inicial y deben superar importantes desafíos antes de su uso clínico generalizado. Un avance clave será garantizar que solo se unan a proteínas diana en células dañadas o enfermas. Los efectos fuera de diana, donde los PROTAC degradan proteínas en células sanas, pueden ser muy perjudiciales. Una posible solución es diseñar nuevos tipos de PROTAC, como los PHOTAC y CLIPTAC, que probablemente permitan la liberación espaciotemporal de PROTAC activos.

La caracterización es otro desafío; la mayoría de las técnicas se centran en comprobar si los PROTAC diseñados se unen a una proteína de interés, pero no evalúan ni consideran las interacciones dentro de una célula viva. Este conocimiento incompleto impide comprender a fondo en qué punto podrían fallar los PROTAC.

Por último, dado que los PROTAC no suelen cumplir la regla de los cinco de Lipinski, su administración oral es compleja. Será necesario desarrollar nuevas formulaciones y sistemas de administración de fármacos para superar este obstáculo.

Estos avances requerirán esfuerzos de investigación intensos, pero el progreso con modalidades no tradicionales como los inhibidores covalentes demuestra que nuevos enfoques pueden marcar una diferencia significativa en los tratamientos. Con tanto que ganar al atacar las proteínas que impulsan el cáncer y otras enfermedades, la comunidad científica hace bien en invertir tiempo y esfuerzo en lograr estos avances.