PROTACs revolucionam os medicamentos de pequenas moléculas

Pesquisadores estão explorando como PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) podem potencialmente tratar câncer, doenças neurodegenerativas e outras condições de difícil tratamento. Os PROTACs são pequenas moléculas heterobifuncionais que ajudam a engajar o sistema ubiquitina-proteassoma para a degradação de proteínas e são considerados um subconjunto de degradadores de proteínas direcionados (TDPs). Eles consistem em um ligante-conector-porção de recrutamento e unem a proteína que precisa ser degradada à E3 ligase. Isso eventualmente leva à degradação dessa proteína, com o PROTAC sendo reciclado para repetir o processo com outra molécula de proteína.  

Variações de PROTACs incluem:  

• PROteolysis Targeting AntiBodies (PROTABs)  ‍
• Colas moleculares
• Quimeras direcionadas a lisossomos (LYTACs)
• Quimeras direcionadas à degradação por macrófagos (MADTACs)

Analisamos a CAS Content Collection^TM, a maior coleção de informações científicas com curadoria humana, para entender melhor como o cenário de pesquisa mudou nos últimos anos, e descobrimos um aumento notável tanto em publicações de periódicos quanto em patentes relacionadas a PROTACs nos últimos anos (veja a Figura 1). Nossa análise também revelou quais PROTACs estão ganhando força entre os pesquisadores e as doenças que eles estão sendo usados para tratar.

Como os PROTACs visam proteínas

A degradação de proteínas é um processo fisiológico normal para eliminar proteínas danificadas ou mal enoveladas. Os PROTACs facilitam esse processo atuando como uma ponte entre as proteínas-alvo de interesse (ou seja, aquelas que desempenham um papel no câncer e outras doenças) e as E3 ligases. Essas ligases marcam a proteína de interesse com ubiquitina; as marcas de ubiquitina atuam como um sinal para o sistema ubiquitina-proteassoma de que a molécula de proteína deve ser degradada. Os PROTACs trazem essas ligases para perto das proteínas-alvo, permitindo a ubiquitinação e a subsequente degradação (veja a Figura 2).

A molécula PROTAC em si é composta por uma porção ligante-conector-recrutamento, com o ligante atuando como um meio para atingir a proteína de interesse, o conector permitindo o espaçamento ideal entre a proteína e as E3 ligases, e a porção de recrutamento permitindo o engajamento das E3 ligases apropriadas.

Inicialmente, os PROTACs eram compostos por uma porção ligante-conector-recrutamento e visavam uma proteína de interesse. No entanto, novos desenvolvimentos resultaram em diferentes designs de PROTACs que podem atingir proteínas de várias maneiras:

• PROTACs duais e multialvo: Ao contrário dos PROTACs convencionais, estes podem ser projetados para atingir mais de um tipo de proteína. ‍
• PROTACs baseados em peptídeos: Utilizam frações peptídicas em vez de pequenas moléculas como ligante de direcionamento nos PROTACs convencionais. Isso permite que eles atinjam proteínas que não possuem inibidores de pequenas moléculas existentes. ‍
• bioPROTACs: Consistem em ligases E3 modificadas com uma proteína ligada que funciona como o ligante de direcionamento nos PROTACs convencionais e interage com a proteína de interesse. ‍
• Quimeras direcionadoras de proteólise formadas por "click chemistry" intracelular (CLIPTACs): Os CLIPTACs têm sido estudados para tentar superar problemas com a administração oral de PROTACs. Eles formam o PROTAC dentro das células através da administração sequencial do ligante de direcionamento e da fração de recrutamento da E3, e o acoplamento intracelular utiliza uma reação de cicloadição de Diels-Alder com demanda eletrônica inversa (IEDDA) entre a tetrazina ligada à fração de recrutamento da E3 e o trans-ciclo-octeno ligado ao ligante de direcionamento. ‍
• PROTACs de liberação por "click" (crPROTACs): Utilizam a reação IEDDA de forma semelhante aos CLIPTACs. A ideia é administrar uma versão pró-fármaco do PROTAC que libera a versão ativa apenas em áreas/locais desejados. ‍
• Quimeras direcionadoras fotoquimicamente (PHOTACs): Estes alcançam a degradação máxima de proteínas após ativação por luz, conferindo seletividade e reduzindo potencialmente os efeitos fora do alvo.

Ligases E3 geram interesse em pesquisa

Como as ligases E3 são recrutadas pelos PROTACs, analisamos os quase 2.000 documentos relacionados a PROTACs na CAS Content Collection e encontramos quatro ligases E3 que são de particular interesse para os pesquisadores (veja a Figura 3).  

• Cereblon: É uma proteína composta por cerca de 440 resíduos de aminoácidos que interage com inúmeras proteínas para formar o complexo da ubiquitina ligase E3. O cereblon é considerado a ligase E3 mais explorada em relação aos PROTACs. ‍
• VHL: Atua como o receptor/subunidade de reconhecimento de substrato para o CRL2, um complexo de cullin-RING E3 ligase (CRL), em conjunto com a elongina B, elongina C, culina 2 e a proteína RING box 1 (Rbx1). ‍
• IAP: É uma família de proteínas que inclui a IAP1 celular (cIAP1), cIAP2 e a IAP ligada ao cromossomo X (XIAP). Os PROTACs dependentes do recrutamento de IAP são frequentemente chamados de apagadores de proteínas específicos e não genéticos dependentes de IAP (SNIPERs). ‍
• MDM2: É uma proteína composta por cerca de 480 resíduos de aminoácidos cuja superexpressão tem sido associada à resistência à quimioterapia.

Identificamos coocorrências na literatura entre ligases E3, receptores de reconhecimento de substrato e proteínas-alvo (veja a Figura 4). Cereblon e VHL coocorrem mais frequentemente com proteínas contendo bromodomínio. Outras coocorrências frequentes com o cereblon incluem proteínas de leucemia e linfoma de células B, receptores de andrógeno (ARs) e receptores de estrogênio (ERs). MDM2 e IAP mostram uma distribuição uniforme entre as proteínas-alvo:

PROTACs visam câncer, doenças infecciosas e condições neurodegenerativas

Nossa análise mostra que o câncer continua sendo a principal doença visada pela pesquisa com PROTACs, seguida por doenças infecciosas e condições neurodegenerativas (veja a Figura 5).

Câncer de mama, câncer de próstata e melanoma são os cânceres sólidos mais comuns que coocorrem com PROTACs, e os avanços recentes visando ARs no câncer de próstata e ERs no câncer de mama explicam a prevalência dessas doenças na literatura.

Doenças neurodegenerativas como Alzheimer e Parkinson, que envolvem proteínas mal enoveladas, também podem ser alvo de PROTACs degradadores de proteínas. Se esses fármacos de pequenas moléculas conseguirem destruir com sucesso as proteínas defeituosas que impulsionam essas doenças, isso poderá sinalizar avanços importantes no tratamento que abordam as causas, e não apenas os sintomas. A proteína Tau, por exemplo, tem um número crescente de publicações no campo de PROTACs (veja a Figura 6), demonstrando o interesse crescente no desenvolvimento desses fármacos para condições neurodegenerativas.  

Outras proteínas-alvo comuns incluem ARs, ERs e proteínas contendo bromodomínio, mas também proteínas que resistiram ao tratamento com fármacos de pequenas moléculas até agora, como KRAS e BCL2. Esses esforços ainda não produziram candidatos clínicos, uma vez que a maioria é voltada para AR e ER, mas estão oferecendo novas possibilidades para atingir essas proteínas que desempenham papéis importantes em vários tipos de câncer.

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Ensaios clínicos com PROTACs estão crescendo rapidamente

Desde 2020, o número de fármacos em estágio pré-clínico de desenvolvimento aumentou mais de quatro vezes. Em 2024, havia seis PROTACs em ensaios clínicos de Fase I e Fase II, cada um (veja a Figura 7). Isso é notável, considerando que a primeira publicação em periódico relacionada a PROTAC remonta a 2001 – pouco mais de duas décadas atrás.

A maioria desses ensaios visa formas não especificadas de câncer, mas o câncer de mama e de próstata também se destacam. Fármacos para essas últimas doenças chegaram às Fases II e III. Por exemplo, o vepdegestrant (ARV-471), um PROTAC projetado pela Arvinas e Pfizer para o tratamento do câncer de mama, chegou à Fase III (ref). O GT20029, o primeiro PROTAC tópico projetado pela Suzhou Kintor Pharmaceutical, é outro tratamento promissor que visa o AR e que chegou à Fase II.  

Ensaios pré-clínicos também estão em andamento para proteínas-alvo envolvidas nas doenças de Alzheimer, Parkinson e Huntington, assim como para quinases envolvidas no HIV, hepatite B e doenças autoimunes. A variedade de alvos sendo explorados para tratamento com PROTACs demonstra o potencial desses fármacos para combater inúmeras condições de difícil tratamento.

Superando desafios para o uso clínico de PROTACs

Embora os PROTACs sejam certamente muito promissores, seu desenvolvimento ainda está no início e eles apresentam desafios importantes que precisam ser superados antes que possam entrar em uso clínico generalizado. Um desenvolvimento fundamental será garantir que os PROTACs se liguem apenas a proteínas-alvo em células danificadas ou doentes. Efeitos fora do alvo, onde os PROTACs degradam proteínas em células saudáveis, podem ser muito prejudiciais. Uma solução potencial para esse problema é o design de novos tipos de PROTACs, como PHOTACs e CLIPTACs, que provavelmente permitirão a liberação espaço-temporal de PROTACs ativos.

A caracterização é outro desafio — a maioria das técnicas de caracterização foca em testar se os PROTACs projetados se ligam a uma proteína de interesse, mas não testam ou consideram as interações entre os PROTACs e a proteína de interesse dentro de uma célula viva. Esse conhecimento incompleto impede uma compreensão mais profunda do ponto em que os PROTACs podem estar falhando.

Por fim, como os PROTACs tendem a não cumprir a regra dos cinco de Lipinski, projetá-los para administração oral é difícil. O desenvolvimento de novas formulações e sistemas de entrega de medicamentos será necessário para superar esse obstáculo.  

Esses avanços exigirão esforços intensos de pesquisa, mas o progresso com modalidades não tradicionais, como inibidores covalentes, demonstra que novas abordagens podem fazer uma diferença significativa em novos tratamentos. Com tanto a ganhar ao atingir as proteínas que impulsionam o câncer e outras doenças, a comunidade científica faz bem em investir tempo e esforço para viabilizar essas descobertas.