La criptología de la enfermedad

¿Cómo se tratan los errores innatos del metabolismo?

Usando la aproximación lógica que nos enseñó Garrod, el tratamiento de los EIM se podría hacer limitando los precursores de las sustancias que se acumulan anormalmente, suministrando la proteína o enzima deficiente, reparando el gen y administrando los cofactores de las enzimas en los casos en que el EIM se deba a defectos en su síntesis o reutilización (35).

El primer intento de tratamiento fue la restricción en la dieta del precursor del camino metabólico que se encuentra afectado por el defecto genético. El tratamiento nutricional (restringir la ingesta de A y B en la figura 1-2) ha sido efectivo en los defectos del metabolismo de los aminoácidos, carbohidratos simples, defectos en el metabolismo del glicógeno, lípidos, vitaminas y cofactores. El tratamiento controla los síntomas, no cura la enfermedad y debe continuarse de por vida, permitiendo, en muchos casos, que los pacientes lleguen hasta la tercera edad con una vida libre de complicaciones clínicas mayores (36).

Una segunda aproximación de tratamiento consistiría en remplazar la proteína o enzima defectuosa (X en la figura 1-2). Para hacerlo, se requiere que esa proteína pueda ser aislada en cantidades suficientes, de manera tal que se pueda administrar y llegue al sitio de la célula donde va a actuar. Una de las dificultades es que la membrana plasmática que recubre las células impide la entrada o salida de la célula de las moléculas, especialmente las más grandes, como las proteínas, pero las células tienen transportadores que facilitan ese proceso y también las pueden internalizar por fagocitosis.

Figura 1-2. Fundamento de la terapia de reemplazo enzimático (TRE) y terapia génica (TG). En la TRE se trata de sustituir la proteína X que funciona deficientemente por daño en el gen que la codifica. La proteína usada en un comienzo era aislada de órganos o tejidos animales. Actualmente, la mayoría se sintetizan en células que se reproducen rápidamente, en las cuales se ha insertado el gen humano mediante procedimientos biotecnológicos. En la TG se busca remplazar el gen mutado por un gen normal.

Otro inconveniente es que la célula rechaza lo que no le es propio. Inicialmente se trató a los pacientes con proteínas aisladas de tejidos animales, pero bien pronto se aprendió que el organismo se defendía de esas sustancias extrañas produciendo anticuerpos muy específicos que neutralizan y facilitan su destrucción. Ese mecanismo desarrollado a través de la evolución protege a los humanos y a otros animales de sustancias foráneas. Entre más distantes son los animales en la escala zoológica, mayor es la posibilidad de que sus proteínas sean diferentes. Si se inyecta a un humano insulina de cachalote se produce mayor inmunogenicidad que con la insulina de cerdo o de ratón.

Una vez descubierta la composición y forma de sintetizar proteínas químicamente, se pensó en producir proteínas idénticas a las humanas de esa forma. Algunas proteínas pequeñas como el glucagón se han sintetizado químicamente, pero las enzimas son moléculas muy complejas, por lo que es difícil fabricarlas iguales química y biológicamente a las que sintetizan normalmente las células humanas, usando métodos químicos.

Para tratar a los pacientes era necesario buscar fuentes de proteínas tan parecidas a las humanas como fuera posible, por ejemplo, de la orina o ciertos tejidos como hígado o placenta de cerdo, de bovinos o de humanos, con la condición de que se pudieran aislar en cantidades suficientes para poder inyectar permanentemente en los pacientes, que fueran completamente puras y que no perdieran la actividad en los procesos de purificación.

Cada vez que se trata un paciente con sustancias aisladas de tejidos humanos o animales existe la posibilidad de transmitir virus u otras sustancias extrañas que originen problemas adicionales. En los años 70 se descubrió la forma de identificar y purificar los genes humanos y también la forma de introducirlos en células eucarióticas, para que ellas sinteticen la proteína de acuerdo con la instrucción programada en el gen humano, lo que en teoría debe producir una proteína idéntica a la humana, así se usen células de bacterias, levaduras, células humanas o inclusive de plantas. Pero las bacterias y las levaduras, así se les haya insertado el gen humano, producen proteínas distintas a la humana, no en la secuencia de aminoácidos, sino en las cadenas glicosiladas que hacen parte de las glicoproteínas, que son la mayoría de las proteínas de interés terapéutico (37-40). Gracias a los avances en biotecnología, existen cepas de E. coli y levaduras “humanizadas” que mediante la bioingeniería se ha logrado que produzcan proteínas que tienen las mismas características de las proteínas humanas, no solo en la composición de aminoácidos, sino en otras modificaciones y adiciones que sufren las proteínas una vez que se sintetiza la cadena peptídica. Esas modificaciones hacen que las proteínas sintetizadas en los microorganismos sean virtualmente idénticas a las humanas, lo que permite “engañar” los mecanismos de defensa para que el organismo humano tolere esas moléculas sintetizadas en otras especies y puedan ser usadas en el tratamiento de los errores innatos del metabolismo (41, 42).

Si la proteína se inyecta por vía intravenosa, a su paso por los diferentes tejidos es captada por todas las células que tienen receptores para lo residuos glicosilados o alguna otra forma de reconocerlas, e internalizarla. Por lo tanto, las proteínas para uso terapéutico deben tener señales de direccionamiento que les permitan llegar al órgano que las necesita y no se extravíen en aquellos en los cuales no se requieren (43).

Los organelos de las células (el núcleo, la mitocondria, los lisosomas, los peroxisomas) tienen membranas que los recubren, por lo que la proteína exógena debe atravesar una o varias membranas para llegar al sitio donde actúa y arribar intacta en cuanto a su función. Entonces, el desafío es direccionar esa proteína sin que sea neutralizada por nuestros mecanismos de defensa antes de llegar al sitio que queremos reparar. Sin entrar en detalles, adelantamos que usando proteínas exógenas purificadas, solo ha sido posible tratar, con cierto éxito, cerca de una docena de las enfermedades lisosomales (ver capítulo 11). Los defectos lisosomales por razones estructurales y fisiológicas de la célula son los más fáciles de tratar; aún no hay terapia de reemplazo enzimático para los otros EIM, en algunos casos por complejidades metodológicas, en otros por ser enfermedades muy poco frecuentes que no generan suficiente interés para desarrollar terapias que sean rentables económicamente para una industria acostumbrada a grandes negocios y ganancias, lo que pone de presente las enormes limitaciones que existen y la difícil tarea que hay por delante en cuanto a desarrollo de terapias para enfermedades raras.

El tratamiento con proteínas exógenas tiene además el inconveniente de no ser permanente, ya que se tratan los síntomas, pero no se cura la enfermedad. Lo ideal es el tratamiento mediante terapia génica (TG), que consiste en remplazar el gen, o repararlo, para que ese gen dirija la producción de la proteína con la estructura apropiada y en la cantidad requerida. Esto ha sido un desafío teórico por superar desde finales de la década de los setenta. En un principio parecía muy sencillo, pues se pensaba que una vez se pudiera aislar o sintetizar el gen e introducirlo en las células que lo necesitan, estos se encargarían de la síntesis de la proteína “normal” reparando permanentemente el defecto. A pesar de muchos esfuerzos de investigación, todavía no se han podido solucionar los problemas para que esta terapia sea completamente segura y efectiva.

Para realizar la terapia génica se requiere aislar los genes, multiplicarlos e introducirlos en un vector capaz de transportarlos al interior de las células a reparar. El aislamiento de los genes se logró entre 1974 y 1980. Para transportar el material genético e introducir el gen de interés dentro de las células, se intentaron métodos físicos y químicos que aumentaban la permeabilidad de la membrana celular, pero no han sido eficientes.

Los virus son microorganismos que parasitan la célula y que invaden y usan su maquinaria para producir los ácidos nucleicos y proteínas que necesitan para su reproducción, por lo que se pensó que introduciendo un gen en los virus sería posible usarlos como vectores o vehículos para transportar los genes al interior de las células. Su uso para estos propósitos se propuso teóricamente desde la década de los años sesenta.

Esta forma simplista de concebir la terapia génica (TG) bien pronto tropezó con el inconveniente de que las células y los organismos a través de la evolución han desarrollado mecanismos muy sofisticados de defensa, lo que impide que moléculas no propias —como los virus— nos invadan. Aunque esto ha demorado el desarrollo de la TG, ha permitido avanzar en el conocimiento de los mecanismos de defensa del organismo y la forma de eludirlos cuando se usan con fines terapéuticos.

Dejando de lado los aspectos de rechazo de la terapia, supongamos que queremos tratar un defecto por deficiencia de la hormona de crecimiento que resulta en enanismo. Si el gen no está apropiadamente regulado, se podría producir acromegalia, una forma de gigantismo que puede tener consecuencias clínicas más graves que el enanismo.

La terapia génica entraña muchos riesgos y desafíos desde el punto de vista de los individuos y la sociedad. El insertar genes permite también utilizar la tecnología que se desarrolló con fines terapéuticos para mejorar las características de los individuos con fines cosméticos. Por ejemplo, para aumentar la estatura, mejorar el rendimiento en el deporte o diseñar los bebés al antojo de los padres. Estas nuevas tecnologías no están exentas de riesgos, y la inserción errónea de un gen en el genoma causa problemas graves como la leucemia o puede producir daños en otros genes y la desregularización de otros caminos metabólicos importantes para la célula (44). Stephen Hawking en 1996 afirmó que no ha habido cambios sustanciales en el ADN en los últimos 10 000 años, pero que pronto estaríamos en capacidad de incrementar la complejidad de nuestro récord interno, sin tener que esperar por el lento proceso de la evolución. Agregaba que es legítimo tener una visión más amplia e incluir información, en forma de ADN la evolución de la raza humana, desde el exterior (45).

Desde un par de décadas antes de que Hawking hiciera esas afirmaciones muchos están introduciendo cambios en el genoma humano, unos con fines altruistas de curar la enfermedad, y otros con propósitos egoístas cuestionables como mejorar el rendimiento de los atletas o embellecer la apariencia física de quienes pueden costear esos tratamientos. En cualquier caso, modificar permanentemente el ADN conlleva riesgos impredecibles en sus dimensiones y en su alcance para la especie. Los errores no controlables de estas experimentaciones podrían reversar o interferir con la evolución —que ha mostrado ser sabia para la pervivencia de la vida—, lo que pone de presente la responsabilidad ética y moral que implica modificar nuestra impronta genética. Por esto, desde que se crearon las herramientas fundamentales para modificar los genes, el debate ético ha estado siempre presente, sin que todos hayan hecho caso a las advertencias y llamados a la sensatez y a la ponderación en el uso de esas tecnologías. Esto se discute en los capítulos 12 y 13.

En este punto, debemos anotar que la terapia génica se propuso en un comienzo para curar algunos errores innatos, pero rápidamente se derivó para el tratamiento de otras enfermedades más comunes como el cáncer y las infecciones por microorganismos, en las que existe un mayor número de pacientes y, por consiguiente, un mayor interés comercial para el desarrollo de medicamentos. Decir que estas terapias han evolucionado solo gracias a los errores innatos del metabolismo sería presuntuoso, pero ignorar la fundamental contribución de los EIM, en su concepción y desarrollo, también sería injusto o necio.

Relación genotipo–fenotipo

Hubo una época en la historia de los errores innatos del metabolismo en que se hizo demasiado énfasis en la relación entre el genotipo y el fenotipo, es decir, entre la estructura del gen y las características observables externamente. Se pensaba esencialmente que lo que somos está programado en el gen y que las influencias medioambientales no inscritas en los genes eran más propias de las enfermedades multifactoriales, pero no de las enfermedades monogénicas. Luego se evidenció que, por ejemplo, hermanos gemelos idénticos, homocigotos, pueden presentar un EIM con diferente grado de severidad; en unos puede ser muy grave y en otros estar atenuado, lo cual llevó a pensar en factores no genéticos que influirían y serían determinantes para la expresión de los genes. Actualmente, sabemos que aun en los EIM los factores medioambientales juegan un papel muy importante para determinar la severidad y el curso de la enfermedad.

Se sabe también que hay muchos factores epigenéticos determinantes en la expresión de los EIM y que es muy difícil predecir su severidad o pronóstico, basados en el estudio del ADN. Hoy se conoce bien solo menos del 3 % del total del genoma que constituye los genes; falta entender el otro 97 %, que constituye el mal llamado ADN basura, que a medida que se avanza en su conocimiento cobra más protagonismo en la comprensión de la regulación de los genes y para entender la evolución.

Modelos animales de los errores innatos del metabolismo

Los errores innatos de metabolismo no son exclusivos del ser humano. Desde los tiempos de Garrod se conocen el albinismo en primates (figura 1-3, panel izquierdo) y la cistinuria en perros. Se han identificado perros y gatos con deformidades óseas que sugerían y en efecto tenían alguna de las mucopolisacaridosis. En el año 1982 ya se había identificado bocio congénito en ovejas y vacas, cistinuria en perros y mucopolisacaridosis en ratones, gatos, perros, cerdos, ganado vacuno y otras especies.

Hoy, con las técnicas de biología molecular se pueden inactivar los genes o introducir mutaciones muy específicas para inducir prácticamente cualquier error innato del metabolismo en la especie animal que se elija, con el fin de producir modelos animales que se han de usar en investigación. En la figura 1-3, panel derecho, se presenta un ratón fenilcetonúrico no tratado, se observa que tiene pelo claro, característico de la fenilcetonuria, y otro de la misma camada, tratado con terapia génica, que ya ha recobrado gran parte del color negro del pelo.

Inicialmente, los modelos animales se diseñaron y usaron para probar los medicamentos antes de hacerlo en humanos. Pero con frecuencia el modelo animal, usualmente el ratón, no reproduce exactamente la sintomatología del humano, debido a que la distribución de las enzimas varía de especie a especie. Por ejemplo, en la enfermedad de Morquio tipo IV-A, una enfermedad con deformidades óseas generalizadas, los ratones en los cuales se ha inducido la enfermedad mutando el gen respectivo no presentan los defectos óseos que se presentan en humanos.

Por razones éticas en los últimos años se ha restringido el uso de animales para experimentación. Para sustituir su uso, se comenzó a trabajar en cortes de tejidos de órganos como hígado, piel o riñón; luego en células cultivadas a partir de tejidos de pacientes o en los organelos tales como la mitocondria, lisosoma, núcleo, etc. Es claro que, para algunos efectos, los modelos celulares no remplazan al animal completo, pues no es posible observar efectos como la secreción de hormonas, las interacciones compensatorias ni los efectos sobre órganos distantes al sitio donde se origina el EIM que sufren alteraciones secundarias.

Figura 1-3. A Gorila albino llamado Copito de Nieve, que vivió en el zoológico de Barcelona cerca de 32 años, hasta su muerte. A y D ratones normales, B y E ratones fenilcetonúricos no tratados, C y F ratones fenilcetonúricos tratados. Se puede apreciar el color claro del pelo característico de esa enfermedad. En los ratones C y F fenilcetonúricos de la misma camada tratados con terapia génica se puede ver la recuperación del color del pelo, muy parecido al del control normal. Tomado de (46).

Presente y futuro de los errores innatos

Los errores innatos que primero se observaron como frecuentes en la población fueron los de presentación severa, como la fenilcetonuria clásica y la anemia de células falciformes; poco a poco se fueron encontrando variantes atenuadas hasta llegar al concepto moderno, según el cual la mayoría de los EIM —desde el punto de vista clínico— se pueden definir como un continuo que va desde las presentaciones casi asintomáticas hasta las muy severas que comprometen la vida del paciente, lo que indica que las reacciones y los caminos metabólicos interactúan tratando de compensarse o agravando la situación. Estas interacciones y flujos metabólicos, que desde hace tiempo han venido estudiando los bioquímicos, con el advenimiento de las nuevas metodologías que permiten medir en tiempo real lo que pasa en las células, han dado origen a un nuevo campo de estudio: la metabolómica, que rápidamente enriquece el conocimiento de los EIM, pero que, salvo contadas excepciones, todavía no es posible usarla para hacer diagnósticos de los EIM sin la ayuda de otras metodologías como la genómica (47, 48).

En la actualidad ha sido posible cruzar —en forma experimental— los datos del genoma (contenido de ADN del organismo), el proteoma (conjunto de proteínas), el metaboloma (conjunto de moléculas) y el epigenoma (modifica la expresión del genoma) para obtener una mirada más completa del desarreglo metabólico que originan las mutaciones. Cada una de esas técnicas, por separado y en conjunto, aporta muchísima información que es difícil de integrar sin la ayuda de tecnología computacional robusta y de personas muy bien entrenadas para su interpretación, razón por la cual se encuentran muy pocos centros con esas capacidades en el mundo.

Gracias a la globalización, estas técnicas, costosas y fuera del alcance de la gran mayoría de pacientes, están llegando a los países en vía de desarrollo y se avizora que en un futuro no lejano será posible disponer de laboratorios con personal bien entrenado en esas disciplinas para abordar el estudio de estas enfermedades con la calidad y los tiempos de respuesta requeridos para que esa información se use oportunamente en el adecuado manejo del paciente (49). Esto demanda, aún, mucha educación médica.

A este arsenal debemos agregar el estudio del microbioma,^V pues el ser humano en sí mismo es un bioma que habitan más de 100 trillones de microorganismos (diez veces más que las células del cuerpo) que nos protegen contra gérmenes, liberan energía y producen vitaminas.

Epílogo

La fidelidad en la trasmisión de la información genética es absolutamente necesaria para la conservación de los caracteres heredados de padres a hijos. A través de la vida, las células crecen, se dividen y mueren. En el transcurso de la vida las células se copian miles y millones de veces. En dicho proceso pueden suceder cambios no patogénicos o mutaciones en el material genético a causa de radiación, exposición a sustancia químicas y a errores o cambios inducidos durante el proceso de división de las células, entre otros. Las mutaciones que producen los EIM han sido consideradas por algunos como experimentos que hace la naturaleza, y para otros como cambios adaptativos necesarios y convenientes para la evolución.

Enfermedades genéticas hay muchas, se calculan cerca de 10 000, y de ellas, aproximadamente 1500 corresponderían a EIM. Presumiblemente, estas serían las enfermedades genéticas más fáciles de entender y tratar, puesto que son defectos monogénicos, es decir, que comprometen un solo gen, en tanto que en las otras enfermedades el daño es en varios genes (poligénicas) o tienen otros determinantes asociados, por lo que se les denomina multifactoriales.

Los errores innatos del metabolismo pueden ser el modelo más simple para estudiar la forma de curar permanentemente el daño genético. Por ello, han servido como guía para estudiar y entender, por extrapolación, mucho de lo que hoy en día se conoce sobre las otras enfermedades genéticas.

La historia de los EIM comenzó hace algo más de cien años, progresó lentamente en la primera mitad del siglo XX y avanzó rápidamente en la segunda. Ha sido motor para muchos descubrimientos y para el desarrollo de la inmunología, bioquímica, biología molecular y de terapias que se aplican a muchas enfermedades.

Existe la esperanza de que estas enfermedades se puedan curar en forma definitiva mediante la terapia génica o la edición de genes, pero qué tan cerca está la cura definitiva, no lo sabemos. Es la historia de la salud y la enfermedad rara, también de las ventajas y riesgos de haber aprendido a manipular —a nuestro antojo— el código de la vida.

Se trata de unas enfermedades que pueden estar o sobrevenir en nuestras familias y por tanto usted o yo podemos ser beneficiarios de las poderosas tecnologías que se han desarrollado para detectarlas y enfrentarlas, o, por el contrario, tener que ver pasar el tiempo sin que llegue un tratamiento efectivo. Hace algunos años podíamos identificar muchas de ellos, pero no había tratamiento; en las últimas décadas se ha logrado detener la progresión para muchos de ellos y prevenir la sintomatología, por lo que podemos mirar al futuro con optimismo.