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Un médico clínico se une a expertos en ciencias básicas para descubrir cómo la toxicidad del ARN cortocircuita a las células corneales

El tejido más externo del ojo, la córnea, tiene más importancia de la que uno podría imaginar. Está compuesto por muchos tipos de células y proteínas estructurales, dispuestas en capas sumamente organizadas. Con aproximadamente 560 µm (0.056 cm o 1/45 de pulgada), la córnea es transparente, aunque igual de gruesa y flexible que una tarjeta de crédito. Para que la visión sea clara, en la córnea no deben haber áreas de nubosidad; pero algunos trastornos son capaces de acecharla, igual que una tormenta, y el más común de ellos es una enfermedad degenerativa y hereditaria, llamada distrofia corneal de Fuchs. La distrofia de Fuchs afecta a casi el 5 por ciento de los pacientes de mediana edad, con algunas variaciones étnicas. La mayoría de las personas no tiene síntomas, pero muchos otros pierden totalmente la visión. A la distrofia de Fuchs se le atribuyen más de 14 000 trasplantes de córnea anuales en Estados Unidos.

En la sede de Mayo Clinic en Rochester (Minnesota), el cirujano Dr. Keith Baratz, ve y trata a pacientes con distrofia de Fuchs casi a diario. La enfermedad lentamente elimina a las células encargadas de regular la cantidad de líquido que entra a la córnea y según estas células mueren, el primer síntoma que los pacientes normalmente observan es de visión borrosa por la mañana. La razón es que mientras los ojos están cerrados durante el sueño, el líquido se acumula en la córnea y provoca su hinchazón. Durante el transcurso del día y con los ojos abiertos, el exceso de líquido se evapora, por lo que la visión mejora hacia la tarde. Sin embargo, a medida que la enfermedad avanza, más largos son los períodos de hinchazón, alteración de la vista y dolor.

Si bien actualmente no existe tratamiento para la distrofia de Fuchs, aparte de la cirugía de trasplante para los pacientes en etapa avanzada, el Dr. Baratz desea cambiar eso; por ello, trabaja con dos investigadores de Mayo Clinic, el Dr. Michael Fautsch y el Dr. Eric Wieben, a fin de saber cómo se manifiesta la enfermedad. Los tres se han entregado con pasión al problema. “La distrofia de Fuchs repercute sobre la lectura y la conducción; luego, hace cada vez más difícil distinguir entre el cuchillo y el tenedor, o reconocer a los seres queridos”, explica el Dr. Fautsch. Juntos, estos tres investigadores abren el paso para controlar el avance de la enfermedad y, quizás, prevenirla completamente.

Encontrar el gen y formar el equipo

Desde hace mucho tiempo ya quedó claro que la distrofia de Fuchs era una enfermedad hereditaria. Cuando alguien la tiene, y su padre o su madre también la tuvo, por lo general, la probabilidad de que los hijos de esa persona estén afectados es de 50 por ciento. Sin embargo, la base genética de la mayoría de los casos continuaba siendo un misterio hasta hace aproximadamente 5 años, cuando el Dr. Baratz empezó a comparar el ADN de personas con y sin la enfermedad.

El gen es básicamente una tira de moléculas, llamadas nucleótidos, que codifican para una proteína. Las diferentes versiones de un mismo gen se llaman alelos. Los seres humanos heredamos dos alelos de la mayoría de los genes, uno de nuestro padre y otro de nuestra madre. A veces, un nucleótido único —A, T, C o G— difiere entre las personas, y eso se conoce como polimorfismo de un solo nucleótido (SNP, por sus siglas en inglés).

En 2010, mientras trabajaba con el Dr. Albert Edwards que entonces pertenecía a Mayo Clinic y ahora ejerce en una práctica privada en Eugene (Oregon), el Dr. Baratz se topó con un polimorfismo de un solo nucleótido que era varias veces más común entre los pacientes con distrofia de Fuchs que la gente sin la enfermedad. Ese polimorfismo de un

Otro cuadro de la “ciencia en equipo” de Mayo: (de izq. a der.) Dr. Keith Baratz, Dr. Michael Fautsch y Dr. Eric Wieben

solo nucleótido se ubicaba en un gen llamado factor de transcripción 4 (TCF4). Los factores de transcripción dan las instrucciones para la producción de proteínas, que al unirse a regiones específicas del ADN, ayudan a controlar la actividad de otros genes. Los doctores Baratz y Edwards fueron los primeros en identificar al TCF4 como principal contribuyente de la aparición en la edad adulta de la distrofia de Fuchs en la mayoría de las familias. El descubrimiento inició un torbellino mundial de investigaciones y brindó un marcador genético útil para identificar a las personas con la enfermedad.

Con lo emocionante que fue este resultado, el Dr. Baratz quiso saber más: una cosa es conocer el gen afectado, pero otra es descubrir cómo ese defecto provoca la enfermedad. Llevó, entonces, los resultados al otro lado del recinto médico de Rochester hasta el Dr. Eric Wieben, director del Servicio de Genómica Médica, parte del Centro de Medicina Personalizada de Mayo que brinda a los investigadores acceso a las últimas tecnologías genómicas. “Eric es el mandamás y nunca esperé que esto le interesara”, dice el Dr. Baratz.

“Ayer fueron 5 años del momento en que Keith se presentó por primera vez en mi oficina. Su relato era inusual debido a un par de cosas: las enfermedades genéticas son increíblemente raras, pero esta es asombrosamente común; y la fuerza del suyo [su resultado] era algo que prácticamente nunca se había escuchado”, anota el Dr. Wieben.

La incidencia de las enfermedades genéticas varía en todo el mundo, según el grupo étnico, y la mayoría de ellas afecta a una persona entre miles o incluso millones. La distrofia de Fuchs es un par de órdenes de magnitud más común, con alrededor de 5 por cada 100 personas de raza blanca que presentan síntomas hacia la mediana edad.

Ni falta hace mencionar que el Dr. Wieben se metió de lleno en el asunto y juntos decidieron reclutar a una tercera persona en su equipo: el Dr. Mike Fautsch, antiguo estudiante de posgrado del Dr. Wieben que ahora aportaba su pericia en otra área. “Yo hago ensayos moleculares y Mike hace ensayos celulares; es decir, Keith tiene las muestras y nosotros la tecnología para probarlas”, explica el Dr. Wieben.

Bajo el microscopio: ¿por qué las células de la córnea?

“Me involucré porque podía llevar un paso más allá a los datos genéticos con el estudio de las células de pacientes normales y con distrofia de Fuchs. Una de las cosas que queremos entender es por qué esta mutación afecta solamente a las células corneales y no a otras células del cuerpo”, explica el Dr. Fautsch, especializado en análisis de laboratorio de tejidos y cultivos celulares de los ojos.

Imágenes en vivo obtenidas con el microscopio confocal del endotelio corneal de un paciente normal (izquierda) y de otro con distrofia de Fuchs (derecha). El endotelio normal de la córnea muestra una superficie lisa y cubierta por células hexagonales sumamente organizadas, a diferencia del endotelio de la córnea con distrofia de Fuchs que muestra áreas irregulares y menos organización celular. Las áreas oscuras son las gotas o pequeños bultos que se forman en el endotelio corneal.

La respuesta, cree él, puede ser el estrés oxidativo, o sea la carga impuesta sobre las células del cuerpo por la constante producción de radicales libres producidos durante la evolución normal del metabolismo y como resultado de otras presiones planteadas por el entorno. En este caso, esa presión es la radiación ultravioleta que pega contra las córneas durante, por ejemplo, una tarde de juego con los niños en el trineo o la charla con el vecino en la cerca (otra razón para usar sombrero de ala ancha durante las horas de luz solar brillante, incluso en el invierno). La exposición a los rayos ultravioleta es un factor de estrés ambiental muy bien entendido que genera radicales libres y especies de oxígeno reactivo (ERO) que son nocivos para las células. Como la córnea es el primer objetivo de la luz ultravioleta al entrar en el ojo, también es particularmente susceptible al daño de las ERO. No es solamente la exposición regular a la luz solar, sino también al oxígeno atmosférico, sobre todo al dioxígeno que produce las ERO.

La córnea produce sus propios antioxidantes para purificar el oxígeno reactivo, pero ciertas enfermedades, entre ellas la distrofia de Fuchs, se distinguen por un mayor nivel de marcadores de estrés oxidativo, lo que indica que el estrés oxidativo puede desempeñar una función importante en su desarrollo y avance.

Toxicidad del ARN

Para el año 2012, los doctores Baratz y Wieben ya habían precisado la mutación de la distrofia de Fuchs en un intrón (sección no codificada del ADN que se divide antes de que el gen se traduzca en proteína), dentro del gen TCF4 (PLoS One). Normalmente, la mutación en un intrón puede impedir completamente la transcripción del gen o puede cambiar drásticamente la proteína producida. Cuando eso ocurre, el cambio consiste en un conjunto de tres nucleótidos (CTG concretamente) que se reitera (CTG CTG CTG, etc.) y se conoce como repetición del trinucléotido. Cuando un gen se repite solo pocas veces, su ADN todavía se copia bien; pero cuando hay muchos de ellos, entonces surgen problemas. Por lo general, mientras mayor es la expansión, mayor es la propensión a causar la enfermedad y a hacerla más grave en las distintas generaciones familiares.

La expansión de la repetición del trinucleótido en TCF4 que los científicos encontraron resultó ser el defecto genético específico que conduce a la aparición en la edad adulta de la distrofia de Fuchs en la mayoría de las familias. En una persona sana, puede haber entre 15 y 25 repeticiones de CTG en TCF4; en cambio, en una persona con distrofia de Fuchs, esa cantidad puede ser entre 10 y 100 veces más (es decir, 2000 repeticiones). Ese es un cambio devastador.

Los doctores Baratz y Wieben ahora también trabajan estrechamente con el Dr. Joel Gottesfeld, investigador experto del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla (California), quien leyó su publicación acerca de la expansión de los tres pares de bases y se interesó profundamente porque ya venía estudiando las enfermedades neurológicas y neuromusculares causadas por similares expansiones de repeticiones (por ejemplo, la ataxia de Friedreich, la distrofia miotónica y la enfermedad de Huntington). En 2015, los doctores Wieben, Baratz y Gottesfeld, junto a sus equipos investigativos, publicaron los resultados (J. Biol. Chem.) que demuestran que la expansión en TCF4 crea un problema llamado toxicidad del ARN. Normalmente, las transcripciones del ARN del gen TCF4 deben llevar el mensaje del gen desde el núcleo celular al sistema de expresión proteica en el citoplasma. Sin embargo, las copias de ARN (transcripciones) del ADN malo son tan largas que la maquinaria celular no las reconoce ni las transporta como debería y, en su lugar, las proteínas se unen a las transcripciones y forman pequeñas obstrucciones de partículas gruesas, llamadas focos de ARN, que permanecen en el núcleo y terminan arruinando también la expresión de otros genes.

En sus cultivos de células corneales, el Dr. Fautsch puede realmente teñir y ver esos focos de ARN, además de probar las condiciones que aceleran o desaceleran su formación. Los doctores Gottesfeld y Fautsch están desarrollando una línea celular continua para ensayos celulares a fin de facilitar el estudio de la distrofia de Fuchs y la prueba de posibles fármacos en el laboratorio. Uno de los objetivos es encontrar un fármaco capaz de lentificar el avance de la enfermedad y de mejorar la calidad de vida de los pacientes. Asimismo, los científicos examinan ciertos aspectos de la medicina regenerativa, incluida la terapia con células madre, que en última instancia podrían detener completamente el avance de la enfermedad.

A través del Servicio del Genoma Médico, el Dr. Wieben prueba grandes recolecciones de moléculas biológicas mediante la revisión de dónde, cuándo y en qué nivel se expresan diferentes genes y se producen las proteínas, a fin de entender las diferencias entre las células sanas y las células corneales de la distrofia de Fuchs. El científico genera millones de puntos de datos y colabora con, virtualmente, un ejército de bioestadísticos para intentar entenderlo.

El café del martes por la mañana

Los doctores Baratz, Fautsch y Wieben se reúnen prácticamente todas las semanas. “Así es como empieza la mañana de los martes, con la conversación sobre los avances, las demoras y lo que se debe impulsar”, observa el Dr. Wieben. El trío también decide a dónde irán las muestras corneales de los pacientes del Dr. Baratz: al laboratorio del Dr. Fautsch para desarrollar líneas celulares a fin de estudiar la fisiología de la distrofia de Fuchs y probar posibles fármacos, al laboratorio del Dr. Gottesfeld para sumarse a la terapia con células madre, o a las instalaciones del Dr. Wieben para el perfil de expresión genética. “Trabajar en este proyecto es lo más divertido que he hecho en estos 32 años en Mayo”, añade el Dr. Wieben.

“Es una colaboración entre médicos clínicos y expertos en ciencias básicas, o sea el tipo de logro que enorgullece a Mayo”, apostilla el Dr. Fautsch.

El Dr. Baratz aclara que cuando todo esto empezó, “no me interesaba para nada la genética, pero ahora quiero entender las cosas a fondo, desde las vías bioquímicas hasta las opciones realistas para tratar a los pacientes”.

Según el Dr. Baratz, el principio y el fin de todo es su relación con los pacientes. “Soy su médico”, concluye.

– Megan McKenzie, noviembre de 2016