Descubriendo moléculas potentes con ESC humanas para tratar enfermedades cardíacas

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Detalles de la concesión de la subvención

Tipo de subvención:

Subvención SEMILLA

Conceder número:

RS1-00169

Investigador(es):

Nombre:

Dr. John R Cashman Ph.D.

Institución:

Instituto de Investigación Biomolecular Humana

Tipo:

Enfoque de la enfermedad:

Enfermedad del corazón

Uso de células madre humanas:

Células madre embrionarias

Valor del premio:

$688,274

Estado:

Cerrado

Informe de progreso

Período de información:

Los estudiantes de Year 2

Período de información:

NCE

Los objetivos originales de la propuesta eran aplicar la química medicinal para generar análogos de moléculas pequeñas más potentes y similares a fármacos que estimulen la diferenciación de cardiomiocitos de células madre embrionarias (ESC) y potencialmente otros tipos de células progenitoras que se encuentran en el corazón humano adulto. Durante el período de la subvención, logramos con creces cada objetivo y proporcionamos una gran cantidad de moléculas pequeñas similares a fármacos para estudios de diferenciación de cardiomiocitos. Además, se obtuvo otra información relacionada que ha ampliado considerablemente nuestra comprensión relacionada con el desarrollo de medicinas regenerativas. 1. Química sintética: a partir de una evaluación inicial de miles de compuestos, se identificaron seis "resultados". Se sintetizaron casi 1400 compuestos como análogos de estos "éxitos" con el objetivo de generar compuestos novedosos más eficaces como posibles terapias para las enfermedades cardíacas. 2. Desarrollo y detección de ensayos: se estudiaron nuevos análogos químicos sintéticos en ensayos celulares para evaluar la potencia de estimulación del desarrollo de las células cardíacas en relación con los compuestos iniciales "impactantes". Los datos biológicos contribuyeron a los estudios de relación estructura-actividad (SAR) y proporcionaron información valiosa sobre partes de las moléculas importantes para la diferenciación de células madre de cardiomiocitos y para otras propiedades farmacéuticas importantes. La retroalimentación iterativa de las pruebas biológicas ayudó a guiar el diseño de próxima generación de compuestos nuevos y cada vez más eficaces. 3. Optimización química. Se realizaron estudios enfocados de relación estructura actividad (SAR) para 4 series químicas de la pantalla de diferenciación de cardiogénesis ESC. Se realizó SAR para 2 clases de sustancias químicas adicionales, pero esos agentes resultaron menos potentes. Además del SAR, se obtuvo considerable información que condujo a una mejor solubilidad y permeabilidad de la membrana de los compuestos en desarrollo, lo que se convirtió en un foco de las optimizaciones químicas. Los compuestos más potentes aumentaron la diferenciación de células madre a cardiomiocitos entre 5 y 10 veces. Los compuestos no eran tóxicos, eran razonablemente fáciles de preparar, estables y solubles en agua y, por tanto, relativamente fáciles de manipular. 4. Se identificaron varias vías de señalización biológica afiliadas a la diferenciación de cardiomiocitos. Una de esas vías también está implicada en actividades anticancerígenas. Por lo tanto, nuestros esfuerzos por identificar agentes de diferenciación de cardiomiocitos nos llevaron a estudiar una nueva biología asociada con el cáncer. Se eligió un "impacto" de esta vía de señalización para realizar química sintética y un "impulso" para liderar el refinamiento. Se sintetizaron y probaron aproximadamente 100 compuestos para determinar la inhibición de esta vía de señalización. En resumen, el trabajo ya ha dado lugar a una serie de compuestos prometedores similares a fármacos listos para pruebas de eficacia en modelos animales y, por lo tanto, los esfuerzos han acelerado enormemente el cronograma para hacer llegar los compuestos a los pacientes humanos. Se sintetizaron un total de 1500 compuestos para optimizar la potencia y las propiedades de los agentes de diferenciación de cardiomiocitos. La producción estimulada más potente de cardiomiocitos humanos es de 5 a 10 veces mayor en comparación con las células estimuladas con vehículo.

Detalles de la solicitud de subvención

Titulo de la aplicación:

Descubriendo moléculas potentes con ESC humanas para tratar enfermedades cardíacas

Resumen público:

Este trabajo es directamente relevante para la investigación de células madre embrionarias humanas (hESC) porque aporta nuevas ideas sobre compuestos novedosos que afectan la cardiomiogénesis. El trabajo aborda una necesidad urgente de desarrollar nuevos agentes para tratar las enfermedades cardiovasculares. Desarrollaremos moléculas potentes y selectivas similares a fármacos como agentes de diferenciación de cardiomiocitos.

Las enfermedades cardíacas son la principal causa de mortalidad y deterioro de la calidad de vida en el mundo desarrollado. La capacidad de las hESC para formar cardiomiocitos ha generado la esperanza de que estas células puedan usarse para reemplazar el miocardio dañado. A pesar de su capacidad para formar cardiomiocitos, no se ha logrado una cardiomiogénesis eficiente y controlada en cultivos de ESC debido a la falta de disponibilidad de agentes de diferenciación y a una comprensión incompleta de las vías que regulan el desarrollo cardíaco.

Se ha logrado el éxito en el desarrollo de un ensayo de alto rendimiento robusto y confiable para estudiar los efectos de moléculas pequeñas en la diferenciación de cardiomiocitos. Se desarrollaron potentes ensayos basados en células que proporcionaron lecturas que condujeron a resultados de alto contenido porque se probaron múltiples señales. El ensayo es capaz de capturar biología de acción rápida o prolongada gracias a las lecturas del curso del tiempo. Los ensayos basados en células son superiores a los análisis moleculares porque el ensayo basado en células proporciona compuestos activos o "golpes" que son permeables y no citotóxicos. Además, los "golpes" refinados se pueden utilizar como sondas para revelar nuevas vías de señalización y proteínas que controlan la diferenciación, en un proceso denominado biología química. Aprovechando el conocimiento de los "éxitos" actuales, sintetizaremos rápidamente nuevos compuestos similares a fármacos con un enfoque de bajo riesgo. Los "éxitos" se refinarán y mejorarán mediante un proceso sintético eficiente que utilizamos en nuestro laboratorio llamado "Química Medicinal Dinámica".

Incluso después de la miniaturización y la automatización, la detección sigue siendo costosa. Una clave para mejorar el proceso de detección es utilizar compuestos farmacológicamente activos similares a los fármacos para proporcionar información rica y relevante para el objetivo. El diseño inteligente de bibliotecas para la detección mediante la incorporación de características similares a las de los fármacos en el diseño de bibliotecas "principales" mejorará la tasa de deserción y conducirá a compuestos farmacológicamente más relevantes para estudios futuros.

Esta propuesta responde directamente al Programa de Subvenciones SEED del Instituto de Medicina Regenerativa de California porque prevé el desarrollo y prueba de nuevos agentes de uso en cardiomioenesis de hESC. Es importante destacar que aporta nuevos investigadores y un enfoque colaborativo al campo de las células madre. Los agentes descubiertos y desarrollados pueden ser muy prometedores como base para el desarrollo futuro de medicamentos para una nueva clase de agentes de reemplazo del miocardio dañado. El fundamento teórico del trabajo es el uso de detección de alto contenido junto con enfoques de descubrimiento de nuevos agentes similares a los fármacos. El trabajo también será útil para dilucidar objetivos bioquímicos clave y nuevas vías de señalización importantes en la cardiomiogénesis de hESC.

Declaración de beneficio para California:

En 2002, en el estado de California, aproximadamente 697,000 californianos adultos murieron a causa de enfermedades cardíacas. El costo, medido por la pérdida de ingresos de toda la vida, fue de más de 79 mil millones de dólares. Dejando de lado el dolor y el sufrimiento, el impacto económico de las enfermedades cardiovasculares en el estado de California es asombroso. A pesar de los recientes avances en el desarrollo de medicamentos cardiovasculares, se necesitan con urgencia nuevos enfoques y nuevos compuestos similares a fármacos para tratar las enfermedades cardiovasculares en California y otros lugares. El mal pronóstico de las enfermedades cardíacas para los californianos subraya la necesidad crítica de desarrollar estrategias terapéuticas alternativas. La capacidad demostrada de las células madre embrionarias humanas (hESC) para formar cardiomiocitos ha generado una esperanza generalizada de que estas células puedan usarse como fuente para reemplazar el miocardio dañado en humanos. A pesar de su capacidad para formar cardiomiocitos, no se ha logrado una cardiomiogénesis eficiente y controlada en el cultivo de hESC debido a la falta de disponibilidad de agentes de diferenciación y también a una comprensión incompleta de las vías que regulan el desarrollo de las células cardíacas. Utilizando un ensayo de células completas de alto rendimiento con análisis de imágenes, hemos identificado cuatro moléculas pequeñas que promueven la cardiomiogénesis en las ESC humanas. Esta propuesta responde directamente al Programa de Subvenciones SEED del Instituto de Medicina Regenerativa de California porque prevé el desarrollo y prueba de nuevos agentes de uso en la cardiomiogénesis de hESC. También trae nuevos investigadores y nuevos enfoques colaborativos al campo. Los agentes prometedores descubiertos ya constituyen un excelente punto de partida y un mayor refinamiento y desarrollo de estos compuestos puede resultar muy prometedor como base para el desarrollo futuro de medicamentos para una nueva clase de agentes de diferenciación del miocardio dañado. El fundamento teórico del trabajo es el uso de detección de alto contenido junto con enfoques de descubrimiento de nuevos agentes similares a los fármacos. El trabajo será útil para dilucidar objetivos bioquímicos clave y nuevas vías de señalización importantes en la cardiomiogénesis de hESC. Los compuestos descubiertos hasta el momento en todos nuestros ensayos basados en hESC no son lo suficientemente potentes como para desarrollarlos como candidatos a fármacos. Pero estos compuestos son muy prometedores como agentes que podrían refinarse aún más y convertirse en fármacos. Si las pistas se convierten en medicamentos, la promesa de una nueva clase de medicamento para tratar las enfermedades cardiovasculares puede convertirse en realidad. Dichos medicamentos disminuirían las enfermedades cardiovasculares y disminuirían los costos de atención médica en California. Es probable que esto tenga un impacto económico significativo para el estado de California. El trabajo propuesto representa una investigación traslacional esencial necesaria para el desarrollo de nuevos fármacos.

Publicaciones

Bioorg Med Chem (2015): Benzimidazoles 1,5-disustituidos que dirigen la diferenciación de cardiomiocitos a partir de células madre embrionarias de ratón. (PubMed: 26278027)
Circo Res (2011): Los inhibidores de moléculas pequeñas de la vía Wnt promueven potentemente los cardiomiocitos del mesodermo derivado de células madre embrionarias humanas. (PubMed: 21737789)
Célula madre celular (2012): La degradación del receptor TGF-beta tipo II mediada por moléculas pequeñas promueve la cardiomiogénesis en células madre embrionarias. (PubMed: 22862949)