Potencial biotecnológico de las cianobacterias: aplicaciones en Biomedicina

UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE LAS CIANOBACTERIAS: APLICACIONES EN BIOMEDICINA TRABAJO DE FIN DE GRADO ISIDRO ACUÑA FRAILE UNIVERSIDAD DE SEVILLA FACULTAD DE FARMACIA TRABAJO DE FIN DE GRADO REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE LAS CIANOBACTERIAS: APLICACIONES EN BIOMEDICINA GRADO EN FARMACIA ISIDRO ACUÑA FRAILE DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGÍA Y PARASITOLOGÍA TUTORAS: MONTSERRAT ARGANDOÑA BERTRÁN TANIA ANTÓN RODRÍGUEZ SEVILLA, JULIO 2023 Resumen Las cianobacterias son seres vivos microscópicos ancestrales que han tenido una gran relevancia en el desarrollo de la vida desde sus orígenes hasta como la conocemos hoy en día. Estas bacterias poseen propiedades únicas en la naturaleza y han sido empleadas en el pasado por las antiguas civilizaciones. En los últimos años se ha tratado de profundizar en sus potenciales usos en diversos campos como la medicina, la cosmética, la producción de plásticos, la alimentación o la generación de energía mediante biocombustibles. En esta revisión bibliográfica se recopilan las posibles aplicaciones que pueden tener las cianobacterias en estos ámbitos, pero principalmente en el campo de la medicina y orientado hacia la búsqueda de compuestos bioactivos con relevancia en el tratamiento de patologías tan recurrentes en la actualidad como lo son las enfermedades infecciosas, el cáncer, las enfermedades inflamatorias o las neurodegenerativas. Muchos de los metabolitos tratados, especialmente los relevantes en el tratamiento del cáncer, se encuentran en fases tempranas de ensayo clínico, sin embargo, otros se encuentran en fases más avanzadas, e incluso algunos ya han comenzado a ser autorizados y comercializados, sentando los primeros precedentes de cara al futuro de las cianobacterias en la biomedicina. Palabras clave: Cianobacteria, compuestos, aplicaciones, actividad terapéutica, inhibidores. Índice 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1 1.1. Descripción general ............................................................................................................ 1 1.2. Importancia histórica ......................................................................................................... 2 1.3. Interés biotecnológico de las cianobacterias ..................................................................... 3 2. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 6 3. METODOLOGÍA .......................................................................................................................... 6 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................................................ 7 4.1. Producción biotecnológica ................................................................................................. 7 4.2. Compuestos con actividad antitumoral ............................................................................. 9 4.2.1. Inhibidores de la histona deacetilasa ........................................................................ 10 4.2.2. Inhibidores del proteosoma ...................................................................................... 12 4.2.3. Inhibidores de los microtúbulos ................................................................................ 14 4.2.4. Inhibidores de la secretasa 61 ................................................................................... 17 4.3. Compuestos con actividad antimicrobiana ...................................................................... 19 4.3.1. Antibacterianos ......................................................................................................... 20 4.3.2. Antimaláricos y otros antiparasitarios ...................................................................... 22 4.3.3. Antifúngicos ............................................................................................................... 24 4.3.4. Antivirales .................................................................................................................. 25 4.4. Compuestos con actividad antiinflamatoria .................................................................... 27 4.5. Compuestos con actividad antioxidante .......................................................................... 28 4.6. Tratamiento de enfermedades neurodegenerativas ....................................................... 29 4.7. Ensayos preclínicos y clínicos ........................................................................................... 30 5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 32 6. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 33 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Descripción general Las cianobacterias son una serie de microorganismos que a lo largo de la historia se han incluido en el grupo de las algas, habiéndose denominado como algas azules-verdes. No obstante, en los años 60 se demostraron sus similitudes con otras bacterias tales como una pared celular bacteriana sensible a antibióticos, ribosomas de dimensiones similares a los de otras bacterias o la ausencia de orgánulos como cloroplastos o mitocondrias en su interior (Haselkorn, 2009). Figura 1: Cianobacterias pertenecientes a Oscillatoria sp (izquierda) y a Chroococcus turgidus (derecha) (Třeboň Experimental Garden and Gene Pool Collections, 2023; Micropia museum, 2023). Es por ello que a día de hoy se incluye a estos microorganismos en el dominio Bacteria, comprendiendo unos 150 géneros y 2000 especies distintas (Raja et al., 2016), conformando un grupo diverso de seres vivos procariotas, gramnegativos, unicelulares y autótrofos con capacidad para crear colonias o estructuras filamentosas (Mazard et al., 2016). En la figura 1 se puede apreciar la diferencia entre una especie de cianobacteria capaz de crear estructuras filamentosas y otra que forma colonias. Las cianobacterias son los únicos procariotas que han sido capaces de desarrollar la fotosíntesis oxigénica (Sánchez-Baracaldo et al., 2022), en la cual se producen moléculas orgánicas y oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua, siendo este último el donador de electrones (Junge, 2019). Las cianobacterias son seres vivos muy diversos que habitan ecosistemas muy variados, llegando a poder sobrevivir en ambientes con rangos de temperatura, luminosidad, salinidad y pH muy amplios. Sin embargo, suelen estar ligadas a medios acuáticos, como aguas dulces o ambientes marinos (Thuan et al., 2019). 2 1.2. Importancia histórica Para analizar el origen de las cianobacterias se ha recurrido a estudios de restos fósiles y a estudios filogenéticos. En algunos de estos estudios se ha investigado sobre los fotosistemas de organismos oxigénicos (PSI y PSII), comparándolos con los de otros organismos que no producen oxígeno. En los primeros, encontramos ambos tipos de fotosistemas mientras que, en los últimos, encontramos únicamente uno, ya sea el PSI o el PSII. Según algunos estudios recientes, hay un ancestro común entre estos organismos el cual sería el origen de la fotosíntesis oxigénica. Datar con exactitud la fecha de la aparición de las primeras cianobacterias es complejo, pero se estima que aparecieron varios cientos de millones de años antes de que tuviera lugar la Gran Oxidación o el Gran Evento Oxidativo (GOE), el cual sucedió hace unos 2.500 millones de años (Schirrmeister et al., 2015). Este evento es considerado como uno de los más importantes en la historia del planeta (García-Pichel et al., 2019), ya que fue un punto en el que la concentración de oxígeno libre se disparó, posibilitando que la vida evolucionara a unos niveles de complejidad tal y como la conocemos hoy en día (figura 2). Además, este aumento en los niveles de oxígeno, provocado por los predecesores de las cianobacterias, permitió la formación de la capa de ozono (García-Pichel et al., 2019), la cual protege a los organismos de la radiación ultravioleta más dañina. Sin embargo, este evento provocó una gran extinción de organismos anaerobios que dominaban la Tierra por entonces en favor de los organismos aerobios, los cuales comenzarían a ganar importancia (West, 2022; Sánchez-Baracaldo y Cardona, 2020; Sánchez-Baracaldo et al., 2022). Figura 2: Línea temporal desde hace 4.000 millones de años hasta la actualidad que incluye la aparición de los fotosistemas PSI y PSII, así como de las primeras cianobacterias poco antes del GOE. También se representa la diversificación de las cianobacterias tras el GOE hacia formas similares a las que conocemos hoy en día (SánchezBaracaldo y Cardona, 2019). 3 1.3. Interés biotecnológico de las cianobacterias Las cianobacterias han demostrado tener numerosas potenciales aplicaciones en diversos campos entre los que se incluyen: biomedicina, farmacología, nutrición o la industria de los biocombustibles (Khalifa et al., 2021). Las cianobacterias son capaces de producir una enorme cantidad y variedad de compuestos con distinta actividad terapéutica, entre los que destacan: alcaloides, lipopéptidos, depsipéptidos, macrólidos, péptidos, polisacáridos, terpenos, lípidos o policétidos (figura 3) (Demay et al., 2019). La producción de estos metabolitos suele depender del género y la especie. De este modo, los géneros incluidos en las familias Oscillatoriaceae, Nostocaceae, Microcoleaceae o Microcystaceae son algunos de los mayores productores de estos compuestos. Concretamente, los géneros Lyngbya y Moorea, incluidos en el orden de los Oscillatoriales producen en torno al 20% de estos compuestos sintetizados por las cianobacterias (Demay et al., 2019). Figura 3: Clasificación de 260 familias de metabolitos procedentes de cianobacterias según su estructura química y representación gráfica de compuestos pertenecientes a algunos grupos (Demay et al., 2019). Se han descubierto numerosos compuestos con distintas actividades y potenciales aplicaciones farmacológicas como: antitumorales, antibacterianos, antifúngicos, antivirales, antiprotozoarios, antiinflamatorios o antioxidantes (figura 4), constituyendo una fuente novedosa de compuestos con actividad terapéutica (Demay et al., 2019). 4 Figura 4: Clasificación de los metabolitos procedentes de cianobacterias según su tipo de actividad terapéutica. Algunos compuestos presentan varias actividades y son tenidos en cuenta múltiples veces (Demay et al., 2019). Gran parte de estos compuestos son especialmente selectivos frente a las dianas sobre las que actúan en el cuerpo humano, llegando a tener efecto a concentraciones extremadamente bajas, algunos incluso del orden de nanomolar. La mayoría han sido descubiertos a lo largo de este siglo, muchos de ellos en la última década, por lo que hay numerosos estudios en la actualidad (Tan y Phyo, 2020). En la tabla 1 se ejemplifican distintos compuestos, las especies de las que han sido extraídos y su correspondiente actividad terapéutica. Tabla 1.Ejemplos de especies de cianobacterias, compuestos producidos y tipo de actividad que presentan. Género/especie Compuesto Actividad Referencias Lyngbya majuscula Schizothrix sp Nostoc ellipsosporum Oscillatoria sp Scytonema sp Hassallia sp Apratoxina A Gallinamida A Cianovirina-N Hoshinolactam Scytoscalarol Hassallidinas Citotóxico Antimalárico Antiviral Antitripanosomiásico Antibacteriano Antifúngico Thuan et al., 2019 Tan y Phyo, 2020 Pradham et al., 2020 Demay et al., 2019 Swain et al., 2017 Fewer et al., 2021 Otra importante aplicación es su ingesta como alimento o suplemento, ya que distintas especies del género Arthrospira poseen un importante valor nutricional, con un alto contenido 5 en proteínas, ácidos grasos beneficiosos, como el ácido gamma linolénico y vitaminas A, E y del complejo B, destacando la B12 (Grosshagauer et al., 2020). Destaca la Espirulina, un suplemento formado por dos especies de cianobacterias distintas: Arthrospira platensis y Arthrospira maxima, el cual puede llegar a contener un 70% de proteínas de su peso seco. Se sabe que éstas ya se consumían en el antiguo imperio azteca y hoy en día son consideradas un “superalimento”, tomado en forma de cápsulas o comprimidos y se espera que el creciente aumento en popularidad de la Espirulina la sitúe como un importante alimento en vistas al futuro (Lafarga et al., 2020). Las cianobacterias también tienen un papel relevante en la industria de los combustibles, ya que vivimos actualmente una situación en la que hay una gran demanda de energía, cada vez menos combustibles fósiles disponibles y un gran interés por encontrar fuentes de energía renovables y limpias que garanticen nuestra supervivencia a largo plazo. Es por ello, que se ha estudiado la posibilidad de utilizar las cianobacterias como biocombustibles, las cuales tienen la capacidad de crear biomasa a través de la absorción de CO2. Además, cuentan con ventajas como: la necesidad de una fuente de energía limpia como la solar para poder desarrollarse, los mínimos requerimientos energéticos y materiales para su crecimiento, la rapidez con la que se generan comparadas con otras fuentes de biomasa, la reducción de gases de efecto invernadero o la posibilidad de emplear ingeniería genética para mejorar sus propiedades. De hecho, este último punto se considera especialmente importante para maximizar la producción energética. Además, se ha probado la utilidad de las cianobacterias para producir hidrógeno como fuente de energía alternativa, una fuente de energía limpia, eficiente y que no libera CO2 en su producción (Abed et al., 2009; Farrokh et al., 2019; Velmurugan e Incharoensakdi, 2022). Otra utilidad de las cianobacterias reside en su capacidad para producir compuestos de interés industrial como polímeros o plásticos. Las cianobacterias almacenan glucógeno, aminoácidos, lípidos o fosfatos en forma de polihidroxialcanoatos (figura 5) en condiciones de exceso de nutrientes, de modo que pueden emplearlos cuando los necesiten. Estos polihidroxialcanoatos tienen propiedades similares a las del polipropileno, aunque a diferencia de éstos, son biodegradables, lo que supone una gran ventaja frente a los anteriores. Además, se está estudiando su biocompatibilidad para el empleo en el campo de la biomedicina y, al igual que ocurre con la industria de los biocombustibles, su posible optimización mediante ingeniería genética (Abed et al., 2009; Agarwal et al., 2022). 12 • Santacruzamato A: Se trata de otro compuesto obtenido a partir de Symploca sp. Este compuesto presenta grandes similitudes estructurales con otro inhibidor de las HDACs, el ácido suberoilanidido hidroxámico (SAHA), el cual fue aprobado en 2006 por la Administración de Alimentos y Medicamentos estadounidense (FDA) bajo el nombre de Vorinostat®, siendo un medicamento empleado para tratar linfomas cutáneos de células T (Pavlik et al., 2013). Estudios en 2018 compararon la actividad del santacruzamato A sobre la HDAC2 frente a otros inhibidores de las HDACs y en combinación con estos mismos dando buenos resultados en el tratamiento del carcinoma hepatocelular (Zhou et al., 2018), por lo que se postula como un candidato para ser optimizado con la idea de obtener inhibidores selectivos de la HDAC (Zhang y Zhang, 2021). 4.2.2. Inhibidores del proteosoma El proteosoma es un gran complejo proteico cuya función es la de degradar proteínas dañadas o que no son relevantes para la célula, las cuales están marcadas por ubiquitinas unidas mediante enlaces covalentes. El proteosoma en su conjunto presenta un coeficiente de sedimentación de 26S y está formado por un núcleo 20S con acción proteolítica y uno o dos complejos reguladores 19S. El proteosoma puede tener, fundamentalmente, 3 tipos de actividad proteolítica: tipo quimiotripsina, tipo tripsina o tipo caspasa (Fidor et al., 2021). Por un lado, la actividad quimiotripsina del proteosoma induce la proteólisis en los residuos más hidrófobos (Kisselev et al., 2006), la actividad tripsina produce la hidrolisis de péptidos en los residuos de arginina y lisina (Ferguson et al., 2022) y la actividad caspasa produce la proteólisis en los residuos de aspartato (Kisselev et al., 2003). Los distintos compuestos incluidos en este grupo inhiben de una manera u otra al proteosoma, regulando la degradación de proteínas. Al impedir la degradación de proteínas, es más sencillo que la célula sufra apoptosis, además de que las células de líneas tumorales son más susceptibles a la acción de los inhibidores del proteosoma. Esto se debe a que estas células, al tener un metabolismo tan acelerado, presentan un gran estrés con una gran cantidad de proteínas sintetizadas que no necesitan, por lo que la actividad del proteosoma suele estar incrementada en procesos cancerosos (Trivella, 2014; Sacerio y Sánchez, 2016). Hasta hoy día, se han probado y comenzado a comercializar distintos compuestos sintéticos con actividad inhibitoria de proteosomas, como el bortezomib o el carfilzomib. Estos compuestos han demostrado ser útiles en el tratamiento de enfermedades como: mieloma 13 múltiple, distintos tipos de linfomas, enfermedades neurodegenerativas, enfermedades autoinmunes o para el tratamiento de la malaria (Tundo et al., 2020). En este grupo encontramos como representantes obtenidos a partir de las cianobacterias a las carmaficinas A y B y los nostociclopéptidos. • Carmaficina A y B: Químicamente son tripéptidos derivados de epoxicetona. Estos compuestos son muy similares al carfilzomib y fueron aislados a partir de un extracto de Symploca sp. en Curazao. En un estudio se comparó su actividad con otros inhibidores del proteosoma y se obtuvieron resultados similares a la inhibición que podían ofrecer la epoximicina o la salinosporamida A, esta última también de origen marino y en fase de investigación para evaluar su posible aplicación terapéutica en el cáncer (Pereira et al., 2012). Estos compuestos demostraron tener buena actividad inhibitoria frente a tumores sólidos de pulmón, colon y sistema nervioso central (Pereira et al., 2012; Almaliti et al., 2019). Con el descubrimiento de estos compuestos, se espera a partir de un compuesto líder, aproximarse a un compuesto que produzca menos efectos adversos que los inhibidores del proteosoma ya conocidos. Un ejemplo podría ser un híbrido obtenido entre la carmaficina y la siringolina, el cual resultó ser menos tóxico al tener una fase de formación de enlace irreversible mucho más lenta (Trivella et al., 2014). En la figura 13, se representa la estructura química básica de las carmaficinas y sus diferencias según la modificación de “R”. Figura 13: Estructura química de los compuestos carmaficina A y B (Tan y Phyo, 2020). • Nostociclopéptidos: Esta familia de compuestos está formada por un conjunto de péptidos sintetizados por vía no ribosomal. Estos péptidos cíclicos o lineales han sido aislados a partir de una cianobacteria perteneciente a la especie Nostoc edaphicum. En los escasos ensayos realizados se han aislado concretamente seis nostociclopéptidos con actividad in vitro frente a la subunidad 20S del 14 proteosoma, tres de ellos cíclicos y otros tres lineales. Dos de los péptidos lineales, Ncp-E2-L y Ncp-A2-L, demostraron tener la capacidad para inhibir la actividad quimiotripsina del proteosoma, mientras que uno de los péptidos cíclicos, el Ncp-A2, mostró inhibición frente a la actividad tripsina del proteosoma. En cuanto a los dos primeros, únicamente inhibieron la actividad quimiotripsina, sin tener incidencia sobre la actividad tripsina o caspasa del proteosoma. Por otra parte, el último no tuvo tampoco efecto sobre los otros dos tipos de actividad propias del proteosoma, lo que demuestra la alta selectividad de estos compuestos. Por el momento se han realizado escasos estudios sobre estos metabolitos, pero se espera que en un futuro se profundice en su investigación (Fidor et al., 2021). 4.2.3. Inhibidores de los microtúbulos Los microtúbulos están formados por subunidades de αy β-tubulina, las cuales se unen para formar una estructura hueca. Estos microtúbulos constituyen el citoesqueleto de las células y están implicados en la diferenciación celular, la forma celular, el transporte citoplasmático o la regulación de la motilidad. Inhibir los microtúbulos supone la inhibición del ciclo celular, deteniendo la proliferación y causando la apoptosis de estas células, por lo que son de utilidad en el tratamiento de enfermedades como el cáncer (Muroyama y Lechler, 2017; Tang et al., 2022). A día de hoy ya existen numerosos compuestos comercializados con este tipo de actividad para el tratamiento del cáncer como lo son la vincristina o la colchicina, obtenidas a partir de plantas (Tang et al., 2022). En las cianobacterias se han encontrado diversos compuestos con este tipo de actividad, entre los que destacan principalmente la dolastatina 10 y las criptoficinas. • Dolastatina 10: Es un pentapéptido obtenido por primera vez a través de Dolabella auricularia, un molusco marino. Sin embargo, posteriormente se ha aislado a partir de las cianobacterias Lyngbya majuscula y Symploca hydnoides. Es uno de los compuestos procedentes de las cianobacterias con actividad biológica que se conoce desde hace más tiempo y lleva siendo investigado desde hace más de 30 años. Por este motivo, junto con el hecho de que su estructura sea bastante simple en comparación con otros compuestos de esta índole, facilitando su síntesis, 15 la dolastatina 10 (figura 14) y sus derivados constituyen uno de los grupos de compuestos más estudiados hasta la fecha procedentes de las cianobacterias (Tan y Phyo, 2020). Figura 14: Estructura química de la dolastatina 10 (Tan y Phyo, 2020). Este compuesto actúa de forma que inhibe la polimerización de tubulina, por lo que la célula permanece en la fase G2 del ciclo celular sin poder llegar a comenzar la mitosis. Por otra parte, la dolastatina 10 es capaz de regular la expresión de proteínas apoptóticas: inhibe la expresión de Bcl-2, que es una proteína que promueve la supervivencia de la célula y aumenta la expresión de las proteínas p53 y c-myc, las cuales están involucradas en la activación de la apoptosis. Por último, también se ha visto que la dolastatina 10 puede inducir poliploidía, la cual consiste en la formación de nuevas células con 3 o más juegos de células, y la formación de asociaciones en el telómero, lo que conlleva a la apoptosis (figura 15). Se trata de un compuesto extraordinariamente potente que ha demostrado tener un intenso efecto antiproliferativo sobre células leucémicas, células de linfoma no Hodgkin, células de cáncer de próstata, células de cáncer de pulmón o células de melanoma. Sin embargo, la dolastatina 10 presenta efectos tóxicos vasculares: puede causar neuropatía periférica, supresión de médula ósea, flebitis, etc. Además, se ha observado cierta resistencia a este compuesto en algunas líneas celulares tumorales debido a la supervivencia de células mutadas que siguen reproduciéndose a pesar de sufrir los efectos de la dolastatina 10, transmitiendo esta resistencia a su descendencia (figura 15) (Singh, 2022). Figura 15: Mecanismo de acción de la Dolastatina 10 sobre las células tumorales derivando en la promoción de la apoptosis. Las células tumorales también pueden hacerse resistentes a la dolastatina 10, derivando en su supervivencia y posterior multiplicación (Gao et al., 2021). 16 No obstante, a partir de la dolastatina 10 se han obtenido numerosos análogos sintéticos. Un ejemplo importante es el de la monometil auristatina E (figura 16). Este derivado de la dolostatina 10 presenta una gran toxicidad al igual que esta última, sin embargo, a principios de siglo se le vinculó un anticuerpo monoclonal para dirigir selectivamente el compuesto a las células cancerosas con resultados positivos. Desde entonces, se han conseguido grandes avances en torno a este compuesto con la estrategia de vincularlo a anticuerpos monoclonales, de forma que en 2011 se aprobó su uso por la FDA, convirtiéndose en el primer fármaco procedente de una cianobacteria en ser comercializado. Este primer fármaco de monometil auristatina E, fue comercializado bajo el nombre de brentuximab-vedotin y la marca Adcetris® para su uso frente al linfoma de células T anaplásico y linfoma de Hodgkin (Singh, 2022). Figura 16: Estructura química de la monometil auristatina (arriba) y del fármaco brentuximab-vedotin (abajo). Este último está conformado por un anticuerpo monoclonal, un grupo de adhesión, un conector, un espaciador y la propia monometil auristatina E (Singh, 2022). • Criptoficinas: Son una serie de compuestos extraídos de cianobacterias de Nostoc sp. Se trata de depsipéptidos macrocíclicos que también tienen la capacidad de inhibir el ciclo celular induciendo apoptosis (Costa et al., 2012). Dentro de esta familia de compuestos, se han estudiado principalmente la criptoficina 1 y la criptoficina 52 (figura 17). Se cree que este último es el compuesto con propiedades anticancerosas más potente descubierto hasta la fecha, con una potencia entre 100 y 1000 veces superior a la de la vinblastina y la del paclitaxel y con una concentración inhibitoria media del orden de picomolar (Eren et al., 2021). 17 Figura 17: Estructura química las criptoficinas 1, 52 y 55 (Lai et al., 2020). A pesar de ello, el margen terapéutico de la criptoficina 52 es estrecho, por lo que se ha tratado de modificar químicamente su estructura para que su empleo sea viable. Es por ello que se ha investigado recientemente sobre su vinculación con anticuerpos monoclonales, sin embargo, la unión de estos con la criptoficina 52 es compleja, por lo que se ha recurrido a su profármaco, la criptoficina 55 (figura 17), que fue asociado al trastuzumab. De este modo, se obtuvieron datos significativos que mostraron su actividad frente líneas celulares de cáncer de ovario o estómago (Lai et al., 2020). 4.2.4. Inhibidores de la secretasa 61 La secretasa 61 o Sec61 es un complejo enzimático encargado de la translocación de proteínas mediante el retículo endoplasmático que actúa sobre sustratos como los receptores del factor de crecimiento epidérmico (HER, ErbB). Se piensa que la Sec61 podría ser una novedosa diana para tratar el cáncer en células resistentes a la apoptosis, ya que, entre otros, ésta modula los canales de Ca2+ en situaciones de estrés celular prolongando su supervivencia (Kazemi et al., 2021; Parys y Coppenolle, 2022). En la figura 18 se puede observar el mecanismo de acción de los dos inhibidores de la Sec61 procedentes de cianobacterias con más potencial, la coibamida A y la apratoxina A. Figura 18: Mecanismo de acción de la coibamida A y la apratoxina A, inhibidores de la secretasa 61 o Sec61, así como los sustratos sobre los que actúan (Kazemi et al., 2021). 18 • Apratoxinas: Son un grupo de depsipéptidos cíclicos aislados a partir de Lyngbya majuscula, Lyngbya sordida y Lyngbya bouilloni. Hasta el momento se conocen 9 compuestos pertenecientes a esta familia, siendo la apratoxina A (figura 19) la que presenta una mayor potencia. A partir de estos compuestos se han sintetizado análogos como las apratoxinas S4, S7, S8, S9 o S10 (figura 15), con la idea de mejorar su actividad y disminuir los efectos adversos. Éstos presentaron una potente actividad citotóxica frente a líneas celulares cancerosas, además de un potente efecto antiangiogénico, al actuar sobre el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF). El efecto antiproliferativo que exhibe la apratoxina se debe a su capacidad para inhibir el factor de crecimiento de fibroblastos e impide el normal desarrollo del ciclo celular al afectar al correcto transcurso de la fase G1 (Tan y Phyo, 2020; Thuan, 2019). Figura 19: Estructura química de la apratoxina A y de sus derivados sintéticos apratoxinas S4, S7, S8, S9, S10 (Tan y Phyo, 2020). • Coibamida A: Es un depsipéptido cíclico obtenido a partir de Leptolyngbya sp., con un mecanismo de acción similar a la apratoxina A (Tan y Phyo, 2020). Este compuesto también tiene la capacidad de provocar la estancia de numerosas líneas celulares en la fase G1 del ciclo celular y puede inhibir la Sec61 (Tranter et al., 2020). Aparte de esto, recientemente, la coibamida A (figura 20) ha presentado otro mecanismo de acción, mediante el cual este compuesto impide la autofagia al inhibir la fusión entre el autofagosoma y el lisosoma, conduciendo a la muerte de la célula en cuestión (Shi et al., 2021). 19 En las investigaciones, la coibamida A demostró citotoxicidad selectiva frente a líneas cancerosas de colon, mama, sistema nervioso central y ovario, entre otros (Tranter et al., 2020). Figura 20: Estructura química de la coibamida A (Kitamura et al., 2022). 4.3. Compuestos con actividad antimicrobiana En los últimos años, la resistencia a los antibióticos originada en algunos microorganismos, especialmente en las bacterias, ha hecho que las enfermedades infecciosas hayan cobrado una gran importancia a nivel mundial. Con la existencia de cepas bacterianas multirresistentes a los antibióticos que tenemos actualmente, la búsqueda de compuestos novedosos para combatir estos microorganismos se ha convertido en una prioridad a nivel internacional (Strieth et al., 2022). En la figura 21 se aprecia el aumento de la producción de enzimas β-lactamasas desde 1970, las cuales son responsables de la resistencia de numerosas bacterias frente a los antibióticos β-lactámicos. Figura 21: Gráfico representativo sobre la cantidad de β-lactamasas identificadas desde la introducción de los primeros medicamentos betalactámicos (Davies y Davies, 2010). 20 Actualmente, las cianobacterias se han postulado como unos buenos candidatos en la búsqueda de nuevos antimicrobianos debido a su capacidad para producir compuestos antivirales, antibacterianos, antiprotozoarios, antifúngicos, etc (Strieth et al., 2022). 4.3.1. Antibacterianos Las cianobacterias producen multitud de moléculas con actividad frente a las bacterias, tanto gram-positivas, como gram-negativas, micobacterias u otras cianobacterias. Se estima que sobre un 12% de los metabolitos secundarios producidos por las cianobacterias se clasifican dentro de este grupo (Demay et al., 2019), presentando una alta diversidad estructural, ya que se conocen polifenoles, alcaloides, terpenos, lípidos, péptidos o policétidos con esta actividad (figura 22) (Carpine y Sieber, 2021). Figura 22: Compuestos procedentes de cianobacterias con actividad antibacteriana (Carpine y Sieber, 2021). El problema de la mayoría de estos compuestos es que no suelen presentar una elevada especificidad frente a las bacterias, causando efectos citotóxicos en su mayoría. No obstante, hay ciertos compuestos que han demostrado tener actividad antibacteriana específica (figura 23). Estos son los compuestos más interesantes desde el punto de vista terapéutico, ya que tendrán menos efectos adversos (Niedermeyer, 2015). 21 Figura 23: Compuestos con actividad específica antibacteriana (Niedermeyer, 2015). • Malingolida: Es un policétido obtenido a partir de Lyngbya majuscula por primera vez en 1979, siendo el primer compuesto con actividad antibacteriana descubierto procedente de una cianobacteria. Se ha visto que es activo frente a bacterias gram-positivas como Mycobacterium smegmatis, Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus o Bacillus subtilis. También se ha visto que la malingolida tiene la capacidad de interrumpir el sistema de comunicación intercelular denominado “quorum sensing”, en bacterias como Chromobacterium violaceum y Pseudomonas aeruginosa (Niedermeyer, 2015; Dobretsov et al., 2010). • Hapalindoles: Son una gran familia de alcaloides indólicos conocidos desde 1984. Los cerca de 80 compuestos que pertenecen a este grupo han sido aislados a partir de los géneros Hapalosiphon, Fischerella, Westiellopsis o Westiella. Algunas moléculas de esta familia han desmostrado tener la capacidad de ser activas frente a numerosas bacterias multirresistentes a medicamentos, con una concentración mínima inhibitoria similar a la de otros antibióticos ya comercializados como rifampicina, ciprofloxacino o gentamicina frente a Mycobacterium tuberculosis, Bacillus anthracis o Staphylococcus aureus. Parece ser que el mecanismo por el cual atacan específicamente a las bacterias es la inhibición de la ARN polimerasa bacteriana (Hohlman y Sherman, 2021). Sin embargo, los hapalindoles también presentan moderada actividad citotóxica al modular los canales de sodio de las células eucariotas (Niedermeyer, 2015). 28 4.5. Compuestos con actividad antioxidante El estrés oxidativo es la causa de diversos problemas de salud como pueden ser los desórdenes metabólicos, hipertensión y enfermedades neurodegenerativas, hepáticas o cardiovasculares. Los antioxidantes son moléculas que tienen la capacidad de mitigar el daño producido por el estrés oxidativo, siendo relevantes en el tratamiento y prevención de las enfermedades anteriormente mencionadas (Demay et al., 2019). Las cianobacterias cuentan con numerosos compuestos con este tipo de actividad entre los que destacan los carotenoides, los aminoácidos tipo micosporina o las ficocianinas. Estos compuestos son, en su mayoría, pigmentos presentes en todas o prácticamente todas las cianobacterias (Demay et al., 2019). En cuanto a los carotenoides, químicamente son terpenos involucrados en la fotosíntesis. En este grupo se han encontrado representantes como la zeaxantina, el β-caroteno, la nostoxantina, la equinenona o la cantaxantina, todos ellos con capacidad fotoprotectora y protectora frente a los radicales libres de oxígeno (Demay et al.,2019). Aunque actualmente las cianobacterias no son seres vivos con una gran relevancia en la síntesis de carotenoides a nivel industrial, se piensa que de cara al futuro tendrán relevancia, en cuanto se optimice el proceso de síntesis (Pagels et al., 2021). En la figura 30 se representa la estructura química de 3 de estos compuestos: el β-caroteno, la zeaxantina y la cantaxantina. Figura 30: Estructura química de los carotenoides β-caroteno, zeaxantina y cantaxantina (Milani et al., 2017). Por otro lado, los aminoácidos tipo micosporina (MAAs) (figura 31) son pigmentos producidos por muchas cianobacterias que desempeñan las funciones de protección frente a la radiación ultravioleta, frente al estrés térmico, frente a la desecación o frente al estrés oxidativo. 29 Estos compuestos han demostrado tener la capacidad de reducir los efectos de los radicales libres de oxígeno, previniendo así el estrés oxidativo (Geraldes y Pinto, 2021). Figura 31: Estructura química de los aminoácidos tipo micosporinas: micosporin-glicina (a) y shinorina (b) (Geraldes y Pinto, 2021). 4.6. Tratamiento de enfermedades neurodegenerativas Las enfermedades neurodegenerativas se caracterizan por la pérdida de neuronas y sus conexiones de forma progresiva. A menudo se dan en personas con avanzada edad y las más comunes son: las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, degeneración lobular frontotemporal, demencia con cuerpos de Lewy, demencia vascular, corea de Huntington o la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (Reith, 2018). Dentro de este grupo de enfermedades, la más común es la enfermedad de Alzheimer, representando hasta el 70% de los casos registrados (Castaneda et al., 2021). En las cianobacterias se han encontrado varios compuestos con potencial frente a la enfermedad de Alzheimer (tabla 3). Principalmente tienen la capacidad de inhibir enzimas como la acetilcolinesterasa (AChE), la pseudocolinesterasa (BChE), la β-secretasa (BACE 1) o las fosfatasas de proteína Ser/Thr. Todas estas enzimas tienen relevancia en la enfermedad de Alzheimer (Castaneda et al., 2021). 30 Tabla 3. Compuestos obtenidos de cianobacterias con actividad frente a la enfermedad de Alzheimer y su mecanismo de acción (Castaneda et al., 2021). Compuesto Mecanismo de acción Referencias Anatoxina Inhibe AChE y BChE Mahmood y Carmichael, 1987 Tan y Kim, 2016 LePage et al., 2005 Swingle et al., 2007 Swingle et al., 2007 Becher et al., 2005 Singh et al., 2014 Chaubey et al., 2019 Liu et al., 2015 Biochanina Previene la disfunción mitocondrial Kalkitoxina Inhibe canales de sodio Microcistina Inhibe las fosfatasas de proteína Ser/Thr Nodularina Inhibe las fosfatasas de proteína Ser/Thr Nostocarbolina Inhibe BChE Ficocianina Inhibe BACE 1; antioxidante Ficoeritrina Inhibe BACE 1; antioxidante Tasiamida Inhibe BACE 1 Estos compuestos no han sido estudiados en profundidad aún, sin embargo, se postulan como prometedores para el tratamiento de enfermedades como el Alzheimer en un futuro (Castaneda et al., 2021). 4.7. Ensayos preclínicos y clínicos Debido al auge de las cianobacterias como fuente de metabolitos con potencial terapéutico en los últimos años, actualmente se encuentran una considerable cantidad de estos compuestos en ensayos preclínicos, clínicos, e incluso algunos ya están siendo comercializados. En cuanto a los ensayos preclínicos, se encuentran diversos compuestos: antitumorales como la coibamida A, la apratoxina A, la malingamida C, la boroficina y distintas microcolinas, criptoficinas o tasipeptinas (Khalifa et al., 2021); antiparasitarios como las almiramidas, dragonamidas o calothrixinas (Khalifa et al., 2021); antivirales como la cianovirina N, la curacina A o la antillatoxina (Khalifa et al., 2021) o antioxidantes y antiinflamatorios como la escitonemina o la ficocianobilina (Khalifa et al., 2021). En los ensayos clínicos se sitúan principalmente compuestos con actividad frente al cáncer, ya que son los más estudiados. En la fase I de ensayo clínico se encuentran análogos del largazol, como por ejemplo el compuesto OKI-179 (ClinicalTrials, 2023). También se encuentran en fase I de ensayo clínico derivados de las criptoficinas, para el tratamiento de la hipertensión como el compuesto AJU-C52L (ClinicalTrials, 2023). En las fases II y III se encuentran mayoritariamente compuestos derivados de la dolastatina 10, normalmente asociados a 31 anticuerpos monoclonales. Los más relevantes son los compuestos obtenidos a partir de la monometil auristatina E o la monometil auristatina F (MMAE o MMAF). Estos compuestos se encuentran en todas las etapas de ensayo clínico, incluso algunos ya han sido comercializados como el Brentuximab vedotin, que fue aprobado por la FDA en 2011, siendo el primer compuesto procedente de una cianobacteria comercializado. A partir de entonces se han aprobado otros derivados de MMAE similares como: Polatuzumab vedotin (2019), Enfortumab vedotin (2019), Disitamab vedotin (2021), Tisotumab vedotin (2021) o Belantamab mafodotin, aunque este último, derivado de la monometil auristatina F, fue retirado recientemente. Todos ellos han sido aprobados para el tratamiento de distintos tipos de cáncer, como: tumores sólidos, cáncer metastásico de cérvix, pulmonar o de mama, linfoma Hodgkin o no Hodgkin, cáncer gástrico o leucemia linfocítica crónica (MarinePharmacology, 2023). Además, más de 20 compuestos derivados de la dolastatina 10 se encuentran en las distintas etapas de ensayo clínico, algunos de ellos en fase III como son los compuestos Upifitamab rilsodotin o ARX-788, para el tratamiento de tumores sólidos y cáncer de mama o gástrico, respectivamente (MarinePharmacology, 2023; ClinicalTrials, 2023). Por otra parte, la espirulina y la ficocianina ya se comercializan en la actualidad como suplementos nutricionales y antioxidantes (Khalifa et al., 2021). 32 5. CONCLUSIONES Las cianobacterias han sido de vital importancia desde los inicios de la vida en nuestro planeta, configurando una atmósfera con oxígeno que permitiera el desarrollo de la vida hasta como la conocemos hoy en día. En las últimas décadas se ha profundizado en su investigación, llevando a cabo numerosos estudios para su integración en distintos campos a nivel tecnológico, en la medicina o en la alimentación. En cuanto a la medicina, se ha podido comprobar que las cianobacterias se caracterizan por producir no solo una gran cantidad de metabolitos secundarios, sino también una gran diversidad tanto en su estructura como actividad. Tienen la capacidad de producir una enorme variedad de compuestos con gran actividad frente al cáncer, antimicrobianos, antioxidantes o antiinflamatorios, compuestos como los inhibidores de las histonas deacetilasas, del proteosoma, del ciclo celular, antivirales o antibióticos. En general, se trata de compuestos muy activos y algunos de elevada selectividad, aunque muchos de ellos presentan citotoxicidad, por lo que, a falta de futuros estudios, se antojan como una importante fuente de compuestos para tratar enfermedades con enorme incidencia y morbilidad como son el cáncer, las enfermedades infecciosas, enfermedades inflamatorias crónicas, las enfermedades asociadas al daño oxidativo o las enfermedades neurodegenerativas. Estos últimos años han comenzado a aprobarse y comercializarse los primeros compuestos derivados de las cianobacterias, encontrándose muchos otros en etapas iniciales o avanzadas de investigación, principalmente orientados a la terapia frente al cáncer. De cara al futuro, se necesitará profundizar en la investigación de las cianobacterias para dilucidar el verdadero potencial de estos seres vivos y de los metabolitos con actividad terapéutica que generan, ya que son una gran alternativa para el tratamiento de enfermedades de gran relevancia actual. 33 6. BIBLIOGRAFÍA - Abed RMM, Dobretsov S, Sudesh K. Applications of cyanobacteria in biotechnology. J Appl Microbiol. 2009;106(1):1–12. - Agarwal P, Soni R, Kaur P, Madan A, Mishra R, Pandey J, et al. Cyanobacteria as a promising alternative for sustainable environment: Synthesis of biofuel and biodegradable plastics. Front Microbiol. 2022;13:939347. - Almaliti J, Miller B, Pietraszkiewicz H, Glukhov E, Naman CB, Kline T, et al. Exploration of the carmaphycins as payloads in antibody drug conjugate anticancer agents. Eur J Med Chem. 2019;161:416–32. - Barbosa Da Silva E, Sharma V, Hernandez-Alvarez L, Tang AH, Stoye A, O’Donoghue AJ, et al. 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