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Nucleósidos oxidados como terapia anti-cancerígena

La lucha contra el cáncer resistente a quimioterapia sigue siendo una de las tareas más difíciles en clínica y esta batalla a menudo se pierde. Los nucleósidos artificiales o análogos de nucleobases (antimetabolitos) constituyen tratamiento de primera línea contra muchos cánceres hehematológicos y ciertos cánceres sólidos. Las tasas iniciales de respuesta a estas terapias suelen ser altas, pero los efectos adversos son dosis-limitantes y las alteraciones de vías del metabolismo de nucleótidos pueden resultar en una resistencia a los medicamentos.

Los nucleótidos, los que son derivados de nucleósidos (adenosina, guanosina, citidina, timidina y uridina), son componentes clave del ARN y del ADN y son críticos para la supervivencia celular. Por lo tanto, el mantenimiento de un control estricto del metabolismo de estas moléculas así como la prevención de daños sobre este conjunto de nucleótidos son cruciales. Si se incorporan nucleósidos oxidados en el ADN, estos pueden generar estragos en la expresión génica, causando mutaciones y daño en el ADN, lo que puede ser tóxico para las células. Las proteínas MTH1 evitan que purinas oxidadas (por ejemplo, 8-oxo-2'-desoxiguanosina-5'-trifosfato [8-oxo dGTP] o 2-hidroxi-2'-desoxiadenosina 5'-trifosfato [2-OH dATP], derivadas de nucleósidos de guanosina y adenosina) sean incorporadas al ADN (fig. 1), pero hasta la publicación de un reciente estudio reportado por Zauri y colaboradores (Nature 2015; 524: 114-8), se sabía poco acerca de cómo las células están protegidas de pirimidinas oxidadas (derivadas de los nucleósidos citidina, timidina y uridina). Estos investigadores encontraron que la citidina monofosfato quinasa 1 (CMK1) discrimina entre especies de citidina oxidadas, potencialmente tóxicas y citidinas no modificadas. La especificidad de CMPK1, por lo tanto, previene la incorporación de nucleósidos modificados de forma natural en el ADN, lo que de otra manera podría obstruir el metabolismo del material genético y causar efectos tóxicos (fig. 1A).

En el caso de la quimioterapia que involucra a análogos de nucleósidos artificiales, tales como citarabina, azacitidina, o gemcitabina, la enzima CMPK1 y otras quinasas no pueden discriminar entre citidina y estos análogos. Por lo tanto, estas moléculas son fosforiladas e incorporadas al ADN (y en algunos casos también en al ARN), conduciendo al daño del material genético y en última instancia, a la muerte de las células cancerígenas.

Aunque CMPK1 actúa como un guardián, dado que impide la incorporación en el ADN de especies de citidina modificadas naturalmente, Zauri y colegas descubrieron una forma de eludir esta enzima. Mediante la adición de citidinas oxidadas y con modificaciones epigenéticas (es decir, 5-hidroximetil-2'desoxicitidina [5hmdC] y 5-formil-2'desoxicitidina [5fdC]) a líneas celulares de cultivo, se encontró inesperadamente que algunas de esas líneas celulares mostraron altas tasas de mortalidad, indicando que la protección ante esas formas oxidadas de nucleósidos se había perdido. Luego, los autores mostraron que las células cancerígenas sobreexpresan citidina desaminasa, enzima que convierte 5hmdC y 5fdC en sus contrapartes con uracilo, las cuales luego son incorporadas en el ADN (fig. 1B).

Previamente, se ha reportado que la resistencia a análogos de citidina comúnmente usados (por ejemplo, citarabina y gemcitabina) puede ser mediada por la sobreexpresión de citidina desaminasa. Dado que las células resistentes a la quimioterapia sobreexpresan esta enzima que convierte moléculas de citidina a moléculas de uridina (tóxicas cuando se incorporan en el ADN), Zauri y su equipo plantearon la hipótesis de que nucleósidos de citidina oxidados en altas concentraciones pueden eliminar células cancerosas resistentes a la quimioterapia de una forma selectiva (CMPK1 protege a las células normales de los efectos tóxicos de estos nucleósidos. Las células normales tampoco presentan altos niveles de citidina desaminasa, por lo que no se espera que puedan formar derivados tóxicos de uridina). Los autores trataron ratones portadores de tumores con citidinas oxidadas (5hmdC y 5fdC), encontrando una buena actividad antitumoral, la que fue selectiva para los tipos de cáncer que sobreexpresan citidina deaminasa y que eran presumiblemente resistentes a la quimioterapia. No hubo efectos adversos observados en los ratones.

Este resultado eleva el espectro de un ensayo en el que 5hmdC y 5fdC sean utilizadas para tratar personas con cáncer resistente a quimioterapia que sobreexpresan citidina desaminasa. La resistencia a 5hmdC y a 5fdC es probable que surja, debido a la reversión a la baja expresión de citidina desaminasa. Una mejor estrategia podría ser combinar estas moléculas en un tratamiento  conjunto con análogos de citidina, de forma de prevenir la resistencia. Un asunto complicado podría ser que la resistencia a análogos de citidina puedan también desarrollar vías que no involucren la sobreexpresión de citidina desaminasa.

Figura 1: nucleósidos oxidados como estrategia terapéutica contra el cáncer.

La homeostasis redox balanceada previene la acumulación de nucleótidos oxidados (por ejemplo, 8-oxo-2 'desoxiguanosina-5'-trifosfato [8-oxodGTP] o 2-hidroxi-2 'desoxiadenosina 5'-trifosfato de [2-OHdATP]) en células normales, y de esta forma, la actividad de la enzima MTH1 (que desintoxica estos nucleótidos oxidados, convirtiéndolos en 2-OHdGMP y 2-OHdAMP) no es necesaria para la supervivencia (panel A). La citidina monofosfato quinasa 1 (CMPK1) normalmente fosforila a la desoxicitosina (dC) a su forma trifosfato (dCTP) y protege células cáncerígenas previniendo la fosforilación de formas oxidadas de  5-metildesoxicitidina (por ejemplo, 5-hidroximetil-2'desoxicitidina [5hmdC] y 5-formil 2'desoxictidina [5fdC]) y por consecuencia, la incorporación de estas citidinas tóxicas en el ADN. En las células cancerosas, una homeostasis redox desregulada genera una alta carga de nucleótidos oxidados. Por lo tanto, la supervivencia celular depende de la desintoxicación de estos nucleósidos mediante MTH1 y potencialmente por otras 8-oxodGTPasas (panel B). Estudios recientes (Nature 2014; 508: 215-21) sugieren dos nuevas estrategias para eliminar células cancerígenas (panel C). La inhibición de la actividad de MTH1 resulta en la incorporación de nucleótidos oxidados en el ADN, generando lesiones tóxicas. Además, ciertos tipos de cáncer sobreexpresan citidina desaminasa (CDA), lo que los hace resistentes al tratamiento con análogos de nucleósidos. Sin embargo, CDA convierte los nucleósidos oxidados 5hmdC y 5fdC en uridinas tóxicas, que son posteriormente fosforilados (5HmdUTP y 5FdUTP) e incorporados en el ADN de estas células cancerígenas resistentes a la quimioterapia, induciendo la muerte celular.

Las células cancerosas normalmente tienen altos niveles de especies reactivas de oxígeno y de nucleósidos oxidados como una consecuencia de una pérdida de la regulación redox. Por lo tanto, dependen en gran medida de MTH1 y probablemente de CMPK1 para evitar la incorporación de nucleósidos tóxicos en el ADN. Se ha demostrado que la inhibición de MTH1 elimina selectivamente células cancerosas por medio de la incorporación de nucleósidos oxidados en el ADN, fenómeno que no ocurre en células normales. El envenenamiento selectivo de estas células – a través de la inhibición de MTH1 para aumentar el nivel de nucleótidos oxidadas o con el uso de nucleósidos oxidados dirigidos directamente a estas células – representa una estrategia basada en el conocimiento acumulado por décadas sobre terapias antimetabolitos.