sonda química

Una sonda química es una molécula pequeña bien caracterizada que modula selectivamente la función o abundancia de una proteína específica de interés ^{[ 1 ] [ 2 ]} . Las sondas químicas permiten la perturbación reversible o irreversible de las vías biológicas y se utilizan ampliamente para investigar la función de las proteínas, diseccionar procesos biológicos fundamentales en células y organismos, y validar objetivos moleculares ^{[ 1 ] [ 2 ]} . Si bien las primeras definiciones de sondas químicas, incluidos los criterios de potencia, selectividad y actividad celular, se centraron en los inhibidores intracelulares reversibles, se han definido directrices para otros tipos de sondas químicas, que abarcan agonistas y antagonistas, inhibidores covalentes y degradadores de proteínas dirigidos, como los PROTAC y los pegamentos moleculares , estos últimos de los cuales promueven la degradación de proteínas en lugar de inhibir la actividad ^{[ 1 ]} .

Las sondas químicas difieren de los fármacos. Los fármacos se optimizan para propiedades clínicas como la farmacocinética y la seguridad, mientras que las sondas químicas se optimizan para una alta selectividad de objetivo, potencia y una interacción celular demostrada con el objetivo para ayudar a garantizar que los fenotipos observados surjan directamente de la modulación del objetivo ( https://www.science.org/content/blog-post/chemical-probes-versus-drugs ). El uso incorrecto de moléculas pequeñas poco selectivas o inadecuadas puede llevar a conclusiones biológicas erróneas e investigaciones irreproducibles ^{[ 3 ]} .

A diferencia de las tecnologías de perturbación genética como la edición CRISPR-Cas y la interferencia de ARN , las sondas químicas proporcionan controles rápidos, reversibles y ajustables de la actividad de las proteínas, lo que permite el estudio de genes esenciales, proteínas multifuncionales y funciones de andamiaje de proteínas ^{[ 4 ]} .

Las sondas químicas deben utilizarse dentro del rango de concentración recomendado, ya que concentraciones más altas (excesivas) pueden provocar efectos no deseados.

Las moléculas pequeñas se han utilizado durante mucho tiempo como herramientas mecanicistas en bioquímica y farmacología ^{[ 5 ]} . Tras la publicación del genoma humano , el principal desafío pasó de la identificación de genes a la comprensión de la función de las proteínas, y las sondas químicas selectivas ayudaron a estimular la investigación sobre objetivos poco estudiados ^{[ 6 ]} . Los esfuerzos sistemáticos para definir sondas químicas surgieron en la década de 2010, cuando se destacaron las preocupaciones sobre la irreproducibilidad y el mal uso de inhibidores poco selectivos ^{[ 2 ]} . En respuesta, las comunidades de expertos desarrollaron directrices y recursos, incluido el Portal de Sondas Químicas , https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_Probes_Portal ) , para proporcionar recomendaciones y orientación sobre las mejores prácticas.

Los avances en genética ^{[ 7 ] [ 6 ]} , biología estructural , química covalente y degradación dirigida de proteínas han ampliado desde entonces los tipos y aplicaciones de sondas químicas, incluidos los degradadores de proteínas dirigidos como los PROTAC y los pegamentos moleculares ^{[ 5 ] [ 8 ]} .

Las sondas químicas pueden actuar a través de varios mecanismos ^{[ 8 ]} :

Notas:

• Las moléculas dTAG son degradadores de herramientas de investigación que requieren la fusión de una etiqueta de degradación a la proteína de interés y no son aplicables a proteínas endógenas sin modificación genética ^{[ 10 ] [ 11 ]} .
• Las sondas bien diseñadas se utilizan habitualmente junto con compuestos de control inactivos para garantizar que los fenotipos celulares observados sean específicos del objetivo y no se deban a efectos fuera del objetivo.

Las sondas químicas se utilizan para caracterizar proteínas y vías metabólicas en diversos sistemas experimentales, incluyendo células de mamíferos, microbios, modelos animales y vegetales ^{[ 12 ]} . Incluyendo:

• Caracterizar la función de las proteínas , incluyendo los roles de las proteínas con actividad limitada o previamente desconocida, un objetivo que también se persigue en iniciativas internacionales como Target 2035, que tiene como objetivo desarrollar sondas químicas para cada proteína humana ^{[ 1 ] [ 13 ]} ( https://www.thesgc.org/target2035 , Target2035 ).
• Identificar fenotipos que podrían no surgir mediante manipulación genética , proporcionando información complementaria a las estrategias de eliminación, silenciamiento o edición génica.
• Exploración de las vías de señalización y las redes reguladoras en diferentes organismos biológicos.
• Investigar los mecanismos vinculados al envejecimiento saludable , incluidos los factores que influyen en la resiliencia cognitiva, física y mental a largo plazo.
• Apoyar la investigación traslacional y sobre enfermedades infecciosas mediante el examen de objetivos microbianos esenciales y las interacciones huésped-patógeno.

Las sondas químicas pueden servir como puntos de partida, proporcionando andamios estructurales iniciales para el diseño de fármacos para la optimización de la química medicinal y el desarrollo de moléculas clínicamente adecuadas. Juegan un papel clave en las primeras etapas del descubrimiento de fármacos , particularmente durante la validación del objetivo. Como compuestos de referencia, ayudan a determinar si la modulación de una proteína específica produce un fenotipo relevante para la enfermedad, evaluando así si un objetivo es viable como objetivo terapéutico ^{[ 14 ] [ 5 ] [ 1 ]} . Al exponer células u organismos a sondas selectivas, los investigadores pueden descubrir mecanismos de resistencia y comportamientos de red compensatorios que pueden comprometer la eficacia potencial del fármaco. Las sondas químicas también permiten la identificación de biomarcadores que informan sobre la interacción con el objetivo en sistemas biológicos.

Se recomiendan estándares para ayudar a garantizar que las sondas químicas proporcionen información biológica confiable ^{[ 5 ] [ 15 ] [ 16 ]} ( https://www.chemicalprobes.org/).

Las directrices incluyen:

1. Potencia bioquímica : a menudo inferior a 100 nM (IC ₅₀ /Ki/Kd) en ensayos que utilizan proteína purificada.
2. Selectividad : típicamente ≥30 veces mayor que la de homólogos relacionados, respaldada por un análisis más amplio de diversas familias de proteínas.
3. Interacción con el objetivo y actividad celular , demostradas mediante ensayos bioquímicos, biofísicos o basados ​​en proteómica por debajo de 1 μM, sin toxicidad inespecífica ni efectos fuera del objetivo.
4. Propiedades : solubilidad y ausencia de interferencia en los ensayos o citotoxicidad general .
5. Disponibilidad de controles : idealmente, un análogo inactivo equivalente y, cuando sea posible, una sonda activa ortogonal con una estructura química diferente. Se deben utilizar controles negativos junto con las sondas para confirmar los efectos específicos sobre el objetivo.

Varias iniciativas de acceso abierto proporcionan orientación y herramientas para seleccionar sondas químicas ^{[ 17 ]} :

• Portal de Sondas Químicas : revisiones de expertos, directrices de mejores prácticas y calificaciones de sondas ^{[ 18 ] [ 19 ]} . Enlace al sitio web: https://www.chemicalprobes.org/ ,
• Probe Miner : clasifica moléculas pequeñas utilizando conjuntos de datos públicos de química medicinal en función de la potencia, la selectividad y otras métricas ^{[ 20 ]} (Enlace al sitio web: https://probeminer.org )
• Sondas y fármacos : una base de datos de acceso abierto que integra datos químicos, biológicos y farmacológicos para respaldar la evaluación y comparación de sondas y fármacos de moléculas pequeñas. https://www.probes-drugs.org/home
• Guía de farmacología : una base de conocimientos especializada que proporciona información revisada por expertos sobre objetivos farmacológicos y los ligandos que los modulan. https://www.guidetopharmacology.org/
• Consorcios internacionales como Structural Genomics Consortium (SGC) y EUbOPEN desarrollan y distribuyen sondas bien caracterizadas para proteínas poco estudiadas en todo el proteoma ^{[ 21 ]} . Enlaces a los sitios web: https://www.thesgc.org/ , https://www.eubopen.org/ .

Estos recursos proporcionan sondas químicas validadas y pautas de uso que respaldan la investigación reproducible y mecanicista.

• Portal de sondas químicas
• biología química

• interferencia de ARN
• CRISPR
• PROTAC
• pegamento molecular
• Degradación selectiva de proteínas