El pasado 5 de octubre de 2022 se anunciaba la concesión del premio Nobel de Química a Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal y K. Barry Sharpless, “for the development of click chemistry and bioorthogonal chemistry”. En este post vamos a hacer un breve repaso de en qué consiste este tipo de química y cómo está revolucionando el desarrollo de nuevos diagnósticos y terapias dirigidas.

Construyendo moléculas

Uno de los aspectos centrales de la química es la síntesis de nuevos compuestos, este hecho la diferencia de otras ciencias, en la medida en la que la química fabrica su objeto de estudio. Para crear esas moléculas debemos de construir enlaces, uniones de diferentes átomos jugando con sus electrones de valencia. Esos enlaces pueden ser de muchos tipos, pero los que aquí nos interesan son los enlaces covalentes que unen dos átomos compartiendo dos electrones. Este tipo de enlace es el más empleado en química orgánica a la hora de unir dos moléculas o de añadir un grupo de átomos (un grupo funcional) a una molécula. En todos esos casos lo que se intenta siempre es que el grupo que se quiere añadir reaccione únicamente con un átomo o grupo de átomos dentro de la molécula, en otras palabras, que sea “quimioespecífico”. En muchas ocasiones esto es bastante más difícil de lo que podría parecer, apareciendo reactividades cruzadas que complican o imposibilitan la reacción. Esto es especialmente importante cuando estamos tratando con biomoléculas, como puede ser un anticuerpo, en las que la cantidad de grupos químicos presentes es abrumadora y conseguir que nuestra molécula reaccione de forma específica con uno de ellos es imposible. Este tipo de problemas centra, en muchas ocasiones, el trabajo en un laboratorio de química a la hora de formar nuevos bioconjugados, desde la síntesis de moléculas pequeñas a la modificación de macromoléculas o nanomateriales.

¿Qué es la química click?  

El concepto de química click engloba un planteamiento químico definido, por el propio Sharpless en el año 2001, como una filosofía química que emplea reacciones altamente eficientes y rápidas que son, además, selectivas y específicas. Es decir, la química click es una manera de hacer los procesos más sencillos utilizando reacciones de amplio espectro con condiciones fáciles de controlar (temperatura ambiente y agua, en muchas ocasiones).

Tanto es así, que en estas dos décadas desde que se generalizó el uso del concepto “click”, se ha vuelto fundamental a la hora de llevar a cabo la unión de biomoléculas, convirtiéndose en una técnica crucial en numerosos campos de la química y la biología. El número de reacciones que se pueden considera tipo click es muy grande, los ejemplos incluyen casi todos los tipos de reacciones conocidas en química orgánica. Si estáis interesados hay mucha bibliografía al respecto, os dejamos algunos enlaces al final del post.

¿Qué es la química bioortogonal?

En pocas palabras se podría definir como aquellas reacciones click que funcionan in vivo. Es decir, aquellas reacciones que suceden dentro de los seres vivos sin interferir en modo alguno con los procesos bioquímicos ni con las biomoléculas presentes en el organismo de estos.

Hay que detenerse a pensar la magnitud de este concepto. En unos años hemos pasado de reacciones químicas que podían tener una selectividad moderada utilizando las mejores condiciones posibles: en un matraz cerrado, con el disolvente apropiado, con la temperatura controlada, la atmósfera ideal controlando los gases presentes y minimizando aquellos grupos funcionales que podrían competir con nuestra reacción, a un tipo de reacciones que ocurren dentro del ser vivo, en concentraciones mínimas y en presencia de agua y de miles de moléculas con las que no reaccionan. Solo por esto queda claro el valor de lo desarrollado por Carolyn Bertozzi.

Para que una reacción sea bioortogonal debe cumplir una serie de condiciones, primero las ya descritas para las reacciones click:

• Rapidez: incluso a concentraciones de reactivos muy baja.
• Eficiencia: altos rendimientos de reacción con productos finales estables.
• Selectividad: no se puede ver afectada por la presencia de agentes químicos endógenos (oxidantes, reductores, nucleófilos o electrófilos).
• Especificidad: sin presencia de subproductos que compitan con la obtención de aquellos compuestos buscados.

Además, existen una serie de condicionantes especiales para poder ser bioortogonal:

• Debe ocurrir en agua, a pH fisiológico y a aquellas temperaturas propias de los organismos vivos.
• Los grupos funcionales presentes en las moléculas precursoras de la reacción deben ser inertes a la presencia de otras biomoléculas, por ello no pueden estar naturalmente presentes en los sistemas biológicos.

Existe ya una amplia gama de reacciones que cumplen estas condiciones, aquí solo vamos a mostrar las tres más importantes. La siguiente imagen muestra estas reacciones: 1) la ligación de Bertozzi-Staudinger, que constituye el primer ejemplo de reacción bioortogonal. Esta reacción se basa en una reacción conocida desde hace mucho (la reacción de Satudinger) y que Bertozzi modificó para producir conjugados estables en agua; 2) la adición alquino-azida libre de Cu, también desarrollado por Bertozzi y ampliamente utilizada. Esta reacción tomó como punto de partida la reacción más clásica de la química click, la adición alquino-azida catalizada por Cu. En este caso la genialidad de Bertozzi consistió en eliminar el Cu, empleando a cambio alquinos tensionados, consiguiendo de esta forma reacciones que se pueden dar in vivo y 3) la ligación de tetrazinas, desarrollada en 2008 por Joseph M. Fox y que es la más empleada in vivo en la actualidad ya que presenta una cinética de reacción muy rápida lo que permite, entre otras cosas, que los rendimientos de la reacción sean muy buenos incluso con las concentraciones pequeñísimas que se dan en un ser vivo.

¿Por qué la química bioortogonal ha supuesto una revolución en algunos campos de investigación?  

La química bioortogonal genera enlaces covalentes irreversibles en un medio tan complejo y superpoblado de biomoléculas como es el fisiológico, evitando la aparición de subproductos y trabajando con rendimientos de reacción prácticamente cuantitativos. Es decir, que con las herramientas adecuadas (anticuerpos y/o marcadores específicos) se podría unir casi cualquier compuesto en el sitio adecuado del organismo.

Aplicaciones en diagnóstico

El empleo de nanopartículas para el diagnóstico de enfermedades es un campo en auge por la gran variedad de aplicaciones en las que estos materiales pueden tener un impacto. Una opción muy interesante es el uso de anticuerpos, de forma que la nanopartícula proporciona la señal en la técnica de imagen médica elegida y el anticuerpo proporciona la especificidad biológica que hace que la señal de imagen se localice en la zona de la patología. Aunque hay bastante ejemplos en los que funciona muchas veces es difícil unir el anticuerpo a la nanopartícula y, aún más difícil, conseguir que circulen por el torrente sanguíneo el tiempo suficiente ¿solución? Separar el anticuerpo y la nanopartícula y que se “encuentren” dentro del ser vivo.

¿Cómo es esto posible? Lógicamente, gracias a la química bioortogonal. En una primera etapa se introduce en el organismo la biomolécula que proporciona la selectividad biológica, el anticuerpo, por ejemplo, pero modificada previamente con un grupo funcional que es capaz de dar la reacción bioortogonal (alguno de los que se ven en la imagen anterior). Esta biomolécula circula por el cuerpo el tiempo necesario para acumularse en la región a estudiar y posteriormente se administran las nanopartículas modificadas con el grupo funcional complementario del anterior. La nanopartícula circula y se acumula allí donde se produce la reacción bioortogonal in vivo. De los varios tipos de reacciones bioortogonales la ligación de tetrazinas es la más adecuada, por la velocidad de reacción que comentábamos antes.

Hace unos años, en nuestro grupo, demostramos este uso para el diagnóstico de trombos en el cerebro de forma muy rápida. En este trabajo se modificaba un anticuerpo contra plaquetas con la molécula trans-cicloocteno y las nanopartículas con la tetrazina. En anticuerpo “encuentra” las plaquetas y las nanopartículas “encuentran” al anticuerpo, resultando en la detección de trombos muy pequeños en muy poco tiempo. Este proceso se resume en la siguiente imagen.

Aplicaciones en terapia

Otro campo en el que la química bioortogonal está teniendo un impacto es el de los tratamientos antitumorales. Si imaginamos un tratamiento oncológico ideal, nos imaginamos una “molécula” con acción terapéutica viajando hasta el tumor para interaccionar de algún modo y provocar un efecto. Sin embargo, debido a la gran cantidad de biomoléculas presentes en el organismo, junto a la realidad de cómo es el proceso de circulación de un fármaco en la sangre, tan solo una pequeña parte de la dosis acaba llegando a la zona de interés. Esto supone un grave problema ya que existe una mayor toxicidad derivada de la presencia de un fármaco circulando por el torrente sanguíneo y, por tanto, la aparición de efectos dañinos en otros muchos órganos. Además, por la aparición de procesos secundarios, el efecto terapéutico se ve dramáticamente reducido.

La alta selectividad de las reacciones bioortogonales se traduce en una mayor facilidad del potencial fármaco a acumularse en la zona de interés una vez que ha circulado por el torrente sanguíneo. De este modo se consigue el efecto buscado introduciendo en el paciente cantidades mucho más pequeñas del agente externo o fármaco.

Un perfecto ejemplo del encaje de la química bioortogonal en terapia, es el utilizado por la compañía Shasqi, que utiliza sus “Click Activated Protodrugs Against Cancert (CAPAC^TM)”, donde un biopolímero, modificado para dar la reacción bioortogonal, se inyecta directamente en el tumor y entonces se introduce un protofármaco que se encuentra desactivado hasta que la reacción bioortogonal se lleva a cabo, momento en el que se inicia el tratamiento. De este modo eliminan cualquier efecto adverso que pudiera tener la circulación del fármaco activado por el torrente sanguíneo previo a su unión con el tumor, en la siguiente imagen se resume este proceso según lo explica la compañía que está realizando el ensayo clínico.

Una nueva química

Esta nueva química, que hemos contado aquí de forma muy rápida, ha abierto una nueva etapa en química médica, química biológica y otros muchos cambios de aplicación. La posibilidad de formar estos conjugados de forma tan específica y rápida y dentro de un ser vivo era algo que sonaba a ciencia ficción no hace mucho y que hoy en día se está aplicando ya en humanos.

Links de interés

1. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2022/popular-information/
2. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20010601)40:11%3C2004::AID-ANIE2004%3E3.0.CO;2-5
3. https://www.cas.org/es-es/resources/cas-insights/emerging-science/key-insights-click-chemistry-and-bioorthogonal-chemistry
4. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr04538a
5. https://www.shasqi.com