Prof. Rafael V. C. Guido
rvcguido@ifsc.usp.br
Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares Instituto de Física de São Carlos ‐ USP
7600096 ‐ Modelagem e Engenharia de Proteínas
Aula 14
Objetivos
• Proteínas terapêuticas (biofármacos)
• Panorama atual
• Desafios para o desenvolvimento
Proteínas terapêuticas
(biofármacos)
Biofármacos são medicamentos obtidos a partir de fonte ou processo biológico, ou seja, o princípio ativo do medicamento é obtido através do emprego industrial de microorganismos ou células modificadas
geneticamente.
Os processos biotecnológicos (in vitro ou in vivo) permitem a produção de novas proteínas mais complexas, com maior atividade biológica, com tempo de meia‐vida prolongado, e menor impacto no organismo (menos efeitos adversos).
Atualmente, a agência regulatória FDA (Food and Drug Administration) tem aprovado > 150 biofármacos:
– anticorpos monoclonais – insulina
– eritropoietina – interferons
– somatropina ‐ hormônio de crescimento – enzimas modificadas
Biofármacos
Biofármacos – Mercado Mundial
Eritropoietina (hormônio)
Anticorpo monoclonal
Inibidor de TNF Anticorpo monoclonal Granulocina
(hormônio) Inibidor de
TNF Anticorpo monoclonal
7 dos Top20 US$ 21,7 bi
(7% do mercado)
Biofármacos
~ 150 produtos
> US$ 75,0 bi
↕
~25 % do mercado farmacêutico
Biofármacos – Mercado Mundial
10 dos Top20 US$ 33,3 bi
(10 % do mercado)
Biofármacos – Mercado Mundial
Biofármacos – Mercado Mundial
1. Amgen
2. Biogen‐Idec 3. Celgene
4. Cephalon 5. Chiron
6. ImClone Systems 7. Genentech
(Hoffmann‐La Roche)
Biofármacos – Principais Empresas
8. Genzyme (Sanofi‐Aventis) 9. Gilead Sciences
10. MedImmune
11. Millennium Pharmaceuticals (Takeda Pharmaceuticals)
12. Novo Nordisk 13. Serono
14. Sunovion
15. Shire Pharmaceuticals
Empresas responsáveis por > 80%
das vendas totais de biofármacos
Biofármacos – Principais Empresas
440,600 (2020) 833,340 (2027)
Biofármacos – Empresas Brasileiras
1. Alellyx 2. Biomm
3. Biosintesis 4. Extracta 5. Scylla 6. Syngenic
1. Ache 2. Biolab
3. Biomanguinhos 4. Cristália
5. Eurofarma
6. União Química
7. Vallée
Produtos biotecnológicos – Principais
aplicações
“O Brasil possui uma boa estrutura de pesquisa e produção na área de biotecnologia, mas existem alguns gargalos que podem comprometer o seu desenvolvimento futuro, como a carência de profissionais em algumas áreas
específicas, a falta de produção interna de equipamentos e materiais e a deficiência de infraestrutura
por parte de muitas instituições.”
Biofármacos – Panorama brasileiro
Fardelone & Branchi, Rev. FAE, 2006, 9 (2), 29-38
Classificãção de Biofármacos
Grupo I: proteínas terapêuticas com atividade enzimática ou regulatória Grupo II : proteínas terapêuticas com atividade frente a um alvo específico Grupo III : vacinas derivadas de proteínas
Grupo IV : proteínas utilizadas para diagnóticos
• Proteínas terapêuticas deste grupo atuam por um paradigma clássico no qual a função de determinada proteína endógena deficiente é remediada pelo
tratamento com uma proteína exógena.
– Grupo Ia – Grupo Ib – Grupo Ic
Grupo I: Enzimas e proteínas reguladoras
• Grupo Ia: proteínas terapêuticas que substituem uma proteínas deficiente ou anormal
• Proteínas terapêuticas que foram classificadas no grupo Ia são utilizadas para substituir uma atividade particular em casos de produção deficiente de
proteína ou atividade anormal
Grupo Ia
• Grupo Ib: proteínas terapêuticas que aumentam a atividade de uma via existente
• Proteínas terapêuticas que melhoram/aumentam a magnitude ou tempo de atividade de uma
determinada proteína.
Grupo Ib
• Grupo Ic: Proteínas terapêuticas com novas funções
• A atividade de uma determinada proteína é
desejável, contudo, normalmente essa atividade não é observada. Proteínas desse grupo incluem
proteínas exógenas com novas funções e proteínas endógenas que atuam em novo momento ou local
Grupo Ic
• Grupo II: proteínas terapêuticas com atividade frente a um alvo específico
– Grupo IIa – Grupo IIb
Grupo II
• Grupo IIa: Proteínas que interagem com outras moléculas ou organismos
• Proteínas desse grupo utilizam a alta afinidade para direcionar e interagir com moléculas ou organismos ligando‐se especificamente em seus alvos de modo a bloquear sua função, direcionar para destruição ou estimular uma via de sinalização.
Grupo IIa
• Grupo IIb: Proteínas que carregam e apresentam outras moléculas ou proteínas
Grupo IIb
• Grupo III: Vacinas de proteínas
• IIIa: Proteção contra agentes externos
• IIIb: Tratamento de doenças autoimunes
• IIIc: Tratamento de cancer.
Grupo III
• Grupo IV: Proteínas para diagnóstico
Grupo IV
Proteínas terapêuticas ‐ Desafios para o
desenvolvimento
Instabilidade e imunogenicidade de proteínas estão entre os principais desafios que afetam a sucesso de um biofármaco
As proteínas apresentam estabilidade física e química limitada tendo como consequência:
(1) Tempo de meia‐vida reduzido → eficácia limitada e necessidade constante de administração / correção de dosagem
(2) Dificuldade de produção e curto prazo de validade → alto custo de produção (3) Via de administração intravenosa (IV). Se fossem administradas por via oral
seriam rapidamente digeridas no intes no → impacto sobre a adesão do paciente ao tratamento
Biofármacos – Desafios para o desenvolvimento
O desenvolvimento de proteínas com finalidades terapêuticas requer: estabilidade, eficácia, propriedades farmacocinéticas e farmacodinâmicas otimizadas e, principalmente, eficiência no processo de expressão e purificação.
Desafios
Imunogenicidade → problema exclusivo associado aos biofármacos, pois da mesma forma que o sistema imunológico humano responde à invasão de patógenos através do reconhecimento de proteínas ou produtos de proteína processados (epítopos), pacientes em tratamento com biofármacos podem
desenvolver respostas imunológicas contra a proteína ativa contida na formulação,
produzindo anticorpos para o biofármaco
↓
Redução da eficiência do tratamento e, em alguns casos, pode até ameaçar a vida do
paciente.
Biofármacos – Desafios para o desenvolvimento
Segurança e eficácia são os critérios prioritários no desenvolvimento de fármacos e biofármacos .
Características imunogênicas:
‐ Estranho ao organismo
‐ ↑ massa molecular
‐ ↑ complexidade química.
‐ Capacidade de ser degradada
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Estratégias para melhorar as propriedades imunogênicas:
Em geral, a redução da imunogenicidade consiste em alterar a estrutura da proteína de forma que esta não seja reconhecida pelo sistema imunológico (e.g., anticorpos, células de apresentação de antígenos, interação com receptores de superfície – endocitose, complexo de histocompatibilidade – MHC classe II, e receptores de células B e T)
• Modificação química → modificação da super cie da proteína com polímeros de polietilenoglicol (PEG)
– Aminoácidos que apresentam grupos reativos para modificação com PEG:
• Lisina (K), Arginina (R), Histidina (H),
• Ácido aspártico (D), Ácido glutâmico (E)
• Serina (S), Treonina (T), Tirosina (Y)
• Cisteína (C)
Resíduos de Lys em proteínas
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Estratégias para melhorar as propriedades imunogênicas:
• Modificação química → modificação da super cie da proteína com polímeros de polietilenoglicol (PEG)
Vantagens
– A molécula de PEG modifica os sítios de reconhecimento
imunogênicos impedindo a interação do biofármaco com anticorpos ou receptores de superfície (células B e T)
– O polímero de PEG aumenta solubilidade impedindo o acúmulo de agregados protéicos que são altamente imunogênicos
– Aumento do raio hidrodinâmico diminuindo a depuração renal → aumento do tempo de meia‐vida
– A proteína modificada com PEG impede a
proteólise, evitando a clivagem em peptídeos menores capazes de serem apresentados nas células MHC de classe II.
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Estratégias para melhorar as propriedades farmacocinéticas:
– Modificação química → modificação da super cie da proteína com polímeros de polietilenoglicol (PEG)
Limitações
– Proteínas baixa massa molecular são susceptíveis a inativação parcial ou total
– Impedimento estérico → defavorece o processo de reconhecimento molecular
– Custo elevado
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Estratégias para melhorar as propriedades farmacocinéticas:
• Fusões → albumina sérica humana, fragmento Fc de anticorpos e transferrina
– Aumento do tamanho efetivo da proteína e favorecendo a redução na taxa de depuração nos rins (proteínas com massa molecular
< 70.000 Da)
– Além do aumento da massa molecular, a fusão de uma
proteína com o fragmento Fc de anticorpos favorece o aumento da estabilidade in vivo e tempo de
meia‐vida da proteína, pois impede que esta seja degradada nos
lisossomos.
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
albumina
Interferon α
Biofármacos – Estratégias de desenvovimento
• Glicosilação → modificação da super cie da proteína com carboidratos
– Aumento do tamanho da proteína, reduzindo a depuração renal.
– Aumento da solubilidade
– Aumento da estabilidade pois diminui os efeitos deletérios causados pela variação de temperatura e radicais livres.
– Proteção frente a enzimas proteolíticas e capacidade imunogênica
– A glicosilação de proteínas é
realizada através da produção de proteínas recombinantes em células de ovário de hamsters chineses
(CHO, do inglês chinese hamsters ovary).
Limitação
– Custo elevado
Estratégias para melhorar as propriedades farmacocinéticas:
Biofármacos – Exemplos de sucesso
Infliximab Remicade®
Tratamento de Doenças autoimunes
• Doença de Crohn (doença inflamatória intestinal)
• psoriasis (doença inflamatória de pele)
• artrite reumatóide (doença inflamatória das articulações)
