El nuevo análisis de Mayo Clinic para el virus que causa la enfermedad del coronavirus, COVID-19, se describe en un comunicado de prensa como una prueba de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés). Si bien la mayoría de las personas desconoce lo que esto significa, la reacción en cadena de la polimerasa es un medio muy utilizado en el laboratorio y en los análisis médicos. El Dr. Larry Pease, inmunólogo y profesor “Gordon H. y Violet Bartels” de biología celular, junto al Dr. Kyle Rodino, microbiólogo clínico, explican cómo funciona la prueba.

La reacción en cadena de la polimerasa es una técnica de laboratorio cuyo propósito es amplificar selectivamente cantidades mínimas de material genético para identificar ciertas partes específicas del ADN. Cabe hacer un paréntesis para recordar que el ADN es el código genético que está presente en todas y cada una de las células del cuerpo. Cuando una célula se divide, copia el ADN mediante la separación de sus dos hebras y la creación de una nueva hebra de ADN copiada del modelo. La reacción en cadena de la polimerasa imita lo que normalmente ocurre en las células.

El 12 de marzo de 2020 Mayo Clinic anunció la elaboración de un análisis capaz de detectar el virus SARS-CoV-2 en muestras clínicas. El virus SARS-CoV-2 causa la COVID-19.

¿Por qué se recurre al ADN?

Se usa el ADN porque, al nivel máximo de discriminación, su estructura indica de qué organismo se trata. En el caso de los seres humanos, la reacción en cadena de la polimerasa puede identificar a una persona mediante su firma genética. En el caso de la COVID-19, los investigadores ya han publicado más de 100 genomas obtenidos de pacientes con el fin de identificar las características fundamentales del virus SARS-CoV-2 que causa la enfermedad del coronavirus.

No obstante, hay un inconveniente…

La reacción en cadena de la polimerasa funciona solamente con el ADN, pero el código genético que usa el virus de la COVID-19 es el ARN. El ARN es similar al ADN, aunque tiene solo una hebra. Afortunadamente, el descubrimiento hace décadas de las enzimas virales que convierten el ARN en ADN ha permitido aprovecharlas junto con la reacción en cadena de la polimerasa para también encontrar firmas únicas en el ARN y, en estos casos, la reacción en cadena de la polimerasa es conocida como transcripción inversa, o reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR, por sus siglas en inglés).

A continuación, se describe su funcionamiento:

Empieza con la llamada de una persona con síntomas de COVID-19 al proveedor local de atención médica para preguntar qué debe hacer a fin de evaluarse. Es importante recordar que primero hay que llamar y no simplemente presentarse en la clínica o el hospital sin antes haber llamado para informarse sobre la forma más segura de realizar la prueba. Una vez que el paciente llega al lugar designado para las pruebas, el equipo de atención médica obtiene la muestra, generalmente, mediante la introducción de un hisopo por la nariz o la boca para recoger células de la parte posterior de la garganta.

“Para detectar eficazmente el virus, la muestra que con mayor frecuencia se obtiene es la de las vías respiratorias superiores, especialmente del exudado nasofaríngeo. En algunas circunstancias, también se aceptan muestras de las vías respiratorias inferiores, como esputo”, anota el Dr. Rodino.

Luego, se procesa la muestra en el laboratorio para separar y recolectar el ARN. Una vez extraído todo lo demás, se mezcla al ARN con otros elementos: enzimas (ADN polimerasa y transcriptasa inversa), pilares del ADN, cofactores, sondas y cebadores que reconocen al SARS-CoV-2 y se enlazan a él.

Es entonces cuando el ARN viral se convierte en una copia del ADN y esa única copia se transforma después en millones de copias, a través de la reacción en cadena de la polimerasa que es fácilmente detectable.

El proceso es el siguiente: mediante calor y enzimas, se fuerza la separación de las hebras convertidas del ADN viral. Los cebadores cortos del ADN, que coinciden con las hebras complementarias del modelo del ADN viral, se mantienen juntos, lo que los permite funcionar como el punto artificial de inicio para la síntesis del ADN.

Se añaden, entonces, los pilares químicos del ADN y se los junta entre sí para extender al cebador sintético del ADN y formar una copia del modelo del ADN viral. En la reacción, también está presente un segundo cebador colocado secuencia abajo y en direccionalidad opuesta al primer cebador. Esto produce una copia que complementa la primera hebra sintetizada.

Después de la primera etapa de la síntesis del ADN, se calienta la mezcla obtenida para derretir ambas hebras separadamente y así generar dos modelos que pueden amplificarse más en la siguiente etapa. Las copias se acumulan exponencialmente, etapa tras etapa, para generar millones y millones de copias que pueden estudiarse por métodos convencionales.

La reacción prosigue con un tipo automático de calentamiento, enfriamiento y síntesis del ADN, porque las enzimas y las sustancias químicas que se añaden al tubo de ensayo son relativamente resistentes al calor, según la siguiente explicación del Dr. Pease: “Se separa a las enzimas sensibles al calor de las bacterias termorresistentes que se encuentran en las fuentes termales”. Completar el arreglo y obtener resultados lleva solamente unas horas.

Si el ADN complementario del SARS-CoV-2 está presente en la muestra, los cebadores pueden copiar las regiones deseadas. A medida que esas regiones se copian, las sondas pegadas a estos nuevos fragmentos liberan una señal visual que puede ser leída por un instrumento que se utiliza en este proceso.

“Las millones de copias amplifican esta señal para que sea fácil detectarla como un resultado positivo. Cuando el virus no está presente, las sondas no se adhieren ni se libera ninguna señal y, entonces, el resultado es negativo”, explica el Dr. Rodino.

Este tipo de análisis se usa en investigación y en pruebas clínicas de laboratorio. La reacción en cadena de la polimerasa detecta todo tipo de bacterias, parásitos, virus y hongos, a partir del ADN o del ARN; pero si bien el principio y los elementos son similares, cada análisis requiere determinados cebadores y sondas para detectar los diferentes organismos. Esa es la razón por la que la preparación de un análisis para el SARS-CoV-2 debía empezar de cero, puesto que estos tipos de pruebas necesitan ir afinándose durante su elaboración a fin de confirmar que son excelentes para detectar el organismo deseado (sensibilidad) y verificar que no muestran resultados positivos cuando el organismo no está presente (especificidad).

“A través de las décadas, varios ganadores del premio Nobel han reconocido la importancia de los pasos que intervienen en la reacción en cadena de la polimerasa. Los descubrimientos básicos sobre la base molecular de los sistemas vivos es lo que hace avanzar la ciencia médica y este es un ejemplo de cómo esos descubrimientos pueden agruparse para resolver un problema importante en nuestras vidas”, apostilla el Dr. Pease.   

Gracias a trabajar como un solo equipo investigativo y clínico, los expertos de Mayo lograron producir una prueba con la reacción en cadena de la polimerasa para el SARS-CoV-2 en cuestión de semanas y así ahorraron los meses o los años que esto normalmente lleva.

“A medida que la dimensión y la amplitud del brote de COVID-19 aumentaba, nuestra directiva decidió embarcarse en la elaboración de una novedosa prueba con la reacción en cadena de la polimerasa para diagnosticar a los pacientes infectados. Esta resolución se tomó porque sabíamos que los proveedores de atención médica en Mayo Clinic y en el resto del país necesitarían un diagnóstico de laboratorio para tomar decisiones importantes sobre el cuidado de los pacientes. Solo a través del esfuerzo colectivo de un equipo de profesionales de laboratorio sumamente dedicados fue posible obtener una prueba para la COVID-19 en escasamente tres semanas. Fue un extraordinario logro inspirado en la misión de Mayo Clinic de infundir esperanza y contribuir a la recuperación de los pacientes a quienes presta servicio”, concluye el Dr. Matthew Binnicker, microbiólogo clínico y director del Laboratorio de Virología Clínica en Mayo Clinic.