La criptología de la enfermedad: Cómo aprendimos a descifrar y corregir enfermedades heredadas

Por Luis Alejandro Barrera Avellaneda

"¿Qué forma mas poderosa de estudiar la humanidad puede haber, que leer el propio manual de instrucciones?" , escribió alguna vez Francis Collins, quien lideró el proyecto para descifrar el genoma humano. Tal vez exista una: estudiar sus errores o, más bien, sus variaciones por cuenta del azar y las leyes de lan herencia. Es lo que ha hecho el investigador Luis Alejandro Barreraa lo largo de su vida al inscribirse en una tradición científica que se remonta a los primeros galenos, desconcertados ante la orina negra de algunos pacientes o el olor a jarabe de arce en otros, y que hoy se ramifíca en cientos de laboratorios en donde se buscan afanosamente métodos para corregir las más de 1500 enfermedades asociadas a esos errores innatos que alteran nuestro metabolismo.

• Idioma: Español
• Editorial: Editorial Pontificia Universidad Javeriana
• Fecha de lanzamiento: 8 abr 2021
• ISBN: 9789587816488

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Capítulo 1.

Los errores innatos: enfermedades raras, pero cercanas a nosotros

Las leyes de la genética aplican, aún si te rehúsas a aprenderlas.

ALISON PLOWDEN

Lerrores innatos del metabolismo (EIM) pueden estar en nosotros, en nuestra familia, en nuestro entorno. Cuando usted sale a la calle, encuentra personas de talla muy baja, otras muy altas, unas extremadamente delgadas, otras muy gordas, algunas con defectos óseos notorios, individuos con deficiencias cognitivas evidentes, con problemas de visión o auditivos. A primera vista, muchas personas no tienen signos evidentes, pero sufren calambres, dolores articulares, vómitos frecuentes asociados con intolerancia a ciertos alimentos; niños de pelo blanco y otros con problemas en la piel. Es posible que usted conozca primos o parientes cercanos que fallecieron a muy temprana edad, cuyo crecimiento, aparentemente normal, se detuvo abruptamente y presentó un deterioro progresivo, o que sencillamente no se desarrollaron como los demás niños y fueron deteriorándose paulatinamente hasta que murieron. Otras personas que conoce fueron normales durante la mayor parte de su vida y después de un trauma, o una operación, empezaron a presentar síntomas psiquiátricos. Quizá conoce dos hermanos gemelos con la misma enfermedad, uno con características muy severas y el otro con clínica muy leve. Tal vez alguna familia cercana ha presentado una enfermedad cuya causa no se ha podido precisar y que se ha convertido en un calvario de incertidumbres, dudas y culpas para sus miembros. Si se identifica con alguna de las situaciones mencionadas, es probable que haya estado en presencia de un error innato del metabolismo.

Lucrecio, poeta romano que vivió entre los años 99 a. C.–55 a. C., en su poema De Rerum Natura escribió:

Lo que para unos es comida, para otros es amargo veneno.

Con esta frase, Lucrecio —en el siglo I— pareciera que hubiere descrito líricamente lo que hoy sabemos que sucede con muchos EIM, enfermedades en las cuales los alimentos indispensables para el crecimiento normal de los individuos como las proteínas, los carbohidratos y los lípidos pueden, en quien los padece, desatar crisis de diferente índole, inclusive causarle secuelas severas e irreparables.

En la fenilcetonuria, un EIM, la fenilalanina, aminoácido esencial para el crecimiento de los individuos, puede originar en ellos deficiencias en el desarrollo cognitivo. En los desórdenes del ciclo de la urea, que son defectos en el catabolismo de los aminoácidos, el consumo de proteínas puede llevar rápidamente a coma y muerte por toxicidad.

En algunas personas, la falta de lactasa produce intolerancia a la leche, alimento necesario para el normal desarrollo de los niños. En la galactosemia, las personas no pueden consumir galactosa, un azúcar que está presente en la leche o sus derivados, pues su ingesta les produce daño hepático y cataratas, entre otras complicaciones. En las enfermedades mitocondriales, el paciente no puede almacenar energía, por lo tanto, cada una de las células del cuerpo carece de combustible para sus actividades, se presenta hipotonía generalizada, incapacidad para levantar la cabeza o contraer los músculos; es lo que se le denomina el niño flácido.

Existe un grupo de enfermedades denominadas por atesoramiento o de depósito, en que la falta de una enzima hace que se almacenen anormalmente sustancias como el glucógeno —una macromolécula que en el organismo sirve para almacenar glucosa—, y cuando se almacena anormalmente en el hígado, en el músculo o en el cerebro, produce daño en dichos órganos.

El nacimiento de un nuevo campo de la medicina: los errores innatos del metabolismo

El origen de los EIM es genético, y su sintomatología es muy diversa; algunos comprometen un solo órgano como el hígado, otros afectan dos, por ejemplo, el músculo y los glóbulos rojos, mientras otros afectan prácticamente cada una de las células del cuerpo, y por lo tanto su sintomatología es generalizada. Algunos EIM, como la alcaptonuria, son prácticamente asintomáticos: la persona que tiene el defecto genético la mayor parte de su vida no presenta manifestaciones físicas visibles o presenta manifestaciones moderadas como el ennegrecimiento de la orina. Las acidemias orgánicas pueden llegar a afectar funciones que son indispensables para la vida. Hay casos en que dichas anomalías afectan al individuo desde antes de su nacimiento.

Aunque algunos de los EIM ya habían sido descritos clínicamente, fue solo hasta comienzos del siglo XX cuando Sir Archibald Garrod desarrolló una teoría que explicaba las causas endógenas de estas enfermedades y se anticipó a proponer métodos de diagnóstico y tratamientos imposibles de llevar a cabo con las tecnologías existentes en esa época (1).

Hacia finales del siglo XIX y comienzos del XX, Garrod encontró algunos pacientes que sufrían un desorden conocido como alcaptonuria, y excretaban en su orina una sustancia que se ennegrece al ser expuesta a la luz. También estudió otros grupos de pacientes, los albinos, como otros afectados por cálculos renales no debidos a gota y otros que no procesaban el azúcar de la fruta y lo excretaban en la orina (ver capítulo 2).

A partir de esas cuatro enfermedades, elaboró en 1908 una teoría unificadora para explicar su origen, consecuencias y tratamientos (1, 3). Posteriormente, en 1923, incluyó otros tres EIM, con los que amplió, actualizó y perfeccionó su teoría (4).

Garrod concluyó que en todas las células ocurrían muchísimos procesos metabólicos cuyo objetivo final era producir moléculas necesarias para su funcionamiento y que cada una de las reacciones que ocurren en la célula normalmente está catalizada por una enzima,I pero en los EIM, la persona nace con un defecto que lleva a que se sintetice una enzima que no funciona normalmente, originando bloqueos totales o parciales en las vías metabólicas, produciendo acumulación anormal de sustancias que pueden ser muy nocivas. Anotó, además, que estos defectos acompañarían al paciente durante toda la vida (5).

En el año de 1934, Ivar Folling encontró que en la fenilcetonuria, una enfermedad originada por un defecto en el metabolismo de la fenilalanina, se activa una vía metabólica alterna en la que se producen dos compuestos: los ácidos fenilpirúvico y feniláctico, a los que culpó de las deficiencias en el desarrollo cognitivo de esos pacientes. Los hallazgos de Garrod y Folling señalaron el camino para el descubrimiento posterior de un gran número de errores innatos del metabolismo (EIM), entre ellos las enfermedades de depósito del glucógeno, los desórdenes del ciclo de la urea, las aminoacidopatías y otras cuyos estudios han enriquecido la ciencia básica y la medicina. En la actualidad han sido identificados cerca de quinientos EIM y en la medida que avanza el estudio científico de estas enfermedades, su número crece rápidamente (5, 6).

Los errores innatos del metabolismo (EIM). Explicación para no iniciados

Un EIM se puede imaginar como un derrumbe que se produce en una vía muy concurrida que conduce a un sitio importante; como consecuencia, se interrumpe el paso al sitio deseado. En algunos casos, los vehículos pueden tomar vías alternas y luego de un viaje agobiante arribar a su destino; en otros, las vías alternas pueden conducir a destinos diferentes al originalmente planeado.

Un EIM es bioquímicamente un bloqueo en una vía metabólica que impide total o parcialmente la formación de un producto P a partir de un precursor A (figura 1-1).

Figura 1-1. Representación de bloqueos en un camino metabólico. A es glucosa, una sustancia indispensable para proveer energía a todas las células del cuerpo, especialmente al cerebro, cuyo funcionamiento normalmente depende de la disponibilidad de ese azúcar. P puede ser una macromolécula de reserva como el glicógeno, que es la forma en que almacenamos glucosa En ayuno, el glucógeno libera la glucosa almacenada (flecha roja). La interrupción de la síntesis del glucógeno por defectos en la enzima X hará que el individuo no tenga reservas de glucosa para su funcionamiento durante el ayuno. El bloqueo en la degradación X hace que el glicógeno no pueda liberar glucosa, se produce acumulación exagerada de glicógeno que daña los tejidos. B y D se incrementan a causa del bloqueo, E y F son metabolitos de una ruta alterna que se activa cuando se produce el bloqueo entre D y P.

Si en el camino metabólico se libera energía, su interrupción privará al organismo del combustible necesario para el funcionamiento de los músculos y otros órganos del cuerpo. En algunos caminos metabólicos se sintetizan lípidos, proteínas, ácidos nucleicos u otras moléculas indispensables para la formación de las células nerviosas.

Cuando se presenta un bloqueo en algún camino metabólico, en vez de llevar a la síntesis de las moléculas requeridas por el organismo, puede suceder que se acumulen otras sustancias (E y F) muy tóxicas para un tipo específico de células, para varios tejidos o, inclusive, para todo el organismo (figura 1-1). Si las sustancias acumuladas anormalmente son nocivas para el cerebro, se pueden producir deficiencias en el desarrollo cognitivo, si son tóxicas para el hígado se producirá hepatomegalia o cirrosis, y si se almacenan en algún músculo, se pueden producir calambres.

Las vías alternas que surgen como consecuencia de un bloqueo, y que llevan a la síntesis de E y F en la figura 1-1, pueden ser francamente indeseables. Por ejemplo, un error innato del metabolismo en la síntesis del cortisolII puede tomar una vía alterna que conduce a las síntesis de compuestos androgénicos. En consecuencia, la persona afectada presentará hipoglicemia, pérdida de agua y sal, así como la aparición de caracteres sexuales masculinos, lo que en una niña pueden manifestarse como pseudohermafroditismo severo.

¿Cómo comienza un error innato del metabolismo?

Que un hijo se parezca a sus padres, que comparta con sus progenitores algunas características visibles como el color de los ojos o del pelo, es un fenómeno fácilmente observable que se conoce desde la antigüedad. Un padre de nariz aguileña y una madre de cejas pobladas, probablemente engendren un hijo con esas dos características.

Ha sido también evidente que una célula de la piel que se pierde es reemplazada por otra completamente idéntica, lo cual da cuenta de la fidelidad de la reproducción de las células y de los organismos vivos. Sabemos que luego de la exposición a la radiación ultravioleta del sol pueden ocurrir daños en el material genético de miles o millones de células, la mayoría de las cuales son muy eficientemente reparadas gracias al admirable mecanismo de corrección y edición que poseen las propias células. Otros tipos de radiaciones como la radiactividad y los rayos X o la exposición a ciertas sustancias químicas también pueden alterar el material genético, pero muchos de esos cambios no reparados dañan el material genético de las células germinales de las personas y esos daños pueden ser trasmitidos a los descendientes (5, 7, 8).

Nuestro material genético, el ADN, está constituido por una secuencia de bases nitrogenadas, ordenadas en genes que contienen exones (porciones que se expresan en las proteínas) e intrones, cuya función aún se desconoce en gran medida. Los genes durante su replicación pueden sufrir inserciones o rearreglos grandes o pequeños, o reubicación de bases o por acción de sustancias químicas, de las radiaciones ultravioleta o de la radiación ionizante, así como deleciones pequeñas. El efecto sobre la función de la proteína no es directamente proporcional al tamaño de la mutación en el gen. Un solo cambio en un gen que tiene 8000 o más bases es suficiente para que se produzca una pérdida total en la actividad, y en otros casos son inocuos dependiendo del sitio del gen donde ocurren. Haciendo una analogía simple, un cambio en el plano de un vehículo en el sitio donde debe ir el escudo distintivo de marca permitirá que el automotor funcione sin dificultad, pero un cambio en el diseño del distribuidor de energía hará que el vehículo no funcione.

Hoy conocemos que los genes determinan en gran medida cómo vamos a ser (altos, bajos, sanos, enfermos, propensos a las arrugas), pero son las proteínas las que traducen las instrucciones contenidas en los genes. Las mutaciones en los genes causan daños en las proteínas, con pérdida o alteración de sus funciones específicas. Por ejemplo, si se produce una mutación en el gen que codifica la hormona del crecimiento, se producirá enanismo o quizá gigantismo, pues las mutaciones pueden producir decremento o incremento en la actividad biológica de la proteína. Si el daño afecta el colágeno, la persona sufrirá de hiperelasticidad, lo que permitirá estirar la piel de los pómulos de tal manera que se pueda cubrir con ella toda la cara, o que puedan doblar las extremidades y adoptar posiciones imposibles de lograr por quienes no tienen este defecto. Los contorsionistas, que se pueden tocar la boca con los codos, que se doblan y acomodan en cajas muy pequeñas, son ejemplos de estos defectos. Las enfermedades del colágeno también se han observado en vacas y otros animales en los que la cola parece hecha de caucho y se puede estirar mucho más de su tamaño normal. Como cada proteína puede participar en una o varias reacciones, el efecto sobre la fisiología del individuo puede afectar un solo tipo de células o todos los tejidos del cuerpo.

Aunque las mutaciones pudieron heredarse de nuestros antepasados desde hace varios miles de años, pueden también aparecer en nosotros por primera vez, lo que se conoce como una mutación de novo, es decir, que no proviene de nuestros padres ni antepasados. Por ejemplo, la exposición prolongada y excesiva a rayos X, a la radiación ultravioleta o a mutágenos podría causar una mutación de novo; estas corresponden a menos del 3 % de las mutaciones conocidas (8, 9).

Los cambios en la secuencia del ADN que producen sintomatología clínica se denominan mutaciones, en tanto que los que no se manifiestan clínicamente se llaman polimorfismos y ocurren aproximadamente en cada 1000 pares de bases (10) (es decir, no hay dos individuos con el mismo ADN). La severidad clínica de un daño genético no depende de qué tan grande es el cambio producido en el material genético. Por ejemplo, en un tipo de la enfermedad de Prader-Willi se presenta una deleción de toda una región en el cromosoma 15, que comprende varios genes. Este defecto afecta al hipotálamo —región del cerebro que regula el crecimiento y el apetito y donde se producen hormonas— y la persona puede presentar deficiencias cognitivas leves o moderadas y problemas como obesidad, diabetes y baja estatura. La mayoría de personas que padecen esta enfermedad son infértiles, pero pueden llevar una vida no incapacitante (11).

En contraste, en las enfermedades de Tay Sachs o Gaucher tipo 12, una mutación puntual (una sola base) en el gen de la enzima hexosaminidasa A o glucocerebrosidasa puede producir en la persona problemas neurológicos muy graves, incluso la muerte temprana (12, 13).

De otra parte, las alteraciones en los genes algunas veces son muy sutiles, imperceptibles desde el punto de vista clínico; otras son incompatibles con la vida, de tal forma que la gestación termina en aborto poco tiempo después de la concepción, o en manifestaciones clínicas tempranas poco después del nacimiento.

El error innato del metabolismo puede manifestarse en el recién nacido, así como en personas que han llevado una vida completamente normal y que con el pasar de los años comienzan a presentar sintomatologías no atribuibles a trauma o al proceso normal de envejecimiento. Pero al examinar cuidadosamente su historia clínica y familiar es frecuente encontrar que uno o varios parientes próximos han sufrido enfermedades similares, bien sean de aparición temprana o tardía. En muchos casos, a esos individuos se les ha diagnosticado erróneamente otras enfermedades, quizá más frecuentes, que tienen síntomas y características parecidas (14).

Pero ¿en qué se diferencian los EIM de las otras enfermedades genéticas?

Desde el punto de vista molecular, los errores innatos del metabolismo son defectos muy pequeños que no producen alteraciones visibles cuando se examinan los cromosomas en el microscopio de luz o con el microscopio electrónico. Su identificación inicialmente se puede hacer midiendo el producto que no se sintetiza normalmente o las sustancias que se acumulan por el bloqueo del camino metabólico. Hay otras alternativas como medir la proteína o enzima, cuantificar la acumulación de productos o hacer el análisis de ADN; estos análisis aislados no dan la información necesaria para decidir —fuera de toda duda— qué error innato del metabolismo sufre el paciente. Un buen especialista combina los resultados bioquímicos con los moleculares y en ocasiones pruebas farmacológicas o nutricionales para lograr el diagnóstico. En cierta forma, cada diagnóstico de un EIM es un proceso de investigación; en unos se llega rápidamente a identificar su causa molecular, en otros se requieren muchos ensayos y análisis y en otro número significativo de pacientes no se logra precisar su causa (5, 15-17).

¿Cómo sospechar y diagnosticar un error innato del metabolismo?

Los síntomas de un EIM pueden ser muy inespecíficos: vómito, diarrea, falta de energía para el ejercicio, fatiga, dolores musculares, convulsiones, retardo en el desarrollo, discapacidad intelectual, síntomas de intoxicación o de infección. Por lo tanto, para diagnosticar un defecto que se manifiesta por signos y síntomas que se presentan en muchas enfermedades, se requiere una observación muy rigurosa de las causas desencadenantes y seguir una ruta secuencial y lógica de pruebas de laboratorio.

Entender las causas de un defecto determinado señala el camino para el diagnóstico por el laboratorio. En la figura 1-1, es claro que tenemos varias aproximaciones posibles: podríamos analizar la elevación de los compuestos antes del bloqueo, es decir, el aumento en la sustancia D, o la disminución de las moléculas que están después del bloqueo, P en nuestro ejemplo.

Estas fueron las primeras aproximaciones usadas para identificar los EIM. Los precursores del campo desarrollaron métodos químicos muy laboriosos para su cuantificación, mediante los cuales aislaban y purificaban las sustancias de la orina de los pacientes. En ocasiones las cristalizaban, medían su poder de rotación óptica, determinaban su peso molecular, etc., lo cual implicaba un grado alto de refinamiento en los análisis físico-químicos (18).

En ausencia de modelos experimentales, en muchos casos los propios investigadores o sus auxiliares asumieron el papel de controles normales. Ellos consumían algunas de las sustancias que se creía estaban incrementadas a consecuencia del bloqueo, por ejemplo B (figura 1-1), y luego buscaban y medían en la orina o en las heces el producto P y comparaban esos resultados con los de los pacientes. Se esperaba que los individuos sin ningún tipo de patología podrían metabolizar esos intermediarios, en tanto que los afectados los excretaban en la orina sin modificar. También medían las variaciones en la excreción de P con la ingesta de diferentes tipos de dietas (19).

Uno que otro investigador o voluntario ofició como conejillo de indias con riesgos y consecuencias a veces muy nocivas para su salud. Actualmente, existen regulaciones para frenar esas riesgosas prácticas y proteger al ser humano (tanto paciente como investigador), impidiendo la realización de este tipo de experimentación en uno mismo, en los subordinados y en los pacientes, a menos que se haya demostrado la inocuidad de la sustancia almacenada, o que se trate de algo que se consume ordinariamente en los alimentos. La confirmación de los caminos metabólicos en bioquímica ha sido posible gracias a la existencia de los errores innatos del metabolismo en los humanos y animales como gatos, perros, ovejas o cabras (20-26), pero, después de la década de los treinta del siglo pasado, se logró determinar que vías metabólicas como la glicólisis, la respiración y la síntesis y degradación de aminoácidos están presentes en toda la escala evolutiva, excepto en los virus, y se comenzó a utilizar a las bacterias y levaduras —en vez de sujetos humanos o mamíferos— para el estudio de las transformaciones bioquímicas producidas por alteraciones en el material genético (27, 28).

Los errores innatos del metabolismo se descubrieron midiendo las sustancias bioquímicas que se acumulan anormalmente o los productos que no se sintetizan. Esta continúa siendo la aproximación inicial en las enfermedades de los carbohidratos, aminoácidos, ácidos orgánicos y defectos en el metabolismo del amonio. Basados en los resultados bioquímicos o en la clínica, en algunos EIM para los cuales hasta ahora no hay marcadores bioquímicos apropiados se procede con la medición de la actividad enzimática (X), la que se realiza usando sustratos específicos para cada enzima; si la enfermedad afecta fundamentalmente al músculo o al hígado, la mejor muestra para hacer la medición enzimática serán las células musculares o las hepáticas, respectivamente. En caso de que la misma enzima se exprese también en los glóbulos blancos o rojos, se prefieren las células sanguíneas por su facilidad de extracción y para evitarle al paciente las incomodidades de una biopsia (29, 30). Sin embargo, en los casos en que los resultados de los análisis enzimáticos en células sanguíneas sean dudosos, se tiene que recurrir a las células del tejido directamente afectado.

El análisis enzimático tiene la ventaja de ser un ensayo directo, pues, siendo las proteínas responsables de la acción fisiológica, si su actividad es deficiente, indica claramente que es la causante de la enfermedad.

Teóricamente, entre más disminuida esté la actividad de la enzima, más severo debería ser el fenotipo y más grave el pronóstico. Esto es generalmente cierto; sin embargo, en algunos casos, no hay una estricta relación entre la actividad residual de la enzima y la severidad de la sintomatología, lo cual se explica en parte por las diferencias que hay entre las condiciones en que trabajan las enzimas en las células y la forma en que se determina su actividad en el laboratorio. Generalmente, el análisis enzimático se ha tenido como la prueba de oro para comprobar o descartar un EIM. Cuando la actividad enzimática encontrada es cero o cercana a cero, el resultado es fácil de interpretar; el inconveniente es que en muchos casos los valores encontrados en las determinaciones enzimáticas son hasta 30 % del valor normal, o inclusive se sobreponen con valores encontrados en individuos normales o en portadores asintomáticos de la enfermedad. Por lo tanto, la interpretación de valores enzimáticos en esos rangos puede ser difícil y requiere confirmación con otras pruebas como los análisis de ADN. La determinación enzimática se puede usar para hacer diagnóstico prenatal; no obstante, se requiere tener como controles a células de embriones normales de la misma edad gestacional, que son muy difíciles de obtener.

Como el daño en la proteína está codificado en el gen, otra alternativa es estudiar sus cambios o mutaciones. Esta aproximación solo es posible desde hace algún tiempo, ya que muchos genes no habían sido identificados hace 30 años. Recordemos además que los genes constituyen solo aproximadamente el 2 % del genoma y que existen cerca de 21 000 genes diferentes (31), sin contar los reguladores sobre los cuales poco conocemos y que las mutaciones en un mismo gen pueden ser desde asintomáticas hasta muy severas.

Garrod predijo que buscar un error en un gen era como buscar una aguja en un pajar (1), y no estaba lejos de la verdad. Cuando se está en la búsqueda de una mutación puntual, es estar tras un defecto en un par de bases de los 30 000 millones de pares de bases que constituyen el genoma. A través del proyecto del genoma humano se han identificado todos los genes, pero en uno solo (por ejemplo, el de la fenilcetonuria) se conocen más de 1200 mutaciones, las cuales tienen relevancia distinta para la actividad de la proteína, que al final resulta en un continuo en la severidad de la enfermedad que va desde las variantes asintomáticas a las muy graves. Por lo demás, hay otros factores epigenéticosIII que complican la interpretación de esa información y también el efecto llamado impronta genética, que en algunos casos hace que la expresión del gen dependa de si ha sido heredado del padre o de la madre.

Algunos defectos no se pueden identificar por análisis de proteínas y hay que analizar directamente el gen, puesto que se trata de expansiones de tripletas que se pueden localizar tanto en secuencias codificadoras de los genes (por ejemplo, la enfermedad de Huntington y algunas ataxias espinocerebelosas), como en las no codificadoras (síndrome X frágil, ataxia de Friedreich) (32, 33).

En algunos casos los análisis enzimáticos y de ADN son contundentes para el diagnóstico, mientras que en otros no; de hecho, hay muchas mutaciones que aún se clasifican como variantes de significado incierto (VUS). Con la información clínica, la determinación de los productos que se almacenan y la respuesta a los cambios de dieta o al manejo clínico, es posible precisar el diagnóstico. En otros casos, por ejemplo cuando la información genética alterada está en el ADN no codificante,IV por falta de un mejor conocimiento sobre esas regiones del genoma humano, aún no es posible llegar al diagnóstico (34).

¿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