Tratando la acondroplasia: una revisión del panorama terapéutico con enfoque en las estatinas

Traducción: Maria Cristina Terceros

Prólogo

Comencé este artículo después de leer un estudio publicado recientemente en el que los investigadores utilizaron una estatinas para atacar el deterioro del crecimiento óseo en un trastorno genético (1). Los resultados de ese estudio aportan más evidencia al papel potencial de las estatinas para el tratamiento de la acondroplasia. Mientras escribía, me di cuenta de que el tema era muy técnico (¡dele una mirada al tercer párrafo!). Así que decidí agregar más información para explicar algunos de los conceptos que estaba describiendo. Y luego fotos y vídeos, y más explicaciones. Bueno, después de revisar el texto completo, veo que resultó ser más amplio de lo que inicialmente había planeado y se convirtió en una nueva revisión del panorama terapéutico con un enfoque en el uso de estatinas para el tratamiento de la acondroplasia.

Aunque intenté traducir la terminología médica más fuerte a un texto más fácil, es posible que para los que recién llegan a ver esta terminología, suene difícil de entender. Como todos los conceptos resumidos aquí ya han sido revisados en el blog, si usted ha tenido problemas para seguir este texto, puede intentar leer artículos anteriores antes de continuar con éste (pruebe los primeros de 2012) ya que aún se pueden considerar actualizados y podrían ofrecerle más conocimientos sobre los tópicos aquí mencionados. Además, podrá ver que he colocado enlaces a diferentes artículos del blog y de otras fuentes externas a lo largo del texto para aquéllos lectores más interesados y curiosos. Espero que no se aburra…

Entonces… ¡sigamos!

Introducción

Las Rasopatías son una familia de enfermedades genéticas causadas por mutaciones en enzimas que modulan la actividad de la vía MAPK, un grupo de enzimas que a su vez, es una de las vías químicas más importantes afectadas por la mutación del receptor de factor de crecimiento del fibroblasto tipo 3 (FGFR3) (revisado aquí). Acaba de ser publicado un nuevo estudio que explora el uso de las estatinas para tratar el retraso del crecimiento óseo en una de las Rasopatías (1). En este estudio, los investigadores descubrieron que las estatinas podrían ser candidatas para el tratamiento del retraso del crecimiento que se observa en esa Rasopatía ¿Cómo se relaciona esto con la acondroplasia?

Sin embargo, antes de hablar de este estudio, vamos a revisar algunos conceptos básicos sobre la acondroplasia y el panorama terapéutico que nos ayuden a comprender el papel potencial de las estatinas en el tratamiento de esta condición genética, la acondroplasia.

Conceptos básicos

Condrocitos, los impulsores del crecimiento óseo

Los condrocitos son células muy especializadas que viven dentro de las placas de crecimiento, pequeñas capas cartilaginosas presentes en las extremidades de los huesos largos en los cuerpos en crecimiento (por lo tanto, solo en niños y adolescentes; Figuras 1-3). La placa de crecimiento óseo es un tejido muy compacto y denso, sin flujo sanguíneo directo, en el cual solamente pequeñas moléculas pueden circular con cierta libertad (¡guarde esta información para más adelante!) (2,3).

Los condrocitos dentro de la placa de crecimiento impulsan el crecimiento óseo siguiendo un programa de crecimiento altamente controlado, gobernado por muchas moléculas producidas localmente (como el FGFR3 y el péptido natriurético de tipo C (CNP)) y en otras partes del cuerpo (por ejemplo: las hormonas como ser la hormona del crecimiento (GH) (3). Bajo la influencia de estos muchos agentes, los condrocitos pasan de un estado de reposo a un "frenesí de proliferación" (multiplicación) seguido de un crecimiento celular muy significativo (a lo que se le da el nombre de hipertrofia) (Figura 2). Cuando han crecido por completo, cuando se han hipertrofiado, los condrocitos son sustituidos por osteoblastos (las células constructoras del hueso) y su zona en la placa de crecimiento da lugar al hueso nuevo (Figura 2). Las placas de crecimiento se cierran bajo la influencia de las hormonas al final de la pubertad (Figura 3).

Figura 1. Placa de crecimiento 

Figura 2. Dentro de la placa de crecimiento

Figura 3. Destino de la placa de crecimiento

El FGFR3, una antena celular

El FGFR3 es un tipo de antena receptora, que recibe señales desde el exterior de la célula y las transmite al núcleo de la célula, que se coloca en la superficie del condrocito (el "techo" de la célula). Es bastante parecido a una antena parabólica que recibe señales de televisión por satélite y, a través de cables, las lleva al receptor y finalmente a su televisor en la sala de estar (Figuras 4-6). El receptor de señales "traduce" las señales provenientes de la antena en forma de películas, programas de TV, noticias, etc., (lo que usted ve en la pantalla), de acuerdo con el tipo de señal recibida.

En los condrocitos, de acuerdo con las señales que recibe de sus antenas (y hay muchas de ellas en la superficie de la célula), el núcleo de la célula también reaccionará con diferentes respuestas.

Mientras que la antena parabólica capta/recibe señales de satélites en formato de ondas invisibles, las señales celulares se transmiten a través de reacciones químicas. El FGFR3 es un receptor que acepta solo señales provenientes de moléculas (los ligantes) llamados factores de crecimiento de fibroblastos o FGFs. Cuando un FGF se une al FGFR3 fuera de la célula, se produce una transferencia de carga eléctrica, la cual a su vez activa otra reacción química dentro de la célula, semejante a lo que sucede con una cadena de dominó (las vías de señalización, Figura 7, Video 1).

Figura 4. Estructura del FGFR3.

Figura 5. El FGFR3 es como una antena celular.

Figura 6. El FGFR3 lleva señales desde fuera de la célula hasta el núcleo, que se encuentra en el interior de la célula. 

El FGFR3 es un freno químico en los condrocitos

En los condrocitos, las señales procedentes del FGFR3 dan instrucciones al núcleo de la célula para reducir el ritmo de multiplicación celular. Si estas señales se transmiten con la intensidad correcta, ayudan a los condrocitos a controlar el "frenesí proliferativo" mencionado anteriormente, y esto es importante porque hay varias señales que le indican a los condrocitos que se multipliquen sin parar, lo que causaría problemas de crecimiento óseo (3).

Por lo tanto, el FGFR3 es un regulador clave del crecimiento óseo, que actúa como un freno para equilibrar el efecto de otras antenas que funcionan como aceleradores de crecimiento óseo. En palabras simples, cuando recibe una señal de fuera de la célula, el FGFR3 "le dice" al núcleo de la célula: “¡Oye, deja de multiplicarte, ve y tómate una siesta!"

El FGFR3 y la acondroplasia

Mientras que en condiciones normales el FGFR3 ayuda a los huesos a crecer en un ritmo equilibrado, en la acondroplasia este mismo FGFR3 sufre una mutación (un cambio en su estructura) y es hiperactivo, haciendo con que el freno sea demasiado pesado, bloqueando el ritmo normal de crecimiento. Sigue enviando señales al núcleo celular pidiéndole que deje de multiplicarse incluso cuando no lo necesita. Bajo el efecto del FGFR3 mutado, los condrocitos entran en una especie de estado de hibernación, dejan de multiplicarse (3). Esto es crucial porque las capacidades de los condrocitos para crecer en número (proliferación) y en tamaño (hipertrofia) son los fenómenos clave que impulsan el crecimiento óseo. Más específicamente, el tamaño y la cantidad de condrocitos agrandados en la zona hipertrófica son considerados los más importantes para el crecimiento óseo normal.

¿Cómo hace el FGFR3 para enviar señales al núcleo de la célula?

Como vimos anteriormente, el FGFR3 funciona transmitiendo señales químicas al núcleo de la célula del condrocito, a través de varios "cables", llamados vías de señalización (Figura 7, Video 1). Aunque la cantidad de "cables" es alta, parece ser que para los condrocitos, los "cables" principales del FGFR3 son las vías MAPK y STAT1 (Figura 7) (3). El MAPK es la ruta formada por las enzimas Ras-Raf-MEK-ERK (Figura 7, a la derecha, revisada aquí).

Sabiendo cómo el FGFR3 ejerce sus funciones en los condrocitos ayuda a los investigadores a diseñar y a crear estrategias para controlar la señalización excesiva del FGFR3, restaurando el crecimiento óseo o aproximándolo a un ritmo normal (ver a continuación).

El video 1 es una animación de ~14 min de duración que muestra cómo funciona el cuerpo para sanar una herida en la piel, pero usted solo necesitará observar los primeros ~ 7 min para ver la activación de una vía de señalización. Básicamente, esta animación muestra cómo las señales extracelulares activan las células llamadas fibroblastos para comenzar el proceso de curación de la herida. El mecanismo básico es válido para los condrocitos, aunque los resultados serían diferentes de los que vemos en la animación.

Figura 7. Vías de señalización del FGFR3.

La activación del FGFR3 conduce a la activación de las vías STAT1 y MAPK (Ras-Raf-MEK-ERK), las cuales inhiben respectivamente la proliferación y la hipertrofia (diferenciación) de los condrocitos. De Su N et al. 2014. Esta imagen se usa solo con fines educativos.

Video 1. Activación del receptor de tirosina quinasas (RTK) y sus vías químicas.

Esta es una animación en inglés de ~14 min de duración, que muestra como los fibroblastos ayudan en el comienzo de la cicatrización de una herida en la piel. El FGFR3 es un RTK y los procesos presentados aquí son parecidos a los que se dan en cualquier célula, incluyendo los condrocitos. Sin embargo, recuerde usted que en los condrocitos, tras la activación del FGFR3, la célula se detiene para multiplicarse. Fuente: DNA Learning Center by Cold Spring Harbor Laboratory. Reproducido aquí solamente con fines educativos.

Tratando la acondroplasia

Las estrategias para tratar la acondroplasia tienen como objetivo variados y diferentes puntos en la comunicación entre las señales que provienen del exterior del condrocito (la señal de TV) y el núcleo del condrocito (el receptor de TV).

Si alguna estrategia quisiera tener éxito, necesitaría inhibir, bloquear o reducir la intensidad de las señales que el FGFR3 mutado envía al núcleo del condrocito, por lo que la célula podría reanudar su programa de crecimiento normal. Esto es relevante porque, más allá de la probable estatura final en aumento, estas potenciales terapias pueden ayudar a reducir la desproporción de las extremidades y varias complicaciones neurológicas y ortopédicas comunes, así como a mejorar la calidad de vida de las personas afectadas. Vamos a dar ejemplos utilizando algunos enfoques actualmente bajo investigación. Pasaremos por los canales de comunicación de afuera hacia adentro de la célula.

Nota: aunque ya es posible corregir la mutación (edición de genes) del FGFR3 (4), hasta donde sé, no ha habido publicaciones nuevas en este campo hasta la fecha. Todas las estrategias aquí incluidas apuntan solamente a la señalización del FGFR3: o sea ellas no "curan" la acondroplasia. Esto significa simplemente que un individuo con acondroplasia tratado con uno de ellos todavía tendría acondroplasia, independientemente de tener un crecimiento óseo normal o casi normal.

Trampas de ligantes (ligand traps)

• TA-46

Las trampas de ligantes son moléculas diseñadas para capturar señales de TV antes de que puedan alcanzar las antenas en la superficie de la célula. Estas trampas con base en receptores celulares como el FGFR3 tienen una estructura muy similar y este es el caso del TA-46 (también llamado sFGFR3, revisado aquí) (5). El TA-46 es una versión "libre" del FGFR3, lo que significa que no se encuentra conectado a la superficie de la célula (Figura 8). Más bien, puede circular y "capturar" señales (¡los FGFs!) Antes de que éstos puedan alcanzar el FGFR3 unido a la célula.

¿Qué significa esto para la acondroplasia? En un modelo de ratón con acondroplasia, el TA-46 fue capaz de prevenir a los FGFs de activar el FGFR3 mutado, lo que condujo a una significativa reducción de la señalización en el FGFR3 (reduciendo, de esta manera, el volumen de las señales que llegan al núcleo de la célula a través del FGFR3), lo que a su vez restauró el crecimiento óseo (5). En pocas y sencillas palabras, las señales de TV no llegarían a la antena de TV (FGFR3), y el televisor no mostraría ningún programa que viniese a través de la antena del FGFR3. La biotecnología que explora el TA-46 anunció que comenzaría un ensayo clínico en fase 1 en el primer trimestre de este año.

• Aptámeros

Los aptámeros son pequeñas moléculas que pueden ser diseñadas para unirse muy específicamente a sus objetivos (revisados aquí). El RBM007 es un aptámero diseñado para bloquear el FGF2, uno de los principales ligantes de los FGFRs (¡las "señales de TV"!), por lo que en este caso también se trata de una especie de estrategia de interceptación (o trampa) de ligantes (6). Se está desarrollando para tratar la acondroplasia, de acuerdo con su desarrollador (aquí), pero aún no se ha hecho público nada específico para la acondroplasia.

En el contexto de la acondroplasia, aunque el FGF2 se encuentre presente en la placa de crecimiento, los ligantes FGF9 y FGF18 son considerados más relevantes para la activación del FGFR3 en los condrocitos (3), por lo que necesitaremos ver si el RBM007 es el aptámero adecuado para la acondroplasia. (¿Dónde están los estudios que muestran eso?)

Los aptámeros pueden ser diseñados para unirse a cualquier tipo de molécula. Por ejemplo, se podría concebir uno para unirse (ligarse) a la parte exterior del FGFR3, de la misma manera que lo hace un anticuerpo (abajo).

Figura 8. Estrategias de trampas de ligantes.

El FGFR3 soluble (sFGFR3, TA-46) fluctúa dentro de la placa de crecimiento, cerca de la superficie de las células de los condrocitos y atrae a los FGFs cercanos. Los FGFs enlazados con el Ta-46 no pueden activar el FGFR3 “natural” que se encuentra unido a la superficie de la célula. Fuente: Therachon. Reproducido aquí solamente con fines educativos.

Anticuerpos

Los anticuerpos son moléculas creadas por nuestro sistema inmunológico que ayudan a eliminar agentes y sustancias extraños que invaden el cuerpo. Sin embargo, es posible crear anticuerpos específicos prácticamente contra cualquier objetivo que se pueda imaginar y esto ya se ha hecho con el FGFR3. Existen diferentes anticuerpos descritos en la literatura contra el FGFR3 y uno de ellos, el B-701 (anteriormente llamado R3Mab, revisado aquí) (7), está siendo estudiado por una empresa de biotecnología para algunos tipos de cáncer impulsados por el FGFR3 (aquí) y por la acondroplasia (aquí).

En la acondroplasia, el B-701 se uniría con el FGFR3, evitando el acoplamiento de los FGFs, por lo que funcionaría como un paraguas sobre la antena del FGFR3 (Figura 9). En otras palabras, después de la unión del anticuerpo con el FGFR3, los FGFs (¡las señales de TV!) no serían capaces de llegar y activar la antena, por lo que sus señales no llegarían al núcleo de los condrocitos.

Una pregunta constante es si un anticuerpo, generalmente una molécula de gran tamaño, podría alcanzar el FGFR3 dentro de la placa de crecimiento, un tejido muy denso (como vimos anteriormente) ya que solamente las pequeñas moléculas son capaces de penetrar y de circular dentro de la placa de crecimiento (2). Si bien varios anticuerpos anti-FGFR3 han sido desarrollados hasta la fecha, no pude encontrar ningún estudio que claramente mostrase alguno de ellos explorado en el contexto de la placa de crecimiento. El desarrollador del B-701 afirma haber completado estudios preclínicos (aquí), pero aún no se ha publicado nada al respecto.

Figura 9. Un anticuerpo cubre el FGFR3 y previene la unión de los FGFs.

Inhibidores de la tirosina quinasa (tyrosine quinases;TKIs)

Los TKIs son pequeñas moléculas que tienen afinidad con algunos puntos especiales en la parte del cuerpo de las antenas celulares que se encuentra dentro de la célula, donde se producen las reacciones químicas que activarán las vías químicas (llamadas dominios de tirosina quinasa).

Casi todas las investigaciones realizadas con TKIs se centran en la terapia del cáncer, ya que las células cancerígenas usan antenas como el FGFR3 para impulsar su propio crecimiento, multiplicación, sobrevivencia y capacidad metastásica. Al bloquear las antenas de las células cancerígenas relevantes, las nuevas terapias contra el cáncer han demostrado ser más efectivas que las más antiguas.

Nuevamente eche un vistazo a la Figura 4 para ver dónde se encuentra el dominio tirosina quinasa. Las reacciones químicas que tienen lugar en este dominio interno impulsan la transmisión de la señal posterior desde el FGFR3 hasta el núcleo.

Mire el video 2 para ver cómo funciona el TKI imatinib. La antena atacada por el imatinib no es el FGFR3, pero el mecanismo de acción es bastante parecido.

Video 2. Mecanismo de acción del imatinib, un TKI.

Muchos TKIs con acción contra los FGFRs han sido anteriormente descritos (revisados aquí), y uno de ellos, el BGJ398 (infigratinib), ahora está siendo explorando específicamente en la acondroplasia después de que un estudio reciente demostró que restauraba el crecimiento óseo en un modelo animal sin mayores problemas de seguridad y en dosis muy inferiores a las necesarias para tratar el cáncer (8).

De manera parecida al imatininb (video 2), el infigratinib se une a eses sitios en la parte intracelular del FGFR3 y bloquea la capacidad del receptor activado para realizar la transmisión de la señal al núcleo de la célula. En otras palabras, el FGFR3 continúa recibiendo señales del exterior, pero no puede entregarlas al núcleo de la célula.

CNP y análogos de CNP (ej.: vosoritide, TransCon-CNP)

El vosoritide es una copia mejorada de una molécula natural producida por nuestro cuerpo llamada CNP. El CNP funciona controlando naturalmente la cantidad de señales que el FGFR3 transmite al núcleo de la célula, inhibiendo la vía del MAPK (Figura 9). En diferentes estudios en modelos animales (revisados aquí) mostró una mejora significativa del crecimiento óseo. El estudio de fase 2 con vosoritida mostró una mejora de aproximadamente 40-50% en la velocidad de crecimiento óseo en niños bajo tratamiento durante 30 meses (aquí). Actualmente se encuentra en ensayo clínico de fase 3 en niños con acondroplasia (aquí). Se prevé que el TransCon-CNP, otro análogo del CNP, entre en desarrollo clínico pronto (aquí).

Meclozina/meclizina

La meclozina es un viejo medicamento contra el mareo (antihistamínico) que se ha demostrado que funciona de manera similar al CNP, inhibiendo la vía del MAPK en modelos animales de acondroplasia, restaurando parcialmente el crecimiento óseo (Figura 9) (9-12). El año pasado, durante la reunión de la Sociedad Internacional de Displasia Esquelética (ISDS 2017), el grupo japonés que trabaja con la meclozina anunció planes para comenzar un estudio de fase 1 a fines de 2017 o principios de 2018, pero no ha habido ninguna indicación formal de que este estudio haya comenzado o esté en curso, (hasta el momento no hay registro de ensayos clínicos o noticias publicadas).

Figura 9. Sitios de acción de diversas moléculas exploradas para el tratamiento de la acondroplasia. 

Fíjese que tanto el CNP como la meclozina funcionan en la vía del MAPK (RAS-RAF-MEK-ERK). A31 y NF449 son TKIs anti-FGFR3 que no son ya más investigados (hasta donde sabemos). El P3 es un péptido con alta afinidad por el FGFR3 y tendría un efecto similar al de un anticuerpo, pero (hasta donde sabemos) hasta ahora no ha habido publicaciones nuevas al respecto. Fuente: Matsushita M et al. (2013). Reproducido aquí solo con fines educativos.

Y finalmente...

Las Estatinas

Las estatinas son un grupo de medicamentos que se utilizan principalmente para reducir los niveles de colesterol en individuos con un reconocido alto riesgo de enfermedad cardiovascular (ECV) o que ya hayan tenido episodios cardiovasculares (14,15). Las personas con hipercolesterolemia familiar, incluyendo los niños mayores de 8 años, se consideran con mayor riesgo de ECV y, por este motivo, también se recomienda la terapia con estatinas para este grupo (15).

No obstante, es interesante saber que las estatinas también se han usado en niños y adolescentes con diferentes trastornos en los cuales el objetivo no es reducir los niveles de colesterol. Por ejemplo, las estatinas se han usado para aumentar (¡!) los niveles de colesterol en un trastorno genético llamado síndrome de Smith-Lemli-Opitz, que causa un deterioro en la síntesis del colesterol (16). Otros trastornos en los cuales las estatinas también han sido utilizadas en personas jóvenes incluyen la preclamsia (en mujeres embarazadas) (17), una forma genética de enfermedad renal poliquística (18), la anemia de células falciformes (19), el síndrome de progeria (20), el autismo (21) y en la neurofibromatosis tipo 1 (NF1), un trastorno relacionado con el autismo (22-26).

Aspectos de seguridad de la terapia con estatinas en niños

Existe una pregunta universal sobre los riesgos del uso de estatinas en niños, porque el colesterol es la molécula principal de muchos agentes biológicos importantes (por ejemplo, varias hormonas) que impulsan el desarrollo normal del cuerpo.

Ya hay consenso sobre el uso de estatinas en niños que tienen niveles elevados de colesterol, ya que esto puede protegerlos de futuras enfermedades cardiovasculares. Pero, ¿qué pasa con el uso de las estatinas en niños con niveles normales de colesterol? La pregunta básica es: ¿cuál es el riesgo para un niño en crecimiento si reducimos demasiado los niveles de colesterol?

Además, como el uso prolongado de estatinas se ha relacionado con un mayor riesgo de aparición de diabetes mellitus tipo 2 (DM2) en adultos, también existe preocupación por el riesgo del tratamiento con estatinas a largo plazo en el desarrollo de DM2 en la población pediátrica, especialmente en niños que no tienen niveles altos de colesterol (27, baja evidencia).

Para abordar preguntas importantes como estas, los aspectos de seguridad se han examinado a fondo en varios estudios realizados en niños de más de 8 años de edad, (prepúberes y púberes) con hipercolesterolemia. En estos estudios (la mayoría a corto/medio plazo) no se identificaron efectos nocivos de las estatinas sobre el crecimiento o el desarrollo corporal (28,29). Sin embargo, hay al menos dos estudios acompañando a pacientes jóvenes por un periodo de hasta cuatro años, que muestran que no hubo efectos nocivos causados ​​por las estatinas en términos de crecimiento o desarrollo (20,30).

Vimos que las estatinas fueron usadas en otras indicaciones clínicas en niños, adolescentes y mujeres embarazadas y los informes no describen ningún hecho adverso o daño indebido en esta población. Debido al efecto esperado de las estatinas en la disminución de los niveles de colesterol, en todos estos estudios los investigadores observaron el perfil lipídico de los participantes. En todos los estudios anteriormente citados, los niveles de colesterol disminuyeron, pero no hubo ningún caso reportado de colesterol cayendo fuera del rango normal (17-26).

En resumen, aunque todavía es necesario comprobar si hay consecuencias negativas a largo plazo debido al uso crónico de estatinas en niños, al mismo tiempo no ha habido evidencia de que el uso crónico de estatinas haya causado/pueda causar daño a esa población.

Las estatinas y las Rasopatías

Como vimos anteriormente, una de las condiciones donde se han usado las estatinas es el NF1, una de las Rasopatías. Los pocos visitantes veteranos de este blog posiblemente recordarán que ya hemos revisado las Rasopatías aquí, un grupo de trastornos genéticos que se caracterizan por mutaciones en enzimas que regulan la vía del MAPK. (¿No es esta la vía principal de señalización utilizada por el FGFR3?) El nombre lo dice todo: el RAS es la primera enzima en la vía del MAPK (figura 6). En ese artículo revisamos un trabajo interesante donde los investigadores usaron un análogo de CNP llamado NC-2, que ya no se está explorando, para reducir la señalización a través de la vía del MAPK en un modelo de neurofibromatosis (31).

La hipótesis detrás del uso de las estatinas en el NF1 es que estos fármacos podrían ayudar a mejorar el aprendizaje y las habilidades de comportamiento gracias a sus efectos en algunas enzimas, como las RAS, que son consideradas como responsables por el deterioro de las funciones cognitivas en el NF1.

Las estatinas en la acondroplasia

También es posible que usted ya haya visto un artículo anterior de este blog, publicado en 2014 donde revisamos un estudio convincente mostrando que las estatinas eran capaces de promover el crecimiento óseo en la acondroplasia, aunque el mecanismo exacto para explicar el efecto no se dilucidó del todo (32). Espere un momento, pero acabamos de decir que las estatinas pueden controlar la vía del MAPK, ¿no?

Las estatinas fueron investigadas también por el grupo del Dr. Pavel Krejci en 2017, pero este grupo descubrió que estas drogas no bloqueaban la señalización del FGFR3, a pesar de que los modelos usados solo reproducían parcialmente un modelo de displasia ósea FGFR3 (33).

Por lo tanto, queda la pregunta sobre cómo las estatinas promovieron el crecimiento óseo en la acondroplasia en el estudio de Yamashita y cols (32).

El estudio de las estatinas en el síndrome de Noonan, una Rasopatía

Podemos encontrar algunas pistas para responder a esta pregunta en base a los hallazgos de este interesante estudio que me llevó a escribir este artículo, donde los investigadores abordaron si las estatinas serían útiles para tratar el retraso del crecimiento encontrado en el Síndrome de Noonan (SN), otra Rasopatía (1)

En el SN, una enzima llamada SHP2 sufrió una mutación y se volvió hiperactiva. El SHP2 modula la actividad de otras variadas enzimas, incluyendo la Ras y la ERKs, que son parte de la vía del MAPK (1). El SHP2 mutante aumenta la actividad de la vía del MAPK y esto causa deterioro en el crecimiento óseo en el SN, entre otras anomalías.

Tajan y colaboradores (1) realizaron una serie de pruebas en condrocitos que muestran un SHP2 mutante, que es el causante del NS y observaron que la mutación en el SHP2 hizo con que la vía del MAPK fuese más activa, lo que a su vez condujo a una reducida zona hipertrófica en las placas de crecimiento de ratones con NS en comparación a los ratones normales (tipo salvaje, ST). Es importante destacar que este efecto inhibidor fue más pronunciado en la zona prehipertópica (Figura 2), que es una de las zonas de la placa de crecimiento donde el FGFR3 se muestra más activo (3).

Para probar si la vía del MAPK era hiperactiva en los condrocitos NS, ellos usaron un inhibidor de MEK llamado U126 (MEK es la enzima cadena arriba que activa la ERK), la cual restauró el tamaño de la zona hipertrófica en la placa de crecimiento. Usted puede obtener más información sobre los estudios con medicamentos diseñados para bloquear la vía MAPK aquí. Iguales resultados fueron obtenidos cuando se usó la rosuvastatina, la misma estatina utilizada por el grupo que exploró el uso de las estatinas en la acondroplasia (32).

En otras palabras, el estudio de Tajan e cols. (1) es el segundo que explora el uso de una estatina para restaurar el crecimiento óseo reduciendo la actividad de una de las vías enzimáticas más importantes para la señalización del FGFR3 en los condrocitos.

Dado que ya existe evidencia sólida (pero no completa) que explica el mecanismo de acción de la estatina en la placa de crecimiento, y que las evidencia actuales de seguridad no apuntan a daños específico en el desarrollo de los niños expuestos bajo el uso prolongado de estatinas, creo que hay una base razonable para realizar estudios clínicos con estatinas en niños con acondroplasia.

Los investigadores que esperan soluciones terapéuticas para la acondroplasia pueden encontrar interesante que en un antiguo estudio con estatinas en niños con hipercolesterolemia, donde uno de los aspectos de seguridad era el desarrollo de los participantes, haya habido un ligero incremento en la estatura de los niños expuestos a las estatinas en comparación con aquellos que utilizaron placebo (34, citado por 1; solo verifique la tabla de características de la población).

Las estatinas no se acumulan por mucho tiempo en el cuerpo. En casi todos los casos, los eventos adversos relacionados con su uso fueron temporales, sin secuelas permanentes. Las estatinas son medicamentos orales de bajo costo. Los investigadores que desarrollan estatinas para la acondroplasia en ambientes clínicos tendrían diferentes biomarcadores establecidos para verificar la seguridad y la respuesta al tratamiento. ¿Qué es lo que ellos están esperando?
 
Referencias


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32. Yamashita A et al. Statin treatment rescues FGFR3 skeletal dysplasia phenotypes. Nature 2014; 513: 507–11.

33. Fafilek B et al. Statins do not inhibit the FGFR signaling in chondrocytes. Osteoarthritis Cartilage. 2017 Sep;25(9):1522-1530. doi: 10.1016/j.joca.2017.05.014. Epub 2017 Jun 3.

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Treating achondroplasia: a review of the therapy landscape with focus on statins

Foreword
 
I started this article after reading a recently published study in which researchers used a statin to target bone growth impairment in a genetic disorder (1). The results of that study bring more evidence for the potential role of statins for the treatment of achondroplasia. While I as writing I realized the topic was very technical (take a look on the third paragraph!), so I decided to add more information to explain some of the concepts I was describing. And then pictures, and more explanations. Well, after reviewing the complete text, I see that it is broader than what I have initially planned and became a new review of the therapeutic landscape, with a focus on the use of statins for the treatment of achondroplasia. 

Although I tried to translate hard technical jargon to an easier text, it is possible that for newcomers the language may sound difficult to understand. As all concepts summarized here have already been reviewed in the blog, if you had trouble to follow this text, you could try reading older articles before continuing on this one (try the first ones from 2012) as they can still be considered updated and could offer you more knowledge about the topics mentioned here. Additionally, you will see that I placed links to several blog's articles and external sources throughout the text for those more curious readers. I hope you won't feel bored... 

Let's go.

Introduction

RASopathies are a family of genetic disorders caused by mutations in enzymes that modulate the activity of the MAPK pathway, a group of enzymes which is also one of the most important chemical pathways impacted by the fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) mutation in achondroplasia (reviewed here). A new study exploring the use of statins to treat bone growth retardation in one of the RASopathies has just been published (1). In this study researchers found that statins could be candidates for the treatment of the growth retardation seen in that RASopathy. How does this relate to achondroplasia?

However, before talking about this study let's pick a few basic concepts about achondroplasia and the therapeutic landscape to help us understanding the potential role of statins in the treatment of achondroplasia. 

Basic concepts

Chondrocytes, the drivers of bone growth

Chondrocytes are very specialized cells that live inside the growth plates, tiny cartilaginous layers present in the extremities of the long bones in growing bodies (so only in children and teens) (Figures 1-3). The bone growth plate is a very tight and dense tissue without direct blood flow where only small molecules are able to circulate with some freedom (save this info for later!) (2,3).

Chondrocytes within the growth plate drive bone growth by following a highly controlled growth program governed by many molecules produced locally (such as FGFR3 and C-type natriuretic peptide (CNP)) and elsewhere in the body (such as hormones like growth hormone (GH) (3). Upon the influence of these many agents, chondrocytes go from a resting state to a "proliferation frenzy" (multiplication) followed by very significant cell enlargement (what is called hypertrophy) (Figure 2). When fully enlarged, chondrocytes are substituted by osteoblasts (the bone builder cells) and their growth plate zone gives place to new bone (Figure 2). The growth plates close under influence of hormones by the end of puberty (Figure 3) (3).

Figure 1. Growth plate.

Figure 2. Inside the growth plate.

 
Figure 3. Fate of the growth plate.

FGFR3, a cell antenna

FGFR3 is a kind of receptor antenna placed on the chondrocyte surface (the cell "roof") that receives signals from outside the cell and transmits them to the cell nucleus. It is quite like an antenna dish receiving satellite TV signals and, through cables, taking them to the receiver and finally to your TV in the family room (Figures 4-6). The signal receiver "translates" the signals coming from the antenna into the form of movies, TV shows, news, etc. (the output), according with the kind of signals received.

In the chondrocyte, according to the signals it receives from its antennas (and there are lots of them on the cell surface), the cell nucleus will also respond with different outputs.

While the dish antenna captures/receives signals from satellites in the form of invisible waves, cell signals are transmitted through chemical reactions. FGFR3 is a receptor that accepts only signals coming from molecules (the ligands) called fibroblast growth factors, or FGFs. When a FGF binds to FGFR3 outside the cell, there is a transfer of an electric charge, which in turn activates another chemical reaction inside the cell, in a domino chain-like way (the signalling pathways; Figure 7, Video 1).

 Figure 4. FGFR3 structure.

 Figure 5. FGFR3 is like a cell antenna.

Figure 6. FGFR3 drives signals from outside the cell to the nucleus inside the cell.

FGFR3 is a chemical brake in chondrocytes

In chondrocytes, signals coming from FGFR3 give instructions to the cell nucleus to reduce the cell multiplication pace. If these signals are transmitted in the right intensity they help chondrocytes to control the "proliferation frenzy" mentioned above, and this is important because there are several other signals telling the chondrocyte to multiply non-stop, which would cause bone growth problems (3).

Therefore, FGFR3 is a key regulator of bone growth, acting as a brake to balance the effect of other antennas which work like bone growth accelerators. In simple words, when it receives a signal from outside the cell, FGFR3 "tells" the nucleus of the cell: hey, stop multiplying, take a nap!".

FGFR3 and achondroplasia

While in normal conditions FGFR3 helps bones to grow in a balanced rhythm, in achondroplasia FGFR3 suffered a mutation (a change in its structure) and is overactive, making the brake too heavy, blocking the normal growth pace. It keeps sending signals to the cell nucleus asking it to stop multiplying even when not needed. Under the effect of the mutated FGFR3, chondrocytes enter in a kind of hibernation status, they stop multiplying and growing (3). This is crucial because chondrocytes' abilities to grow in number (proliferation) and in size (hypertrophy) are the key phenomena that drive bone growth. More specifically, the size and number of enlarged chondrocytes in the hypertrophic zone are considered the most important for normal bone growth.

How does FGFR3 send signals to the cell nucleus?

As we saw above, FGFR3 works transmitting chemical signals to the chondrocyte cell nucleus through several “cables”, called signaling pathways (Figure 7, Video 1). Although the number of "cables" is high, it seems that for chondrocytes the main FGFR3 "cables" are the MAPK and the STAT1 pathways (Figure 7) (3). MAPK is the pathway formed by Ras-Raf-MEK-ERK enzymes (Figure 7, on the right; reviewed here). 

Knowing how FGFR3 exerts its functions in chondrocytes helps researchers to design and create strategies to control the excessive FGFR3 signaling, restoring bone growth or bringing it close to the normal rhythm (see below). 

Video 1 is a ~14 min long animation showing how the body works to heal a skin wound, but you just need to watch the first ~7 min to see the activation of a signaling pathway. Basically, this animation shows how extra-cellular signals activate cells called fibroblasts to begin the wound healing process. The basic mechanism is valid for chondrocytes, although the outputs would be different from what we see in the animation.


Figure 7. FGFR3 signaling pathways.

Activation of FGFR3 leads to activation of STAT1 and MAPK (Ras-Raf-MEK-ERK) pathways, which respectively inhibit chondrocyte proliferation and hypertrophy (differentiation). From Su N et al. 2014. This image used only for educational purposes.

Video 1. Activation of receptor tyrosine kinases (RTK) and their chemical pathways.

This is a ~15 min long animation in English showing how cells called fibroblasts help starting healing a skin wound. FGFR3 is a RTK and the cell processes presented here are similar to what happens in any cell, including chondrocytes. However, remember that in chondrocytes, upon the activation of FGFR3, the cell stops to multiply. Source: DNA Learning Center by Cold Spring Harbor Laboratory. Reproduced here for educational purposes only.

Treating achondroplasia

Strategies to treat achondroplasia target several different spots in the communication between the signals coming from outside the chondrocyte (the TV signal) and the chondrocyte nucleus (the TV receiver). 

If any strategy wanted to be successful it would need to inhibit, block or reduce the intensity of the signals the mutated FGFR3 sends to the chondrocyte nucleus, so the cell could resume its normal growth program. This is relevant because, beyond likely increasing final height, these potential therapies may help reducing limb disproportion and several common neurological and orthopedic complications as well as improving quality of life of affected individuals. Let's give examples using some approaches currently under investigation. We will go through the communication channels from outside to inside the cell. 

Note: although it is already possible to correct the FGFR3 mutation (gene editing) (4), to my knowledge there has been no new publications in this field so far. All strategies listed here target FGFR3 signaling only so they won't "cure" achondroplasia. This simply means that an individual with achondroplasia treated with one of them would still have achondroplasia, regardless of having normal, or close-to-normal, bone growth.

Ligand Traps

• TA-46

Ligand traps are molecules designed to capture TV signals before they can reach the antennas in the cell surface. These traps based on cell receptors such as FGFR3 have a very similar structure and this is the case of TA-46 (also called sFGFR3; reviewed here) (5). TA-46 is a "free" version of FGFR3, meaning it is not attached to the cell surface (Figure 8). Instead, it can circulate and "capture" signals (the FGFs!) before they can reach the cell-bound FGFR3. 

What does it mean for achondroplasia? In a mouse model of achondroplasia, TA-46 was able to prevent FGFs to activate the mutated FGFR3, leading to a significant reduction of FGFR3 signaling (so, reducing the volume of signals that reached the cell nucleus through FGFR3), which in turn restored bone growth (5). In simple words, the TV signals wouldn't reach the TV antenna (FGFR3), and the TV wouldn't show any program coming through the FGFR3 antenna. The biotech exploring TA-46 announced they would be starting a phase 1 clinical trial in the first quarter of this year.

• Aptamers

Aptamers are small molecules that can be designed to very specifically bind their targets (reviewed here). RBM007 is an aptamer designed to block FGF2, one of the main FGFR ligands (the "TV signals"!), so in this case it is also a kind of ligand trap strategy (6). It is being developed to treat achondroplasia, according with its developer (here), but nothing specific to achondroplasia has been made public yet.

In the context of achondroplasia, although FGF2 is present in the growth plate, FGF9 and FGF18 are considered more relevant for FGFR3 activation in the chondrocyte (3), so we will need to see if RBM007 is the right aptamer for achondroplasia (where are the studies showing so?). 

Aptamers can be designed to bind any molecule. For example, one could be designed to bind the exterior part of FGFR3 in the same way an antibody does (below).

Figure 8. Ligand trap strategy.

Soluble FGFR3 (sFGFR3, TA-46) fluctuates within the growth plate, close to the chondrocyte cell surface and attracts nearby FGFs. FGFs bound to TA-46 can't activate the "natural" FGFR3 attached to the cell surface. Source: Therachon. Reproduced here for educational purposes only.

Antibodies

Antibodies are molecules created by our immune system to help eliminate foreign agents and substances that invade the body. Nevertheless, it is possible to create specific antibodies against almost any target you can imagine and this has been done with FGFR3. There are several antibodies against FGFR3 described in the literature and one, B-701 (formerly R3Mab; reviewed here) (7), is being explored by a biotech for some kinds of cancer driven by FGFR3 (here) and achondroplasia (here).

In achondroplasia, B-701 would bind to FGFR3, preventing the docking of FGFs, so it would work like an umbrella over the FGFR3 antenna (Figure 9). In other words, upon the antibody binding to FGFR3, FGFs (the TV signals!) would not be able to reach and activate the antenna, so their signals wouldn't reach the chondrocyte nucleus.

An ongoing question is whether an antibody, usually a large molecule, would be able to reach FGFR3 within the growth plate, a very dense tissue (as we saw above) since only small molecules are able to penetrate and circulate within the growth plate (2). Although several anti-FGFR3 antibodies have been developed to date, I couldn't find any study clearly showing any of them explored in the context of the growth plate. The developer of B-701 claims to have completed pre-clinical studies (here), but nothing has been published about them yet.

Figure 9. An Antibody covers FGFR3 to prevent the binding of FGFs.

Tirosine kinase inhibitors (TKIs)

TKIs are small molecules that have affinity to some special spots in the part of the body of the cell antennas that lies inside the cell, where the chemical reactions that will turn on the chemical pathways happen (called tyrosine kinase domains).

Almost all research done with TKIs is focused on cancer therapy, since cancer cells use antennas such as FGFR3 to drive their own growth, multiplication, survival and metastatic capability. By blocking relevant cancer cell antennas, new therapies against cancer have been showing to be more effective than older ones.

Take a look on Figure 4 again to see where the tyrosine kinase domain is located. These chemical reactions taking place in this internal domain drive the subsequent signal transmission from FGFR3 to the nucleus. 

Watch Video 2 to see how the TKI imatinib works. The antenna targeted by imatinib is not FGFR3, but the mechanism of action is quite the same.

Video 2. Mechanism of action of imatinib, a TKI.

 
Many TKIs with action against FGFRs have already been described (reviewed here), and one of them, BGJ398 (infigratinib), is now being explored specifically in achondroplasia after a recent study showed that it restored bone growth in an animal model without major safety concerns and in doses far below those needed to treat cancer (8). 

Similarly to imatininb (Video 2), infigratinib binds to those spots in the intracellular part of FGFR3 and blocks the ability of the activated receptor to forward the signal transmission to the cell nucleus. In other words, FGFR3 keeps receiving signals from outside, but can't deliver them to the cell nucleus.

CNP and CNP analogues (ex.: vosoritide, TransCon-CNP)

Vosoritide is an improved copy of a natural molecule produced by our body called CNP. CNP works by naturally controlling the amount of signals that FGFR3 transmits to the cell nucleus, inhibiting the MAPK pathway (Figure 9). In several studies in animal models (reviewed here) it showed significant improvement of bone growth. The phase 2 study with vosoritide showed around 40-50% improvement in bone growth velocity in children under treatment over 30 months (here). It is currently in phase 3 clinical trial in children with achondroplasia (here). TransCon-CNP, another CNP analogue is planned to enter clinical development soon (here).

Meclozine/meclizine

Meclozine is an old motion sickness (anti-histaminic) drug that has been showed to work similarly to CNP, inhibiting the MAPK pathway in animal models of achondroplasia, partially restoring bone growth (Figure 9) (9-12). Last year, during the International Skeletal Dysplasia Society meeting (ISDS 2017), the Japanese group working with meclozine announced plans to start a phase 1 study by the end of 2017 or beginning of 2018, but there has been no formal indication that this study has started or is ongoing (no clinical trial registry or news released so far). 

Figure 9. Sites of action of diverse molecules being explored for the treatment of achondroplasia.

Note that both CNP and meclozine work on the MAPK pathway (RAS-RAF-MEK-ERK). A31 and NF449 are anti-FGFR3 TKIs no longer (to our knowledge) being explored. P3 is a peptide with high affinity for FGFR3 and would have an effect similar to an antibody, but there have been no new publications about it to date (to our knowledge). Source: Matsushita M et al. (2013). Reproduced here for educational purposes only.

And finally...

Statins

Statins are a group of drugs that are mainly used to lower cholesterol levels in individuals with known high risk of cardiovascular disease (CVD) or those who already had cardiovascular events (14,15). Individuals with familial hypercholesterolemia, including children 8+ years of age, are considered at higher risk of CVD and for this reason statin therapy is also recommended for this group (15).

Notwithstanding, it is interesting to know that statins have been also used in children and adolescents with several disorders in which the goal is not to lower cholesterol levels. For instance, statins have been used to increase (!) cholesterol levels in a genetic disorder called Smith-Lemli-Opitz syndrome which causes impairment on the cholesterol synthesis  (16). Other disorders in which statins have also been used in young individuals include pre-eclampsia (in pregnant women) (17), a genetic form of polycystic kidney disease (18), sickle cell anemia (19), a progeria syndrome (20), autism (21) and in neurofibromatosis type 1 (NF1), an autism-related disorder (22-26).

Safety aspects of statin therapy in children

There is an universal question about the risks of using statins in children, because cholesterol is the backbone molecule for many important biological agents (e.g.: several hormones) that drive normal body development. 

There is already consensus about the use of statins in children who have high cholesterol levels as this may protect them from future CVD but, what about using statins in children with normal cholesterol levels? The basic question is: what is the risk for a growing child if we reduce cholesterol levels too much ? 

Furthermore, as long term statin use has been linked to increased risk of onset of type 2 diabetes mellitus (DM2) in adults, there is also concern about the risk of long term statin therapy on the development of DM2 in the pediatric population, specially in children who do not have high cholesterol levels (27; weak evidence).

To address some of these important questions, safety aspects have been thoroughly examined in several studies performed in children with hypercholesterolemia 8+ years of age (pre-pubertal and pubertal). In these studies (most short/medium term studies) no harmful effects of statins on growth or body development were identified (28,29). However, there are at least two studies following young patients for up to four years showing that there were no harmful effects caused by statins in terms of growth or development (20,30).

We saw that statins have been used in other clinical indications in children, adolescents and pregnant women and reports do not describe any adverse events or undue harm in this population. Because of the expected effect of statins in lowering cholesterol levels, in all these trials researchers kept an eye on the lipid profile of the study participants. In all studies referred above cholesterol levels did drop, but there was no reported case of cholesterol falling off the normal range (17-26).


In summary, although there is still need to check if there are long term negative consequences due to chronic use of statins in children, at the same time there have been no evidence that chronic use of statins will/would cause harm in this population.

Statins and the RASopathies

As we saw above, one of the disorders where statins have been used is NF1, one of the RASopathies. The few veteran visitors of this blog will possibly remember that we have already reviewed the RASopathies here, a group of genetic disorders that are characterized by mutations in enzymes that regulate the MAPK pathway (is this not exactly the main signaling pathway used by FGFR3?). The name says it all: RAS is the first enzyme in the MAPK pathway (FIgure 6). In that article we reviewed an interesting work where researchers used a CNP analogue no longer being explored called NC-2 to reduce the signaling through the MAPK pathway in a model of neurofibromatosis (31).

The theory behind the use of statins in NF1 is that these drugs could help improve learning and behavioral abilities due to their effects in some enzymes, such as Ras, that are thought to drive the impairment in cognitive functions in NF1.

Statins in achondroplasia

You might have also already checked out this blog's previous article published in 2014 where we reviewed a compelling study showing that statins were able to promote bone growth in achondroplasia, although the exact mechanism to explain the effect was not fully elucidated (32). Wait a minute, but we just said that statins can control the MAPK pathway, didn't we?

Statins were further investigated by the group of Dr. Pavel Krejci in 2017, but they found that these drugs did not block FGFR3 signaling, although their models would only partially reproduce a FGFR3-bone dysplasia model (33). Therefore, the question remains about how statins promoted bone growth in achondroplasia in the study by Yamashita and cols (32).

The study of statins in Noonan Syndrome, a RASopathy

We may find some clues to answer this question based on the findings of this interesting study that drove me to write this article, where researchers addressed whether statins would be useful to treat the growth retardation found in Noonan Syndrome (NS), another RASopathy (1).

In NS, an enzyme called SHP2 suffered a mutation and became hyperactive. SHP2 modulates the activity of several other enzymes, including Ras and ERK, which are part of the MAPK pathway (1). The mutant SHP2 increase the activity of the MAPK pathway and this causes bone growth impairment in NS, among other abnormalities.

Tajan and coworkers (1) performed a series of tests in chondrocytes expressing a NS-causing SHP2 mutant and observed that the mutation in SHP2 made the MAPK pathway more active, which in turn leaded to a reduced hypertrophic zone in the growth plates of NS mice compared with normal (wild type, WT) mice. Importantly, they observed that this inhibitory effect was more pronounced in the early or pre-hypertophic zone (Figure 2), which is one of the growth plate zones where FGFR3 is more active (3).


To test if the MAPK pathway was overactive in NS chondrocytes, they used a MEK inhibitor called U126 (MEK is the upstream enzyme that activates ERK), which restored the size of the hypertrophic zone in the growth plate. You can learn more about studies with drugs designed to block the MAPK pathway here. The same results were obtained when they used rosuvastatin, the same statin used by the group who explored the use of statins in achondroplasia (32).

In other words, the study by Tajan e cols. (1) is the second one exploring the use of a statin to restore bone growth by reducing the activity one of the most important enzyme pathways for FGFR3 signaling in chondrocytes. 

Since that there is already sound (but not complete) evidence explaining statin's mechanism of action in the growth plate, and that the current safety evidence does not point to specific development harm to exposed children under prolonged statin use, I think that there is ground for pursuing clinical studies with statins in children with achondroplasia.

Researchers looking forward to therapeutic solutions for achondroplasia might find interesting that in an old study with statins in children with hypercholesterolemia, where one of the safety aspects was participants' development, there was a slight increase in height in children exposed to the statin compared to those on placebo (34, cited by 1; just check the population characteristics' table).

Statins would not accumulate over a couple of days. In almost all cases adverse events related to their use were temporary, without permanent sequelae. Statins are low cost oral drugs. Researchers developing statins in clinical settings for achondroplasia would have several established biomarkers to check safety and treatment response. What are they waiting for?


References

1. Tajan M et al. Noonan syndrome-causing SHP2 mutants impair ERK-dependent chondrocyte differentiation during endochondral bone growth. Hum Mol Genet. 2018 Apr 12. doi: 10.1093/hmg/ddy133.

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