Tuesday, January 12, 2016

FGFR4: ¿un problema para las potenciales estrategias en el tratamiento de la acondroplasia con trampas de ligantes?


Traducción: Maria Cristina Terceros

Introducción

Cualquier persona interesada en aprender sobre el mecanismo de crecimiento de los huesos rápidamente descubre que el proceso por el cual éstos se desarrollan es increíblemente complejo. La mayor parte de nuestros huesos no comienza como estructuras óseas, sino como estructuras o andamios de cartílagos, los cuales después de una muy sofisticada serie de pasos, son reemplazados por tejido óseo definitivo, en un proceso continuo que dura hasta el final de la pubertad, cuando la base del cartílago desaparece. Al pensar en el desarrollo de los huesos, es necesario tenerse en cuenta que, aunque ya tengamos bastante conocimiento sobre el proceso, todavía estamos empezando a comprender todos los fenómenos biológicos que ocurren dentro de los huesos. Así que no es de extrañar que día tras día nuevas piezas del rompecabezas son presentadas por la ciencia, desafiando este conocimiento, reforzando lo que una vez dijo Albert Einstein:

No sabemos la milésima parte del uno por ciento de lo que la naturaleza nos ha revelado.

He estado pensando en ello después de leer un interesante estudio sobre los efectos del receptor de factor de crecimiento de fibroblastos 4 (FGFR4) sobre el crecimiento óseo (1). El FGFR4 es un hermano del FGFR3 que, cuando muta, causa la acondroplasia. Bien, ¿tenemos ahora una nueva pieza del rompecabezas? Creo que vale la pena hacer una breve revisión de este estudio, ya que puede traer algunas consecuencias en algunas de las nuevas terapias potenciales para la acondroplasia. Pero vamos a empezar poco a poco para colocar los resultados de este estudio dentro de su contexto.

El intrincado proceso de crecimiento óseo

Con algunas pocas excepciones, nuestros huesos crecen a partir de pequeñas regiones localizadas en sus extremidades, llamadas placas de crecimiento (Figura 1). Dentro de las placas de crecimiento viven las células que lideran el proceso de crecimiento, los condrocitos.

Figura 1. Esquema de la placa de crecimiento con las múltiples capas de condrocitos.



El condrocito es el “jefe”, pero al mismo tiempo debe llevar a cabo muchas instrucciones químicas en paralelo y en serie, dadas por decenas de agentes de crecimiento locales y sistémicos, los cuales a su vez pueden funcionar o como promotores, o como supresores de crecimiento (Figura 2). Los condrocitos, obedeciendo a estos diversos agentes locales y sistémicos, pasan por una serie de transformaciones que pueden ser fácilmente detectadas bajo el microscopio (Figura 1), comenzando a partir de células pequeñas, en reposo (resting zone), pasando por una fase de alta tasa proliferativa (proliferative zone) hacia un estado en el cual ellos sufren un aumento impresionante en su volumen celular, cuando se les da el nombre de condrocitos hipertrofiados (Figura 1). Esta última fase es considerada como la principal responsable del crecimiento óseo.

Figura 2. Algunos de los factores de crecimiento que regulan el desarrollo de la placa de crecimiento (2).

Extraído de Kozhemyakina E et al. A pathway to bone: signaling molecules and transcription factors involved in chondrocyte development and maturation. Development 2015;142(5):817-31. Acceso libre. Reproducido aquí apenas con fines educativos.

La cascada FGF / FGFR

Uno de los procesos químicos que rigen el crecimiento óseo es proporcionado a través de lo que llamamos cascada (o vía) de señalización del factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) / receptor del factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR), que es familiar para quien está interesado en la acondroplasia. La familia de los FGFs se compone de 23 diferentes factores de crecimiento, y la familia de los FGFR tiene cuatro enzimas hermanas (y una nueva, candidata a convertirse en la quinta) (3). Aquí, nos centramos en el crecimiento de los huesos largos, por lo que no voy a mencionar todas las actividades que el eje FGF / FGFR tienen en el cuerpo y en los pocos huesos que crecen, por lo que es llamado de proceso intramembranoso.

Para ayudar a entender lo que es la cascada de señalización, puede revisar otros artículos de blogs relacionados (ver la página Español en la barra arriba). En resumen, como en una serie de bloques de dominó un enlace químico inicia otro, que activa un tercero, y entonces un cuarto, en una cadena de reacciones químicas. Estas cascadas de señalización proporcionan instrucciones a los condrocitos a cómo deben reaccionar ante cada uno de los estímulos recibidos. FGFs se denominan ligantes debido a iniciar la cascada química mediante la unión con la molécula de receptor, uno de los FGFRs.
 

Si bien el número de FGFs es grande, apenas algunos tienen una participación más intensa en el proceso de crecimiento de los huesos largos. Los científicos han identificado hasta este momento el FGF9 y el FGF18 como los más influencia sobre los condrocitos de la placa de crecimiento (3-5).

Pasadas décadas desde su descripción, los investigadores ya han identificado las principales funciones de los tres primeros FGFRs en el crecimiento óseo. El FGFR4 no ha sido reconocido, hasta este momento, como relevante para este proceso. Ver Tabla 1, extraída de una revisión reciente de los Dres. David Ornitz y Nobuyuki Itoh (3), que enumera los efectos de la ablación de los FGFRs en modelos genéticos. Se puede observar que los modelos que exploraron la ablación o las mutaciones con pérdida de función del FGFR4 no mostraron consecuencias en la placa de crecimiento. Más que eso, parece que el FGFR4 está más ligado (unido) a los procesos metabólicos, incluyendo los de la vitamina D y del fosfato, que son cruciales para el desarrollo y para la salud de los huesos, pero de una manera redundante con otros FGFRs.

Tabla 1. Efectos de la inhibición genética (pérdida de función) de los FGFRs.



¿Es relevante el FGFR4 para el crecimiento óseo?

Es por eso que es interesante el reciente estudio de Cinque et al. (1). Los investigadores trabajaron sobre el papel del FGFR4 en el crecimiento del hueso en variados modelos celulares y animales, y terminaron encontrando que el bloqueo de la señalización del FGFR4 provoca perturbaciones en el crecimiento óseo al interferir en un mecanismo que es parte del equilibrio normal de las células en los tejidos, llamado autofagia.

En su estudio, la autofagia fue relacionada con el circuito de modulación del colágeno 2, que es el componente principal de la matriz del cartílago. No quiero hacer este texto más complejo de lo que ya es. Suficiente con entender que el colágeno es muy importante para la expansión de la placa de crecimiento y, consecuentemente, del hueso. Si hay menos colágeno 2 en la matriz cartilaginosa, el proceso de crecimiento se ve alterado y perjudicado.

El efecto de inhibición del FGFR4 parece ser especialmente observado en condrocitos más maduros (pre-hipertrofia / hipertrofia; ver más arriba). La ausencia de señalización del FGFR4 daría como resultado placas de crecimiento más finas, y por lo tanto huesos más cortos. Más importante aún, los investigadores descubrieron que el FGF con mayor influencia sobre el FGFR4 es el FGF18. Cuando el FGF18 activa el FGFR4, desencadena dentro de los condrocitos las reacciones químicas que regulan la expresión (producción) de colágeno 2, lo que permite la expansión normal de la zona hipertrófica. Tanto la deficiencia de FGF18 como la inhibición del FGFR4 condujeron a la interrupción del proceso de autofagia.

Bien, eso parece ser extraño

Estos resultados son un poco sorprendentes, ya que, como vimos, estudios anteriores fallaron al mostrar problemas específicos causados por la ablación del FGFR4 en los huesos. Entonces, ¿cómo vamos a lidiar con esta nueva información? En primer lugar, podemos preguntar cómo es que los investigadores, en estudios anteriores, han evaluado las alteraciones causadas por la inhibición de la FGFR4 en las placas de crecimiento. Tal vez ellos ni siquiera hayan ingresado en ese proceso específico en las placas de crecimiento, o usaron diferentes técnicas, o las técnicas entonces disponibles no eran lo suficientemente sensibles para detectar cualquier consecuencia relevante con la inhibición de esta enzima. En segundo lugar, sería interesante ver si los resultados obtenidos por Cinque et al. (1) son reproducibles. A veces, las experiencias no pueden ser reproducidas y las conclusiones iniciales son reconocidas como fallas. Sin embargo, en este caso, los investigadores parecen haber repetido los tests (pruebas) con diferentes técnicas y terminaron encontrando básicamente los mismos resultados. Sin embargo, ellos admiten que otros estudios deben ser realizados para comprender mejor el papel del FGFR4 en el desarrollo óseo.

¿Y por qué estos resultados son algo preocupantes cuando se piensa en tratamientos para la acondroplasia? ¿Al final de cuentas, qué tipo de preguntas traerían estos nuevos datos?

¿Un problema para las estrategias de las trampas de ligante (ligand trap)?

El hecho es que nosotros sabemos que el FGF18 es uno de los activadores más relevantes del FGFR3 en la placa de crecimiento. La activación del FGFR3 por sí sola no es un problema, en condiciones normales: los huesos necesitan FGFR3 para regular su velocidad de crecimiento. Sin embargo, cuando el FGFR3 sufre mutación, como es el caso de la acondroplasia, cualquier activación contribuye para el bloqueo del crecimiento, visto en esta displasia esquelética. Uno de los abordajes que están siendo explorados para tratar eficientemente la acondroplasia es precisamente el bloqueo de la activación del FGFR3, y existen varias potenciales estrategias apuntando hacia ese objetivo. Hemos acompañado con mucho interés el desarrollo de las denominadas trampas de ligante (ligand traps; (6-8); leer este artículo anterior del blog). Particularmente, el estudio realizado por el grupo liderado por la Dra. Gouze (6) mostró resultados significativos relacionados con el rescate del crecimiento óseo usando una versión soluble (libre) del FGFR3. El grupo de la Dra. Gouze presentó resultados tan impresionantes con su abordaje en un modelo de rata (Figura 3) que el sFGFR3 se encuentra ahora en desarrollo serio apuntando hacia potenciales ensayos clínicos en el futuro (9).


Figura 3. Efecto de la trampa de ligante sFGFR3 en un modelo animal con acondroplasia (6).


El concepto de la trampa de ligante para la acondroplasia es bastante simple. Con una forma libre de FGFR3 circulando dentro de la placa de crecimiento, provocaríamos una “competencia” entre esta versión libre y aquélla que permanece anclada en los condrocitos (aquélla que hace con que el condrocito pare de crecer en la acondroplasia) para unirse (ligarse) a los FGFs locales (principalmente FGFs9 y 18), dando como resultado un "aprisionamiento" de estos FGFs por el FGFR3 libre y una menor activación de los FGFR3 prendidos a los condrocitos. Si éstos no fueran activados, ejercerían menos actividad y el crecimiento óseo no se vería tan perjudicado como vemos en la acondroplasia. La imagen anterior (Figura 3) nos hace pensar que la estrategia de la trampa de ligante es promisoria.

Sin embargo, esas trampas de ligante apuntan principalmente hacia el FGF9 y el FGF18 (y posiblemente al FGF2). Teniéndose en cuenta que el FGF18 sería capturado por las trampas, habría menos activación del FGFR3 (que es lo que queremos, pensando en la acondroplasia), pero también podría haber consecuencias al contarse con menos FGF18 activando al FGFR4. ¿Se entiende?

El FGF18 es considerado como el gatillo principal del FGFR3 (3) y, si tomamos en cuenta los resultados de Cinque et al. (1), también lo es para el FGFR4. Al tratarse la acondroplasia con una trampa de ligante estaríamos impidiendo la acción del FGF18 en el FGFR3 (lo que es bueno), pero también en el FGFR4. En el primer caso, el resultado sería positivo, pero en el último, ¿cuáles serían las consecuencias?

En el estudio de Cinque et al. (1), los investigadores observaron también que tanto el FGFR3 como el FGFR4 habían sido activados por el FGF18 en sus modelos. Ambos FGFRs estaban relacionados al proceso de autofagia, pero los investigadores notaron que apenas el FGFR4 había estado significativamente asociado con el control de este fenómeno. Aquí, nuevamente, vemos alguna redundancia del efecto del FGFR4 (con el FGFR3), y por eso el nivel de relevancia del efecto del FGFR4 tiene que ser todavía abordado, y nuevos estudios que confirmen son necesarios para comprender mejor el papel del FGFR4 en el proceso del crecimiento óseo.

Mientras tanto, con los impresionantes resultados que han sido demostrados por el estudio con el sFGFR3 (6; Figura 3), es posible que el eventual efecto de la reducción de la activación FGF18 / FGFR4 hubiera sido compensado por el rescate del crecimiento promovido por la inhibición de la vía del FGFR3.

Vamos a continuar siguiendo esos progresos. El próximo artículo analizará nuevas informaciones sobre cómo controlar la producción de FGFR3. No, no se trata de una terapia genética, tampoco sobre nada de edición del DNA. 


Referencias

1. Cinque L et al. FGF signalling regulates bone growth through autophagy. Nature 2015; 528:272–5. doi:10.1038/nature16063.

2. Kozhemyakina E et al. A pathway to bone: signaling molecules and transcription factors involved in chondrocyte development and maturation. Development 2015;142(5):817-31. Free access.

3. Ornitz DM and Itoh N. The Fibroblast Growth Factor signaling pathway. WIRE Dev Biol 2015;4(3):215–66. Free access.

4. Garofalo S et al.Skeletal dysplasia and defective chondrocyte differentiation by targeted overexpression of fibroblast growth factor 9 in transgenic mice. J Bone Miner Res 1999;14(11):1909-15. Free access.


5. Davidson D et al. Fibroblast growth factor (FGF) 18 signals through FGF Receptor 3 to promote chondrogenesis. J Biol Chem 2005;280:20509-15. Free access.

6. Garcia S et al. Postnatal soluble FGFR3 therapy rescues achondroplasia symptoms and restores bone growth in mice. Sci Transl Med 2013;5:203ra124. doi:10.1126/scitranslmed.3006247.

7. Tolcher A et al. Preliminary results of a dose escalation study of the fibroblast growth factor(FGF) “trap” FP-1039 (FGFR1:Fc) in patients with advanced malignancies. 22nd EORTC-NCI-ACR symposium on molecular targets and cancer therapeutics, November 16-19, 2010. Berlin, Germany. Free access.


8. Ghivizzani SC. Delivery of soluble FGFR3 as a treatment for achondroplasia. National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases. 2013; Project Number: 5R01AR057422-04.


9. Therachon press release 2015. Free access.

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