sexta-feira, 20 de junho de 2014

Tratando a acondroplasia: como estamos?

Algumas informações básicas

Vinte anos passaram desde a identificação da causa da acondroplasia. Hoje sabemos que a acondroplasia é causada por uma alteração na estrutura (uma mutação) no gene que contem as infomações químicas para a produção da proteína denominada receptor do fator de crescimento de fibroblastos 3 (FGFR3) (1,2) (Figura 1). Esta proteína reativa (por isso também chamada de enzima) é responsável por reduzir a capacidade de um tipo particular de células, os condrócitos das placas de crescimento cartilaginosas, de proliferar (multiplicar) e hipertrofiar (amadurecer) (3).

Figura 1. A estrutura do FGFR3.



A placa de crescimento é um tecido delgado e muito especializado localizado em ambas as extremidades dos ossos longos e é responsável pelo crescimento ósseo (4) (Figura 2). O FGFR3 é um fator chave para o crescimento ósseo, mas não é o único: há um grande número de outros fatores químicos e mecânicos que atuam positiva ou negativamente para modular o ritmo de desenvolvimento dos ossos no corpo em crescimento (5). Portanto, qualquer perturbação nessa complexa rede pode comprometer o crescimento normal do osso. Por 
que é importante saber isso? Porque quando estamos tentando encontrar terapias para a acondroplasia devemos prestar atenção aos mecanismos de ação das drogas: não queremos usar uma droga que pode bloquear o FGFR3 mas também causar impacto em outros agentes na placa de crescimento.

Figura 2. A cartilagem da placa de crescimento.



Sabemos que o papel natural do FGFR3 nos condrócitos é o de reduzir a velocidade da sua proliferação e maturação, e a mutação causadora da acondroplasia o torna mais ativo: reações químicas no interior do condrócitos que eram levemente ativadas pela enzima normal, são intensificadas pela enzima alterada. Uma hipótese aceita por alguns investigadores é a de que essas reações químicas levam o condrócito a entrar em um estado de paralisia, chamado de senescência celular, quando a célula não morre, mas para de realizar a maioria de suas funções normais (6). Com menos condrócitos multiplicando e amadurecendo, a placa de crescimento não atinge seu pleno potencial e os ossos crescem menos.

Já revimos todos os conceitos descritos acima antes, aqui no blog. Você pode ler mais sobre a forma como os condrócitos trabalham sob influência do FGFR3 em vários artigos anteriores, os quais pode encontrar na página de seu idioma preferido acessível no topo desta página.

Tratando a acondroplasia

A acondroplasia pode ser tratada? A resposta é sim, embora o meio para conseguí-lo possa ser difícil. A acondroplasia tem algumas características que a torna uma condição clínica certamente abordável para tratamento dos pontos de vista médico, farmacológico e econômico:

1. A mutação do FGFR3 que causa a acondroplasia é quase sempre a mesma em todos os casos: G380R (um aminoácido chamado glicina é substituído por uma arginina na posição 380 da cadeia da proteína), de modo que é altamente previsível. Isto é bem diferente de outras desordens causadas por mutações genéticas, em que a mutação pode ser mais imprevisível;

2. Os mecanismos de ação do FGFR3 no condrócitos são agora razoavelmente conhecidos, e não tem havido grande preocupação expressa na literatura especializada sobre funções inesperadas, embora de vez em quando 
são publicadas novas interações entre o FGFR3 e outras proteínas e sua influência em outras células, tais como os osteoblastos.

Isto é importante do ponto de vista do desenvolvimento de drogas, pois uma das questões que o investigador de novas medicações precisa responder é se o alvo identificado (aqui, o FGFR3) tem realmente uma relação de causa e efeito com a condição clínica. Em outras palavras, é preciso responder se existe evidência clara de que o FGFR3 é o causador da acondroplasia. Claramente, existem muitas evidências neste sentido;

3. O FGFR3, um agente muito importante durante o desenvolvimento da nova vida in utero, deixa de ser expresso (produzido) de forma significativa pela maioria das células do corpo após o nascimento. A principal exceção é exatamente o condrócito da placa de crescimento. Este padrão torna o FGFR3 um alvo muito interessante: o risco de uma droga dirigida contra o FGFR3 causar efeitos em outras células ou tecidos é baixo;

4. O FGFR3 é uma proteína que pode ser alcançada fora da célula, por isso uma medicação potencial não necessariamente teria que entrar no condrócito para bloquear o receptor hiperativo. Teoricamente, isso faz com que o FGFR3 seja um alvo mais fácil para o desenvolvimento de drogas;

5. A população-alvo é previsível, com uma taxa de prevalência conhecida (cerca de 1 em 25000 nascimentos). A acondroplasia é, na maioria das vezes, provocada por um evento espontâneo, o que é chamado tecnicamente de mutação de novo. Assim, para desenvolvedores de drogas, haverá novos pacientes no futuro;

6. O FGFR3, em sua função de regulação do crescimento dos condrócitos, tem prazo de validade: a placa de crescimento fecha ao final da puberdade, logo a enzima não é um alvo para a vida toda. É importante que isso seja entendido pelos sistemas de saúde/reembolso, governos e pagantes em geral, que vão precisar equilibrar o custo potencial dessas terapias em relação aos orçamentos, custos de saúde associados à condição clínica se não tratada (custos vs. benefícios) e o impacto social.

A lista pode ser ampliada, mas o objetivo aqui é apenas de enumerar alguns dos principais temas. Agora, o que faz com que a acondroplasia seja difícil de tratar? Há pelo menos quatro questões especiais:


1. O condrócito da placa de crescimento não é fácil de alcançar. A placa de crescimento cartilaginosa é um ambiente denso, eletricamente carregado e não tem suprimento direto de sangue, portanto qualquer agente terapêutico precisará ter a capacidade de trafegar através deste labirinto para alcançar o alvo. Ele deve ter o tamanho e propriedades moleculares adequadas. Estudos anteriores demonstraram que moléculas grandes, tais como os anticorpos, podem não ter essa capacidade, devido ao seu tamanho. Outros agentes potenciais, tais como aptâmeros, são frágeis e podem precisar de sistemas de transporte (digamos, como um táxi) para chegar ao seu destino, mas, novamente, isso poderia comprometer o seu tamanho final. Ou então, de alterações na sua estrutura, tais como a que foi aplicada no análogo do peptídeo natriurético tipo C (CNP) BMN-111.

2. A pesquisa de drogas para bloquear uma proteína não é fácil. A tecnologia atual até tem sido capaz de criar drogas para inibir 
muitas proteínas receptoras, incluindo o FGFR3. O problema reside no fato de que elas não são suficientemente específicas. Estes fármacos, muitos já na farmácia, têm sido geralmente concebidos para bloquear um único ponto na estrutura destas proteínas localizado no interior da célula e chamado de bolsos de ATP (o domínio de tirosina-quinase apontado na Figura 1, acima). Essas estruturas das proteínas receptoras são muito semelhantes (o que é chamado de homologia), de modo que os fármacos que visam esta região podem inibir vários receptores ao mesmo tempo. Veja, por exemplo, o dovitinib, um inibidor pan-FGFR. Devemos lembrar que, ao tratar uma criança com acondroplasia, inibir outras proteínas normais em um corpo em desenvolvimento é algo longe de ser desejável.

Com uma meta mais difícil de alcançar, o risco para o desenvolvimento e descoberta de medicamentos aumenta e esta é uma boa razão para desenvolvedores de drogas não se concentrarem em soluções terapêuticas potenciais para a acondroplasia. De fato, a pesquisa na área é pequena e geralmente conduzida por pesquisadores acadêmicos e/ou independentes. Como exemplos, podemos citar os casos da meclizina e da armadilha de ligante sFGFR3.

3. O paciente é uma criança. Quando se trata de explorar soluções para doenças que afetam especialmente as crianças, o desenvolvimento de drogas torna-se ainda mais difícil. A regulamentação 
sobre pesquisa clínica em crianças, uma população especial, embora bastante razoável, é também estrita. Os padrões éticos tem que ser elevados. Hoje em dia, não é mais possível inferir a dose pediátrica de um fármaco a partir da extrapolação da de um adulto. O desenvolvedor de drogas deve encontrar a dose pediátrica adequada através da realização de estudos clínicos em crianças e, por isso, os riscos são maiores.

4. Quanto menos frequente a condição clínica a tratar, mais cara a nova terapia tende a ser depois de aprovada. Este fato é o maior desafio em termos de acesso ao tratamento aos indivíduos que necessitarão da nova terapia. Para condições que têm taxas de prevalência similares as da acondroplasia, terapias disponíveis chegam facilmente a mais de USD 300 mil por paciente/ano. 


Atualmente, há um forte debate entre as partes interessadas sobre os preços de medicamentos e seu reembolso. A grande questão é como fazer com que o desenvolvimento de medicamentos seja sustentável, e ao mesmo tempo que as novas terapias continuem a encontrar o caminho aos pacientes que delas necessitam? É natural e muito justo buscar recompensa pelo bom trabalho realizado, mas, como um exemplo de como as coisas estão andando, dê uma olhada no atual debate sobre o preço da nova terapia inovadora para a hepatite C, o sofosbuvir (7-11). A hepatite C não é exatamente uma doença rara, há milhões de pessoas em todo mundo candidatas ao novo tratamento, de modo que a lógica da baixa prevalência vs. alto custo não se encaixa neste caso.

Atuais estratégias disponíveis para o tratamento da acondroplasia

Embora existam desafios para o desenvolvimento de uma terapia para a acondroplasia, estamos, de fato, observando novas estratégias sendo propostas e exploradas, com uma delas já em desenvolvimento clínico. Então, vamos rever brevemente a informação disponível sobre elas. Lembre-se que você pode encontrar informações mais específicas sobre tudo escrito aqui em artigos anteriores do blog.

Meclizina

A meclizina é um medicamento antigo usado hoje para tratar enjoo de movimento. O grupo japonês liderado pelo Dr. Ohno começou a explorar seu potencial de ação no desenvolvimento ósseo aproveitando a nova política regulatória para reavaliar medicamentos antigos para novas indicações terapêuticas (12). Em suas experiências, eles descobriram que a meclizina foi capaz de reduzir a sinalização do FGFR3 em condrócitos (Figura 3). Isto é exatamente o que um medicamento destinado ao tratamento da acondroplasia deve fazer. Os testes foram realizados em tecido ósseo extraído a partir de animais (explantes).


Figura 3. Locais de ação da meclizina, CNP e dos inibidores de tirosina-quinase NF449 e A31.

Matsushita M et al. (2013). PLoS ONE 8(12): e81569. doi:10.1371/journal.pone.0081569. Reproduzido para fins educativos somente.

Os autores informam no final de seu artigo que eles estariam começando a explorar o uso da meclizina em animais vivos, por isso teremos que esperar os próximos resultados desses testes para verificar o uso potencial da meclizina na acondroplasia.

Se a meclizina provar que funciona em um modelo animal apropriado de acondroplasia, em seguida, haverá necessidade de explorá-la no contexto clínico. A meclizina tem pelo menos duas vantagens fundamentais sobre os novos compostos. ela está disponível 
no mercado há décadas e o seu perfil de segurança é razoavelmente conhecido, apesar de que questões sobre a dose adequada para a população-alvo e sobre seu uso em longo prazo em crianças ainda tem de ser respondidas. A segunda vantagem é o seu baixo custo e a imediata disponibilidade. Você pode ler mais sobre a meclizina aqui.

sFGFR3 e outras estratégias de armadilhas de ligante

Publicado em setembro de 2013, o estudo realizado pelos investigadores franceses liderados pela Dra. Gouze (13) recebeu muita atenção por parte da mídia em todo o mundo. Este composto é uma cópia do FGFR3 natural feito sem a parte que ancora este receptor à membrana celular (parede) do condrócito. Em vez de ficar preso à parede dos condrócitos ele pode circular livremente. Mas, como é que o sFGFR3 funciona?

O conceito é simples e interessante: o FGFR3 não trabalha sozinho, ele precisa de um FGF para ativá-lo. Dentro da placa de crescimento, os FGFs são polipeptídeos que se encontram na vizinhança dos condrócitos e ativam os receptores (os FGFRs) 
sob certas condições. Como fica flutuando livremente no mesmo ambiente, o sFGFR3 poderia capturar esses FGFs antes que conseguissem chegar ao receptor natural na membrana da célula. É por isso que este tipo de abordagem é chamada de armadilha ou isca de ligante (neste caso o FGF).

Os resultados do sFGFR3 são impressionantes e animadores (Figura 4). No entanto, como transpor a grande barreira entre o laboratório acadêmico e a estrutura do desenvolvimento de drogas do mundo real? Para isso é preciso que uma indústria farmacêutica assuma os próximos passos, uma vez que a continuidade da investigação ao desenvolvimento clínico gera um expressivo volume de trabalho, desde testes com a droga em animais maiores até conhecer com mais precisão as características químicas do sFGFR3.

Figura 4. O tratamento com o sFGFR3 resgata o crescimento em um modelo animal de acondroplasia.


Existem pelo menos duas outras estratégias de armadilha de ligante 
divulgadas na literatura tendo como alvo os FGFRs, uma delas em investigação para o tratamento de alguns tipos de câncer em que os FGFRs desempenham um papel importante (FP-1039/GSK3052230) (14). Este composto é feito da fusão da parte básica de um anticorpo (a parte Fc) com o domínio extracelular do FGFR1 (a parte que acopla com o ligante). É relevante o fato de que esta molécula mostrou ligar-se, principalmente, aos mesmos FGFs que são considerados os mais relevantes na acondroplasia (FGF9 e FGF18). Esse composto tem também uma grande vantagem neste momento: ele já está em testes em humanos, em estudos clínicos para o câncer. Neste caso, as principais questões que precisam de respostas na fase pré-clínica de desenvolvimento de drogas já foram respondidas. O desenvolvedor desse composto teria que se interessar em explorar esta outra indicação potencial.
A terceira foi divulgada em um registro de patentes e vem da Flórida, EUA (15). O Dr Ghivizzani descreve uma forma solúvel de FGFR3 (como o sFGFR3 francês) e afirma que pode ser utilizado para o tratamento de acondroplasia. Não consegui encontrar estudos publicados explorando esta molécula.

BMN-111 e outros análogos do CNP

Neste momento a 
potencial terapia mais avançada em investigação para o tratamento da acondroplasia, o BMN-111 está sendo testado em crianças com acondroplasia em um estudo clínico de fase 2. Fase 2 significa que os objetivos são provar o conceito do tratamento com o novo medicamento (isso realmente funciona?), encontrar a dose terapêutica mais adequada para os próximos passos da pesquisa e aprender sobre a segurança a curto prazo. Veja a Figura 3, para entender como o BMN-111, um análogo do CNP, funciona.

É muito importante entender que o CNP não bloqueia o FGFR3 diretamente. Ele funciona indiretamente, reduzindo a ativação da principal cascata química acionada pelo FGFR3 nos condrócitos, a MAPK (quinase de proteína ativada por mitógeno) (Figura 3). Não é errado inferir que o CNP e o FGFR3 têm funções antagônicas nos condrócitos.

A figura 5, extraída de uma das últimas apresentações públicas da Biomarin, o desenvolvedor do BMN-111, mostra o desenho do estudo da fase 2.


Figura 5. Estudo de fase 2 do projeto do BMN-111.

Da apresentação da Biomarin na Barclays Global Healthcare Conference, Mar 12 2014.
Este estudo de fase 2 foi iniciado em janeiro passado e ainda está em andamento, de acordo com a informação disponível na conferência realizada pela Wells Fargo e a Biomarin em 17 de junho. Isso significa que até o momento não houve questões relevantes em termos de segurança.

A Biomarin estima que terá os resultados completos do estudo de fase 2 no segundo trimestre de 2015. Se forem positivos, então 
será necessário confirmar os resultados obtidos em um estudo de fase 3, maior e mais longo. Dado o intervalo de tempo usual necessário para a elaboração e aprovação de uma nova terapia, se o BMN-111 revelar ser seguro e eficiente se poderia estimar que levará cerca de três anos mais a partir de agora para estar disponível para os pacientes.

Recentemente, outro análogo do CNP foi testado em um modelo animal de neurofibromatose, uma desordem genética que coincidentemente produz o mesmo tipo de hiperatividade da principal cascata química governada pelo FGFR3 na acondroplasia (a MAPK), também levando a um crescimento ósseo limitado (16). Ao bloquear a cascata MAPK da mesma maneira com que faz o CNP (veja a Figura 3), a molécula chamada NC-2 poderia ser uma opção como terapia para a acondroplasia. Sabemos que está no portfólio de uma indústria de biotecnologia (17). No entanto, como o NC-2 foi utilizado por um pesquisador independente, em outro contexto, é razoável supor que este desenvolvedor abandonou as pesquisas com este composto (riscos?).

Concluindo

Há também outras abordagens novas publicadas nos últimos anos. Por exemplo, pelo menos dois grupos de investigadores conceberam peptídeos que são capazes de se ligar a parte externa do FGFR3 e bloquear a sua função (18,19). R
ecentemente, os inibidores da tirosina quinase anti-FGFR3 NF449 (20) e A31 (21) descritos acima, mostraram melhorias em termos de design molecular para uma melhor especificidade para o alvo, mas parece que eles não estão mais sendo desenvolvidos. Um investigador da Flórida, EUA, vem propondo que outros peptídeos natriuréticos além do CNP, tais como o chamado Vessel Dilator (22), poderiam ser usados para tratar a acondroplasia, mas não houve nenhum trabalho direto em modelos animais publicado para confirmar esta hipótese. A lista é ainda mais longa, mas vou parar por aqui, por enquanto. Você pode explorar o blog para aprender sobre outras abordagens potenciais (tente aptâmeros).

Com todos esses novos caminhos a ser explorados, é provável que não muito longe no futuro haverá mais de uma opção para o tratamento da acondroplasia e outros distúrbios relacionados. A questão então não será mais se haverá uma terapia para a acondroplasia, mas qual iremos escolher para tratar nossas crianças.

Espero que este pequeno resumo tenha sido útil para o leitor interessado em compreender qual o estado atual da investigação de terapias para tratar a acondroplasia.

Referências


1. Bellus GA et al. Achondroplasia is defined by recurrent G380R mutations of FGFR3. Am J Hum Genet 1995;56(2):368-73. Free access.
      2. Rousseau F et al. Mutations in the gene encoding fibroblast growth factor receptor-3 in achondroplasia. Nature 1994;371(6494):252-4. Free access.
        3Foldynova-Trantirkova S et al. Sixteen years and counting: the current understanding of fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) signaling in skeletal dysplasias. Hum Mutat 2012;33:29–41Free access.
          4. Kronenberg HM. Developmental regulation of the growth plate. Nature 2003; 423(6937): 332-6.
            5. Lui JC, Nilsson O and Baron J. Recent insights into the regulation of the growth plate. J Mol Endocrinol April 16, 2014 JME-14-002.
              6. Krejci P. The paradox of FGFR3 signaling in skeletal dysplasia: why chondrocytes growth arrest while other cells over proliferate. Mutat Res Rev Mutat Res 2014; 759:40-8.

              7. Knox R. $1,000 pill for Hepatitis C spurs debate over drug prices. NPR News. Accessed 18th June 2014.Free access.

              8. Medecins Sans Frontiers. MSF responds to reports on Gilead pricing for hepatitis C drug sofosbuvir in developing countries. Accessed 18th July 2014. Free access.

              9. Hill A et al. Minimum costs to produce Hepatitis C direct acting antivirals. Presented at the 64th Annual Meeting of AASLD, Washington DC, USA, November 2013 [Poster 1097]. Published as: Hill A et al. Minimum production costs of direct acting antivirals, for use in large-scale HCV eradication programmes in developing countries. Hepatology 2013; 58 (suppl.1): 740A. Free access.
              10. Waxman HA et al. Congress of the United States. Letter to John C Martin, CEO Gilead Sciences Inc. 2014 Mar 20th. Free Access.

              11. Senior M. Sovaldi makes blockbuster history, ignites drug pricing unrest. Nature Biotech 2014; 32 (6): 501-2. 


              12. Matsushita M et al. Meclozine facilitates proliferation and differentiation of chondrocytes by attenuating abnormally activated FGFR3 signaling in achondroplasia. PLoS ONE 2013 8(12): e81569. doi:10.1371/journal.pone.0081569. Free access.

              13. Garcia S et al. Postnatal soluble FGFR3 therapy rescues achondroplasia symptoms and restores bone growth in mice. Sci Transl Med 2013;5:203ra124.

              14. Tolcher A et al. Preliminary results of a dose escalation study of the fibroblast growth factor(FGF) “trap” FP-1039 (FGFR1:Fc) in patients with advanced malignancies. 22nd EORTC-NCI-ACR symposium on molecular targets and cancer therapeutics, November 16-19, 2010. Berlin, Germany. Free access.

              15. Ghivizzani SC. Delivery of soluble FGFR3 as a treatment for achondroplasia. National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases. 2013; Project Number: 5R01AR057422-04.

              16. Ono K et al. The ras-GTPase activity of neurofibromin restrains ERK-dependent FGFR signaling during endochondral bone formation. Hum Mol Genet 2013;22(15):3048-62. 


              17. Alexion Pharma International. Compositions comprising natriuretic peptides and methods of use thereof.Patent US 20120164142 A1. Jun, 28th 2012. Free access.

              18. Jin M et al. A novel FGFR3-binding peptide inhibits FGFR3 signaling and reverses the lethal phenotype of mice mimicking human thanatophoric dysplasia. Hum Mol Genet 2012; 21(26):5443-55. Free access.

              19. Yissum Research Development Company. The original link offering their peptides has been put down. Refer to the following article of the blog to read about this approach:  Treating achondroplasia with peptides specifically against FGFR3.

              20. 
              Krejci P et alNF449 is a novel inhibitor of fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) signaling active in chondrocytes and multiple myeloma cells. J Biol Chem 2010; 285(27): 20644-53. Free access.


              21. Jonquoy A et al. A novel tyrosine kinase inhibitor restores chondrocyte differentiation and promotes bone growth in a gain-of-function Fgfr3 mouse model. Hum Mol Genet 2012 ; 21(4):841-51. Free access.

              22. Vesely DL. Method of treating skeletal dysplasias using vessel dilator. Patent US 20130096061 A1. April 18th, 2013.

              quarta-feira, 18 de junho de 2014

              Treating achondroplasia: where we are now

              A bit of the basics

              There have passed 20 years since the identification of the cause of achondroplasia. We now understand that achondroplasia is caused by a modification in the structure (a mutation) of the gene that carries the chemical information for the production of the protein named fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) (1,2) (Figure 1). This reactive protein (so also called enzyme) is responsible for reducing the ability of a particular kind of cells, the chondrocytes of the cartilage growth plates, to proliferate (multiply) and hypertrophy (mature) (3).

              Figure 1. FGFR3 structure



              The growth plate is a thin, very specialized region located in both extremities of long bones and is the tissue responsible for bone growth (4) (Figure 2). FGFR3 is a key factor for bone growth, but it is not the only one: there is a large number of other chemical and mechanical factors acting positively or negatively to modulate the pace of bone development in the growing body (5). So, any disruption in this complex network can compromise the normal bone growth. Why is this important to know? Because when we are trying to find therapies for achondroplasia we must pay attention to the drugs' mechanisms of action: we don't want to use a drug that could block FGFR3 but also cause impact in other agents there in the growth plate.

              Figure 2. The growth plate cartilage.




              We know that the natural role of FGFR3 in the chondrocytes is to reduce the speed of their proliferation and maturation, and that the mutation causing achondroplasia makes it more active: chemical reactions inside the chondrocyte that were mildly activated by the normal enzyme are intensified by the mutated one. Some think that these chemical reactions drive the chondrocyte to enter in a state of paralysis, called cell senescence, when the cell doesn't die but stops most of its normal functions (6). With less chondrocytes multiplying and maturing, the growth plate doesn't achieve its full potential and the bones grow short. 

              We have already reviewed all the above concepts before, here in the blog. You can read more about the way chondrocytes work under FGFR3 influence in several previous articles, which you can find in your preferred language page accessible on the top of this page.

              Treating achondroplasia

              Is achondroplasia treatable? The answer is yes, although the way to achieve it may be a hard one. Achondroplasia has some characteristics that makes it a fairly "drugable" disorder from medical, pharmacological and economic standpoints:

              1. The FGFR3 mutation causing achondroplasia is almost always the same in all cases: G380R (an amino acid called glycine is substituted by an arginine in the position 380 of the protein chain), so it is highly foreseeable. This is quite different from other disorders caused by gene mutations, where the mutation may be more unpredictable;

              2. FGFR3 mechanisms of action in the chondrocyte are now reasonably known, and there have been no major concerns expressed in the specialized literature regarding unexpected functionality, although now and then new interactions between FGFR3 and other proteins and its influence in other cells such as osteoblasts are being published. 

              This is important from the drug development standpoint, because one of the questions that the researcher of new medications needs to answer is whether the identified target (here, FGFR3) really has a cause & effect relationship with the clinical condition. In other words, we need to answer if there is clear evidence that FGFR3 is the cause of achondroplasia. Clearly, there is much evidence to that effect; 

              3. FGFR3, a very important agent during the development of the new life in utero, stops to be expressed (produced) by most of the body cells in a significant way after birth. The main exception is exactly the growth plate chondrocyte. This pattern makes FGFR3 a very interesting target: the chance that a drug aiming FGFR3 to cause effects in other cells or tissues is low;

              4. FGFR3 is a protein that can be reached outside the cell, so a potential therapy wouldn't have to enter the chondrocyte to beat the overactive receptor. Theoretically, this makes FGFR3 an easier target for drug development;

              5. The target population is predictable, with a known prevalence rate (around 1 in 25000 births). Achondroplasia is, most of the time, caused by a spontaneous event, what is technically called de novo mutation. So, for drug developers, there will be new patients in the future;

              6. FGFR3, in its growth regulatory function in chondrocytes, has an expiry date: the growth plate closes by the end of puberty, so the enzyme is not a lifelong target. This is important to be understood by health care/reimbursement systems, governments and payers in general, who will be balancing potential cost of therapies against budgets, disorder health costs if left untreated (costs vs. benefits) and social impact.

              The list can be extended but the idea here is just to enumerate some of the main topics. Now, what does make achondroplasia difficult to treat? There are at least four special concerns:

              1. The chondrocyte within the growth plate is not easy to reach. The cartilage growth plate is a dense, electrically charged environment and does not have direct blood supply, so any therapeutic agent will need to have the ability to traffic through this maze to reach the target. It must have the right size and molecular properties. Previous studies have shown that large molecules such as antibodies may not have this ability, because of their size. Other potential agents, such as aptamers, are fragile and may need transport systems (let's say a taxi) to reach their destiny, but again this could compromise their final size. Or else, changes in their structure, such as the one which has been applied to the C-type natriuretic peptide (CNP) analogue BMN-111.

              2. Developing drugs to beat a protein is not easy. The current technology has been able to create drugs to inhibit many receptor proteins including FGFR3. The problem resides in the fact that they are not specific enough. These drugs, many already in the pharmacy, have been usually designed to block a single point in the structure of these proteins located inside the cell and called ATP pockets (the tyrosine kinase domain pointed out in the Figure 1 above). Well, these structures of the receptor proteins are very similar (what is called homology), so the drugs aiming this region may inhibit several receptors at the same time. Take as an example dovitinib, a pan-FGFR inhibitor. We must have in mind that while treating a kid with achondroplasia, Inhibiting other normal proteins in a developing body is far from desirable.

              With a target so difficult to reach, drug discovery development risks escalate and this is a good reason for drug developers not focusing in potential therapeutic solutions for achondroplasia. Rather than that, research in the area is small and usually driven by independent, academic investigators. As examples, we may cite the cases of meclizine and the ligand trap sFGFR3.

              3. The patient is a kid. When it comes to explore solutions for disorders that specially affect children, drug development becomes even tougher. There is a fairly reasonable yet strict regulation over clinical research in children, a special population. Ethical standards must be high. At the same time, today it is not possible anymore to infer the pediatric dose of a drug extrapolating from the adult one. The drug developer must find the adequate pediatric dose performing clinical studies in children, so risks are higher.

              4. The less frequent the clinical condition to treat the more expensive the new therapy tends to be when approved. This indeed is the major challenge in terms of granting access to those individuals that will require or need the new therapy. For conditions which have similar prevalence rates as achondroplasia, available therapies easily reach more than USD300K per patient/year. 

              Currently, there is a strong debate among involved stakeholders regarding drug pricing and reimbursement. The great question is how to make drug development sustainable at the same time the new therapies coming keep the way to the patients in need? It is natural and pretty fair to seek reward for the good work done but, as an example of how things are going, take a look in the current debate about the price of the new breakthrough therapy for Hepatitis C, sofosbuvir (7-11). Hepatitis C is not exactly a rare disease, there are millions of people around the world candidates for the new treatment, so the logic of the low prevalence vs. high cost doesn't fit in this case.

              Current available potential strategies for the treatment of achondroplasia

              No matter the challenges for developing a therapy for achondroplasia are, we are in fact watching new strategies being proposed and explored, with one of them already in clinical development. So, let's briefly review the available information about them. Remember that you can find more specific information about everything written here in previous articles of the blog.

              Meclizine

              Meclizine is an old drug used today to treat motion sickness. The Japanese group leaded by Dr. Ohno started to explore its potential action in bone development under the new regulatory policy of reassessing old medicines for new therapeutic indications (12). In their experiments they found that meclizine was capable to reduce FGFR3 signaling in chondrocytes (Figure 3). This is exactly what a drug intended to treat achondroplasia must do. The tests were performed in cells and bone tissue extracted from animals (explants).

              Figure 3. Sites of action of Meclizine, CNP and the tyrosine kinase inhibitors NF449 and A31. 


              Matsushita M et al. (2013). PLoS ONE 8(12): e81569. doi:10.1371/journal.pone.0081569. Reproduced here for illustration purposes only
              The authors inform in the end of their paper that they were starting to explore the use of meclizine in living animals, so we will have to wait for the upcoming outcomes of these tests to learn about the potential use of meclizine in achondroplasia.

              If meclizine is proven to work in an appropriate animal model of achondroplasia, then there will be evidence to explore it in the clinical setting. Meclizine has at least two fundamental advantages over new compounds. Being available for decades in the market, its safety profile is reasonably known, although questions about the appropriate dose for the target population and its use for long term in children are yet to be answered. The second advantage is its low cost and immediate availability. You can read more about meclizine here.

              sFGFR3 and other ligand trap strategies

              The study performed by the French investigators leaded by Dr. Gouze (13) has received a lot of attention by the midia around the world. This compound is a copy of the natural FGFR3 made without the cell membrane anchor the original receptor has. Instead of being inserted across the chondrocyte cell membrane it can circulate freely. But, how does it work? 

              The concept is simple and interesting: FGFR3 doesn't work alone, it needs a FGF to light it on. Inside the growth plate, FGFs are polipeptides that are found in the vicinity of the chondrocytes and activate the receptors under certain conditions. By floating freely in the same environment, sFGFR3 could capture these FGFs before they could reach the natural receptor in the cell membrane. That's why this is called a ligand trap or decoy strategy.

              The results of the sFGFR3 are impressive and exciting (Figure 4). However, how to transpose the great barrier between the academic lab to the real world drug development settings? This will need a pharma industry to take over the next steps, since the continuity of the research towards the clinical development elicits a lot of further work, from testing the drug in larger animals to learn with more precision the chemical characteristics of sFGFR3.

              Figure 4. Treatment with sFGFR3 rescues growth in an achondroplasia mouse model.



              There are at least two other ligand trap strategies targeting FGFRs disclosed in the literature, one of them is being investigated for the treatment of some kinds of cancer where FGFRs play an important role (FP-1039/GSK3052230) (14). This one is made of the fusion of the basic part of an antibody (the Fc part) with the ligand binding domain (the extracellular part) of FGFR1. It is interesting that this molecule was shown to bind mainly to the same FGFs that are thought to be more relevant in achondroplasia (FGF9 and FGF18). It also has a great advantage at this moment: it is already being tested in humans, in clinical studies for cancer. So, major questions needing answers in the pre-clinical phase of drug development have already been cleared. The developer would have to get interested in exploring this other potential indication.

              The third one has been disclosed in a patent registry and comes from Florida, US (15). Dr Ghivizzani describes a soluble form of FGFR3 and claims it can be used for the treatment of achondroplasia. I couldn't find any published study exploring this molecule.

              BMN-111 and other CNP analogues

              So far the most advanced potential therapy being explored to treat achondroplasia, BMN-111 is being tested now in children with achondroplasia in a phase 2 clinical trial. Phase 2 means that the goals are to prove the concept of the therapy with the new drug (does it really work?), to
              find the most adequate therapeutic dose for the next steps of research and to learn about the short term safety of the drug. Take a look at the Figure 3 to see how BMN-111, a CNP analogue, works. 

              It is very important to understand that CNP does not block FGFR3 directly. It works indirectly, by reducing the activation of the main chemical cascade driven by FGFR3 in the chondrocyte, the MAPK pathway (Figure 3). It is not wrong to infer that CNP and FGFR3 have antagonistic functions in the chondrocytes.

              The figure 5, extracted from one of the last public presentations from Biomarin, the BMN-111 developer, shows the design of the phase 2 study.

              Figure 5. BMN-111 phase 2 study design.

              From the Biomarin's presentation at the Barclays Global Healthcare Conference Mar 12th 2014.
              This phase 2 study has started on last January and is still ongoing, according to information available from the conference held by Wells Fargo and Biomarin on June 17th. This means that to date there has been no major concern in terms of safety.  

              Biomarin estimates that it will have the complete results of the phase 2 study by 2Q15. If they are positive, then a larger and longer phase 3 study will be necessary to confirm the results obtained. Given the normal timeframe needed for the development and approval of a new therapy, if BMN-111 proves to be safe and efficient one could estimate that it will take about three years more from now before becoming available to patients.

              Recently, another CNP analogue had been tested in an animal model of neurofibromatosis, a genetic disorder that coincidently produces the same kind of overactivity of the main chemical cascade ruled by FGFR3 in achondroplasia (the MAPK pathway), and also leading to restricted bone growth (16). By blocking the MAPK cascade in the same way CNP does (look at Figure 3), the molecule called NC-2 could turn to be an option as a therapy for achondroplasia. We know that it is in the portfolio of a biotech industry (17). However, since NC-2 was used by an independent researcher, in another context, it is reasonable to conclude that this developer has abandoned further research with this compound (risks?). 

              Concluding

              There have been also other new approaches published in the last years. For instance, at least two groups of researchers designed peptides that are able to bind the external part of FGFR3 and block its function (18,19). The recently described above mentioned anti-FGFR3 tyrosine kinase inhibitors NF449 (20) and A31 (21) have shown improvements in terms of molecular design towards better specificity for the target, but it seems they are no longer being developed. An investigator from Florida, US, has been proposing that other natriuretic peptides than CNP, such as the one called Vessel Dilator (22) could be used to treat achondroplasia, but there has been no direct work in animal models published to confirm this hypothesis. The list is even longer but I will stop here for now. You can explore the blog to learn about other potential approaches (try aptamers).

              With all these new paths being explored it is likely that no so far in the future there will be more than one option to treat achondroplasia and other related disorders. The question then will no longer be if there is a therapy for achondroplasia, but which one to choose.
                
              I hope this short summary has been useful for the interested reader to understand where the investigation for therapies to treat achondroplasia stands now.

              References
                1. Bellus GA et al. Achondroplasia is defined by recurrent G380R mutations of FGFR3. Am J Hum Genet 1995;56(2):368-73. Free access.
                  2. Rousseau F et al. Mutations in the gene encoding fibroblast growth factor receptor-3 in achondroplasia. Nature 1994;371(6494):252-4. Free access.
                    3Foldynova-Trantirkova S et al. Sixteen years and counting: the current understanding of fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) signaling in skeletal dysplasias. Hum Mutat 2012;33:29–41Free access.
                    4. Kronenberg HM. Developmental regulation of the growth plate. Nature 2003; 423(6937): 332-6.
                    5. Lui JC, Nilsson O and Baron J. Recent insights into the regulation of the growth plate. J Mol Endocrinol April 16, 2014 JME-14-002.
                    6. Krejci P. The paradox of FGFR3 signaling in skeletal dysplasia: why chondrocytes growth arrest while other cells over proliferate. Mutat Res Rev Mutat Res 2014; 759:40-8.

                    7. Knox R. $1,000 pill for Hepatitis C spurs debate over drug prices. NPR News. Accessed 18th June 2014. Free access.

                    8. Medecins Sans Frontiers. MSF responds to reports on Gilead pricing for hepatitis C drug sofosbuvir in developing countries. Accessed 18th June 2014. Free access.

                    9. Hill A et al. Minimum costs to produce Hepatitis C direct acting antivirals. Presented at the 64th Annual Meeting of AASLD, Washington DC, USA, November 2013 [Poster 1097]. Published as: Hill A et al. Minimum production costs of direct acting antivirals, for use in large-scale HCV eradication programmes in developing countries. Hepatology 2013; 58 (suppl.1): 740A. Free access.

                    10. Waxman HA et al. Congress of the United States. Letter to John C Martin, CEO Gilead Sciences Inc. 2014 Mar 20th. Free Access.

                    11. Senior M. Sovaldi makes blockbuster history, ignites drug pricing unrest. Nature Biotech 2014; 32 (6): 501-2.

                    12. Matsushita M et al. Meclozine facilitates proliferation and differentiation of chondrocytes by attenuating abnormally activated FGFR3 signaling in achondroplasia. PLoS ONE 2013 8(12): e81569. doi:10.1371/journal.pone.0081569. Free access.

                    13. Garcia S et al. Postnatal soluble FGFR3 therapy rescues achondroplasia symptoms and restores bone growth in mice. Sci Transl Med 2013;5:203ra124.

                    14. Tolcher A et al. Preliminary results of a dose escalation study of the fibroblast growth factor(FGF) “trap” FP-1039 (FGFR1:Fc) in patients with advanced malignancies. 22nd EORTC-NCI-ACR symposium on molecular targets and cancer therapeutics, November 16-19, 2010. Berlin, Germany. Free access.

                    15. Ghivizzani SC. Delivery of soluble FGFR3 as a treatment for achondroplasia. National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases. 2013; Project Number: 5R01AR057422-04.


                    16. Ono K et al. The ras-GTPase activity of neurofibromin restrains ERK-dependent FGFR signaling during endochondral bone formation. Hum Mol Genet 2013;22(15):3048-62. 

                    17. Alexion Pharma International. Compositions comprising natriuretic peptides and methods of use thereof.Patent US 20120164142 A1. Jun, 28th 2012. Free access.

                    18. Jin M et al. A novel FGFR3-binding peptide inhibits FGFR3 signaling and reverses the lethal phenotype of mice mimicking human thanatophoric dysplasia. Hum Mol Genet 2012; 21(26):5443-55. Free access.

                    19. Yissum Research Development Company. The original link offering their peptides has been put down. Refer to the following article of the blog to read about this approach: 
                    Treating achondroplasia with peptides specifically against FGFR3.

                    20. 
                    Krejci P et alNF449 is a novel inhibitor of fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3) signaling active in chondrocytes and multiple myeloma cells. J Biol Chem 2010; 285(27): 20644-53. Free access.

                    21. Jonquoy A et alA novel tyrosine kinase inhibitor restores chondrocyte differentiation and promotes bone growth in a gain-of-function Fgfr3 mouse model. Hum Mol Genet 2012; 21(4):841-51. Free access.

                    22. Vesely DL. Method of treating skeletal dysplasias using vessel dilator. Patent US 20130096061 A1. April 18th, 2013.

                    sexta-feira, 6 de junho de 2014

                    FGF18, um fator chave para o crescimento ósseo

                    Ultimamente, nenhuma novidade relevante tem surgido no campo da terapia para acondroplasia nos principais jornais científicos e por isso o ritmo do blog anda um pouco lento.


                    Mesmo assim, nos últimos meses foram publicados vários estudos interessantes abordando aspectos da fisiologia da cartilagem de crescimento e dos mecanismos associado ao crescimento ósseo. Por exemplo, um deles, uma revisão sobre o destino dos condrócitos da placa de crescimento (1), cujo autor é Pavel Krejci, um investigador apaixonado pela ação do receptor de fator de crescimento de fibroblastos 3 (FGFR3) no desenvolvimento ósseo e no câncer, nós já revimos neste artigo anterior do blog .

                    Agora, eu gostaria de comentar brevemente outro interessante artigo publicado por um grupo australiano. Se você tem seguido este blog já deve saber que os principais ativadores do FGFR3 são o FGF9 e o FGF18. (2,3) Nesse novo estudo, este grupo descreve a presença do FGF18 e do FGFR3 na vértebra humana e sua influência no crescimento ósseo. (4)

                    Relevância

                    Por que iso é relevante? Porque esses resultados fornecem mais evidência para a importância do FGF18 como um fator chave para o desenvolvimento da cartilagem de crescimento, um potencial alvo para o tratamento da acondroplasia.

                    Estratégias para tratar a acondroplasia que, ao invés de serem direcionadas contra o FGFR3, visam os seus ativadores já existem, e uma delas recebeu muita atenção no ano passado. Refiro-me à estratégia desenvolvida pelo grupo francês liderado pela Dra. Elise Gouze (5; revisto neste artigo do blog). Em seu estudo, essa equipe criou uma molécula parecida com o FGFR3 que não fica presa à parede do condrócito como acontece com o receptor original, e dessa forma pode circular livremente. Eles testaram essa molécula em um modelo animal de acondroplasia e verificaram que ela conseguia resgatar o crescimento dos animais testados.

                    O mecanismo de ação proposto para esse composto é de que ele seria capaz de capturar os ativadores do FGFR3 (também chamados de ligantes) antes que eles pudessem ativar o receptor preso à membrana da célula. Em outras palavras, a molécula estava capturando os sinais de TV antes que eles chegassem à antena, e assim a TV não podia transmitir nenhum programa. Não se sinta perdido com este texto, pois estou resumindo muito toda a questão. Veja a revisão sobre o tema publicada neste artigo do blog. Ela pode lhe ajudar a entender melhor esta história.



                    Referências

                    1. Krejci P. The paradox of FGFR3 signaling in skeletal dysplasia: why chondrocytes growth arrest while other cells over proliferate. Mut Res 2013; http://dx.doi.org/10.1016/j.mrrev.2013.11.001. 

                    2. Garofalo S et al.Skeletal dysplasia and defective chondrocyte differentiation by targeted overexpression of fibroblast growth factor 9 in transgenic mice. J Bone Miner Res 1999; 14 (11): 1909-15. Free access.

                    3. Davidson D et al. Fibroblast growth factor (FGF) 18 signals through FGF Receptor 3 to promote chondrogenesis. J Biol Chem 2005; 280: 20509-15. Free access. 

                    4. Shu C et al. Comparative immunolocalisation of perlecan, heparan sulphate, fibroblast growth factor-18, and fibroblast growth factor receptor-3 and their prospective roles in chondrogenic and osteogenic development of the human foetal spine. J.Eur Spine J 2013; 22(8):1774-84.

                    5. Garcia S et al. Postnatal soluble FGFR3 therapy rescues achondroplasia symptoms and restores bone growth in mice. Sci Transl Med 2013;5:203ra124.