Willardiine

Willardiine

Flores de Mariosousa willardiana
Nombres
Nombre IUPAC Ácido (2S) -2-amino-3- (2,4-dioxopirimidin-1-il) propanoico
Otros nombres 3- (2,4-dioxo-3,4-dihidropirimidin-1 (2H) -il) -L-alanina; 3- (uracil-1-il) -L-alanina
Identificadores
Número CAS	19772-76-0
Modelo 3D ( JSmol )	Imagen interactiva
Referencia de Beilstein	20710
CHEBI	CHEBI: 15851
CHEMBL	ChEMBL122005
ChemSpider	389063
DrugBank	DB04129
KEGG	C03584
Malla	Willardiine
PubChem CID	440053
InChI InChI = 1S / C7H9N3O4 / c8-4 (6 (12) 13) 3-10-2-1-5 (11) 9-7 (10) 14 / h1-2,4H, 3,8H2, (H, 12 , 13) (H, 9,11,14) / t4- / m0 / s1 Clave: FACUYWPMDKTVFU-BYPYZUCNSA-N
Sonrisas C1 = CN (C (= O) NC1 = O) C [C @@ H] (C (= O) O) N
Propiedades
Fórmula química	C 7 H 9 N 3 O 4
Masa molar	199,166  g · mol −1
log P	−4,4
Acidez (p K a )	2,97
Basicidad (p K b )	9,76
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
Referencias de Infobox

Willardiine (correctamente escrito con dos i's sucesivas) o (S) -1- (2-amino-2-carboxietil) pirimidina-2,4-diona es un compuesto químico que se encuentra naturalmente en las semillas de Mariosousa willardiana y Acacia sensu lato . ^[1] Las plántulas de estas plantas contienen enzimas capaces de complejas sustituciones químicas que dan como resultado la formación de aminoácidos libres ( Ver: # Síntesis ). La willardiina se estudia con frecuencia por su función en plantas de nivel superior. Además, se investigan muchos derivados de la willardiina por su potencial endesarrollo farmacéutico . ^{[1] La} willardiina fue descubierta por primera vez en 1959 por R. Gmelin, cuando aisló varios aminoácidos libres no proteicos de Acacia willardiana (otro nombre de Mariosousa willardiana ) cuando estudiaba cómo estas familias de plantas sintetizan uracilialaninas. ^[2] Un compuesto relacionado, Isowillardiine, fue aislado simultáneamente por un grupo diferente, y se descubrió que los dos compuestos tenían propiedades estructurales y funcionales diferentes. ^[3] La investigación posterior sobre Willardiine se ha centrado en la importancia funcional de diferentes sustituciones en el grupo de nitrógeno y el desarrollo de análogos.de Willardiina con diferentes propiedades farmacocinéticas . En general, Willardiine es uno de los primeros compuestos estudiados en los que ligeros cambios en la estructura molecular dan como resultado compuestos con propiedades farmacocinéticas significativamente diferentes. ^[4]

Willardiine es un agonista parcial de los receptores ionotrópicos de glutamato . Estos receptores se encuentran en las sinapsis excitadoras y se unen al glutamato (el principal neurotransmisor excitador ) y ligandos estructuralmente similares , como la Willardiina. La activación del receptor conduce a la entrada de iones positivos en la neurona , lo que resulta en la despolarización neural ( Ver: # Estructura y actividad ). Willardiine agoniza específicamente los receptores de glutamato no NMDA : receptores AMPA y kainato . ^[3]

Se han desarrollado análogos de la willardiina que tienen diferentes afinidades de unión por los receptores AMPA y kainato. Estos análogos se han utilizado para estudiar la estructura de estos receptores, así como el significado funcional de la activación del receptor en diferentes regiones del cerebro. ^[4] Si bien la Willardiine y sus análogos no se han estudiado explícitamente como terapéuticos, existe una variedad de trastornos neurológicos caracterizados por alteraciones en la señalización del glutamato , y los ligandos para los receptores AMPA y kainato a menudo se estudian como posibles terapias. ^[5]

Química

Estructura y actividad

Estructura

Willardiine se aisló de Acacia Willardiana y se caracterizó como 3- (1-uracil) L-alanina, basándose en la composición elemental y la estabilidad en ácido fuerte, que se utilizaron para deducir la estructura orgánica de Willardiine ( Figura 1) . ^[2]

Figura 1. Estructura de (S) -Willardiine ^[2]

Las propiedades derivadas experimentalmente de la willardiina son similares a las de la L-albizzina, que se aisló de la misma semilla. ^[2] El trabajo sintético posterior demostró la estructura y propiedades de Willardiine ( ver: #Síntesis ).

La familia de compuestos de willardiine ( ver: #Analogs ) tiene todos un uracilo o uracilo sustituido como cadena lateral de aminoácidos primarios . La Willardiina existe naturalmente como dos isómeros :

• ( S ) -Willardiine
• ( R ) -Willardiine

Solo el isómero ( S ) tiene afinidad de unión por los receptores AMPA y kainato. La afinidad de unión específica de isómeros es el resultado de efectos estéricos entre ( R ) -Willardiine y el sitio de unión en el receptor. ^[6]

Actividad

Figura 2. Estructura del receptor AMPA. Willardiine se une al dominio de unión del ligando.

Figura 3. Activación típica del receptor AMPA. El glutamato ( rojo) es liberado por vesículas en la sinapsis . El glutamato u otro agonista ( como Willardiine) se une a los receptores AMPA ( violeta) para provocar un cambio conformacional que abre los canales de cationes . El influjo de sodio y calcio da como resultado la activación de una variedad de proteínas. ^[3]

Los receptores de AMPA son tetrámeros proteínas transmembrana con distinta amino terminal , la unión del ligando , y transmembrana dominios ( Figura 2) . ^[7] Se expresan en las membranas postsinápticas de las neuronas y se expresan ampliamente en todo el cerebro . Willardiine se une a los receptores de glutamato en el sitio de unión del glutamato en el dominio de unión del ligando extracelular ( Figura 2). La unión provoca un cambio conformacional que abre el receptor y permite iones cargados positivamente , Na +y / o Ca 2+ para ingresar a la celda ** ( Figura 3) . Esto despolariza y activa la neurona, lo que resulta en la activación de un potencial de acción . El ion también puede iniciar una cascada de señalización para activar diferentes tipos de proteínas que influyen en la célula, como las quinasas o los factores de transcripción . ^[8]

** El paso de calcio a través del receptor AMPA ("permeabilidad al calcio") se basa en la presencia de la subunidad GluA2 editada ( Ver: Edición de ARN Glur2 ). La región de poros iónicos del ARNm de GluA2 se edita durante la traducción para hacerlo impermeable al calcio en más del 99% de los receptores AMPA. ^[9]

Al igual que los receptores AMPA, los receptores de kainato son receptores de glutamato ionotrópicos , transmembrana , tetraméricos en las neuronas glutamatérgicas . Tienen cinco subunidades , divididas en dos familias principales: GluK _1,2 y GluK _5,6,7 . Un ligando endógeno , ya sea ácido kaínico o glutamato, se une al sitio de unión del ligando. Sin embargo, a diferencia de los receptores AMPA, los iones externos también se unen a los receptores de kainato en la bolsa de unión de iones en el dominio extracelular . Cuando tanto el ligando como el ión se unen, el receptor sufre un cambio conformacional y el canal iónico se abre.^[10] Esto permite el flujo de iones positivos, como el sodio o el calcio. El influjo de iones con carga positiva despolariza o excita la neurona ( Figura 4) . ^[3] Al igual que los receptores AMPA, la permeabilidad al calcio depende de la edición del ARNm de la subunidad del receptor. Los tiempos de subida y bajada de los potenciales postsinápticos son mucho más lentos en los receptores de kainato que en los de AMPA. ^[10]

Figura 4. Activación del receptor de kainato por un ligando. El glutamato ( rojo ) se libera de las vesículas en la membrana presináptica. Esta liberación está mediada por receptores de kainato presinápticos. El ligando ( como la Willardiina) y un ión externo ( como el sodio) se unen a un receptor de cainato postsináptico y abren el canal iónico, lo que permite la entrada de iones de sodio y calcio. ^[3]

Los receptores de kainato se expresan de forma mucho menos ubicua en todo el cerebro y tienen un papel menos significativo en la plasticidad que los receptores de AMP. En general, la función de los receptores de kainato está mucho menos caracterizada que la de los receptores AMPA. Curiosamente, los receptores de kainato se expresan tanto en la membrana presináptica como en la postsináptica . Se cree que la expresión presináptica media la cantidad de neurotransmisor liberado por la célula ( Figura 4). También se sabe que el ácido kaínico puede inducir convulsiones . ^[11]

Tanto los receptores de kainato como de AMPA también se ven afectados por una variedad de ligandos exógenos , incluida la Willardiina. Solo el isómero (S) de Willardiine es un potente agonista de los receptores de glutamato distintos de NMDA. ^[4] La unión precisa se ha caracterizado en los receptores AMPA y Kainato clonados mediante el análisis de la cantidad de agonista radiomarcado desplazado (AMPA y kainato, respectivamente), que representa la afinidad de unión de la Willardiina al receptor. ^[12] (S) -willardiine desplaza significativamente menos AMPA / kainato que sus análogos , como 5-Fluorowillardiine o 5-Iodowillardiine . Willardiine tiene la afinidad de unión más fuerte en la subunidad GluR4 de AMPAy la subunidad del receptor de cainato GluK5. ^[6]

El desplazamiento del glutamato por la willardiina es principalmente exotérmico , con una entalpía de unión favorable de -5 ± 1 kCal / mol. ^[12]

La estructura y la actividad de Willardiine se determinaron mediante la dilucidación de la síntesis natural de Willardiine y la creación de un mecanismo sintético de síntesis que se puede utilizar para crear Willardiine y sus análogos para estudiar in vitro e in vivo .

Síntesis

Figura 5. Biosíntesis de Willardiine (3) e Isowillardiine (4) por enzimas de Pisum sativum y plántulas relacionadas ^[2]

Se ha caracterizado la síntesis natural de Willardiine e Isowillardiine a partir de plántulas ( Figura 5) . La síntesis consiste en un anillo de uracilo libre en nitrógeno que se sustituye por una cadena lateral de alanilo , derivada de O- acetil- L -serina. ^[2]

La síntesis de Willardiine también se ha replicado in vitro , en el que Willardiine se sintetiza a partir de urea lineal , que se obtiene a partir de una solución de isocianato de acilo en benceno con aminoacetaldehído. La urea lineal se cicla a uracilo cuando se trata con álcali acuoso. ^[2] La hidrólisis de uracilo con ácido clorhídrico da uracil-1-ilacetaldehído. La hidrólisis de uracil-1-ilacetaldehído con cianuro de potasio , amoníaco y cloruro de amonio dan la estructura final de la willardiina. Esta síntesis final de willardiine a partir de uracil-1-lyacetaldehyde se lleva a cabo en las condiciones deSíntesis de aminoácidos Strecker ( Figura 5) . ^[2]

Figura 6. Reacciones de uracilos sustituidos en la posición R ₁ o 6-azauracilos en la posición R ₂ en DMF para sintetizar Willardiina. El análogo 5-bromo-sustituido se sintetizó en presencia de bromo en ácido acético. ^[6]

La menor afinidad de unión de Willardiine por los receptores AMPA y kainato puede atribuirse al carbono no sustituido en la posición 5 del anillo de 6 miembros . Las sustituciones de grandes grupos aceptores de electrones en esta posición aumentan la afinidad por los receptores de kainato pero disminuyen la afinidad de unión por los receptores AMPA. ^[6] En la Figura 6 se muestra un ejemplo de la síntesis de un análogo, 5-bromowillardiine .

También se han desarrollado derivados de Willardiine como antagonistas del receptor de Kainato . Estos se sintetizaron mediante la adición de sustituyentes a la posición N ³ del anillo de 6 miembros en el producto natural Willardiine ( Figura 7) .

Figura 7. Estructura general del antagonista de Willardiine. Ver: #Analogs para la sustitución de R en cada antagonista sintetizado. ^[13]

Análogos

Agonistas

Los análogos más comunes de Willardiine también son agonistas de los receptores AMPA y kainato. Cada análogo difiere en la sustitución en la quinta posición del anillo de seis miembros , y los análogos más comúnmente estudiados tienen un halógeno en esta posición que se agrega mediante una reacción de adición de halógeno ( Figura 6) . La adición de un halógeno afecta las afinidades de unión y la estabilidad de los análogos. Los análogos son más estables que la Willardiina no sustituida y tienen una mejor afinidad de unión por los receptores AMPA, aunque se desconoce la química subyacente al cambio en los mecanismos de unión. ^[6]

• 5-flurowillardiina
• 6-azawillardiina
• 5-iodowillardiina
• 5-bromowillardiina

Antagonistas

Se han desarrollado derivados de Willardiine como antagonistas del receptor de AMPA y kainato sintéticos ( Ver: # Síntesis para detalles sobre el desarrollo de antagonistas). ^[13]

• UBP282 ( R = 4-COOH, (S))
• UBP296 ( R = 2-COOH, (R / S))
• UBP302 ( R = 4-COOH, (S)) ^[13]

Todos estos antagonistas del receptor de glutamato comparten una sustitución de carboxilbencilo en el anillo de seis miembros ( Figura 7) . Se ha demostrado que UBP296 y UBP302 tienen un aumento de 100 veces en la unión de receptores de kainato sobre los receptores de AMPA, pero UBP282 tiene afinidad competitiva por los receptores de AMPA que contienen GluA2 y los receptores de kainato que contienen GluK1. ^[13] Estos antagonistas tienen potencial terapéutico para una variedad de trastornos neurológicos caracterizados por una activación aberrante de los receptores AMPA o de kainato ( Ver: Relevancia de la enfermedad ). ^{[5] [13]} La farmacocinética de los compuestos debe aclararse antes de que puedan estudiarse como posibles terapias.

Farmacocinética

Es fundamental comprender la farmacocinética de cualquier compuesto que tenga el potencial de desarrollarse como terapéutico. Estas propiedades describen las propiedades ADME del compuesto, que determinarán la vía de administración , la dosis y los posibles efectos adversos de un fármaco. Las propiedades farmacocinéticas de Willardiine se han estudiado utilizando registros de células completas de neuronas embrionarias de ratón. Willardiine desensibiliza los receptores AMPA con una CE 50 de 44,8 uM, lo que la hace 4 veces menos potente que AMPA (CE50 = 11 uM) y 30 veces menos potente que su análogo 5-Fluorowillardiine (CE50 = 1,5 uM). ^[4]

Muchas de las propiedades farmacocinéticas de Willardiine siguen siendo desconocidas debido a la falta de investigación clínica o in vivo . Se han predicho propiedades específicas de ADME utilizando admetSAR , una herramienta gratuita que predice las propiedades de absorbancia, distribución, metabolismo y excreción ( Tabla 1) . ^[14]

El pKa de la willardiina es aproximadamente 10, lo que significa que la willardiina no está cargada o protonada a un pH fisiológico . ^[12]

Tabla 1. Propiedades farmacocinéticas previstas de la willardiina ^[14]

PROPIEDAD	VALOR	FUENTE
Solubilidad del agua	13,2 mg / ml	ALOGPS
logP	-0,7	ALOGPS
logP	-1,3	ChemAxon
registros	-1,2	ALOGPS
pKa (ácido más fuerte)	9,76	ChemAxon
pKa (básico más fuerte)	2,97	ChemAxon
Carga fisiológica	0	ChemAxon
Recuento de aceptadores de hidrógeno	4	ChemAxon
Recuento de donantes de hidrógeno	2	ChemAxon
Área de superficie polar	101,73 Å2	ChemAxon
Recuento de bonos giratorio	4	ChemAxon
Refractividad	46,01 m3 · mol-1	ChemAxon
Polarizabilidad	17,89 Å3	ChemAxon
Número de anillos	1	ChemAxon
Biodisponibilidad	1	ChemAxon
Regla de cinco	sí	ChemAxon
Filtro Ghose	No	ChemAxon
Regla de Veber	No	ChemAxon
Regla similar a MDDR	No	ChemAxon

Aplicaciones en investigación

Willardiine y sus análogos se unen a los receptores AMPA y Kainato. ^[6] Estos receptores de glutamato son los principales mediadores de la excitación en el sistema nervioso central , y se estudian comúnmente en el hipocampo o en las neuronas corticales . Debido a sus diferentes afinidades de unión para cada receptor, los miembros de la familia Willardiine se han utilizado para determinar las consecuencias estructurales / funcionales de la activación de los receptores AMPA / kainato por diferentes agonistas o antagonistas. Adicionalmente,

En neuronas motoras espinales de rata, se demostró que diferentes análogos de willardiine afectaban a diferentes receptores de glutamato distintos de NMDA. Este hallazgo contribuyó al descubrimiento de los receptores de kainato y AMPA como dos receptores estructural y funcionalmente diferentes. ^[15]

Ensayos de estructura

Los estudios de cristalografía de los receptores AMPA en el estado unido a Willardiine han mostrado cómo la conformación del receptor cambia a lo largo de la unión, lo que resulta en la activación del canal y la desvinculación de un agonista parcial. Estos estudios encontraron que la eficacia del agonista se correlacionó directamente con el grado de cierre del dominio. Estos estudios de cristalografía se realizaron con una variedad de análogos de Willardiina sustituidos con halógeno en 5 posiciones para mostrar que el impedimento estérico influye en el grado de cierre del dominio. ^{[4] [16]}

Willardiine y sus análogos se han utilizado para estudiar los efectos del agonismo parcial sobre la estructura y función de los receptores AMPA. ^{[4] [16]} El registro de un solo canal de la unión de la willardiina a los receptores AMPA mostró la fracción de tiempo que el canal iónico pasa en un estado abierto. Estos experimentos proporcionaron información importante sobre la estructura de los receptores de AMPA cuando se une un agonista parcial, en comparación con un agonista o antagonista completo . ^[dieciséis]

Además, los derivados de la Willardiina con un grupo carboxilo adicional ( Figura 6) son potentes antagonistas del receptor de AMPA y / o cainato. Las ligeras diferencias en la posición de la sustitución cambian significativamente la afinidad de unión por los receptores. ^[13] Los antagonistas sintéticos también tienen diferentes afinidades por cada subunidad de los receptores de kainato y AMPA. Por tanto, los antagonistas sintéticos de UBP pueden usarse para estudiar los elementos estructurales de cada sitio de unión que son importantes para la activación o inhibición del receptor en base a la subunidad. ^[15]

Ensayos funcionales

Willardiine y sus análogos pueden usarse para estudiar los efectos de la activación o inhibición del receptor de AMPA y kainato sobre la actividad neuronal y el comportamiento animal . Los receptores AMPA activan las neuronas debido al influjo de sodio y, a veces, de calcio después de la unión de un ligando al dominio de unión del ligando ( figura 3) ^[8] . Los receptores de kainato también transmiten iones positivos, pero el cambio resultante en el potencial postsináptico es menos pronunciado que el de un receptor AMPA. Como agonista parcial, la willardiina podría aplicarse en electrofisiología.estudios de neuronas para determinar los cambios específicos en la actividad neuronal (representada por señales eléctricas) cuando se une un agonista parcial. ^[10]

Otra forma de rastrear la actividad de los receptores es a través de imágenes de calcio . Tanto los receptores de kainato como los de AMPA tienen una permeabilidad diferente para el calcio en función de las cuatro subunidades del tetrámero. Por ejemplo, los receptores AMPA solo son permeables al calcio si el receptor carece de GluA2 o contiene GluA2 sin editar. ^[9] Las imágenes de calcio en presencia de Willardiine y análogos relacionados podrían diferenciar qué subtipos de receptores son activados por cada agonista o inhibidos por cada antagonista. Esto podría promover la comprensión del papel específico de los receptores de glutamato no NMDA permeables al calcio. ^{[9] [17]}

Los antagonistas sintéticos se pueden utilizar para comprender mejor las funciones neuronales de los receptores de kainato. Las funciones de los receptores de kainato no están bien caracterizadas debido a la falta de antagonistas específicos para los receptores. Se ha determinado que dos de los antagonistas de UBP tienen una alta afinidad de unión específica por los receptores de kainato. ^[13] Estos antagonistas se pueden utilizar para estudiar la contribución de los receptores de kainato en la actividad y el comportamiento neuronales .

Ensayos de localización

La Willardiina radiomarcada se ha utilizado para estudiar la distribución de los receptores AMPA y Kainato en el cerebro, basándose en su función como receptor AMPA y agonista del receptor Kainato. ^[4]

Ensayos de modelos de comportamiento / enfermedad

Una combinación de ensayos funcionales, estructurales y de localización de Willardiine y sus análogos se puede utilizar para investigar una variedad de enfermedades neurológicas que se caracterizan por la señalización de glutamato dysregulated, tales como la enfermedad de Parkinson , enfermedad de Alzheimer , o esclerosis lateral amiotrófica (ALS) ( Ver : # Relevancia de la enfermedad ). ^{[11] [18]}

Se han estudiado muchas enfermedades neurológicas utilizando modelos de ratón de enfermedad humana . ^[18] Estas son líneas de ratones que tienen el genotipo patológico de la enfermedad respectiva. Como resultado, los ratones pueden usarse para estudiar fenotipos causados ​​por la enfermedad. A los ratones se les puede administrar una inyección o suspensión oral de Willardiine o un análogo. Luego, los ensayos de comportamiento determinarán si el compuesto es útil para aliviar los síntomas de la enfermedad relevante. Las diferentes dosis y formulaciones del compuesto ayudarán a identificar posibles aplicaciones terapéuticas y cualquier efecto dependiente de la dosis.. Si bien Willardiine no se ha utilizado explícitamente para estudiar el comportamiento, los receptores AMPA se activan con frecuencia en estudios de comportamiento para observar los efectos de la activación en el desarrollo, el aprendizaje, la memoria y las enfermedades neurológicas ( Ver: Aplicaciones terapéuticas potenciales) ^[7] .

La investigación antes mencionada también podría ayudar a comprender la aplicación potencial de Willardiine y sus análogos más potentes y antagonistas derivados en el tratamiento de enfermedades neurológicas.

Relevancia de la enfermedad

Willardiine y sus análogos se unen específicamente a los receptores AMPA y kainato, que están implicados en una variedad de trastornos neurológicos. La siguiente sección describe algunas enfermedades neurológicas caracterizadas por una desregulación en la activación del receptor de AMPA o de kainato. Esta lista no es exhaustiva y la investigación en estos campos está en constante desarrollo.

Receptores AMPA en enfermedades

Trastornos neurodegenerativos

Los receptores AMPA tienen un papel fisiológico extenso en la plasticidad sináptica , que es la base de muchos aspectos del desarrollo neuronal , el aprendizaje y la memoria . ^[8] Muchos trastornos neurodegenerativos se caracterizan por un deterioro cognitivo , que está mediado por cambios en la plasticidad mediada por AMPA. Esto podría deberse a cambios en la expresión, tráfico o actividad del receptor AMPA en regiones como el hipocampo o el estriado . Las combinaciones de los tres procesos se ha demostrado que están alteradas en modelos animales de la enfermedad de Alzheimer , enfermedad de Huntington , yLa enfermedad de Parkinson . ^[19]

Los modelos animales de la enfermedad de Parkinson han mostrado niveles elevados de receptores AMPA en las regiones afectadas. Si bien el antagonismo de AMPA se ha estudiado como un tratamiento potencial, los efectos fuera del objetivo de inhibir los receptores de AMPA son demasiado graves para justificar los beneficios para los síntomas de la enfermedad de Parkinson. ^[19]

Se han estudiado los déficits del receptor de AMPA en modelos animales y tejido post mórtem humano de la enfermedad de Huntington. La expresión de Huntingtin mutante altera la transmisión sináptica mediada por AMPA al interrumpir el transporte de subunidades a través de los microtúbulos . La modulación de los receptores AMPA en modelos animales de la enfermedad de Huntington ha reducido la degeneración del cuerpo estriado y ha reducido los déficits de memoria. ^[19]

Trastornos del espectro autista

El papel de los receptores AMPA en la plasticidad sináptica es importante no solo para las habilidades cognitivas sino también para el desarrollo neuronal . ^{[8] La} expresión de los receptores AMPA, así como de los receptores NMDA, sigue una secuencia específica durante el desarrollo para desarrollar o silenciar de manera diferencial las conexiones sinápticas . ^{[20] La} expresión o función incorrecta de los receptores AMPA durante el desarrollo puede resultar en conexiones sinápticas aberrantes o incompletas, que pueden afectar negativamente el desarrollo cognitivo y resultar en discapacidades intelectuales. ^[7]

Hay informes de alteraciones genéticas en humanos con trastornos del espectro autista que resultan en hemicigosis de la subunidad GluA2, que es crucial para mediar la permeabilidad al calcio del receptor AMPA. También existen alteraciones genéticas en la expresión de proteínas en la densidad postsináptica que son cruciales para el anclaje del receptor a la membrana. El GRIP1 humano , SHANK3 (así como otros miembros de la familia SHANK) y la ubiquitina ligasa E3 han identificado mutaciones en los trastornos del espectro autista que desregulan la expresión sináptica de AMPA. ^[20]

El papel de los receptores AMPA (y posiblemente kainato) en los trastornos del espectro autista también está respaldado por la eficacia terapéutica del topiramato , un antagonista del receptor AMPA / kainato, en niños con autismo , trastorno generalizado del desarrollo y trastorno obsesivo compulsivo . En múltiples estudios de cohortes retrospectivos , se encontró que los pacientes adolescentes de estas enfermedades tenían cambios positivos significativos en la conducta social, hiperactividad y atención con efectos secundarios menores. ^[20]

Trastorno depresivo mayor

Al igual que los trastornos del espectro autista, el trastorno depresivo mayor tiene una variedad de síntomas y etiologías que dificultan la búsqueda de una causa molecular común. Existen muchas hipótesis sobre la base biológica de la depresión, incluida la hipótesis del glutamato. Esta hipótesis fue corroborada por la evidencia de que los antagonistas de NMDA tienen efectos antidepresivos en roedores. ^[21] Hay muchos antagonistas de NMDA que se utilizan actualmente en estudios clínicos que tienen efectos antidepresivos rápidos y seguros. Un ejemplo notable es el nuevo uso de ketamina como antidepresivo de inicio rápido. Se plantea la hipótesis de que la ketamina ejerce sus efectos bloqueando la activación deReceptores NMDA , lo que obliga a la activación de los receptores AMPA para compensar la pérdida de glutamato sináptico. No está claro cómo la activación de AMPA produce resultados antidepresivos, pero los estudios de agonistas de AMPA como posibles dianas terapéuticas para la depresión han tenido resultados preclínicos prometedores . ^{[22] [21]}

Un síntoma importante del trastorno depresivo mayor es el sueño desregulado, que se ha descubierto recientemente que está mediado en parte por los receptores AMPA. ^{[17] Los} receptores AMPA son selectivamente permeables al calcio, según la presencia y composición de aminoácidos de GluA2 ( Ver : Actividad ). ^{[9] El} tráfico de receptores AMPA permeables al calcio (CP-AMPAR) se modula durante el ciclo de sueño / vigilia, aunque el mecanismo aún no está claro. ^[17]

Receptores de kainato en la enfermedad

Trastornos del estado de ánimo

El papel de los receptores de kainato en los trastornos del estado de ánimo no está bien aclarado y los estudios suelen ser contradictorios. Los estudios post mortem han encontrado una disminución en el ARNm de GluK1 en la corteza prefrontal y el hipocampo de pacientes con esquizofrenia . Sin embargo, esto no ha sido corroborado por otros estudios. Alternativamente, algunos estudios han encontrado una disminución en el ARNm de GluK2, pero no en GluK1, en la corteza prefrontal de los pacientes con esquizofrenia. ^[5]

Los estudios de asociación de todo el genoma de miles de casos de esquizofrenia han identificado un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en el gen grik4 que altera la expresión génica. Este SNP es más abundante en pacientes con trastorno bipolar que responden a ciertas formas de medicación (a saber, inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina ) que a otras formas de medicación. Este resultado sugiere un papel de GluK4 expresado diferencialmente en el trastorno bipolar y las respuestas a la medicación, pero la investigación sobre el mecanismo específico aún está en curso. Los ratones knockout GriK2 han mostrado un aumento de hiperactividad, indicativo de manía bipolar. Sin embargo, no hay evidencia de que GluK2 sea parte de la fisiopatología o simplemente se relacione con los síntomas. ^[11]

Dolor neuropático

Los receptores de kainato se expresan en todo el ganglio de la raíz dorsal y el asta dorsal en la médula espinal, que son regiones intermedias cruciales para la transmisión de la estimulación sensorial y el dolor . ^[10] La caracterización molecular y electrofisiológica de estos receptores muestra que son receptores heteroméricos compuestos por subunidades GluK1 y GluK5. La activación de aferentes primarios da como resultado la activación de potenciales postsinápticos excitadores mediados por el receptor de kainato en las neuronas del asta dorsal, lo que sugiere que los receptores de kainato están mediando la respuesta al dolor. ^[11]

Epilepsia

La epilepsia se caracteriza por desequilibrios en la proporción de excitación e inhibición neuronales. Está bien caracterizado que la inyección de ácido kaínico puede inducir convulsiones, incluida la epilepsia del lóbulo temporal meses después de la inyección. Se cree que el aumento de la activación del receptor de kainato provoca la formación de sinapsis aberrantes en el hipocampo y otras áreas que se considera que tienen un umbral epileptogénico bajo. Estas sinapsis aberrantes contienen receptores de kainato y aumentan la excitación de la región del cerebro, lo que puede inducir excitotoxicidad y convulsiones . ^[10]

De acuerdo con estos hallazgos, los ratones transgénicos con GluK1 eliminado han reducido las convulsiones después del tratamiento con ácido kaínico. Los antagonistas de GluK1 han sido beneficiosos para prevenir convulsiones en el hipocampo de ratones ( Ver: Aplicaciones terapéuticas potenciales ). Por el contrario, algunas investigaciones han producido resultados prometedores al estudiar los agonistas de GluK1 como tratamiento para la epilepsia. Se plantea la hipótesis de que estos agonistas disminuyen la sobreinhibición de las interneuronas del hipocampo que se cree que se caracteriza por la epilepsia. ^[11]

La variedad de vínculos entre los receptores de kainato y la epilepsia demuestra la dificultad de estudiar los receptores de kainato, basándose en las muchas funciones hipotéticas de los receptores. Sin embargo, estos mecanismos de acción variados y, a veces, contradictorios muestran los numerosos potenciales de un tratamiento de receptor de kainato que puede dirigirse específicamente a una región del cerebro.

Aplicaciones terapéuticas potenciales

Agonistas derivados de la Willardiina

La relevancia de la enfermedad de los receptores de glutamato no NMDA sugiere un potencial de Willardiine como terapéutico. Sin embargo, dado que Willardiine tiene una baja afinidad de unión como agonista parcial, no se estudia comúnmente como un potencial terapéutico para enfermedades caracterizadas por una expresión o activación desregulada del receptor. ^[14] Muchos de sus análogos, por ejemplo, 5-Fluorowillardiine , tienen una mayor afinidad y especificidad de unión para el AMPA y el receptor de kainato. ^[12] Estas propiedades son más deseables para el desarrollo de fármacos : se necesitará una dosis más baja para producir un efecto terapéutico , y una alta especificidad conduce a menos efectos secundarios o fuera del objetivo .

Los agonistas de AMPA, y potencialmente los análogos de la Willardiina, se estudian con mayor frecuencia como tratamientos para el trastorno depresivo mayor ( Ver: Relevancia de la enfermedad ). La ketamina tiene una nueva indicación como antidepresivo por su función como antagonista de NMDA . La inhibición de los receptores de NMDA da como resultado un aumento de la actividad de los receptores de AMPA, probablemente para compensar la disminución de la señalización del glutamato . Los agonistas directos de AMPA se encuentran actualmente en desarrollo como antidepresivos y los estudios preclínicos sugieren que estos agonistas son seguros y eficaces in vitro y en modelos animales. ^{[21] [22]}

Antagonistas derivados de la willardiina

Los antagonistas sintéticos de kainato derivados de Willardiine han mostrado especificidad por el receptor de kainato. Existe evidencia de que estos antagonistas podrían usarse para tratar trastornos neurológicos que tienen una sobreactivación característica de los receptores de kainato. Los antagonistas del kainato derivados de la willardiina han demostrado eficacia en el tratamiento del dolor , la epilepsia , la ansiedad , la isquemia y la degeneración axonal . ^[5]

Por ejemplo, un antagonista de la subunidad GluK1 del receptor de kainato podría ayudar a prevenir las convulsiones epilépticas ( ver: Relevancia de la enfermedad ). Los antagonistas de GluK1 han impedido el desarrollo de actividad epiléptica en el hipocampo de modelos de epilepsia inducidos por pilocarpina . ^[11] Además, se ha demostrado que los antagonistas del receptor de kainato tienen efectos analgésicos en modelos animales de dolor. Un antagonista mostró una mayor latencia de escape en una prueba de placa caliente y disminuyó la cantidad de lamidas de patas después de la exposición a un estímulo doloroso. ^[11]

Sin embargo, muchos de los antagonistas de kainato derivados de Willardiine también antagonizan los receptores AMPA. La inhibición de los receptores AMPA puede tener efectos tóxicos graves, como disquenesia y cambios de humor provocados por alteraciones en las vías dopaminérgicas . ^[19] Por lo tanto, ni la Willardiine ni sus análogos pueden utilizarse como terapéuticos para ningún trastorno neurológico mencionado anteriormente hasta que la toxicidad y los efectos adversos del compuesto estén bien caracterizados.

Toxicidad

Las aplicaciones de investigación y los potenciales de la terapéutica son numerosas debido al papel variado de los receptores de glutamato distintos de NMDA en la enfermedad. Sin embargo, debido a su ubicuidad en el cerebro y la médula espinal, la activación de estos receptores también puede resultar en efectos secundarios tóxicos . Por esta razón, los niveles extracelulares de agonistas de AMPA (como el glutamato endógeno ) están estrictamente controlados en el cerebro y la médula espinal. ^[18] Los principales efectos secundarios de la sobreactivación de los receptores AMPA son convulsiones y muerte neuronal . ^[23]

No se limita i n vivo investigación sobre la neurotoxicidad de willardiine. Debido a la baja CE ₅₀ , Willardiine no induce neurotoxicidad en un nivel terapéutico. Se ha demostrado que los análogos con mayor afinidad de unión, como la 5-flurowillardiina, inducen convulsiones y muerte celular cuando se administran en dosis altas. ^[23]

Referencias

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