Interacción de compuestos antitumorales con membranas lipídicas : su impacto en la terapia del cáncer

Abstract

El cáncer es una de las principales causas de muerte a escala mundial y su incidencia aumentará de forma importante en los próximos años. La quimioterapia, uno de los tratamientos más importantes contra el cáncer, utiliza compuestos químicos para reducir o destruir las células cancerosas, pero desafortunadamente también afecta a los tejidos normales causando efectos secundarios nocivos. Los antitumorales tienen que atravesar las membranas celulares para producir sus efectos. Las interacciones de los antitumorales con la membrana pueden afectar a su composición y función, por lo que la comprensión del mecanismo de estas interacciones representa un ámbito de investigación de interés básico. Existen evidencias de la participación de los lípidos en la regulación de la actividad de las proteínas de membrana y del funcionamiento de la célula y se han propuesto terapias basadas en la regulación de la estructura de los lípidos de la membrana para controlar los eventos moleculares que se producen durante el proceso canceroso. Desde esta perspectiva, la interacción de los antitumorales con la membrana adquiere una importancia fundamental. Docetaxel (DTX) es un taxano antitumoral que se utiliza en el tratamiento de un amplio espectro de tipos de cáncer y que origina graves efectos secundarios. Las catequinas del té han mostrado diversos efectos beneficiosos sobre el cáncer en humanos. Trimetoxibenzoato de catequina (TMBC) es un análogo semisintético que presenta una alta actividad antiproliferativa frente a células de melanoma y de cáncer de mama. Objetivos y metodología En esta tesis doctoral se estudia la interacción a escala molecular de los antitumorales DTX y TMBC con bicapas lipídicas formadas por importantes fosfolípidos de membrana (fosfatidilcolina, fosfatidilserina, fosfatidilglicerol y fosfatidiletanolamina). El objetivo general es determinar la alteración que estos antitumorales producen en las propiedades estructurales de la membrana, para intentar comprender la relación entre estas interacciones y sus mecanismos de acción. Se utilizaron membranas biomiméticas y se emplearon técnicas biofísicas de calorimetría diferencial de barrido, difracción de rayos X, espectroscopía de infrarrojo y polarización de fluorescencia, junto con simulaciones de dinámica molecular. Resultados y conclusiones La miscibilidad de DTX es muy baja en membranas de fosfatidilcolina, este antitumoral aumenta el grosor de la bicapa, deshidrata la interfase acuosa y se agrega en la zona media de la empalizada lipídica acercándose a la zona interfacial. La catequina TMBC se incorpora fácilmente en membranas de fosfatidilserina, de fosfatidilglicerol y de fosfatidiletanolamina, ocasionando una disminución del grosor de la bicapa y un aumento de los enlaces de hidrógeno en la interfase acuosa. La catequina induce interdigitación en membranas de fosfatidilserina en fase gel, localizándose mayoritariamente en la empalizada fosfolipídica como monómeros. En membranas de fosfatidilglicerol, la catequina presenta inmiscibilidad tanto en fase gel como en fase fluida y se organiza preferentemente en agregados. En membranas de fosfatidiletanolamina, TMBC impulsa la estabilización de la fase líquido cristalina bloqueando la formación de estructuras no lamelares y se localiza en la parte superior de la empalizada lipídica formando pequeñas agrupaciones que afectan al perfil de presión lateral de la membrana de fosfatidiletanolamina. Los dos antitumorales perturban las propiedades físicas de la membrana originando perturbaciones importantes que podrían alterar su función. Estos resultados apoyan la hipótesis de que los antitumorales, además de tener efectos concretos sobre dianas celulares específicas, pueden tener también efectos inespecíficos causados por su interacción con la membrana, cuyas consecuencias dependerán de la composición y organización de los lípidos y de las proteínas presentes en la membrana de las células particulares. Estos resultados ayudan a comprender la relación entre la interacción de los antitumorales con la membrana y sus acciones anticancerígenas y otras actividades biológicas tanto tóxicas como beneficiosas.

Cancer is one of the main causes of death worldwide, and the global number of cancer patients will increase significantly in the coming years. Chemotherapy, one of the most important cancer treatments, uses chemical compounds to decrease the number of cancer cells or destroy them, but unfortunately it also affects normal tissues causing harmful side effects. Antitumor drugs, although they have different mechanisms of action, must cross cell membranes to produce their effects. The interactions of antitumor drugs with the membrane can affect its composition and function, hence understanding the mechanism of these interactions represents a research field of basic interest as it is directly related to pharmacological activity. There is evidence of the participation of lipids in the regulation of the activity of membrane proteins and cell function, and therapies based on the regulation of the structure of membrane lipids have been proposed in order to control the molecular events that are produced during the cancerous process. From this perspective, the interaction of antitumor agents with the membrane acquires fundamental importance. Docetaxel (DTX) is an anticarcinogenic taxane that is used in the treatment of a wide spectrum of cancer types and causes serious side effects. Tea catechins have shown various beneficial effects on cancer in humans. Trimethoxybenzoate of catechin (TMBC) is a semisynthetic analog that has shown high antiproliferative activity against melanoma and breast cancer cells. Objectives and methodology In this doctoral thesis, the interaction of the antitumor agents DTX and TMBC with lipid bilayers formed by important membrane phospholipids (phosphatidylcholine, phosphatidylserine, phosphatidylglycerol and phosphatidylethanolamine) is studied at the molecular level. The general objective is to determine the alteration that these antitumor agents produce in the structural properties of the membrane, in order to understand the relationship between these interactions and their mechanisms of action. Biomimetic membranes were used, and biophysical techniques like differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, and fluorescence polarization were applied, along with molecular dynamics simulations. Results and conclusions DTX is poorly miscible in phosphatidylcholine membranes, this antitumor agent increases bilayer thickness, dehydrates the aqueous interface, and aggregates in the middle of the lipid palisade approaching the interfacial zone. TMBC readily incorporates into phosphatidylserine, phosphatidylglycerol, and phosphatidylethanolamine membranes, it produces a decrease in bilayer thickness and an increase in the number of hydrogen bonds at the aqueous interface. TMBC induces interdigitation in gel-phase phosphatidylserine membranes and localizes mostly in the phospholipid palisade as monomers. In phosphatidylglycerol membranes, TMBC is immiscible both in the gel phase and in the fluid phase, and it is preferentially organized in aggregates. In phosphatidylethanolamine membranes, TMBC promotes the formation of gel phase immiscibility, and stabilizes the liquid crystalline phase by blocking the formation of non-lamellar structures. TMBC localizes at the top of the lipid palisade forming small clusters that affect the lateral pressure profile of the phosphatidylethanolamine membrane. The two antitumor agents perturb the physical properties of the membrane and cause important disturbances that could alter its function. These results support the hypothesis that antitumor drugs, in addition to having specific effects on specific cellular targets, may also have nonspecific effects caused by their interaction with the membrane, the consequences of which will depend on the composition and organization of the lipids and the proteins present in the membrane of individual cells. These results help to understand the interrelationship between the antitumor agents-membrane interaction and their anticarcinogenic actions and other biological activities, both toxic and beneficial.