La seguridad evolutiva de los fármacos mutagénicos debe evaluarse antes de su aprobación
- Publicado: 15 de marzo de 2024
- https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002570
Cita: Lobinska G, Tretyachenko V, Dahan O, Nowak MA, Pilpel Y (2024) La seguridad evolutiva de los fármacos mutagénicos debe evaluarse antes de su aprobación. PLoS Biol 22(3): e3002570. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002570
Publicado: 15 de marzo de 2024
Derechos de autor: © 2024 Lobinska et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de Atribución Creative Commons , que permite el uso, la distribución y la reproducción sin restricciones en cualquier medio, siempre que se reconozca al autor y la fuente originales.
Financiación: Este trabajo recibió el apoyo de la Fundación Kimmel (YP) y del Centro Minerva de Emulación en Vivo de la Evolución en el Laboratorio (YP). Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio, la recopilación y el análisis de datos, la decisión de publicar o la preparación del manuscrito.
Intereses en conflicto: Los autores han declarado que no existen intereses en conflicto.
Las mutaciones en los patógenos son preocupantes. Pueden causar un aumento de la virulencia o la transmisibilidad, o resistencia a la terapia o la vacunación. Un fármaco que aumenta la tasa de mutación de un patógeno es una propuesta cuestionable, ya que su uso podría beneficiar al virus al permitirle evolucionar más rápido, sin embargo, un número creciente de tratamientos farmacéuticos aumentan la tasa de mutación de los patógenos virales o microbianos a los que se dirigen [ 1 , 2 ]. Si el aumento de la tasa de mutación es suficiente, el patógeno puede adquirir una dosis letal de mutaciones, lo que desencadena una catástrofe de error que impide la adaptación [ 3 ] o reduce la tasa reproductiva básica a menos de uno [ 4 ]. El concepto de umbral de error está relacionado con el trinquete de Müller o la crisis mutacional [ 5 , 6 ]. Por lo tanto, el mecanismo de acción de los fármacos mutagénicos se basa en un proceso poblacional. Un ejemplo es el antiviral molnupiravir, un tratamiento aprobado para la infección por SARS-CoV-2 [ 7 ]. En el caso de otros fármacos, el aumento de las tasas de mutación es un subproducto de su efecto previsto, que se basa en interferir en el proceso de replicación [ 8 , 9 ].
Los fármacos mutagénicos son problemáticos, pero la resistencia a los antibióticos y a los antivirales plantea una necesidad urgente de desarrollar nuevos fármacos. Por ello, deberíamos explorar todos los mecanismos de acción de los fármacos que tengan alguna posibilidad de éxito. Sin embargo, los fármacos mutagénicos plantean nuevas preocupaciones en materia de seguridad y requieren procedimientos de aprobación modificados. Es evidente que cualquier infección vírica, incluso en ausencia de tratamiento, tiene la posibilidad de generar mutaciones no deseadas. Es concebible que al aumentar la tasa de mutación de un virus, debido a una mayor tasa de mortalidad, se reduzca la cantidad total de mutantes no deseados. En otras palabras, los pacientes no tratados podrían generar más mutantes no deseados que los pacientes tratados. ¿Por qué es así? Al aumentar la tasa de mutación se generan más fenotipos letales, lo que daña al virus y ayuda al paciente a eliminar la infección más rápidamente. Por lo tanto, los pacientes que reciben un fármaco mutagénico podrían tener una carga viral total menor y, en consecuencia, una carga viral mutante menor, integrada a lo largo de la infección.
A continuación, proponemos un esquema de 4 pasos para evaluar la seguridad evolutiva de los fármacos. Para cada paso, proporcionamos sugerencias de experimentos, análisis y pruebas a realizar ( Recuadro 1 ). Se deben considerar los fármacos mutagénicos, pero creemos que deben evaluarse cuidadosamente para determinar su seguridad evolutiva, junto con criterios de seguridad más comunes, antes de que se pueda aprobar su uso. Definiríamos un fármaco mutagénico como evolutivamente seguro si redujera la cantidad total de mutantes virales viables producidos durante la infección. Por el contrario, un tratamiento sería evolutivamente inseguro si aumentara esa cantidad. Se esperaría que un tratamiento mutagénico que sea evolutivamente seguro reduzca la tasa de evolución viral en la población, aunque este concepto debe entenderse como una declaración probabilística. Por supuesto, siempre podría haber eventos mutacionales raros e imprevistos que conduzcan a variantes inesperadas y peligrosas. Cualquier intervención humana en los procesos evolutivos conlleva ese riesgo residual.
Cuadro 1. Experimentos sugeridos para cada paso del proceso de evaluación de la seguridad evolutiva
Primer paso: medición de la tasa de mutación natural, distribución de los efectos mutacionales y dinámica de la infección viral
- Medición de la tasa de mutación natural en sistemas libres de células, en cultivos celulares y mediante secuenciación de muestras de pacientes.
- Establecer el número de mutaciones letales y potenciales mutaciones de ganancia de función mediante el escaneo de mutagénesis de proteínas virales para revelar posiciones de aminoácidos que son susceptibles de modificar la función de la proteína.
- Realizar ensayos funcionales en mutantes potenciales; por ejemplo, unión a anticuerpos o a un receptor de entrada.
- Estudio de la dinámica de la infección viral a través del muestreo repetido de la carga viral durante la infección.
Segundo paso: Potencial mutagénico del fármaco
- Secuenciar y comparar los genomas de cultivos de virus de muestras tratadas y no tratadas para establecer el potencial mutagénico y la distribución de diferentes tipos de mutaciones.
- Pasaje múltiple del patógeno entre cultivos, con o sin tratamiento mutagénico, para imitar la evolución entre individuos a lo largo de varios eventos de transmisión, y luego secuenciación de las cepas resultantes para revelar el alcance y la naturaleza de las mutaciones.
- Prueba directa de las cepas resultantes para detectar fenotipos no deseados, como mayor virulencia, infecciosidad o resistencia al tratamiento y evasión inmunitaria.
- Repeticiones paralelas del experimento para informar sobre la reproducibilidad del proceso evolutivo bajo diferentes regímenes de tratamiento.
El primer paso será determinar la estructura genómica del patógeno, obtener una comprensión cuantitativa de la dinámica de la infección y medir la tasa de mutación natural del patógeno, incluida la tasa de recombinación. Todas estas cantidades pueden afectar la evaluación de la seguridad evolutiva [ 10 ]. De particular interés es el número de posiciones en el genoma del patógeno que son letales para el patógeno cuando mutan, ya que cuanto mayor sea ese número, mayor será la probabilidad de seguridad evolutiva [ 11 ].
El segundo paso consistirá en el estudio del potencial mutagénico del fármaco. Este paso debería aplicarse tanto a los fármacos que son mutagénicos por diseño como a los fármacos que ejercen mutagénesis como subproducto de su acción. Si existe potencial mutagénico, entonces la magnitud del efecto debe evaluarse en sistemas libres de células, bacterias tratadas y virus (ya que infectan células en cultivos). La tasa de mutación del virus bajo tratamiento depende de la dosis del fármaco. La dosis efectiva en el cuerpo puede verse alterada por una mala adherencia al tratamiento, una absorción incompleta y fluctuaciones en la concentración del fármaco entre dosis. Por lo tanto, el potencial mutagénico debe establecerse para un rango dinámico de concentraciones del fármaco. Es probable que pequeños aumentos en la tasa de mutación reduzcan la seguridad evolutiva de un fármaco [ 10 ]. El tratamiento podría probarse primero en cultivos celulares: en un entorno de laboratorio, podría observarse una fracción mayor de la diversidad genética del patógeno que in vivo. La diversidad viral observada in vivo depende de los métodos de muestreo y de la distribución de los patógenos dentro del cuerpo. Se podrían probar diferentes concentraciones y regímenes del tratamiento, controlando los aspectos farmacocinéticos en diferentes partes del cuerpo.
En el tercer paso, la evaluación de la seguridad evolutiva se llevaría a cabo en ensayos preclínicos y clínicos. Los experimentos de evolución que se realizaron en el segundo paso, que implicaban pasar el patógeno por un cultivo celular en serie, podrían repetirse en modelos animales apropiados que estén infectados con el patógeno y tratados con el fármaco. La farmacocinética del tratamiento mutagénico dentro del cuerpo podría dar como resultado tasas de mutación diferentes a las medidas in vitro. Por lo tanto, la tasa de mutación viral en animales tratados o pacientes humanos debe medirse, teniendo en cuenta factores como la mala adherencia al tratamiento o los sitios excluidos en el cuerpo donde el patógeno puede replicarse pero el fármaco no puede llegar por completo. La seguridad evolutiva puede demostrarse si el tratamiento da como resultado una carga de patógeno mutante acumulada menor. La seguridad evolutiva podría depender de la respuesta inmune del paciente y otros parámetros [ 10 ]. Es concebible que un fármaco pueda considerarse evolutivamente seguro en algunos grupos de pacientes, pero inseguro en otros.
El cuarto paso se daría después de que el fármaco hubiera sido aprobado y se hubiera prescrito a toda la población. Los patrones mutacionales característicos podrían entonces vincularse a los tratamientos mutagénicos. Por ejemplo, la firma mutacional del molnupiravir se detectó en secuencias del SARS-CoV-2 de países donde se utilizó ampliamente [ 8 ], pero el estudio no reveló si hubo un aumento en la diversidad viral como consecuencia del tratamiento con el fármaco. La aparición de firmas mutacionales causadas por el tratamiento mutagénico no excluye en sí misma la posibilidad de que un fármaco sea seguro desde el punto de vista evolutivo. Sin embargo, debería ser el caso de que los tratamientos seguros desde el punto de vista evolutivo reduzcan el número de nuevas infecciones y la cantidad total de mutantes del virus presentes en una población. Un objetivo de la evaluación de la seguridad evolutiva también será revelar los regímenes de administración de fármacos y las direcciones de desarrollo farmacéutico que maximizan la seguridad evolutiva. La falta de adherencia al tratamiento puede afectar la seguridad evolutiva; por lo tanto, los fármacos mutagénicos podrían restringirse al uso hospitalario.
La mutagénesis letal es una estrategia relativamente nueva y potencialmente importante para el tratamiento de infecciones. La reciente pandemia de SARS-CoV-2 ha subrayado la importancia de la producción de nuevos fármacos antivirales. Sin embargo, la seguridad evolutiva no se limita al tratamiento del SARS-CoV-2, se puede aplicar a otros virus y cepas bacterianas resistentes a múltiples fármacos. Por ejemplo, la terapia con fagos [ 9 ], aunque prometedora, plantea un problema de seguridad evolutiva, ya que puede conducir a resultados evolutivos impredecibles, como una mayor resistencia al objetivo tanto a los fagos como a los antibióticos [ 12 ]. Un procedimiento consistente para evaluar la seguridad evolutiva de tales tratamientos de mutagénesis nos permitiría usarlos sin un riesgo significativo para la humanidad. La seguridad evolutiva también tiene implicaciones morales y éticas. Podría surgir un posible dilema ético si, por ejemplo, una dosis más alta de un fármaco presenta más toxicidad o efectos adversos pero es necesaria para una mayor seguridad evolutiva.
Instamos a los organismos reguladores a que consideren la incorporación de la aprobación de seguridad evolutiva al proceso de autorización de nuevos medicamentos. Hacemos un llamamiento a las compañías farmacéuticas y a los investigadores para que incluyan la seguridad evolutiva en sus consideraciones de I+D. También instamos a los médicos a que tomen conciencia de los posibles efectos de los regímenes de prescripción y administración sobre la seguridad evolutiva en beneficio de la humanidad.
Referencias
- 1.Kabinger F, Stiller C, Schmitzová J, Dienemann C, Kokic G, Hillen HS, et al. Mecanismo de mutagénesis del SARS-CoV-2 inducida por molnupiravir. Nat Struct Mol Biol. Agosto de 2021;28(9):740–746. pmid:34381216
- 2.Hegreness M, Shoresh N, Damian D, Hartl D, Kishony R. Evolución acelerada de la resistencia en entornos con múltiples fármacos. Proc Natl Acad Sci US A. 2008;105(37):13977–13981. pmid:18779569
- 3.Eigen M, Schuster P. El hiperciclo. Un principio de autoorganización natural. Parte A: Surgimiento del hiperciclo. Naturwissenschaften. 1977;64(11):541–565. pmid:593400
- 4.Nowak MA, May RM. Dinámica de virus: principios matemáticos de inmunología y virología. 2000.
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- 6.Lansch-Justen L, Cusseddu D, Schmitz MA, Bank C. El tiempo de extinción en condiciones de crisis mutacional impulsada por altas tasas de mutación. Ecol Evol. 2022 Jul;12(7):e9046. pmid:35813923
- 7.Jayk Bernal A, Gomes da Silva MM, Musungaie DB, Kovalchuk E, González A, Delos Reyes V, et al. Molnupiravir para el tratamiento oral de Covid-19 en pacientes no hospitalizados. N Inglés J Med. 2021 diciembre;386(6):509–520. pmd:34914868
- 8.Sanderson T, Hisner R, Donovan-Banfield I, Hassan Hartman H, Løchen A, Peacock TP, et al. Una firma mutacional asociada al molnupiravir en genomas globales del SARS-CoV-2. Nature. 2023;623(7987):594–600. pmid:37748513
- 9.Kysela DT, Turner PE. Tasas óptimas de mutación de bacteriófagos para la terapia con fagos. J Theor Biol. 2007. pmid:17904162
- 10.Lobinska G, Pilpel Y, Nowak MA. Seguridad evolutiva de la mutagénesis letal impulsada por el tratamiento antiviral. PLoS Biol. 2023 agosto;21(8):e3002214. pmid:37552682
- 11.Greaney AJ, Starr TN, Gilchuk P, Zost SJ, Binshtein E, Loes AN, et al. Mapeo completo de mutaciones en el dominio de unión al receptor de la proteína Spike del SARS-CoV-2 que escapan al reconocimiento de anticuerpos. Cell Host Microbe. 2021 Enero;29(1):44–57.e9. pmid:33259788
- 12.Burmeister AR, Fortier A, Roush C, Lessing AJ, Bender RG, Barahman R, et al. La pleiotropía complica la disyuntiva entre la resistencia a los fagos y la resistencia a los antibióticos. Proc Natl Acad Sci US A. Mayo de 2020;117(21):11207–11216. pmid:32424102
