Nitisinona, ¿Herbicida o medicamento?

Callistemon_citrinus
Flores del Callistemon citrinus (cortesía de wikipedia)

En este post voy a hablar de un herbicida que se utiliza para curar enfermedades en los humanos, la nitisinona. Toda esta historia comienza con un arbusto originario de nuestras antípodas, el Callistemon citrinus (del griego kallos, hermoso y stemon, estambre y del latín citrus, por su aroma a limón), también conocido como Calistemo, Árbol del cepillo o Escobillón rojo. Es un arbusto con porte de árbol pequeño de la familia de los Myrtaceae, originario de los estados de Queensland, Nueva Gales del Sur y Victoria en Australia, donde se encuentra en las cercanías de quebradas rocosas y en los pantanos próximos a la costa [1]. Actualmente se encuentra ampliamente distribuido por todo el mundo en jardines y plazas por su adaptabilidad y resistencia a la sequía y heladas.

Fue en el año 1977 cuando un biólogo que trabaja en el California en la empresa química Stauffer Chemical Company (ahora Syngenta [2]) se dio cuenta de que muy pocas plantas crecían bajo los arbustos de Callistemon Citrinus de su jardín. Fascinado por esto, tomó muestras de suelo de la zona inmediatamente debajo de los arbustos de Callistenon Citrinus para aislar posibles compuestos potencialmente herbicidas. De los posibles compuestos se ensayaron unos 5 sobre semillas germinadas de plantas, que dieron como resultado el blanqueo de los brotes (acción herbicida), por lo que con técnicas analíticas determinaron la estructura química de dicho compuesto herbicida, que resultó ser el 1-hidroxi-2-isovaloril-4,4,6,6-tetrametil-3,5-ciclohexeno-diona, cuyo nombre común es leptospermona.

Leptospermona

leptospermona
fig 1. estructura química de la leptospermona

La leptospermona es un compuesto químico, una β-tricetona, producido por algunos miembros de la familia de las Mirtáceas, como Callistemon citrinus, o el Leptospermum scoparium, originario de Nueva Zelanda y desde la cual toma su nombre. Es un compuesto herbicida natural que producen algunos miembros de esta familia para evitar la competencia de otras plantas. El compuesto fue identificado por primera vez en 1921 y fue extraído de una variedad de plantas entre los años 1965 y 1968 pero no fue identificado en el Callistemon citrinus hasta el año 1977.

Su mecanismo de acción está basado en la inhibición específica de la enzima p-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa (HPPD), una enzima que se encuentra tanto en animales como en plantas y que cataboliza a la tirosina, transformando al p-hidroxifenilpiruvato en ácido homogentísico.

p-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa
fig. 2, acción de la enzima HPPD

La inhibición de la acción de esta enzima hace que las plantas se vuelvan blancas debido a la perdida de la clorofila, por lo que este compuesto se le clasifico como “herbicida blanqueante”. Esto es debido a que el ácido homogentísico es el precursor de clave en la biosíntesis de los tocoferoles y plastiquinonas.

  • Los tocoferoles (vitamina E) protegen a la planta del estrés oxidativo.
  • Las plastoquinonas son un co-factor critico en la formación de los carotenoides, que protegen a la clorofila de ser destruida por la acción de la luz solar.

Una vez encontraron que molécula era la responsable de la acción herbicida la sintetizaron en el laboratorio e hicieron pruebas con ella. Pero se encontraron con un problema, y es que se necesitaban hasta 9 Kg de ingrediente activo por hectárea tratada, inviable para su uso como herbicida.

Pero este mecanismo de acción era extremadamente interesante para dejarlo pasar  y se llevó a cabo un programa de síntesis y optimización de compuestos análogos a la leptospermona. El programa fue dirigido utilizando relaciones estructura-actividad y condujo gradualmente a través de una serie de compuestos más activos siendo algunos de ellos extraordinariamente activo, con dosis tan bajas como 0,001 Kg de ingrediente activo por hectárea. El problema era que, como he comentado antes, esta enzima también la tienen los animales (no solo las plantas) y entre los animales estamos los humanos, por lo que estos compuestos fueron descartados (eran compuestos con excesiva persistencia del suelo, con falta de selectividad hacia los cultivos y con una toxicidad en humanos inaceptable).

Finalmente, después de muchas rondas de optimización, y once años después de que el aislamiento inicial de leptospermona los químicos Syngenta desarrollaron la mesotriona.

Mesotriona

mesotriona
fig. 3, estructura química de la mesotriona

Mesotriona es un herbicida vendido bajo los nombres de marca Calisto, lanzado al mercado por Syngenta en 2001. Es un análogo sintético de la leptospermone desarrollado para imitar los efectos de este herbicida natural. Mesotriona es miembro de la clase de los inhibidores de HPPD, es decir, inhibe la transformación p-hidroxifenilpiruvato en ácido homogentísico catalizada por la enzima p-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa [3].

Pero Syngenta no desarrolló solamente la mesotriona, sino que desarrolló también otros compuestos con actividad herbicida y pertenecientes a la familia de las β-tricetonas, la nitisinona y la sulcotriona. La nitisinona se diferencia de la mesotriona en solo un grupo trifluorometilo.

herbicidas b-tricetonasAhora fijémonos en el mecanismo de acción de la enzima HPPD (p-hidroxifenilpiruvato dioxigensa). La HPPD es una enzima formada por 381 aminoácidos (con muy pocas variaciones entre animales o vegetales) cuyo centro de acción está conformado por un átomo de hierro bivalente (Fe(II)). Este hierro está unido a tres aminoácidos de la enzima (representados por R en el esquema siguiente) con una estructura octaédrica, quedándole tres orbitales vacío, que los ocupan tres moléculas de agua. Cuando se une la molécula de p-hidroxifenilpiruvato, pierde dos moléculas de agua [4].

mecanismo HPPD

Observamos que el CO2 producido viene del grupo ácido carboxílico y el O2 que ingresa, un átomo va a parar al grupo cetona del ácido y el otro a un grupo hidroxilo en el anillo fenólico.

Ahora fijémonos también en las enfermedades humanas que derivan de la degradación de loa aminoácido fenilalanina y tirosina:

tirosinemias

observamos que las enfermedades como la alcaptonuria y la tirosinemia tipo 1 aparecen después que actúe la enzima 4-hidroxifenilpiruvato dioxigenasa. Las características de estas dolencias son:

  • La alcaptonuria o enfermedad de la orina negra, es una enfermedad hereditaria rara caracterizada por un trastorno del metabolismo de la tirosina y la fenilalanina. Está causada por un gen recesivo que codifica a la enzima homogentisato oxigenasa. El resultado es la acumulación de uno de los productos tóxicos de la ruta metabólica en cuestión, una molécula llamada ácido homogentísico, el cual circula por la sangre y se excreta en la orina en grandes cantidades, dándole la característica coloración negruzca a la orina. El exceso del ácido homogentísico causa daño a los cartílagos, una condición llamada ocronosis, que conlleva a osteoartritis, a las válvulas del corazón y produce cálculos renales [5].
  • La tirosinemia tipo 1, también llamada tirosinemia hepatorrenales, un trastorno del metabolismo de los ácidos amino caracterizado por manifestaciones hepatorrenales.  La enfermedad está provocada por una deficiencia en fumarilacetoacetaro hidrolasa, por lo que en el organismo se acumula el 4-fumarilacetoacético, un compuesto tóxico.

Este echo hizo pensar a los científicos que controlando la enzima responsable de la formación de estos compuestos tóxicos se podría mitigar el efecto de estas enfermedades. y se experimento con los inhibidores de la enzima HPPD. El compuesto que mejor se adaptaba para este fin fue la nitisinona.

Nitisinona

orfadin 5 mg
orfadin, un fármaco cuyo principio activo es la nitisinona

La nitisinona (también conocido como NTBC, una abreviatura de su nombre químico completo ( 2-[2-nitro-4-(trifluorometil)benzoil] cyclohexane-1,3-dione)) fue desarrollada originalmente como un herbicida, pero ahora se utiliza para el tratamiento de una enfermedad hereditaria rara. Es un fármaco utilizado para disminuir los efectos de la tirosinemia hereditaria tipo 1, la alcaptonuria y un tipo concreto de albinismo. Se comercializa bajo la marca ORFADIN por la empresa Swedish Orphan International.

La Nitisinona tiene varios efectos secundarios negativos, como hinchazón y dolor abdominal, orina oscura, sensación de cansancio o debilidad, dolor de cabeza, heces de color claro, pérdida de apetito, pérdida de peso, vómitos, y los ojos de color amarillo o de la piel.

unión nitisinona enzima
fig 4. esquema de unión entre el centro activo de la encima HPPD y la nitisinona

Este medicamento es capaz de inhibir la acción de la enzima HPPD de manera eficaz al unirse a su centro activo, como puede verse en la figura 4.

Además estudios recientes han demostrado que este compuesto es eficaz para el tratamiento de otra enfermedad rara, un tipo de albinismo llamado albinismo oculocutáneo tipo 1 (OCA1) [6,7,8] caracterizado también por un defecto genético en el catabolismo de la tirosina, pero esta vez en la enzima tirosinasa, encargada de la oxidación de fenoles para producir pigmentos como la melanina. Esta enzima en lugar de tener hierro tiene cobre. Las personas con albinismo oculocutáneo tipo 1 (OCA1) tienen el pelo blanco, la piel muy pálida y los ojos claros, ya que carecen de pigmento de melanina. Las personas afectadas padecen deterioro de la vista y tienen un riesgo significativamente mayor de padecer cáncer de piel. Las actuales opciones de tratamiento se limitan a la protección solar y a los intentos por corregir la visión.

Los expertos observaron que al tratar a los ratones con mutaciones que generan tirosinasa de actividad reducida (OCA-1B) con nitisinona, aumentó la pigmentación del pelo y los ojos. Por lo tanto, sugieren que la nitisinona podría mejorar la pigmentación en los pacientes con OCA-1B y, potencialmente, mejorar su vista.

Referencias y fuentes de datos

[1] Callistemon citrinus en Wikipedia

[2] Syngenta

[3] Mesotrione en wikipedia

[4] 4-Hydroxyphenylpyruvate dioxygenase

[5] Alcaptonuria en wikipedia

[6] Albinos oculocutáneos tipo 1

[7] Hallan un posible nuevo tratamiento para albinismo oculocutáneo de tipo 1

[8] Nitisinone improves eye and skin pigmentation defects in a mouse model of oculocutaneous albinism

Callisto: a very successful maize herbicide inspired by allelochemistry

In planta mechanism of action of leptospermone: impact of its physico-chemical properties on uptake, translocation, and metabolism

Nitisinone en wikipedia

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