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Complejos metálicos como potenciales antimaláricos con blanco de acción: hemozoína, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química Inorgánica

La malaria es un grave problema de salud a nivel mundial, por lo cual la síntesis de drogas más efectivas para combatir la enfermedad es un objetivo prioritario. Una de las estrategias más prometedoras es la modificación de compuestos con actividad biológica conocida por medio del acomplejamiento a metales,

Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones

2018/2019

Subido el 13/10/2019

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www.saber.ula.ve/avancesenquimica
Avances en Química, 7(2), 135-144 (2012)
Artículo de revisión
135
Complejos metálicos como potenciales antimaláricos
con blanco de acción: hemozoína
William Castro*1, Maribel Navarro2
1Lab. Química Bioinorgánica, Centro de Química, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas
(IVIC). Caracas 1020-A. Venezuela
2School of Chemical and Mathematical Sciences, Murdoch University, Western Australia 6150,
Australia.
(*) wcastro10@gmail.com
Recibido: 20/06/2012 Revisado: 13/08/2012 Aceptado: 24/08/2012
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Resumen:
La malaria es un grave problema de salud a nivel mundial, por lo cual la síntesis de drogas más efectivas para combatir
la enfermedad es un objetivo prioritario. Una de las estrategias más prometedoras es la modificación de compuestos con
actividad biológica conocida por medio del acomplejamiento a metales, buscando evitar la resistencia presentada por los
parásitos e incrementar la actividad biológica. En este trabajo se presentan los estudios más novedosos en la síntesis de
complejos metal-cloroquina, en vías del desarrollo de nuevos agentes quimioterapéuticos más eficaces contra la malaria
y menos tóxicos al huésped, teniendo como blanco de acción la hemozoína.
Palabras clave: Complejos metálicos; Ferriprotoporfirina; Hemozoína; Malaria; Plasmodium
Abstract
Malaria is a serious problem of health worldwide, synthesis of drugs more effective to combat this disease is a
high-priority task for the control of the disease; one of the most promising strategies is the modification of
compounds with known or potential activity through the incorporation of a transition metal into its molecular
structure, in order to avoid the resistance of parasites and increase biological activity. In this paper we present the
latest studies on the synthesis of metal-chloroquine, in the process of developing new chemotherapeutic agents
more effective against malaria and less toxic to the host, still the hemozoin the principal target of action.
Keywords: Ferriprotoporphyrin; Hemozoín; Malaria; Metal complexes; Plasmodium
Introducción
La malaria o paludismo es una enfermedad protozoaria
producida por cualquiera de las cinco especies de parásitos
del genero Plasmodium. Las especies capaces de infectar al
ser humano son: P. falciparum, P. vivax, P. knowlesi , P.
malariae, P. ovale, y se transmite al humano a través de la
picadura de mosquitos infectados del genero Anopheles1. La
misma se encuentra dentro de las enfermedades prioritarias
de la Organización Mundial de la Salud (OMS) según
reportes, en 2010 se estimaron en 3.300 millones las personas
que se encontraban en riesgo de contraer la enfermedad y se
registraron 655.000 (537.000-907.000) muertes, el 91% de
ellas (596.000, rango de 468.000-837.000) en la región
africana y aproximadamente el 86% de las muertes causadas
por paludismo en todo el mundo fueron niños menores de 5
años2. Debido a esta grave situación diversos investigadores a
nivel mundial han sumado esfuerzos en la búsqueda de
nuevos fármacos que puedan combatir de una manera más
efectiva la enfermedad con respecto a los compuestos que se
usan actualmente (figura 1), además de evitar la resistencia
presentada por parte de los parásitos hacia los fármacos y
disminuir los efectos secundarios, una de las vías más
prometedoras para obtener nuevas drogas antimaláricas, es la
síntesis de compuestos capaces de atacar específicos blancos
de acción.
Uno de los principales objetivos de compuestos antimalaricos
es evitar la formación del cristal de hemozoína3, debido a ello
en este trabajo se muestra una revisión de los aspectos más
relevantes de este blanco que permitirán su fácil
entendimiento además se describirán las técnicas y métodos
de evaluación de la interacción de diversos complejos
metálicos con análogos sintéticos de la hemozoína.
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Avances en Química, 7(2), 135-144 (2012)

Artículo de revisión

Complejos metálicos como potenciales antimaláricos

con blanco de acción: hemozoína

William Castro*

1

, Maribel Navarro

2

1 Lab. Química Bioinorgánica, Centro de Química, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas

(IVIC). Caracas 1020-A. Venezuela

2 School of Chemical and Mathematical Sciences, Murdoch University, Western Australia 6150,

Australia.

(*) wcastro10@gmail.com

Recibido : 20/06/2012 Revisado : 13/08/2012 Aceptado : 24/08/

Resumen: La malaria es un grave problema de salud a nivel mundial, por lo cual la síntesis de drogas más efectivas para combatir la enfermedad es un objetivo prioritario. Una de las estrategias más prometedoras es la modificación de compuestos con actividad biológica conocida por medio del acomplejamiento a metales, buscando evitar la resistencia presentada por los parásitos e incrementar la actividad biológica. En este trabajo se presentan los estudios más novedosos en la síntesis de complejos metal-cloroquina, en vías del desarrollo de nuevos agentes quimioterapéuticos más eficaces contra la malaria y menos tóxicos al huésped, teniendo como blanco de acción la hemozoína. Palabras clave : Complejos metálicos; Ferriprotoporfirina; Hemozoína; Malaria; Plasmodium Abstract Malaria is a serious problem of health worldwide, synthesis of drugs more effective to combat this disease is a high-priority task for the control of the disease; one of the most promising strategies is the modification of compounds with known or potential activity through the incorporation of a transition metal into its molecular structure, in order to avoid the resistance of parasites and increase biological activity. In this paper we present the latest studies on the synthesis of metal-chloroquine, in the process of developing new chemotherapeutic agents more effective against malaria and less toxic to the host, still the hemozoin the principal target of action. Keywords : Ferriprotoporphyrin; Hemozoín; Malaria; Metal complexes; Plasmodium

Introducción

La malaria o paludismo es una enfermedad protozoaria

producida por cualquiera de las cinco especies de parásitos

del genero Plasmodium. Las especies capaces de infectar al

ser humano son: P. falciparum , P. vivax , P. knowlesi , P.

malariae , P. ovale , y se transmite al humano a través de la

picadura de mosquitos infectados del genero Anopheles^1. La

misma se encuentra dentro de las enfermedades prioritarias

de la Organización Mundial de la Salud (OMS) según

reportes, en 2010 se estimaron en 3.300 millones las personas

que se encontraban en riesgo de contraer la enfermedad y se

registraron 655.000 (537.000-907.000) muertes, el 91% de

ellas (596.000, rango de 468.000-837.000) en la región

africana y aproximadamente el 86% de las muertes causadas

por paludismo en todo el mundo fueron niños menores de 5

años^2. Debido a esta grave situación diversos investigadores a

nivel mundial han sumado esfuerzos en la búsqueda de

nuevos fármacos que puedan combatir de una manera más

efectiva la enfermedad con respecto a los compuestos que se

usan actualmente (figura 1), además de evitar la resistencia

presentada por parte de los parásitos hacia los fármacos y

disminuir los efectos secundarios, una de las vías más

prometedoras para obtener nuevas drogas antimaláricas, es la

síntesis de compuestos capaces de atacar específicos blancos

de acción.

Uno de los principales objetivos de compuestos antimalaricos

es evitar la formación del cristal de hemozoína^3 , debido a ello

en este trabajo se muestra una revisión de los aspectos más

relevantes de este blanco que permitirán su fácil

entendimiento además se describirán las técnicas y métodos

de evaluación de la interacción de diversos complejos

metálicos con análogos sintéticos de la hemozoína.

Fig. 1 : Compuestos orgánicos usados actualmente como antimaláricos.

Hemozoína

Los parásitos una vez dentro del cuerpo humano, digieren y

degradan grandes cantidades de hemoglobina para satisfacer

sus requerimientos biológicos. Diversos estudios indican que

cerca del 60-80% de los glóbulos rojos presentes son

degradados dentro de un compartimiento llamado vacuola

digestiva, la cual posee un pH entre 5,2-5,6 4,5. Una vez

finalizado este proceso el grupo hemo es liberado y el centro

de hierro es oxidado, probablemente a través de auto-

oxidación espontanea por O 2 , para producir hematina

(acuoferriprotoporfirina IX o H 2 OFe(III)PPIX). Existe

evidencia sustentable en la literatura que muestran que una

vez que el hemo se encuentra en estado libre, es capaz de

inducir especies reactivas de oxígeno 6,7 , peroxidación

lipídica 8,9 , oxidación del ADN^10 y proteínas^11 además de

interferir con la estabilidad de los fosfolípidos con un

mecanismo pro-oxidante 12,13 , resultando en la lisis celular. Por

esta razón los parásitos de Plasmodium han generado un

mecanismo para evitar los efectos nocivos que genera el

hemo libre^14 , convirtiendo la hematina en una sustancia

altamente microcristalina, insoluble y que no es tóxica para el

parásito, denominada hemozoína (pigmento malárico)^15 , este

proceso se ha llamado mecanismo de desintoxicación.

La formación de hemozoína en el parasito de malaria, no

está totalmente claro, sin embargo varias hipótesis se han

sugerido, entre las que podemos mencionar, proceso

enzimático

16

, formación espontánea

17

, formación auto-

catalítica^18 , catálisis por lípidos^19 , nucleación y/o catálisis

por proteínas ricas en histidina 2 (HRP-2)^20 involucrando

ambos: lípidos y HRP-2 en el proceso^21 , más reciente-

mente, se evidenció que la nucleación de la hemozoína en

la vacuola digestiva ocurre en la membrana y que la

cristalización ocurre en su mayor parte en la fase acuosa,

mientras que la orientación morfológica del cristal está

gobernada por la fase lipídica^22.

La naturaleza y estructura química de la hemozoína fueron

determinadas en 1991 mediante difracción de rayos X. Los

cristales están constituidos por agregados diméricos de

Fe(III)PPIX, en donde, los grupos hemo se enlazan entre sí

a través del enlace de Fe1-O41-O40, mientras que los

dímeros se unen a través de los enlaces entre los

hidrógenos localizados en los O36 y O37^23 , tal como se

muestra en la figura 2.

En dicho trabajo además se demostró la existencia de un

análogo sintético, denominado β-hematina^23 , el cual es

química y estructuralmente idéntico a la hemozoína. La

formación de la β-hematina puede lograrse por diversos

métodos químicos sencillos^24 , lo cual ha permitido modelar

tanto la formación de la hemozoína, como su inhibición

por parte de diversos compuestos antimaláricos.

Fig. 3 : Densidad electrónica en las quinolinas

Las quinolinas son ricas en electrones π, por lo cual se

sugiere la interacción con regiones deficientes en

electrones alrededor del centro de hierro de la hematina

para formar el complejo tipo sandwich, este estudio es

soportado por resultados experimentales para varias

quinolinas, los cuales demuestran la importancia de la

relación entre la actividad biológica de las drogas y la

densidad electrónica de los átomos C8a, C4 y C4a^33.

El entendimiento empírico de las interacciones entra las

quinolinas y la hematina ha avanzado considerablemente

en los últimos años, con miras a elucidar mecanismos y

desarrollar nuevas drogas a partir de esos resultados. Es

importante recalcar que la fuerza de las interacciones

quinolina-hematina no está directamente correlacionada

con la actividad antiplasmodíca. La evidencia sugiere que

el enlace con la hematina es un requerimiento necesario

pero no suficiente para la actividad biológica.

A pesar de la falta de claridad en cuanto al mecanismo exacto

de cómo los antimaláricos quinolínicos inhiben la formación

de hemozoína, hay evidencia considerable para tomar al

grupo "hemo" (ya sea en forma de hematina libre, hemin,

hematina consolidada o hemozoína) como el blanco de acción

de estos fármacos. La evidencia aunque indirecta, concluye

para el caso de la CQ:

a.- La CQ es activa en la etapa sanguínea del parásito, en

donde se cataboliza la mayor cantidad de hemoglobina.

b.- La CQ es inactiva en parásitos de Babesia , una familia

cercana a los Plasmodium , los cuales infectan los glóbulos

rojos pero no forman hemozoína y aparentemente tampoco

digieren hemoglobina^34.

c.- La CQ es quiral, pero ambos enantiomeros son igualmente

activos, lo cual sugiere la no quiralidad del objetivo,

consistente con hematina.

d.- La actividad biológica de análogos de CQ contra cepas

sensibles, está relacionado con la fuerza de inhibición en la

formación de β-hematina de dichos análogos, además de la

acumulación en la vacuola digestiva del parásito^35.

En vista de los resultados mencionados, en la actualidad la

dirección más prometedora para predecir la capacidad

antimalárica de los nuevos compuestos, es el estudio del

blanco de acción: hemozoína, por medio de sus derivados

sintéticos.

Hemozoína como blanco de acción de complejos metálicos

La aparición de la resistencia de los parásitos a los

medicamentos comúnmente utilizados, ha impulsado el

diseño de novedosas estrategias de síntesis para nuevos

fármacos, entre las cuales se incluye la modificación de

drogas conocidas mediante su acomplejamiento a metales de

transición^36. Generalmente, este enfoque implica mantener el

blanco de acción de la droga parental, aunado a la posibilidad

de evitar la resistencia presentada por el parasito debido a la

presencia del metal. Se han sintetizado una gran cantidad de

complejos metálicos usando dicha estrategia^37 , tres grupos

han destacado en esta área, inicialmente Sánchez-Delgado y

Navarro en 1996 publicaron la síntesis, caracterización y

actividades biológicas de análogos metal cloroquina, de esta

forma proponen la modificación de la CQ por medio de un

enlace coordinativo a metales de transición. Los primeros

complejos metálicos fueron RhCl(COD)CQ y [RuCl 2 (CQ)] 2

(complejos 1-2, f igura 4). El complejo 2 logró incrementar

4,5 veces la actividad biológica con respecto a la droga

parental (CQ) en cepas resistentes, demostrando que la

coordinación a Ru-CQ logró no solo incrementar la actividad

biológica sino además evadir la resistencia presentada por los

parásitos^38. Posteriormente el grupo de Sánchez-Delgado,

adoptó un nuevo diseño molecular en la búsqueda de

incrementar la actividad biológica de la primera generación

de los complejos de Ru, variando los otros ligandos y la carga

total de los complejos, de esta manera los complejos [Ru(η^6 -

areno)(CQ)Cl 2 ] (complejos 3 - 6 , figura 4), mostraron un

importante incremento en la actividad biológica, en cepas

tanto sensibles como en resistentes de Plasmodium^39. Otros

centros metálicos han sido ensayados por el grupo y de esta

manera se reportó la síntesis del complejo

[Au(PPh 3 )(CQ)]PF 6 (complejo 7 , figura 4), el cual causa una

importante inhibición del crecimiento in vitro de Plasmodium

berghei , además presentó una actividad biológica de 5 a 10

veces superior con respecto a la cloroquina tanto en cepas

sensibles como resistentes a la CQ^40. Todos estos resultados

muestran un importante incremento de la actividad anti-

parasitaria de la CQ al formar estos complejos de

coordinación, demostrando la validez de este concepto en la

búsqueda de nuevas drogas antimaláricas, capaces de evadir

la resistencia^41.

Otra estrategia interesante propuesta por Brocard y Biot, en la

búsqueda de nuevos complejos ha sido la introducción del

ferroceno dentro de drogas orgánicas de conocida actividad

biológica. Se han sintetizado aproximadamente 150 derivados

con diferentes compuestos entre los que destacan:

mefloquina, quinina^42 , artemisina^43 , atovaquona^44 ,

chalconas^45 , carbohidratos conjugados de ferrocenil^46 ,

ciprofloxacina 47-49 , ferrocenil pirrolo^50 , ferroceno–

estrichnobrasilina^51 , mepacrina y más recientemente con

primaquina^52. Aunque estos complejos no han incrementado

la actividad biológica de su droga parental de manera

satisfactoria, demostraron que la introducción del ferroceno

tiene una influencia importante en la resistencia del parasito.

El mayor éxito de esta estrategia, ha sido incluir el grupo

ferrocenil en la cadena lateral de una 4 aminoquinolina a

través de un enlace covalente a uno de los anillos

ciclopentadienilo formando lo que se ha denominado

ferrocloroquina (FQ, SSR97193, complejo 8, figura 4)^53.

Fig. 4 : Estructuras propuestas para derivados metálicos antimaláricos.

En comparación a la CQ, la actividad antimalárica in vitro en

diversas cepas del Plasmodium Falciparum ,40,41 , es alrededor

de 5 veces más activa contra cepas moderadamente sensibles

y mucho más activa (hasta 30 veces) contra cepas resistentes.

Se ha postulado que la inhibición de resistencia por parte de

la FQ está relacionada con diferencias en (i) forma, (ii)

volumen, (iii) lipofilicidad, (iv) efectos en basicidad y (v) su

perfil electrónico^54. Todas estas características modifican

drásticamente su comportamiento biológico con respecto a su

droga parental, y la idea que se maneja con mayor fuerza es

que reducen la afinidad con respecto a los transportadores que

provocan la resistencia de la CQ.

Actividad inhibitoria de agregación del hemo (HAIA por

sus siglas en ingles) de complejos metálicos en buffer de

acetato y en una interface buffer acetato/n-octanol.

Se han propuesto un gran cantidad de métodos para la

evaluar la capacidad de un determinado compuesto en

inhibir la formación de la β-hematina (hemozoína

sintética) 69-71. Específicamente para los complejos metálicos

dos métodos han marcado la pauta, el primero de ellos

propuesto por Baelmans^72 y posteriormente modificado por

Domínguez^73 , en donde se preforma la β-hematina, en un

medio acuoso a un pH de 4,4 a partir de Fe(III)PPIX-Cl para

luego hidrolizarla y formar hematina libre la cual es

cuantificada a una longitud de onda de 405nm, (para la

evaluación de los complejos metálicos, se agregan en el

medio de reacción antes de formar la β-hematina). Sánchez-

Delgado reportó los valores de CI 50 (concentración necesaria

para inhibir el 50%) de formación de β-hematina por este

método para los complejos Ru-CQ y reportó que estos

complejos son capaces de inhibir el proceso de agregación.

Adicionalmente se evidenció que el complejo [( p-

Cimeno)RuIICl 2 (CQ)] parece ser menos activo que la

CQDF, todos los demás complejos Ru-CQ () demostraron

una actividad muy similar a la CQDF. En el caso de la FQ el

CI 50 fue 0,8 equivalentes con respecto a hematina mientras

para la CQDF fue de 1,9^74.

En 2009, Sánchez-Delgado postula una variación del

método para medir la capacidad de los complejos en

inhibir la formación de la β-hematina discutido hasta

ahora. Tomando en cuenta la importancia que Egan y otros

autores reportan^75 de la interface lipídica para la formación

de la hemozoína, en el nuevo método para medir la

capacidad de los complejos de inhibir la formación de la β-

hematina se usa una interface n-octanol/agua a un pH de

4,9, en el cual la hematina es colocada cuidadosamente

cerca de la interface y posteriormente los compuestos a

evalua r ¡Error! Marcador no definido.. Todos los complejos

metal-CQ evaluados por este método inhiben de manera

más efectiva la formación β-hematina con respecto a la

CQDF, en contraste con los resultados obtenidos por el

método donde solo se usa el buffer de acetato. Una

comparación más interesante es con respecto los resultados

obtenidos por medio de su actividad biológica en cepas

sensibles y resistentes de Plasmodium falciparum. Los

valores obtenidos por HAIA en buffer predice que la

actividad biológica de los complejos será similar o hasta

inferior que la CQDF, en contraste con los resultados

obtenidos por medio del ensayo en interface agua/n-

octanol el cual predice que todos los complejos serán más

efectivos que la CQDF. Los valores reportados para la

actividad biológica contra cepas resistentes a la CQ (Dd2,

W2 y K1) demuestran que los complejos son más activos

que la CQDF consistente con los resultados encontrados

por el método de interface agua/n-octanol, de esta manera

los autores evidencian que los resultados hallados por

medio del método de la interface son un mejor indicador

del potencial antimalárico contra cepas resistentes que los

ensayos que se realizan solo en buffer. Adicionalmente

Navarro y Sánchez-Delgado evaluaron la capacidad de

[Au(CQ)(PPh 3 )]PF 6 de inhibir la formación de la β-

hematina por ambos métodos, los resultados hallados en

buffer de acetato indicaron que el complejo es menos

efectivo (un orden de magnitud mayor) comparado con la

CQDF, en contradicción a la elevada actividad

antimalárica observada para este compuesto. Cuando se

miden los valores de CI 50 por medio del método interface

agua/n-octanol, el complejo es alrededor de 5 veces mejor

inhibidor que la CQDF, en excelente correlación con los

resultados antimaláricos in vitro obtenidos para este

complejo contra cepas resistentes a CQ de Plasmodium

falciparum (FcB1 y FcB2). Estos resultados apoyan la idea

que los valores de inhibición de agregación del hemo,

obtenidos por el método de la interface n-octanol/agua

predicen de una manera más efectiva la actividad biológica

in vitro que la clásica prueba en buffer de acetato.

Conclusión

Los estudios presentados en este resumen evidencian la

efectividad de la estrategia propuesta, la cual consiste en

modificar drogas orgánicas de conocida actividad

antimalárica (como la CQ) mediante su acomplejamiento a

metales de transición, manteniendo el blanco de acción de

la droga parental, que en este caso es la inhibición de la

hemozoína. Específicamente los complejos M-CQ

interaccionan con el grupo hemo, generalmente de manera

más fuerte que la droga estándar CQDF; además, inhiben

de manera eficiente la formación de la β-hematina,

específicamente en la interface agua/n-octanol. Estos

resultados son a su vez consistentes con las actividades

antimaláricas medidas en cepas resistentes de P.

falciparum , concluyendo así claramente que el proceso de

agregación de la hematina hacia hemozoína se mantiene

como principal blanco de acción de los complejos metal-

CQ. De esta manera el aumento observado en la actividad

biológica, con respecto a la cloroquina, se postula que

tiene una relación directa con el incremento de la

lipofilicidad de los compuestos M-CQ, con respecto a la

CQ libre, el cual resulta en una mayor acumulación en la

cercanía de las interfaces agua/lípido dentro de la vacuola

del parásito, donde tiene lugar el proceso de agregación de

la hematina.

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