Universidad Autnoma de Nuevo LenFacultad de Ciencias QumicasIngeniera QumicaIntroduccin a la biotecnologaPIA: Obtencin de Taxol Dr. Luis H. lvarez

Grupo 01Equipo 04 M. Dennisse Carranza Saldvar Luis D. Cortez Snchez Salomn Flores Hernndez Katia G. Hernndez Guilln Jonathan R. Robles Ramos

San Nicols de los Garza, Nuevo LenLunes, 02 de junio de 2014.

IntroduccinLa presente investigacin aborda el tema de la obtencin de Taxol nombre comercial para Paclitaxel, un frmaco de quimioterapia anticanceroso; se utiliza para el tratamiento del cncer de mama, ovario, pulmn, vejiga, prstata, melanoma, esfago y tambin de otros tipos de tumores cancerosos slidos. Adems ha sido utilizado contra el sarcoma de Kaposi.Taxol pertenece a una clase de frmacos de quimioterapia llamados alcaloides vegetales. Los alcaloides vegetales se producen a partir de plantas. Los taxanos se producen a partir de la corteza del rbol tejo del Pacfico (Taxus).Los taxanos tambin se conocen como agentes antimicrotubulares. Los alcaloides vegetales son especficos al ciclo celular.Esto significa que atacan las clulas durante diversas fases de la divisin. Los agentes antimicrotubulares inhiben las estructuras microtubulares dentro de la clula.Los microtbulos son parte del aparato celular que las divide y duplica.La inhibicin de estas estructuras finalmente provoca la muerte celular.El rbol de Taxus globosa (especie mexicana) se encuentra bajo proteccin especial debido a que est en peligro de desaparecer he aqu la importancia de un sistema biotecnolgico sustentable con la finalidad de tener una alternativa viable para la conservacin de la especie.Con esta investigacin reconocemos la importancia de la biotecnologa en el desarrollo de la sociedad con uno de los principales puntos de inters que es la salud, reflexionando en que el cncer se est convirtiendo en una de las principales causas de muerte en el mundo.En el desarrollo de este trabajo cubriremos la problemtica de esta aportacin de la biotecnologa, posibles soluciones, metodologa y perspectivas hacia un futuro que sin duda ser muy prometedor.

AntecedentesEn 1971, trabajando dentro de un proyecto del Instituto Nacional del Cncer (NCI) para analizar los componentes antitumorales en un gran nmero de productos de origen vegetal, Monroe Wall y Mansukh Wani aislaron de la corteza de tejos del Pacfico (Taxus brevifolia) el Paclitaxel (Taxol), para muchos la sustancia anticancergena ms importante descubierta en los ltimos 40 aos.En 1978, el mismo instituto pidi al servicio de bosques de Estados Unidos 30,000 kg de corteza de tejo seca para obtener el Paclitaxel necesario para iniciar pruebas preclnicas. El problema se hizo evidente: de un rbol de cien aos se obtenan en promedio 3 kg de corteza, de los cuales se aislaban 300 mg de Paclitaxel. Para obtener un slo gramo de Paclitaxel se requeran entonces 10 kg de corteza de tres rboles centenarios, que moran despus del descortezamiento.Ahora se sabe que el Paclitaxel est presente en prcticamente toda la planta y en todas las especies de tejos. Adems, se estn buscando mtodos de produccin sustentables que incluyen la sntesis parcial, a partir de precursores que se encuentran en el follaje de los tejos y el cultivo de clulas vegetales en fermentadores.En 1992 la FDA (Food and Drug Administration) de Estados Unidos aprob el uso de Paclitaxel en pacientes con cncer de ovario y en 1994, en pacientes con cncer de mama.La importancia del Paclitaxel ha sido tal, que tan slo en los Estados Unidos, se han otorgado a la fecha ms de 400 patentes, que tratan diferentes aspectos del proceso de obtencin de Paclitaxel a partir del follaje de tejos, por cultivo de clulas de tejo in vitro, o con microorganismos. Otras patentes son sobre compuestos derivados de Paclitaxel, mtodos de purificacin y mtodos de tratamiento de pacientes.

Planteamiento del problema Desde el descubrimiento del Taxol considerables esfuerzos se han enfocado en tratar de incrementar su produccin, ya que hasta la fecha las disponibilidades de este compuesto no son suficientes para satisfacer los requerimientos comerciales. La mayor dificultad encontrada ha sido en la baja concentracin (0.001 0.05%) de Taxol que se acumula en las especies ms productivas, incluyendo a Taxus brevifolia que fue la primera fuente de donde se aisl Taxol.

Soluciones al problemaUna de las alternativas a este problema es la produccin por semisntesis, la cual requiere 2 intermediarios biosintticos como baccatina III o 10-deacetilbaccatina III, encontradas tambin en Taxus spp.Una fuente alternativa y ambientalmente sostenible de Taxol y compuestos anlogos, es el cultivo de clulas vegetales. Esta metodologa ofrece diferentes ventajas, como el no estar condicionado a variaciones medio ambientales, estaciones y contaminaciones, adems que el material vegetal puede crecer en condiciones in vitro independientemente de su origen. Con el fin de incrementar la productividad de taxanos en cultivos celulares vegetales, diferentes estrategias han sido empleadas como la optimizacin de las condiciones de cultivo, bsqueda y seleccin de lneas celulares de alta produccin en diferentes especies de Taxus y la adicin de elicitores o precursores.

MetodologaProduccin in vitro de Taxol

Cultivo in vitro de T. wallichiana Induccin de callos El callo es una masa indiferenciada de clulas que crecen en medio slido, el cual constituye la materia de partida para el establecimiento de suspensiones celulares. Las primeras investigaciones de induccin de callos y la proliferacin desde gametofitos de Taxus iniciaron con el cultivo de callos a partir de hojas y estudios acerca de la composicin mineral y fitohormonal de los medios de cultivo, con el fin de optimizar la proliferacin de celular de callos, de ah la pauta para el desarrollo de numerosas investigaciones. Diferentes explantes tales como hojas, tallos y embriones han sido usados para la induccin de callo. Se ha observado que el tejido joven es ms sensible y propenso a la induccin de callos en comparacin con plantas adultas y adems que el uso del cido 2-4 diclorofenoxiacetico y kinetina es la mejor combinacin hormonal para la induccin de callo.

Obtencin de suspensiones celulares Las suspensiones celulares son iniciadas con la inoculacin de callo friable en medio lquido y agitacin, mediante el empleo de uno o ms pequeos agregados celulares. Estos sistemas de rpido crecimiento pueden ser usados para establecer procesos de escalado a nivel industrial y obtener productos valiosos.Ensayos de actividades biosintticas de cultivos celulares han sido desarrollados para incrementar la produccin de Taxol, muchos enfoques incluyen la optimizacin de las condiciones de cultivo, identificacin de lneas altamente productoras, optimizacin del crecimiento y medio de produccin, induccin de vas de produccin de metabolitos secundarios por elicitacin y precursores, o el uso de sistemas de cultivo en dos etapas y tcnicas de inmovilizacin.Requerimientos nutritivos y medios de cultivo

C. Avellana El Taxol es producido en cultivos celulares cuando el crecimiento en la fase exponencial ha terminado y las clulas se encuentran en fase estacionaria. Por ello, un sistema ptimo para la produccin biotecnolgica de Taxol es el cultivo en 2 etapas, la primera para el desarrollo de biomasa que luego es transferida a un segundo medio de cultivo, favorable para la produccin de taxanos. Este sistema ha constituido una efectiva estrategia para mejorar la produccin de Taxol en Taxus y podra ser utilizado en otras especies alternativas como Corylus avellana. Fuente de carbono El crecimiento y produccin de metabolitos secundarios a partir de cultivos celulares depende de una fuente de carbono adecuada, sin embargo la concentracin, puede variar, en funcin de la ruta biosinttica o procesos involucrados, as como de la especie vegetal en estudio.Uso de elicitores Un elicitor es una sustancia que cuando es introducida en pequeas concentraciones a un sistema celular vivo, inicia o mejora la biosntesis de compuestos especficos, por ello, la elicitacin es el proceso de inducir o mejorar la biosntesis de metabolitos secundarios vegetales. Estos presentan un efecto sinrgico debido a su interaccin con diferentes enzimas de la ruta metablica de produccin.Elicitores biticos desde Rhyzopus stelonifera usado en combinacin con otros elicitores como jasmonato de metilo y cido saliclico han demostrado eficazmente, mejorar la produccin de Taxol.Inters farmacolgico para la produccin de TaxolSe ha reportado que el aislamiento y cultivo de hongos endfitos asociados a Taxus spp. producen Taxol, sin embargo la cantidades obtenidas son muy bajas en comparacin a la obtenida en especies vegetales. El avellano ha sido reportado como una especie productora de Taxol a travs de la bioprospeccin de angioespermas. Los primeros informes sobre la presencia de Taxol en avellano mantenan la posibilidad de encontrar Taxol en esta planta derivado de hongos endfitos presentes en ella. Estudios posteriores confirmaron que los cultivos celulares de avellano producen Taxol y taxanos bajo condiciones controladas, lo cual implica que posee las enzimas necesarias para la produccin de Taxol, una ruta biosinttica, considerada antes como exclusiva del gnero Taxus. El principal beneficio de producir Taxol a partir de cultivos celulares de C. avellana radica en que estos cultivos puede constituir una fuente alternativa para la demanda existente, adems tiene un crecimiento mucho ms acelerado en condiciones in vivo y es muy fcil de cultivar en condiciones in vitro.

Aproximaciones moleculares en la manipulacin de genes implicados en la ruta biosinttica del Taxol.El conocimiento de la ruta biosinttica es otro paso importante para mejorar la produccin de este fitofrmaco. La regulacin de la biosntesis del Taxol por sobreexpresin de genes seleccionados en las especies productoras puede potencialmente direccionar la obtencin de ms cantidad del compuesto de inters.La mayor parte de transformaciones genticas en vegetales se realiza mediante infecciones con Agrobacterium, que es un gnero de bacterias habitualmente encontradas en el suelo y causante de muchas patogenias. Las cepas de inters biolgico son A.tumefaciens, que produce tumoraciones y A. rhizogenes que induce la formacin de races. Estas cepas transfieren de manera natural una parte de su DNA, el llamado T-DNA, a las clulas vegetales, lo cual constituye una herramienta biotecnolgica importante para la produccin de plantas transgnicas. La virulencia de Agrobacterium se debe a la presencia de genes vir, los cuales coordinan el proceso de transferencia del T-DNA (fragmento del plsmido bacteriano que se transfiere al genoma vegetal) en las clulas vegetales. La eficiencia de estos genes puede ser incrementada con un pH cido, alta concentracin de monosacridos y la presencia de inductores fenlicos como acetosiringona.

Aspecto financieroLos taxanos que son de momento nicamente administrados en tumores de mama con metstasis, y no como tratamiento complementario a la ciruga en casos no avanzados ofrecen una muy buena oportunidad para luchar contra la enfermedad; eso s, a un precio muy alto.El tratamiento de combinacin de seis ciclos de quimioterapia donde es empleado el Taxol estaba a un costo de 12.000 euros (200.000 pesos MN) en el ao 2005.

Resultados y discusinSe ha logrado producir Taxol a partir de la especie C. avellana, lo cual va en contra de la creencia de que era algo slo posible de las especies Taxus, esto dio una alternativa para su produccin, sin embargo an no se ha podido cubrir la demanda por medio de las empresas farmacuticas. Es probable que al an tener la alternativa de producir Taxol mediante el Taxus, los investigadores no se vean en la urgencia de encontrar una alternativa biotecnolgica para su produccin.

Perspectivas a futuroTaxus baccata ha sido una de las fuentes ms frecuentes de Taxol para estudios de la sntesis y mejora de produccin de esta dogra anticncer. La produccin de Taxol mediante cultivos en suspensin de T. baccata ha sido mejorado al optimizar las condiciones de cultivo con reguladores de crecimiento de las plantas, suplementos de glucosa, etc. y los cultivos han escalado a nivel de birreactor para la produccin a gran escala. Estos mtodos empricos no han podido ser usados en la demanda de taxones mundial que constantemente est incrementando (se predeca que para el 2012 sera de 1040 kg por ao) Una aproximacin racional podra proveernos de una nueva perspectiva de cmo la sntesis del Taxol es regulada, con tcnicas genticas y metablicas de ingeniera, diferentes expresiones genticas, transcripcin de factores y genes clave que llevan a mejores rendimientos del Taxol. Un aspecto para tomar en cuenta es el mecanismo de excrecin del Taxol desde las clulas, que puede ser mejorado.Con 20.000 casos anuales de cncer detectados solamente en los Estados Unidos, la demanda mundial de Taxol est asegurada. El mercado ha estado ejerciendo ms presin sobre el desarrollo de mejores tcnicas para la produccin y es probable que sea debido a esto que el proceso de investigacin se acelere y as encontrar la manera de dejar de depender de la corteza del Taxus para la produccin del Paclitaxel.

ConclusionesEl Taxol ha demostrado en los ensayos clnicos y los tratamientos regulares ser un poderoso medicamento contra el cncer protegiendo la vida de miles de pacientes con leucemia o tumores slidos. Sin embargo, los suministros han sido restringidos debido a las preocupaciones ambientales que conducen a que Taxol sea demasiado caro para el tratamiento de pacientes no privados. Esta enorme brecha en la oferta y la demanda ha elevado el nmero de pacientes a los que se les ha negado el tratamiento que pudiera curarlos. Por lo tanto mucho esfuerzo se ha dirigido a la sntesis artificial de Taxol y sus anlogos. El Taxol se qued durante ms de dos dcadas como un desafo a los qumicos sintticos, sealando la debilidad de la ciencia de la sntesis orgnica. Grupos de investigacin actuales estn utilizando los mtodos desarrollados con el fin de sintetizar una gama de anlogos de Taxol. Las sntesis elaboradas son muy complicadas, por tanto, el problema sigue siendo encontrar una manera de convertir las sntesis a pequea escala realizadas en el laboratorio a un mtodo factible para la produccin industrial a gran escala. Esto significa que en el futuro inmediato el costo de Taxol va a seguir siendo demasiado alto para el tratamiento de los pacientes. Afortunadamente se ha logrado obtener y mantener clulas vegetales por ejemplo de semillas de avellana, demostrando as que las semillas pueden ser una buena alternativa para obtener cultivos de mayor crecimiento que puedan satisfacer la demanda de Taxol sin afectar la vegetacin del ecosistema.

Bibliografa http://www.cienciorama.ccadet.unam.mx/articulos_extensos/160_extenso.pdf http://www.doctoraliar.com/medicamento/Taxol-91003 http://www.news-medical.net/health/Paclitaxel-Side-Effects-(Spanish).aspx http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs297/es/ http://repositorio.educacionsuperior.gob.ec/bitstream/28000/343/1/T-SENESCYT-0113.pdf http://www.pagina12.com.ar/1999/suple/futuro/99-01-23/pagina2.htm