Robin À. J. Smith, Carolyn M. Porteous, Alison M. Gane, y Michael P. Murphy. Medical Research Council-Dunn Unidad de Nutrición Humana, Wellcome Trust/Medical Research Council Building, Hillls Road, Cambridge CB2 2XY, Reino Unido; y Departamentos de Química y Bioquímica de la Universidad de Otago, P.O. Box 56, Dunedin, Nueva Zelanda. Comunicado por Gottfried Schatz, Universidad de Basilea, Basilea, Suiza, el 4 de marzo de 2003.

ABSTRACT

Los trastornos mitocondriales están presentes en muchas enfermedades degenerativas humanas, pero los tratamientos específicos se ven complicados por la dificultad de liberar moléculas bioactivas en la mitocondria "in vivo". Para superar este problema hemos desarrollado una estrategia para conducir a las moléculas bioactivas ligándolas a un catión lipofílico trifenilfosfonio por medio de un radical alquil. Estas moléculas son rápidamente permeables en la bicapa lipídica y debido al gran potencial de membrana de la mitocondria (negativo dentro de ella), aumenta varios cientos de veces dentro de la mitocondria aislada y dentro de las mitocondrias en los cultivos celulares. Para determinar si esta estrategia pudiera llevar al desarrollo de terapias específicas para enfermedades mitocondriales, hemos investigado la administración y distribución en el tejido de los ratones de los cationes del alquilltrifenilfosfonio simples y de los antioxidantes dirigidos a la mitocondria que contengan un cation trifenilfosfonio acoplado a un coenzima Q o a un derivado de la vitamina E. Podrían darse dosis altas de estos compuestos a los ratones durante un largo período, así veríamos su distribución dentro del corazón, cerebro, hígado, y músculo.

Por consiguiente, pueden administrarse moléculas bioactivas dirigidas a la mitocondria oralmente, y conseguir así su acumulación en concentraciones potencialmente terapéuticas en los tejidos afectados por el trastorno mitocondrial. Este hallazgo abre el camino para encontrar terapias mitocondria-específicas en modelos del ratón de enfermedades degenerativas humanas.

INTRODUCCION

Las mitocondrias son centrales de vida y muerte celular; por consiguiente, no es extraño pensar que el daño mitocondrial contribuya a una gama amplia de enfermedades incluidas la ataxia de Friedreich, la enfermedad de Parkinson, la diabetes, la enfermedad de Huntington, los desórdenes asociados con mutaciones de ADN mitocondrial, la deficiente apoptosis en el cáncer y las enfermedades degenerativas, y la patopsicología del envejecimiento. A pesar de la abundancia de trastornos mitocondriales, no se han desarrollado terapias mitocondriales específicas, en parte debido a la dificultad de liberar moléculas terapéuticas en la mitocondria "in vivo". Como un primer paso hacia dichas terapias, hemos desarrollado una estrategia para liberar las moléculas bioactivas en la mitocondria mediante una unión covalente con el cation trifenilfosfonio a través de una cadena alquil. La carga positiva deslocalizada de estos cationes lipofílicos les permite penetrar fácilmente en la bicapa lipídica y aumentar varios cientos de veces dentro de la mitocondria, porque en la membrana grande el potencial (-150 a -170 mV) es negativo en el interior. En la membrana plasmática el potencial (-30 a -60 mV), también es negativo dentro; tenemos en cuenta asimismo la acumulación de estas moléculas en el fluido extracelular de las células aisladas, en dónde se concentran más que dentro de la mitocondria, con >90% de cationes lipofílicos intracelulares presentes en la mitocondria. Esta captación selectiva por la mitocondria debe aumentar en gran medida la eficacia y especificidad de moléculas diseñadas para interactúar recíprocamente con la mitocondria mientras que disminuyen los posibles efectos secundarios negativos.

Si estas moléculas dirigidas a la mitocondria tienen potencial terapéutico entonces deberían liberarse selectivamente en la mitocondria "in vivo". En particular, deben aumentar hasta concentraciones terapéuticamente eficaces dentro de las mitocondrias de los órganos que estén más afectados por el trastorno mitocondrial, es decir, el corazón, músculo esquelético y cerebro. Como los cationes alquiltrifenilfosfonio atraviesan fácilmente la bicapa lipídica no necesitan transporte mediado por portadores, deben liberarse en las mitocondrias de todos los tejidos, en contraste con los compuestos hidrófilos que dependen de portadores para su expresión específica en un tejido. Apoyando este concepto, el catión metiltrifenilfosfonio (TPMP) se libera en las mitocondrias dentro del corazón, hígado y músculo. Así, estas moléculas dirigidas a la mitocondria entran en el torrente sanguíneo y van a las mitocondrias de todos los tejidos. Es muy importante en las enfermedades neurodegenerativas , el movimiento directo de cationes lipofílicos a través de las bicapas lipídicas que permite a estas moléculas cruzar la barrera hematoencefálica y aumentar su concentración en las mitocondrias del cerebro. Sin embargo, aún es poco es conocida la captación, distribución en los tejidos, y el metabolismo de los cationes alquiltrifenilfosfonio "in vivo", y si pueden cruzar la barrera hematoencefálica. Además, para probar la eficacia de estos compuestos en modelos del ratón de enfermedades degenerativas crónicas, debemos establecer los protocolos convenientes para su administración a largo plazo.

Este procedimiento de dirigir a la mitocondria moléculas bioactivas puede adaptarse a cualquier molécula bioactiva neutra. Como primer paso hemos escogido desarrollar antioxidantes dirigidos a la mitocondria, porque la cadena respiratoria es la mayor fuente de especies de oxígeno reactivo "in vivo", y se piensa que el daño oxidativo mitocondrial es una causa de las patologías en muchas de las enfermedades enumeradas en la última sección. Como la vitamina E y el coenzima Q naturales se piensa que protegen a la mitocondria del daño oxidativo "in vivo" se desarrollaron derivados dirigidos a la mitocondria de estas moléculas. Experimentos "in vitro" demostraron que [2-(3,4-dihidro-6-hydroxi-2,5,7,8-tetrametil-2H-1-benzopirano-2-il)ethil]trifenilfosfonio bromuro (MitoVit E) y una mezcla de mitoquinol [10-(3,6-dihydroxy-4,5-dimethoxy-2-metilfenil)decil]trifenilfosfonio bromuro y mitoquinona [10-(4,5-dimetoxy-2-metilo-3,6-dioxo-1,4-cyclohexadien-1-il) decil] trifenilfosfonio bromuro (MitoQ) era rápida y selectivamente aumentada por la mitocondria aislada y por las mitocondrias dentro de células aisladas. Se sabe que la acumulación de estos antioxidantes en la mitocondria protegen del daño oxidativo mucho más eficazmente que los antioxidantes "no dirigidos", sugiriendo que la acumulación de moléculas bioactivas dentro de la mitocondria aumenta su eficacia.

Para ver si la unión a un cation trifenilfosfonio puede liberar las moléculas bioactivas en la mitocondria "in vivo", hemos investigado el modo de liberación, distribución en el tejido, y eliminación dentro de los ratones del cation alquiltrifenilfosfonio (TPMP), y la captación y distribución en el tejido de los dos antioxidantes dirigidos a la mitocondria MitoVit E y MitoQ. Hemos hallado que pueden coexistir estos 3 tipos de cationes en los ratones, a largo plazo, generando concentraciones eficaces y potencialmente terapéuticas dentro del cerebro, corazón, hígado, y músculo. Este hallazgo abre la vía para desarrollar compuestos dirigidos a la mitocondria como terapias potenciales para enfermedades que involucren un trastorno mitocondrial.