Los PROTAC revolucionan los fármacos de moléculas pequeñas

Los investigadores están explorando cómo PROteólisis TAdirigida Quimeras (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 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 de proteína.  

Las variaciones de los PROTAC incluyen:  

• PROteólisis Targeting Anticuerpos (PROTABs)  ‍
• Pegamentos moleculares
• Quimeras dirigidas a lisosomas (LYTACs)
• Quimeras dirigidas a la degradación por macrófagos (MADTACs)

Analizamos la CAS Content Collection^TM, la mayor colección de información científica catalogada por 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 principalmente.

Cómo los PROTAC se dirigen a 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 un 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 marcas 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 interacción con las ligasas E3 adecuadas.

Inicialmente, los PROTAC estaban compuestos por un ligando, un conector y una fracción de reclutamiento, y se dirigían a una única proteína de interés. Sin embargo, los nuevos avances 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: Estos utilizan fracciones basadas en péptidos en lugar de moléculas pequeñas como ligando de direccionamiento en los PROTAC convencionales. Esto les permite dirigirse a proteínas que no cuentan con inhibidores de moléculas pequeñas existentes. ‍
• bioPROTAC: Consisten en ligasas E3 modificadas con una proteína adjunta que funciona como el ligando de direccionamiento en los PROTAC convencionales e interactúa con la proteína de interés. ‍
• Quimeras de direccionamiento de proteólisis formadas por clic intracelular (CLIPTAC): Se han desarrollado los CLIPTAC para intentar superar los problemas de la administración oral de fármacos PROTAC. Estos forman el PROTAC dentro de las células mediante la administración sucesiva del ligando de direccionamiento y la fracción de reclutamiento de E3, y el acoplamiento intracelular utiliza una reacción de cicloadición de Diels-Alder con demanda electrónica inversa (IEDDA) entre la tetrazina unida a la fracción de reclutamiento de E3 y el trans-cicloocteno unido al ligando de direccionamiento. ‍
• PROTACs de liberación por clic (crPROTACs): Estos utilizan la reacción IEDDA de forma similar a los CLIPTACs. La idea consiste en administrar una versión de profármaco del PROTAC que libera la versión activa únicamente en las áreas o sitios deseados. ‍
• Quimeras dirigidas fotoquímicamente (PHOTACs): Estos 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 generan interés en la investigación

Dado que las ligasas E3 son reclutadas por los PROTACs, analizamos los casi 2000 documentos relacionados con PROTACs en la Colección de contenidos de CAS y encontramos cuatro ligasas E3 que son de particular interés para los investigadores (véase la Figura 3).  

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

Identificamos coocurrencias en la bibliografía entre ligasas E3, receptores de reconocimiento de sustratos y proteínas diana (ver Figura 4). Cereblon y VHL coocurren con mayor frecuencia con proteínas que contienen bromodominio. Otras coocurrencias frecuentes con cereblon incluyen proteínas de leucemia y linfoma de células B, receptores de andrógenos (AR) y receptores de estrógenos (ER). MDM2 e IAP muestran una distribución uniforme entre las proteínas diana:

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 de PROTAC, seguida de las enfermedades infecciosas y las afecciones neurodegenerativas (ver 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 dirigidos a los AR en el cáncer de próstata y a los ER en el cáncer de mama explican la prevalencia de estas enfermedades en la bibliografía.

Las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson, que implican proteínas mal plegadas, también pueden ser objeto de PROTAC degradadores de proteínas. Si estos fármacos de moléculas pequeñas logran destruir las proteínas defectuosas que causan estas enfermedades, podría suponer importantes avances en el tratamiento 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 (ver Figura 6), lo que demuestra el creciente interés en el desarrollo de estos fármacos para afecciones neurodegenerativas.  

Otros objetivos proteicos comunes incluyen los AR, los ER y las proteínas que contienen bromodominio, 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 están destinados a los AR y ER, pero ofrecen nuevas posibilidades para atacar estas proteínas que desempeñan papeles importantes en diversos tipos de cáncer.

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Los ensayos clínicos de PROTAC están creciendo 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 científica relacionada con los PROTAC se remonta a 2001, hace poco más de dos décadas.

La mayoría de estos ensayos se dirigen a formas no especificadas de cáncer, pero el cáncer de mama y el de próstata también ocupan un lugar destacado. Los fármacos para estas últimas enfermedades han alcanzado la Fase II y la Fase 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 objetivos proteicos implicados 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 objetivos que se están explorando para el tratamiento con PROTAC demuestra el potencial de estos fármacos para abordar numerosas afecciones difíciles de tratar.

Superación de los desafíos para el uso clínico de los PROTAC

Aunque los PROTAC son ciertamente muy prometedores, su desarrollo aún se encuentra en una etapa temprana y presentan desafíos importantes que deben abordarse antes de que puedan entrar en un uso clínico generalizado. Un avance clave será garantizar que los PROTAC solo se unan a las proteínas objetivo en células dañadas o enfermas. Los efectos fuera de objetivo, donde los PROTAC degradan proteínas en células sanas, pueden ser muy perjudiciales. Una posible solución a este problema es el diseño de nuevos tipos de PROTAC, como los PHOTAC y los CLIPTAC, que probablemente permitan la liberación espaciotemporal de PROTAC activos.

La caracterización es otro desafío: la mayoría de las técnicas de caracterización se centran en probar si los PROTAC diseñados se unen a una proteína de interés, pero no prueban ni consideran las interacciones entre los PROTAC y la proteína de interés dentro de una célula viva. Este conocimiento incompleto impide una comprensión más profunda del punto en el que los PROTAC podrían estar fallando.

Por último, dado que los PROTAC tienden a no cumplir con la regla de los cinco de Lipinski, es difícil diseñarlos para su administración oral. El desarrollo de nuevas formulaciones y sistemas de administración de fármacos será necesario para superar este obstáculo.  

Estos avances requerirán intensos esfuerzos de investigación, pero el progreso con modalidades no tradicionales como los inhibidores covalentes demuestra que los nuevos enfoques pueden marcar una diferencia significativa en los nuevos 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 para desbloquear estos avances.