CIENCIA

Optogenética: arrojando luz sobre la neurociencia

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Esta entrada participa en la II edición del Carnaval de Neurociencias

La segunda edición del carnaval de neurociencias nos plantea a los participantes hablar acerca del descubrimiento más importante en la historia de la neurociencia. Estarán de acuerdo conmigo en que elegir el “descubrimiento” más importante de cualquier disciplina científica es un reto abrumador, mayor aún si tenemos en cuenta el campo de la ciencia que estamos tratando. En cualquier caso, aún a riesgo de dejar de lado acontecimientos muy relevantes, he optado por centrar la presente aportación en una técnica relativamente reciente que ha experimentado un avance acelerado y se ha convertido en parte fundamental del trabajo diario en cientos de laboratorios de todo el mundo. Voy a hablar de la optogenética.

Desde que D. Santiago Ramón y Cajal revolucionara la neurociencia con sus trabajos de tinción de neuronas, demostrando que el tejido cerebral está compuesto por células individuales —lo que ha venido a llamarse “doctrina de la neurona”—, los investigadores han asumido que para entender la forma en la que nuestro cerebro procesa la información que recibe de los sentidos, es capaz de pensar o memorizar, es preciso conocer a fondo los circuitos neuronales. Hoy en día somos capaces de visualizar poblaciones enteras de células y las conexiones sinápticas que se forman entre ellas, pero la dificultad reside en saber cómo se transmite la información a través de las sinapsis individuales, y la forma en la que los diferentes tipos de neuronas y sus conexiones dan lugar a las redes funcionales que llevan a cabo tareas como recordar dónde hemos dejado el coche, saber si un café está demasiado caliente o comprender que alguien nos está gastando una broma.

La forma habitual de afrontar este problema ha partido de identificar qué neuronas se activan al mostrar al sujeto de estudio una imagen, un sonido o un aroma. A continuación se determina el trayecto que sigue la señal y se miden las señales eléctricas detectadas en esas posiciones. Conocidos estos datos podemos concluir que esas neuronas están directamente implicadas en el procesamiento de la información percibida.

Pero ahora sabemos que las señales sensoriales sufren importantes cambios mientras se alejan de los ojos, oídos o nariz, lo que aumenta la dificultad para saber qué señales corresponden a las respuestas de tales órganos.

Por otro lado, nuestra capacidad para comprender los circuitos neuronales ha mejorado de forma notable gracias a la resonancia magnética funcional (RMf). Esta técnica proporciona mapas detallados de la actividad neuronal en respuesta a diversos estímulos, aunque en realidad solo muestra los cambios en los niveles de oxígeno de la sangre de diferentes regiones del cerebro, cambios que representan sólo de forma aproximada la verdadera actividad neuronal…

Francis Crick hizo esta afirmación en un artículo publicado en 1979 1. Para él, la mayor dificultad a la que se enfrentaba la neurociencia era poder ejercer el control sobre un cierto tipo de neuronas sin afectar a otras para comprender su funcionamiento. Los métodos disponibles hasta el momento no permitían ni de lejos ese tipo de detalle. Por ejemplo, los estímulos eléctricos (mediante electrodos implantados en el cerebro) actúan sobre todas las neuronas sin distinguir entre tipos celulares. La idea que planteó Crick hace más de 30 años ya es una realidad.

Karl Deisseroth  2, uno de los inventores de esta técnica, explica que la optogenética combina los conocimientos en genética y óptica para controlar sucesos específicos en el interior de determinadas células de un tejido vivo (no solo de las neuronas) mediante la inserción de unos genes concretos que las convierten en fotosensibles. La optogenética comprende además las técnicas que permiten suministrar luz al cerebro, dirigir el efecto de la luz hacia los genes y células de interés y la evaluación de los resultados.

Los principales investigadores en este campo han sido galardonados con importantes premios, y en 2010 la propia técnica fue elegida método del año por la prestigiosa revista Nature Methods, y uno de los principales descubrimientos de la década.

¿Qué es la optogenética?

El funcionamiento del cerebro (y con él, del sistema nervioso central) depende de la conectividad de las neuronas operada a través de mensajes bioquímicos o eléctricos: la transmisión eléctrica se basa en la generación de potenciales de acción; mientras que la transmisión bioquímica descansa en la liberación de neurotransmisores.

No profundizaremos mucho en este mecanismo pero para entender la utilidad de la optogenética es necesario conocer, al menos de forma elemental, cómo se produce esa transmisión de información. Su propagación se debe a la diferencia de potencial que se genera por las distintas concentraciones de iones a ambos lados de la membrana celular (principalmente iones de Sodio (Na+) Potasio (K+), Calcio (Ca2+), Magnesio (Mg2+) y Cloro (Cl-). De esta forma, se origina una diferencia de carga eléctrica de unos -70 mV (denominado potencial de reposo).

Cuando se aplica un estímulo sobre una neurona se produce una entrada masiva de cationes de Sodio y Calcio en la neurona, mientras que el Potasio sale de ella. Esto se traduce en un cambio muy rápido en la polaridad de la membrana de negativo a positivo y vuelta a negativo, en un ciclo que dura unos milisegundos. La diferencia entre ambos estados es aproximadamente de 120 mV y ello genera (o dispara) un potencial de acción que se transmite a lo largo del axón neuronal (para hacernos una idea, este voltaje es menos de la décima parte del que posee una pila LR06 de las que tenemos en casa).

Cuando ese potencial de acción alcanza la terminación del axón provoca que las vesículas cargadas con neurotransmisores (los mensajeros bioquímicos) liberen su contenido al espacio extracelular.

El inconveniente a la hora de estudiar este complicado proceso surge porque el tejido neuronal está formado por células de varios tipos. Dado que las interacciones entre los tipos concretos de neuronas es la base del procesamiento de la información nerviosa, si queremos comprender el funcionamiento de un circuito específico tendremos que ser capaces de identificar y observar cada participación individual y señalar en qué momento se activan (generan un potencial de acción) y se desactivan. Lograr esto con las técnicas anteriores era imposible.

Pero ¿y si fuera posible ver esa comunicación neuronal individualizada? La optogenética nació cuando se cayó en la cuenta de que la manipulación genética podía ser la clave para resolver el problema que planteaba la tinción o estimulación indiscriminada de neuronas. Aunque todas las células de un individuo tienen los mismos genes, su activación o desactivación sigue unas pautas concretas en función de la ubicación y función de cada célula.

Con estas palabras definió el equipo del doctor Karl Deisseroth el término “optogenética” cuando lo utilizó por primera vez en un artículo publicado en el año 2006 en el Journal of neuroscience 3.

Y lo cierto es que el mecanismo parece sencillo. Lo primero que necesitamos es hacer que nuestras neuronas objetivo sean sensibles a la luz. Desde hace unos cuarenta años se sabe que algunos microorganismos producen proteínas que regulan el flujo de cargas eléctricas (los famosos iones de los que hemos hablado) a través de sus membranas en respuesta a la luz visible. Estas proteínas, cuya síntesis depende de un conjunto de genes de opsinas, ayudan al microorganismo a extraer energía e información de la luz del entorno, y ahora nos ayudan a nosotros a desentrañar los misterios de nuestro sistema nervioso. Los distintos tipos de opsinas se diferencian en cuanto a la fotosensibilidad y al comportamiento.

Adaptado de Zhang, F., et al. (2010) y Deisseroth, K. (2011).

Chlamydomonas reinharatii es un alga unicelular móvil, dotada de un par de flagelos que le permiten nadar en agua dulce. Volvox carteri es un alga estrechamente relacionada con Chlamydomonas y posee cientos de células que adoptan la forma de una colonia globular. Por último, Natronomonas pharaonis es una arqueobacteria que vive solo en aguas hipersalinas.

En la imagen superior vemos como la canalorrodopsina ChR2 permite el paso de los iones de sodio en respuesta a la luz azul. La canalorrodopsina VChR1 responde a algunas longitudes de onda de la luz amarilla y verde, mientras que la halorrodopsina NpHR regula el flujo de iones de cloro en respuesta a la luz amarilla.

Una vez que disponemos de los genes de opsinas y conocemos su funcionalidad, el siguiente paso es insertarlos en las neuronas diana con la ayuda de virus modificados que actúan como vectores. Primero se combina un gen de opsina con un promotor (el elemento que hará que el gen se active únicamente en un tipo de célula específico). En segundo lugar se introduce el gen modificado en un virus que a su vez se inyecta en el cerebro, por ejemplo, de un ratón de laboratorio. El virus infectará un gran número de neuronas, pero gracias al promotor (que se convierte así en una especie de guía laser), sólo un tipo de ellas sintetizará la proteína opsina. No tenemos más que desencadenar la actividad neuronal mediante destellos de luz y observar los efectos en el comportamiento de los animales de experimentación.

Adaptado de Hausser, M. (2014).

La optogenética se puede aplicar en todos los niveles de la función cerebral. Una variedad de aplicaciones utilizan sondas optogenéticas tanto para leer como manipular la actividad, lo que proporciona una poderosa herramienta para establecer vínculos causales entre estos niveles.

Además, las ventajas de usar la luz como desencadenante son evidentes: no es invasiva, se puede dirigir con gran precisión espacial y temporal, y se puede utilizar de forma simultánea en diferentes localizaciones y longitudes de onda. De hecho, se han identificado un grupo de proteínas que permiten la activación o inactivación de distintas neuronas con milisegundos de precisión.

Por ello, gracias a este “interruptor genético” accionado por la luz podemos encontrar todas las neuronas que nos interesen (las que producen dopamina, por ejemplo) y controlarlas sin necesidad de saber de antemano dónde están.

Su importancia para la sociedad

La optogenética se ha empleado en diversos modelos animales para cartografiar las proyecciones neuronales, examinar la plasticidad neuronal y llevar a cabo simulaciones en los circuitos relacionados con diferentes enfermedades.

Esta técnica ha traído consigo por ejemplo una importante mejora de nuestro conocimiento sobre la enfermedad de Parkinson. Algunos pacientes con Parkinson han experimentado cierto alivio de los síntomas gracias a la estimulación cerebral profunda, una técnica que aplica una estimulación eléctrica leve de alta frecuencia en una zona específica del tálamo —el globo pálido o el núcleo subtalámico— por medio de un electrodo implantado en el encéfalo.  Su función es enviar una señal eléctrica a estas áreas específicas del cerebro que controlan el movimiento, bloqueando de esta forma las señales nerviosas anormales.

Sin embargo, se ha comprobado que las ventajas de esta técnica son limitadas porque los electrodos estimulan también las neuronas colindantes de forma no selectiva incluso cuando los electrodos se colocan con precisión milimétrica. Esta electroestimulación puede modular células mucho más distantes al actuar sobre las fibras de paso, y desconocemos los efectos que esto puede tener a largo plazo.

La optogenética ha permitido comprender (aunque todavía en modelos animales) que la estimulación cerebral profunda resulta más efectiva cuando no va dirigida a las células sino a las conexiones entre ellas, lo que modifica el flujo de actividad entre las regiones del cerebro. Gracias a la precisión que ofrece ha sido posible realizar una cartografía funcional de dos rutas diferentes en los circuitos cerebrales vinculados al movimiento: una que ralentiza los movimientos y otra que los acelera. Este conocimiento podría contrarrestar los síntomas de la enfermedad de forma más efectiva y duradera.

Conclusiones

Como sucede siempre que se abre un nuevo campo de investigación, la mejora pareja de la tecnología amplía enormemente su potencial. Por ejemplo, se han desarrollado instrumentos para medir las señales eléctricas obtenidas mediante optogenética —con una precisión de milisegundos— en los que se han integrado fibra óptica y electrodos (llamados “optodos”). Del mismo modo, el uso conjunto de la optogenética y la RMf permite cartografiar circuitos neuronales funcionales con una precisión y una integridad imposibles de conseguir mediante electrodos o medicamentos.

Así, al conocer la forma de actuación de los circuitos neuronales sanos, se podrá aplicar ingeniería inversa para identificar las propiedades alteradas en las enfermedades psiquiátricas y neurológicas, con lo que se facilitará el desarrollo de tratamientos que restablezcan la normalidad en esos circuitos.

En definitiva, como sostiene Deisseroth, la optogenética está contribuyendo a que la psiquiatría adopte un enfoque próximo a la ingeniería de redes, en el que las funciones complejas del cerebro (y los comportamientos que generan) se interpretan como propiedades del sistema que surgen de la dinámica electroquímica de las células y de los circuitos que lo componen. Ahora podemos comprender de forma más completa los mecanismos subyacentes a trastornos como la ansiedad o el autismo, lo que sin duda facilitará la búsqueda de soluciones terapéuticas.

Referencias

Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Working Group Report to the Advisory Committee to the Director, NIH

Crick, F. H. (1979), «Thinking about the brain». Scientific American, vol. 3, núm. 241, p. 219-232.

Deisseroth, K., et al. (2006), «Next-generation optical technologies for illuminating genetically targeted brain circuits«. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience, vol. 26, núm. 41, p. 10380-10386.

Deisseroth, K. (2011), «Control del cerebro por medio de la luz». Investigación y Ciencia, núm. 412, p. 22-29.

Ferrús, A. (2007), Viaje al universo neuronal: unidad didáctica. Madrid: Fundación Española para la Ciencia y la Tecnologia, 276 p.

Hausser, M. (2014), «Optogenetics: the age of light«. Nat Meth, vol. 11, núm. 10, p. 1012-1014.

Nan, L. y  Peng, M. (2014), «Let there be light: a tutorial on optogenetics«. Pulse, IEEE, vol. 5, núm. 4, p. 55-59.

Reiner, A. y Isacoff, E. Y. (2013), «The Brain Prize 2013: the optogenetics revolution». Trends in Neurosciences, vol. 36, núm. 10, p. 557-560.

Zhang, F., et al. (2010), «Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures«. Nature protocols, vol. 5, núm. 3, p. 439-456.

Notas

Evolución humana: encéfalo, peso al nacer y sistema inmunológico

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Uno de los rasgos definitorios de la especie humana es el gran tamaño que tiene nuestro encéfalo cuando nacemos y, sin embargo, la mayoría no somos conscientes del enorme precio que pagamos por ello. Comparados con el resto de primates, los humanos tenemos unos partos especialmente complicados, con altas tasas de morbilidad y mortalidad tanto materna como fetal (en el año 2010 se produjeron cerca de 287.000 muertes de madres en todo el mundo y las complicaciones durante el parto, incluyendo el parto obstruido, fueron las causas más importantes 1

Entre los investigadores existe un amplio consenso para explicar este fenómeno. La respuesta tiene que ver con el compromiso evolutivo que hemos debido asumir entre dos exigencias opuestas: por un lado, el desarrollo de un encéfalo grande; y por otro, la propia biomecánica de nuestra forma de caminar erguidos que impone restricciones en las dimensiones de la pelvis y, por ende, en el canal del parto. Esto es lo que se conoce como «dilema obstétrico«: la postura bípeda redujo el diámetro del canal del parto mientras que la evolución del encéfalo aumentó el de la cabeza, dificultando a su vez el parto. Si nos fijamos únicamente en los movimientos de la cabeza del feto, en el parto humano hay seis (que incluyen la flexión y extensión del cuello, así como la rotación de la cabeza dos veces); mientras que en los primates y demás mamíferos prácticamente solo hay uno.

Si repasamos nuestro pasado evolutivo veremos que en algún momento nuestros antepasados empezaron a llegar a este mundo cuando su encéfalo no había crecido aún lo suficiente. Pero con el paso del tiempo, el incremento del tamaño cerebral hizo que los niños tuvieran que nacer antes de que no pudieran atravesar el canal del parto debido a su gran cabeza. Como contrapartida, vendrían al mundo menos desarrollados que las crías de los chimpancés y tendrían que recuperar el terreno perdido después del nacimiento (los recién nacidos serían más dependientes. Por ejemplo, al nacer con un escaso desarrollo cognitivo y locomotor no podrían colgarse de la madre como hacen los pequeños simios y sus padres se verían obligados a cogerlos en brazos).

Pues bien, acaba de publicarse un número temático de las Philosophical Transactions (la revista de la Royal Society) donde se revisa el concepto del dilema obstétrico mediante un enfoque multidisciplinar, tomando en consideración los últimos avances en nuestra comprensión de la evolución del encéfalo humano, el bipedalismo y cómo se produce el desarrollo de un encéfalo grande en el útero.

 

A continuación presentamos cada artículo (con su correspondiente enlace que permite su lectura en línea) y un breve resumen de su contenido.

Artículos

Los autores demuestran que el alto grado de encefalización que resultó crítico para nuestra adaptación apareció entre los homininos en el curso de los últimos 2 millones de años (Ma). Lo principal en este debate, y para comprender el concepto del dilema obstétrico, es el equilibrio entre el crecimiento prenatal y postnatal del encéfalo. Obviamente, un encéfalo grande requiere una mayor inversión en energía, con un período prolongado de crecimiento después del parto para evitar limitaciones obstétricas. La evidencia actual indica que la ontogenia del encéfalo evolucionó a lo largo de diferentes vías en diferentes homininos del Pleistoceno; por ejemplo, la vía de los neandertales era distinta de la de los humanos actuales, que evolucionó en una época relativamente recientemente.

En este artículo se analiza cómo el clima y la geología cambiantes del este de África en los últimos 10 Ma han creado un escenario complejo, con un ambiente muy variable que dio forma a la evolución de nuestros antepasados. Los períodos alternativos de extrema humedad y aridez pueden haber impulsado la especiación de los homininos, la encefalización y la posterior salida de África. Hacen hincapié en que los cambios en el tamaño del encéfalo deben considerarse en el contexto más amplio de los cambios en la historia de vida, el tamaño del cuerpo y el dimorfismo, la adaptación a realizar marchas a larga distancia y el comportamiento social.

Se expone la forma en que han entrado en conflicto los requisitos mecánicos para la locomoción, el parto y la termorregulación. Nuestros primeros antepasados bípedos experimentaron cambios fundamentales en la forma de la pelvis, con un cambio en la función de los músculos de los glúteos, que facilitaron la actividad de andar. El resultado fue una pelvis que tenía una amplia cavidad interna, una forma que se mantuvo con pequeñas adaptaciones durante 3 o 4 Ma. Así, no fue hasta que apareció Homo sapiens hace unos 200.000 años cuando surgió la pelvis anatómicamente moderna con un canal del parto más circular, y asociada a un cuerpo más estrecho necesario para facilitar la disipación del calor.

Aquí se describe cómo la configuración moderna de la pelvis femenina exige una rotación del feto durante el parto para dejar espacio primero a la cabeza y luego a los hombros. El resultado final es que el niño nace mirando en dirección opuesta a la madre. Así, este tipo de parto requiere tener a alguien que ayude a despejar las vías respiratorias del bebé. Para terminar el autor analiza las recientes observaciones de nacimientos en monos y simios con el fin de comparar el proceso en primates humanos y no humanos, destacando las similitudes y las diferencias de ambos procesos.

En esta revisión el autor recuerda que existe mucha variabilidad en la gravedad de las complicaciones obstétricas que se dan en las poblaciones humanas actuales. Propone que el dilema obstétrico no es fijo, y puede cambiar en respuesta a las tendencias de crecimiento impulsadas por el cambio ecológico. Señala que el crecimiento fetal está débilmente regulado por los genes y depende en gran medida de la asignación maternal de los recursos de nutrientes. El suministro de estos recursos depende a su vez del ambiente y las propias necesidades de la madre. Por lo tanto, los cambios en la nutrición materna tanto a corto como a largo plazo pueden tener un profundo impacto en el dilema obstétrico a través de sus efectos sobre el tamaño de la madre y el crecimiento fetal.

En este artículo los autores analizan el papel de la placenta como órgano de enlace entre la madre y el feto. Aunque se considera un órgano de intercambio, la placenta realiza una amplia variedad de funciones que integran el suministro de la madre y las demandas del feto: segrega numerosas hormonas que tienen efectos muy importantes sobre el metabolismo y la fisiología materna, así como incrementa las reservas de nutrientes al principio del embarazo para poder satisfacer las demandas fetales a lo largo del periodo de gestación. La placenta también actúa como una barrera selectiva a fin de proporcionar un entorno estable en el que el feto pueda desarrollarse.

La placenta es el órgano de los mamíferos con mayor variabilidad morfológica. En este trabajo se reflexiona acerca de su evolución, analizando cuatro características principales: su forma, la interdigitación materno-fetal 2, la intimidad de la interfaz materno-fetal y el patrón de flujo sanguíneo.

En este estudio se desarrolla un nuevo enfoque genómico para entender la evolución de la invasión placentaria. La placenta humana es la más invasiva de todas las especies, y esta característica se ha asociado a menudo con el desarrollo de un encéfalo más grande. Esta situación además conlleva un peaje en términos de complicaciones durante el embarazo, como la preeclampsia, que es casi exclusiva de los humanos. Los autores argumentan que durante la evolución se seleccionaron unas formas de la placenta menos invasivas para evitar precisamente estas complicaciones.

La invasividad de la placenta también se da entre los primates, un tema que se revisa en este artículo. Una de las funciones clave de la invasión es la remodelación de las arterias maternas dentro de la pared del útero para asegurar un suministro óptimo de sangre a la placenta. La invasión del trofoblasto y la remodelación arterial se dan en mayor medida en el ser humano, y el fallo de cualquiera de ellas provoca la restricción del crecimiento del feto y la preeclampsia en la madre.

En este trabajo se analiza la importancia de la arteria uterina y el flujo de sangre hacia la placenta para el crecimiento fetal, utilizando las adaptaciones a vivir en grandes altitudes como un experimento de la naturaleza. La gran altitud se asocia con una reducción aproximada en el peso al nacer de 100 g cada 1.000 m de elevación, aunque el efecto es mayor en poblaciones no-indígenas comparadas con las que sí lo son. Se especula que el flujo sanguíneo de la arteria uterina no sólo es una importante línea de suministro, sino también un detonante que estimula los procesos que regulan el metabolismo y el crecimiento tanto del feto como de la placenta.

Por otro lado, la invasión placentaria plantea importantes retos inmunológicos a medida que el trofoblasto interactúa con las células del sistema inmunitario materno. Aquí se revisa esta cuestión y, aunque en la actualidad se desconocen los mecanismos involucrados, se cree que las interacciones con las células del sistema inmunitario innato regulan la invasión del trofoblasto y la remodelación de las arterias espirales.

En el último estudio se demuestra que el crecimiento fetal también está regulado por la impronta genética, y los últimos avances han puesto de manifiesto el vínculo genético y epigenético que existe entre la regulación del crecimiento de la placenta y el del encéfalo. La manipulación de la expresión de estos factores de crecimiento ajusta el peso del feto, y puede tener efectos transgeneracionales.

Calamares voladores

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El mundo animal está repleto de complejidad y riqueza. Si dedicáramos algo más de nuestro tiempo a observar la maravillosa diversidad de la vida que nos rodea, no dejaríamos de asombrarnos ante la forma que tiene la naturaleza de hallar soluciones creativas ­—y realmente sorprendentes— para problemas en principio difíciles de resolver. Por ejemplo, ¿de qué manera puede un animal marino escapar de un depredador? Desde luego es complicado en el medio en el que vive.

Por eso vamos a hablar de la estrategia que emplean algunas especies de calamares para evitar ser devorados, un comportamiento realmente llamativo porque se ha comprobado que algunos salen volando literalmente fuera del agua cuando se ven directamente amenazados.

Un poco de historia

La primera constancia documental de este comportamiento la encontramos en la comunicación enviada por el Dr. William H. Rush (en marzo de 1892) a la revista Nautilus 1. Mientras estaba a bordo del U.S.S. Yantic, en ruta por Sudamérica, cuenta que:

[…] cuando estábamos 300 millas lejos de la costa de Brasil (latitud 30° 09′ 07″ S, longitud 45° 36′ 39″ W) fuimos abordados por un enjambre de decápodos, que volaban desde el agua y aterrizaban en la cubierta y en las cadenas. Nuestra cubierta está al menos cuatro metros por encima del agua, y para llegar a ella tuvieron que pasar por las mallas de las hamacas. Obtuve quince especímenes de varios tamaños. Había cientos más pero resultaron demasiado dañados por su caída como para ser de ningún valor. Adjunto unos trazos apresurados de un bosquejo en acuarela que hice del más grande.

Rush habla de «decápodos» (no confundirlos con los decápodos crustáceos) y se ha comprobado que efectivamente hay varias especies de calamares que siguen esta conducta (en cualquier caso es una lástima que en la publicación de esta noticia no se acompañara la acuarela que al parecer dibujó el Dr. Rush, lo que hubiera permitido la identificación de la especie.

Estudios recientes

Es de sobra conocido que los calamares emplean la propulsión a chorro para desplazarse: introducen agua en la cámara de compresión del manto que rodea la cavidad paleal a través de un pequeño embudo ventral llamado sifón. El manto está formado por potentes músculos que son capaces de realizar contracciones rápidas y sincrónicas que expulsan el agua por el sifón que, al ser móvil, puede dirigir el chorro en múltiples ángulos. La fuerza que se aplica en la expulsión del agua controla la velocidad. Esta forma de propulsión les permite, por ejemplo, huir rápidamente en caso de peligro.

Pero en ocasiones esa velocidad no es suficiente. Así que ese mismo chorro de agua es utilizado por algunos calamares para levantar el vuelo y salir fuera del agua. Una vez en el aire expulsan el agua restante, abren las aletas y unos apéndices membranosos para quedar en suspensión, y cambian de postura para reducir la resistencia y ganar sustentación.

Aunque algunos investigadores ponen en duda que este comportamiento pueda definirse como un verdadero “vuelo” (prefieren catalogarlo como un salto propulsado), para otros constituye un “vuelo biomecánico”, es decir, un comportamiento locomotor en el aire que implica un control activo de las fuerzas aerodinámicas. Por lo tanto, para confirmar el vuelo habría que demostrar que existe una propulsión mientras se está en el aire en combinación con alguna fuerza adicional.

Y esto es lo que se ha conseguido gracias a unas fotografías de alta velocidad tomadas desde la cubierta de un barco. En este caso 2, los calamares salieron del agua simultáneamente y en la misma dirección al ser perseguidos por un alcatraz patirrojo. La duración de cada vuelo se ha establecido en 3 segundos y la distancia recorrida de 26,4 a 33,5 metros.

Los biólogos han definido cuatro fases del vuelo: lanzamiento o despegue, propulsión, vuelo libre y buceo. En la primera fase, el calamar expulsa agua con el sifón hacia atrás y rompe la superficie del agua en un ángulo bajo a la vez que pliega las aletas contra el manto. Durante la propulsión, los brazos y aletas se extienden y el chorro de agua sale de forma continua hacia atrás. Además, la expulsión del agua de la cavidad del manto aumenta la aceleración por la pérdida de peso.

Una vez que se termina el agua del manto pasamos a la fase de vuelo libre. El calamar comienza a volar manteniendo las aletas y los brazos extendidos. Las aletas se curvan ligeramente hacia arriba y el cuerpo mantiene un ángulo de ataque ascendente en relación con la superficie del mar. Para llegar más lejos, el calamar genera fuerzas aerodinámicas mediante la conversión de la energía potencial gravitacional almacenada durante la ganancia de altitud en la fase de propulsión. La sustentación es el resultado de diferentes tasas de flujo de fluido sobre la parte superior e inferior de un “ala”, lo que crea un vacío parcial en la superficie superior que ejerce una fuerza ascendente. Los tentáculos y aletas del calamar parece que funcionan precisamente como alas que crean sustentación.

Por último, cuando se aproxima de nuevo al agua, las aletas y los brazos se mantienen pegados al cuerpo para que el calamar entre en el mar con un ángulo de inclinación que genera muy poca perturbación en la superficie (de hecho, ninguno de los animales llegó a rebotar). Esta postura aerodinámica permite una reentrada suave en el agua, minimizando la resistencia.

Así, aunque hemos dicho que la locomoción del calamar se denomina de propulsión a chorro porque el manto se llena y vacía alternativamente de agua mientras está sumergido, dado que en el aire no puede volver a llenar el manto con agua, su “lanzamiento” fuera del mar es técnicamente una propulsión de cohete.

Tras una estimación del tamaño del calamar Dosidicus gigas (calamar de Humboldt o calamar gigante) se ha constatado que, en términos absolutos, logra en el aire una aceleración máxima y una velocidad de 7,2 m/s comparada con una velocidad máxima en el agua de entre 3 y 4 m/s. La distancia recorrida en cada vuelo puede llegar a los 50 metros.

En definitiva, será necesario estudiar y documentar más casos como estos para perfilar mejor otros aspectos muy interesantes, como por ejemplo, la capacidad de comunicar su situación. Se ha visto que la actitud, la postura y el color de los calamares difieren en función de la fase de vuelo en que se encuentren. Estos cambios apoyan la idea de que los calamares no se lanzan al aire por accidente, sino que tienen un programa de comportamiento para colocarse en la zona de planeo y coordinar la actividad de los cromatóforos de su piel y transmitir esa información a los demás.

Se trata sin duda de un mecanismo de escape muy útil en situaciones de peligro.

Referencias

Maciá, S., et al. (2004), «New observations on airborne jet propulsion (flight) in squid, with a review of previous reports«. Journal Molluscan Studies, vol. 70, núm. 3, p. 297-299.

Muramatsu, K., et al. (2013), «Oceanic squid do fly«. Marine Biology, vol. 160, núm. 5, p. 1171-1175.

O’Dor, R., et al. (2013), «Squid rocket science: How squid launch into air«. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, vol. 95, p. 113-118.

Rush, W. H., 1892. Notes and news from the U.S.S. Yantic, Montevideo, March 11, 1892. Nautilus vol. 6, núm. 7, p. 81–82.

Notas

¿Qué es la fiebre mediterránea familiar?

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Esta anotación es una ampliación de otra que publiqué hace unos meses con ocasión del día mundial de las enfermedades raras (titulada Yo también soy raro) con la finalidad de explicar qué es la fiebre mediterránea familiar (apoyándome en mi experiencia personal) así como analizar las últimas investigaciones en este campo. En estos momentos participo como ponente en el evento de divulgación científica Desgranando Ciencia dando una charla sobre este particular pero, debido a las restricciones de tiempo, he creído oportuno ofrecer aquí una información más detallada así como enlaces a los artículos científicos que menciono.

La fiebre mediterránea familiar (en adelante FMF) es un desorden autoinflamatorio sistémico caracterizado por episodios recurrentes de fiebre, serositis 1, sinovitis 2 y, en algunos casos, por inflamaciones cutáneas. Esta inflamación viene acompañada generalmente de una crisis de dolor abdominal autolimitada. La enfermedad se hereda de forma autosómica recesiva, lo que significa que se manifiesta únicamente cuando la mutación del gen MEFV que la provoca está presente en las dos copias del material genético del enfermo. Para comprender esto debemos saber que en cada una de nuestras células existen dos copias completas de nuestro ADN: una la recibimos de nuestro padre y otra copia de nuestra madre.

En el caso de la FMF, el que se trate de una enfermedad recesiva implica que para que se manifiesten los síntomas tienen que darse las dos copias mutadas del gen MEFV ya que, en caso contrario, la copia “buena” del gen supliría las deficiencias del otro.

Gen autosómico recesivo. Modo de herencia entre dos portadores de un gen autosómico recesivo (wikimedia commons)
Gen autosómico recesivo. Modo de herencia entre dos portadores de un gen autosómico recesivo (wikimedia commons)

Para que se den cuenta de la casualidad (y como refleja perfectamente la imagen de más arriba), se ha dado la circunstancia de que cada uno de mis padres tiene una copia mutada del gen MEFV (así, son portadores de la enfermedad y pueden transmitirla pero no la padecen) y debido a la recombinación genética, esas dos copias vinieron a juntarse en mí (de hecho, mis hermanos también pueden ser portadores aunque ninguno de ellos la sufre). Por esto la “familiaridad” de la enfermedad se manifiesta no tanto en familiares directos (padres, hermanos o abuelos) como en primos o tíos.

¿Cuáles son los síntomas?

Como ya hemos adelantado, en algunos casos la fiebre puede ser el único síntoma con temperaturas que oscilan entre los 38 y los 40 ºC.

Sin embargo, en la mayoría de los pacientes la fiebre sólo es la antesala de la manifestación del resto de síntomas, donde el ataque de dolor abdominal es el más habitual ya que lo sufren el 95% de los mismos. Este dolor suele estar localizado al principio de la fase aguda (generalmente en la fosa ilíaca derecha) para extenderse por el resto del abdomen con el paso de las horas. La localización anatómica del dolor y la forma de presentarse junto con la fiebre llevan en muchas ocasiones a que los servicios de urgencias hospitalarias decidan realizar laparotomías o apendicetomías que, a la postre, se revelan innecesarias.

La artritis, o dolor articular, es otra característica común de esta enfermedad, viéndose más afectadas las articulaciones de las extremidades inferiores.

Por último, un tercio de los pacientes manifiestan una inflamación de los tejidos que rodean los pulmones (pleuritis) que desembocan en ataques agudos de fiebre y dolor de pecho.

Debemos tener presente que la casuística es enormemente variada ya que los enfermos no tienen por qué experimentar todos los síntomas. A esta circunstancia se une el hecho de que la enfermedad varía en su manifestación a lo largo de la vida de los pacientes, quienes experimentan diferentes tipos de crisis. De hecho, aunque la edad habitual de aparición de los síntomas es alrededor de los 20 años 3, también se han descrito casos durante la lactancia y la niñez, con la enorme dificultad diagnóstica que eso supone.

Por último destacar que la complicación más grave e importante es el desarrollo de amiloidosis. El amiloide es un material de naturaleza proteica que se deposita en ciertos órganos (riñones, hígado, intestino, piel y corazón) causando una pérdida progresiva de su función. La amiloidosis no es una complicación exclusiva de la FMF ya que puede aparecer en el curso de cualquier enfermedad inflamatoria crónica que no se trate adecuadamente y puede, en los casos más severos, llevar a la muerte.

En mi caso particular ¿cómo se manifiesta la enfermedad?

Mi principal síntoma es un fuerte dolor abdominal que comienza en la fosa ilíaca derecha y termina extendiéndose por toda la región abdominal, acompañado de fiebre alta (picos de 39º y 40º). Además tengo artritis en las articulaciones, sobre todo en las muñecas y las rodillas (ya cronificada aún sin crisis). Esta fase aguda o “crisis” tiene una duración variable que va desde las 24 horas hasta los dos o tres días. La evolución de las crisis es progresiva y autolimitada: comienza con una leve molestia abdominal muy focalizada que poco a poco se va intensificando y generalizando hasta que alcanza su máxima intensidad unas cuatro o cinco horas más tarde. Esta situación llega a desaparecer por completo al cabo de pocos días 4.

Además de la duración, otro aspecto importante es la frecuencia, la recurrencia de las crisis. En este aspecto también hay una gran variabilidad ya que hay épocas en las que sufro una crisis al mes, y otras en las que me libro durante 3 o 4 meses. Esta ha sido la tendencia habitual durante muchos años.

Sin embargo, de un tiempo a esta parte se ha venido a complicar la cosa. No sólo ha aumentado la frecuencia de las crisis (ahora tengo una crisis cada semana o 10 días, lo que en la práctica supone que estoy enfermo todo el tiempo) sino que se ha sumado la pleuritis a los síntomas, que quizás sea la manifestación más molesta. Se trata de ataques agudos de fiebre y dolor de pecho que comienzan justo cuando pasa el dolor abdominal y duran otras 24 o 48 horas en plenitud.

El sistema inmunitario

Para entender el mecanismo que desencadena la enfermedad necesitamos tener claros algunos conceptos de inmunología. La inmunidad es la capacidad del organismo para defenderse contra cualquier elemento extraño. Por lo tanto, el sistema inmunitario tiene como primera función reconocer lo propio de lo ajeno para, una vez reconocido lo ajeno, desencadenar una serie de mecanismos que conducirán a su eliminación 5. De esta forma, una de las tareas esenciales del sistema inmunitario es la de aprender a reconocer sus propias estructuras: este proceso se denomina tolerancia inmunológica.

Se trata de una cuestión muy importante ya que un exceso de tolerancia hará que el organismo no reconozca todas las sustancias extrañas que debiera, tornándose incapaz de defenderse (inmunodeficiencia); mientras que una falta de tolerancia provocará que reconozca como extrañas las propias estructuras del organismo, dando origen a la autoinmunidad.

Siguiendo esta argumentación, podemos dividir el sistema inmunitario en función de que los elementos del sistema requieran reconocer previamente al agente extraño (la llamada inmunidad específica, adaptativa o adquirida 6) o no reconocerlo (inmunidad natural, innata o inespecífica 7) para poder actuar. Veamos algunas pinceladas de cada uno:

Si un microorganismo o agente extraño logran atravesar la piel y los epitelios se pone en marcha el sistema de inmunidad natural. Se trata de una red de células y proteínas que responden a la infección o a la lesión de los tejidos a través del reconocimiento genéticamente «programado» de las moléculas extrañas (por ejemplo, los componentes de la pared celular bacteriana) o moléculas producidas o liberadas por las células dañadas (por ejemplo, la interleucina 1 (IL-1) y los cristales de ácido úrico).

Por otro lado, el sistema de inmunidad específica constituye una barrera defensiva adicional, aún más sofisticada, formado por un tipo de moléculas que funcionan como «adaptadores flexibles» llamados anticuerpos, que por un lado se unen a los fagocitos 8, y por el otro se unen al microorganismo (llamado antígeno) sin importar de qué tipo se trate. De esta forma los atrapan y eliminan.

La inmunidad específica se caracteriza por dos hechos esenciales: primero, hay una memoria de cada encuentro con el antígeno, lo que hace que cada contacto posterior amplifique la respuesta (esta es la base de la vacunación); y segundo, la respuesta inmunitaria específica amplifica los mecanismos protectores de la inmunidad natural, logrando que los antígenos sean localizados y eliminados más rápidamente.

Otro componente fundamental del mecanismo de respuesta inmunitaria es el llamado sistema del complemento. El sistema del complemento es un sistema funcional de proteínas del plasma (cerca de 40) que interactúan entre sí y con otros elementos de los sistemas inmunitarios innato y adquirido, para mediar una serie de respuestas inmunológicas. La activación del sistema del complemento induce la producción de péptidos que activan, entre otras, la respuesta inflamatoria dando como resultado un flujo de fluidos que lleva anticuerpos y células fagocitarias al lugar de entrada del antígeno.

Las enfermedades autoinflamatorias, como la FMF, surgen a consecuencia de la activación inapropiada de los mecanismos inflamatorios independientes de antígenos, es decir, del sistema de inmunidad natural. Lo analizaremos con más detalle a continuación.

Genética

Se ha identificado la mutación responsable de la FMF en un gen, llamado MEFV, que está compuesto por 10 exones localizados en el brazo corto del cromosoma 16 (16p13.3). De acuerdo con la base de datos Infevers, a día de hoy se han estudiado 298 variaciones asociadas a la enfermedad, la mayor parte de las cuales están agrupadas en el último exón (exón 10), aunque la mutación localizada en el exón 2 (E148q) parece ser la más común en los enfermos europeos 9.

mefvgeneinfevers
Esquema del gen MEFV. Infevers

Este gen codifica para una proteína formada por 781 aminoácidos llamada pirina o marenostrina que participa en el control de la inflamación, por lo que si está mutado, como sucede en los enfermos de FMF, esta regulación no se lleva a cabo correctamente.

La pirina tiene un papel fundamental en el sistema inmune innato, y se expresa en el citoplasma de ciertos leucocitos 10 y también se localiza en los microtúbulos. Su principal función es la de regular el inflamosoma, una estructura conformada por proteínas intracelulares implicadas en el inicio de la respuesta inflamatoria, necesario para la conversión de pro-interleucina 1β a interleucina 1β activada.

¿Qué pasa concretamente con este gen MEFV?

La respuesta típica de la inmunidad natural frente a una agresión externa es la inflamación. Si se produce una rotura en la piel los microorganismos pueden acceder al interior del organismo de ahí que, como reacción, se produzca la inflamación con varios fines: aislar, destruir al agente dañino, y reparar el tejido u órgano dañado. Todos conocemos los signos: rubor (coloración roja), tumor (hinchazón), calor y dolor. La coloración y el calor se deben a un aumento del flujo sanguíneo en el área y a la constricción de los vasos sanguíneos. Gracias a la intervención de mediadores químicos se aumenta la permeabilidad capilar para que los líquidos y las células sanguíneas pasen al espacio extravascular: esto provoca la hinchazón y el aumento de la presión local, que es lo que origina el dolor. El objeto de todo este movimiento orquestal es la acumulación de un fluido rico en proteínas, fibrina y leucocitos. Éstos últimos se dirigen hacia la zona afectada por un proceso denominado quimiotaxis (una locomoción dirigida) para, una vez allí, fagocitar los microbios y destruirlos.

Respuesta inflamatoria.
Respuesta inflamatoria.

La desregulación del inflamosoma se ha propuesto como el principal mecanismo de la FMF. Entre las sustancias que intervienen en la quimiotaxis se encuentran los componentes del sistema del complemento, sobre todo la proteína C5a. Para que nos entendamos, cada vez que se produce una lesión, la C5a se libera con la función de decirle a los neutrófilos (que son quienes tienen que combatir la infección) ven aquí y defiende el organismo. Son los primeros en llegar al lugar dañado y, además de trabajar como basureros, engullendo literalmente los agentes nocivos, actúan como mediadores de la inflamación (la causan y, al mismo tiempo, cuando la necesidad de la misma ha desaparecido, se encargan de su desaparición).

En las personas sanas, la pirina inhibe el mediador de la inflamación C5a, lo que sirve para controlar la presencia de neutrófilos y, por tanto, la inflamación. Sin embargo, en una persona con FMF la ausencia de función de la pirina debido a la mutación del gen MEFV lleva a una sobre secreción de citocinas inflamatorias 11. El resultado es una espiral ascendente que culmina en una reacción inflamatoria desmedida: el ataque de FMF.

A un nivel clínico, los ataques agudos de FMF se producen debido a la activación de los neutrófilos en las superficies serosas y sinoviales. El papel clave de los neutrófilos en la FMF se ha confirmado gracias a diversas circunstancias: están presentes en el fluido seroso; la pirina se expresa en los neutrófilos; y porque la colchicina tiene un efecto rápido en la prevención de los ataques.

Adaptado de Wang, D., et al. (2014), "Familial Mediterranean Fever: From pathogenesis to treatment". Journal of Genetic Syndromes & Gene Therapy, vol. 5, núm. 5, p. 1-11.
Adaptado de Wang, D., et al. (2014), «Familial Mediterranean Fever: From pathogenesis to treatment». Journal of Genetic Syndromes & Gene Therapy, vol. 5, núm. 5, p. 1-11.

¿Cuál es el tratamiento?

El tratamiento consiste en la toma de un medicamento: colchicina. La colchicina se comercializa en España bajo dos presentaciones: Colchicina Seid y Colchimax (que une a la colchicina la dicicloverina hidrocloruro, un antidiarréico). La dosis normal es de 1,2 a 2,4 mg al día en adultos, pudiendo incrementarse o reducirse en 0,3 mg al día en función de la eficacia o los efectos secundarios.

La toma de este medicamento es para toda la vida ya que no solo controla los brotes de la enfermedad 12 sino que elimina el riesgo de sufrir amiloidosis.

Me voy a detener un momento para explicar cómo se llegó a utilizar la colchicina para tratar la FMF. Tenemos que situarnos en el Boston de la década de los sesenta del siglo pasado. En el Hospital General de Massachusetts, el Dr. Stephen Goldfinger atendió a una paciente que le había remitido un colega psiquiatra: una mujer con una profunda depresión debido a que sufría crisis recurrentes de dolor abdominal y fiebre que no le permitían llevar una vida normal. Como todos los tratamientos habían fallado, el Dr. Goldfinger le dijo que no podía ofrecerle otra cosa que narcóticos para mitigar en lo posible los dolores. Días más tarde, mientras estaba en un congreso fuera de la ciudad, el médico recibió un mensaje urgente ya que su paciente había intentado suicidarse debido a la desesperación (pasó cuatro días en coma aunque al final sobrevivió).

Impactado por la situación, el Dr. Goldfinger decidió implicarse a fondo para encontrar un tratamiento efectivo para su paciente. Consultó a varios de sus colegas sin obtener resultados hasta que un día, mientras comía en la cafetería del hospital, volvió a preguntar si alguien conocía algún tratamiento para la FMF o tenía alguna pista que ofrecer sobre el caso. Para su sorpresa recibió una respuesta afirmativa del Dr. Guillermo Sánchez: le explicó que tenía un paciente de gota que también padecía FMF y que cuando le prescribió colchicina (el medicamento habitual para tratar los ataques de gota), los ataques de FMF desparecieron.

Sin pensarlo dos veces, el Dr. Goldfinger comenzó a tratar a su joven paciente con colchicina a diario y el resultado fue casi inmediato: no volvió a tener más ataques.

Tras este éxito inicial, comenzó un estudio con cinco pacientes de FMF a quienes administró entre 0,6 y 1,8 mg de colchicina al día. Los resultados, que corroboraban el descubrimiento, fueron rechazados por la revista New England Journal of Medicine (NEJM) debido a que no cumplían el estándar científico de la revista y no se habían llevado a cabo ensayos de doble ciego. A pesar de todo se aceptó su publicación en forma de “carta” a la revista (que exigía un baremo de rigor inferior) y el artículo vio la luz en 1972 bajo el título Colchicine for Familial Mediterranean Fever 13.

El objetivo biológico de la colchicina es la tubulina, una proteína globular implicada en la composición de los microtúbulos. La colchicina bloquea la polimerización de la tubulina interfiriendo en la migración de los neutrófilos y la desgranulación. Del mismo modo, interfiere en la activación del inflamosoma.

Tratamientos alternativos

Se da la circunstancia de que entre un 5 y un 10% de los pacientes de FMF son resistentes al tratamiento con colchicina (de nuevo, este es mi caso); resistencia que se define clínicamente cuando se sufre al menos una crisis al mes a pesar de mantener un tratamiento diario con 2 mg o más de colchicina.

El mecanismo que provoca esta resistencia no está claro aún, pero un estudio 14 publicado hace diez años mostraba que estos pacientes mantenían una concentración baja del medicamento en las células mononucleares 15 quizás como resultado de un defecto genético aún no identificado.

Durante décadas el único tratamiento conocido era la colchicina, pero los recientes descubrimientos en relación con el inflamosoma así como de la importancia de la interleucina-1β como la citocina más importante involucrada en la patogénesis de la FMF, llevaron a los investigadores a plantear la posibilidad de bloquearla mediante un antagonista 16.

Actualmente disponemos de tres tratamientos biológicos que actúan como antagonistas para la IL-1β: Anakinra, Rilonacept y Canakinumab. Todos ellos se administran por vía intramuscular aunque difieren en la dosis y la frecuencia de administración. Estos medicamentos son agentes inmunosopresores cuya función es la de bloquear la actividad biológica de la IL-1β producida naturalmente, con lo que ataca la base de la reacción inflamatoria.

Un aspecto que hay que tener muy presente es que, hasta la fecha, no existen ensayos controlados y aleatorizados acerca de la eficacia de estos tratamientos a excepción del Rilonacept, donde se ha comprobado su eficacia en un grupo de 12 pacientes de FMF resistentes a la colchicina 17. Actualmente se lleva a cabo un ensayo de este tipo (controlado, aleatorizado y de doble ciego) en el Sheba Medical Center de Israel donde se pretende reclutar cincuenta pacientes a los que administrar 100 mg al día de Anakinra o un placebo durante cuatro meses. Hasta abril de este año se contaba con 24 pacientes, 12 de los cuales mostraron una respuesta extraordinaria al medicamento, mientras que los otros 12 continuaron sufriendo ataques. Tendremos que esperar a los resultados definitivos, pero parece que los efectos beneficiosos hay que achacarlos a la medicación real, mientras que los fallos se deberían al placebo.

Conclusiones

Como he explicado en la charla diré que el pasado día 9 de diciembre comencé el tratamiento con Anakinra (un medicamento bajo el nombre comercial de Kineret) con una dosis inicial de 100 mg al día por vía intravenosa. Aún es pronto para saber si mejorará mi situación, pero lo cierto es que ahora puedo afrontar el futuro con mejores perspectivas.

Para terminar, no puedo dejar de agradecer especialmente la labor del Dr. Manuel Abarca, del Hospital Universitario Virgen de la Victoria de Málaga quien, desde el primer día que acudí a su consulta hace unos meses, se implicó de lleno en mi caso. Su afán por conocer mejor esta enfermedad y buscar una solución para mi caso particular me ha posibilitado el acceso al tratamiento biológico que he comenzado hace poco.

Referencias

Ben-Zvi, I. y Livneh, A. (2014), «Colchicine failure in Familial Mediterranean Fever and potential alternatives: embarking on the anakinra trial«. Isr Med Assoc J, vol. 16, núm. 5, p. 271-273.

Celada, A. (1994), Inmunología básica. Barcelona: Labor, 654 p.

Dinarello, C. A. y van der Meer, J. W. M. (2013), «Treating inflammation by blocking interleukin-1 in humans». Seminars in Immunology, vol. 25, núm. 6, p. 469-484.

Hashkes, P. J., et al. (2012), «Rilonacept for colchicine-resistant or -intolerant Familial Mediterranean Fever: a randomized trial». Ann Intern Med, vol. 157, núm. 8, p. 533-541.

(2014), «Correction: Rilonacept for colchicine-resistant or -intolerant Familial Mediterranean Fever«. Ann Intern Med, vol. 160, núm. 4, p. 291-292.

Lidar, M., et al. (2004), «Colchicine nonresponsiveness in Familial Mediterranean Fever: clinical, genetic, pharmacokinetic, and socioeconomic characterization». Seminars in Arthritis and Rheumatism, vol. 33, núm. 4, p. 273-282.

Matzner, Y., et al. (2000), “Expression of the familial Mediterranean fever gene and activity of the C5a inhibitor in human primary fibroblast cultures“. Blood, vol. 96, núm. 2, p. 727-731. (descarga directa en formato PDF).

Meinzer, U., et al. (2011), «Interleukin-1 targeting drugs in Familial Mediterranean Fever: a case series and a review of the literature«. Seminars in Arthritis and Rheumatism, vol. 41, núm. 2, p. 265-271.

Mitroulis, I., et al. (2008), «Anakinra suppresses Familial Mediterranean Fever crises in a colchicine-resistant patient«. Neth J Med, vol. 66, núm. 11, p. 489-91.

Wang, D. Q. H., et al. (2014), «Familial Mediterranean Fever: from pathogenesis to treatment«. Journal of Genetic Syndromes & Gene Therapy, vol. 5, núm. 5, p. 1-11.

Enlaces

Familial mediterranean fever. OMIM (catálogo de enfermedades genéticas).

Artículos recientes sobre FMF en PubMed.

Notas

La deuda de la genética con Thomas D. Brock

por

Quien más quien menos ha experimentado alguna vez un momento “eureka”, ese instante de lucidez que, a modo de fogonazo, nos revela la solución a un problema cuando ya nos habíamos dado por vencidos. Para algunos científicos, desconectar y dejar vagar los pensamientos libremente puede considerarse poco productivo y perjudicial, sin embargo, la realidad es que Arquímedes —si tomamos como verídica su historia— no fue el único que se aprovechó de estos momentos de relajación.

El primer protagonista de nuestra historia experimentó uno de estos destellos de lucidez un viernes por la noche en abril de 1983 1. Kary Mullis, biólogo molecular que trabajaba para Cetus Corporation, tenía una cabaña en el valle de Anderson (en el condado californiano de Mendocino) donde había decidido pasar el fin de semana con una amiga. Todo sucedió mientras se aferraba al volante de su coche que serpenteaba a la luz de la luna por una carretera de montaña que atraviesa un bosque de secuoyas (la famosa ruta 101). La noche estaba saturada de humedad y del aroma de la floración de los castaños.

En ese momento de relajación, propio de la conducción nocturna por carreteras desiertas, fue cuando le llegó la inspiración (aunque algunos afirman, con indudable mala intención, que el LSD también jugó su papel). Mullis llevaba tiempo buscando la forma de evitar el tedioso trabajo de laboratorio necesario para hacer múltiples copias de una secuencia particular de ADN por lo que, intuyendo que había dado con algo importante, paró el coche, cogió papel y lápiz y comenzó a hacer cálculos (la parada repentina molestó tanto a su acompañante que, refunfuñado, se pasó al asiento trasero del coche sin prestar atención al momento de revelación de su compañero). Por fin había dado con un proceso que permitía fabricar un número ilimitado de copias de cualquier gen: la reacción en cadena de la polimerasa (más conocido como PCR, por las siglas en inglés de polymerase chain reaction).

Al principio nadie creyó en su idea, aunque con perseverancia consiguió que el proceso funcionase, recibiendo por ello el Premio Nobel de Química en 1993. Desde ese momento, Mullis se volvió cada vez más excéntrico —por emplear un término suave— convirtiéndose, por ejemplo, en un firme defensor de la teoría de que el VIH no causa el SIDA, una postura que ha dañado tanto su credibilidad como los esfuerzos de la comunidad científica por hacer frente a la enfermedad.

Bien, pero, ¿qué es la PCR?

Esta técnica supuso una auténtica revolución en un campo que a mediados de los ochenta del siglo pasado comenzaba a despegar: la biología molecular. Si queremos saber qué es lo que hace un gen, o cuando necesitamos determinadas proteínas para el tratamiento de una enfermedad genética, o fabricar determinadas vacunas, se emplea una técnica llamada del ADN recombinante. Consiste en tomar una molécula de ADN de un organismo (ya sea un virus, una planta o una bacteria) para manipularla en el laboratorio e introducirla de nuevo en otro organismo para que produzca, por ejemplo, una proteína que le sea totalmente extraña. Es lo que venimos haciendo con la insulina que requieren los diabéticos 2. Pues bien, un requisito previo para aplicar esta técnica es contar con grandes cantidades de un segmento específico de ADN. Y eso es lo que hace precisamente la PCR.

Antes del perfeccionamiento de esta técnica solo podían obtenerse cantidades mínimas de un gen concreto, pero tras su invención, incluso un único gen puede amplificarse hasta obtener 100 billones de moléculas similares en una tarde. De esta forma se evita la clonación y permite emplear la PCR en fragmentos de ADN que estén presentes, inicialmente, en cantidades infinitesimalmente pequeñas.

Aunque parece algo sencillo a primera vista —podemos pensar que no es más que de una mera “fotocopia” de una molécula existente— lo cierto es que resulta bastante complicado de por sí obtener una molécula bien definida de ADN natural de cualquier organismo (con la excepción de algunos virus extremadamente sencillos). La doble cadena de ADN está rodeada y enrollada, dentro de la célula, por muchas proteínas. Cuando los biólogos tratan de aislar una cadena desnuda de ADN, ésta es tan larga y delgada que incluso las suaves fuerzas de corte empleadas la rompen en puntos aleatorios. De esta forma, si tomamos ADN de 1000 células idénticas, habrá 1000 copias de un gen concreto, pero cada copia estará en un fragmento de ADN de diferente longitud. Este proceso es en cualquier caso lento y costoso.

En realidad, lo que hace la PCR es simular lo que sucede en una célula cuando se sintetiza el ADN, aunque en nuestro caso mezclamos todos los ingredientes necesarios en un tubo Eppendorf: una ADN polimerasa, el tramo ADN del organismo que queremos estudiar, los oligonucleótidos (también llamados primers, iniciadores, cebadores, “oligos”, etc.) necesarios para que se inicie la transcripción, y los desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTPs, con las cuatro bases nitrogenadas: adenina, timina, guanina y citosina); todo ello en las condiciones precisas para que la ADN polimerasa trabaje adecuadamente (cierto pH, determinadas cantidades de magnesio en forma de MgCl2, KCl, y algunas otras sales o reactivos, en función de cada polimerasa).

¿Cómo funciona?

El método consiste en realizar ciclos repetitivos que comienzan calentando el ADN para lograr que las dos hebras que lo conforman se separen y, al enfriarse, unos cebadores se acoplen en los extremos. La reacción de copia se lleva a cabo en presencia de ADN polimerasa y de los cuatro nucleótidos (A, T, G y C), donde cada hebra hace de plantilla para la síntesis de la nueva cadena. La función de la ADN polimerasa es añadir los nucleótidos libres a los de la cadena original. Una vez concluida la síntesis de las hebras complementarias se acaba el primer ciclo (que puede repetirse cuantas veces sea necesario). Por lo tanto, la cantidad de ADN que podemos obtener sólo está limitada, en teoría, por el número de veces que se repitan estos pasos. Analicémoslos con un poco más de detalle:

En primer lugar, se toma un fragmento de ADN y se calienta a unos 95ºC hasta que se disocia en dos cadenas sencillas (este proceso se denomina desnaturalización y dura normalmente 5 minutos).

Por métodos químicos se han sintetizado e incluido en la “mezcla primaria” dos cebadores 3 —tramos cortos de ADN de una sola cadena, por lo general de una longitud de alrededor de veinte pares de bases—, cuyas secuencias encajan en las regiones que flanquean el fragmento de ADN que nos interesa (por eso es indispensable conocer los dos extremos de la región del ADN que se quiere amplificar para que los cebadores hibriden con cada extremo, es decir, se combinen entre sí las dos cadenas de ácidos nucleicos). De esta forma, los cebadores delimitan nuestro tramo de ADN o gen diana. Se necesitan dos cebadores diferentes, uno para cada una de las cadenas disociadas: uno es idéntico al extremo terminal 5’ de la hebra codificante y el otro idéntico al extremo 3’ de la hebra no codificante. Este paso, conocido como alineamiento o hibridación, es el de menor temperatura de la PCR y el que marca la especificidad de la reacción.

Por último, en el último paso, de extensión, interviene la ADN polimerasa, la enzima que facilita el proceso de replicación del ADN mediante el emparejamiento de los desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP) libres con los desoxirribonucleótidos complementarios del ADN molde. Aquí la temperatura sube a 72ºC porque esa es la temperatura en la cual la polimerasa alcanza su máxima actividad. Debemos tener presente que esta replicación sólo comienza donde el ADN ya es de doble cadena, es decir, en el lugar donde el cebador se ha hibridado en el paso anterior. La polimerasa hace una copia complementaria de la plantilla de ADN a partir de cada cebador, y por lo tanto, copia la región diana. Las ADN polimerasas pueden añadir hasta 1000 nucleótidos por segundo, y el producto final es una molécula de ADN de doble cadena.

Cada grupo de tres pasos (desnaturalización, alineamiento y extensión) se denomina ciclo; y la sucesión de una serie de ciclos en los que tiene lugar la desnaturalización del molde, la hibridación con los cebadores y la extensión de la síntesis por acción de la ADN polimerasa produce un aumento de forma geométrica del ADN resultante. Es decir, partiendo de cantidades mínimas (del orden de femtogramos), tras 30 ciclos se pueden obtener cantidades enormes (microgramos). Esto es así porque los productos de un ciclo se emplean como moldes del ciclo siguiente.

Hoy en día todos estos pasos se llevan a cabo en una máquina llamada termociclador, que calienta o enfría los tubos que contienen todos los “ingredientes” de forma precisa.

¿Qué pinta un microbiólogo en todo esto?

Nuestro segundo protagonista, y parte esencial en esta historia, es el microbiólogo Thomas Dale Brock, conocido por sus trabajos pioneros con bacterias extremófilas, los microorganismos que son capaces de prosperar en condiciones extremas (ya sean de temperatura, acidez, radiación o anoxia). Ha publicado más de 250 artículos y 20 libros, además de haber obtenido numerosos premios científicos 4.

Cuando comenzó a utilizarse la PCR surgió un problema importante con la ADN polimerasa, la enzima que hace el trabajo de copia. El método original empleaba la polimerasa de la bacteria Escherichia coli, pero su temperatura óptima de funcionamiento (37ºC) queda muy por debajo de los 95ºC necesarios para la desnaturalización del ADN, con lo que se destruía en el proceso. Por ese motivo era necesario añadir más enzima a la reacción tras cada ciclo. Si tenemos presente que la polimerasa es cara, comprenderemos que se viera que la PCR, a pesar de su enorme potencial, no era una herramienta económicamente práctica.

Entonces la madre naturaleza, la serendipia y nuestro microbiólogo vinieron al rescate.

Debemos situarnos a comienzos del verano de 1964 y, de nuevo, con un largo trayecto por carretera como telón de fondo. Brock tenía que viajar desde Indiana (donde residía) a los laboratorios Friday Harbor de la Universidad de Washington en Seattle, donde tenía previsto pasar unas semanas llevando a cabo estudios de microbiología marina. Este trayecto, de unos 3.700 kilómetros por carretera, atraviesa Montana, Idaho y Wyoming, estados por donde se extiende el famosísimo Parque Nacional Yellowstone. Al igual que otros muchos norteamericanos, Brock había oído hablar maravillas de este prodigio de la naturaleza pero nunca había tenido ocasión de visitarlo así que esta vez no dejó pasar la oportunidad: el día que tomó ese desvío cambió el rumbo de la biología molecular.

Su primera parada fue en la West Thumb Geyser Basin, una de las cuencas de géiseres más pequeñas de Yellowstone aunque una de las más pintorescas. Allí experimentó un súbito impacto al ver las alfombras de algas de fuertes colores naranja, rojo y verde que tapizaban los manantiales que había por doquier.

A pesar de ser plenamente consciente de que las algas vivían en ambientes termales no estaba preparado para lo que vio. Continuó su viaje a la costa oeste donde pasó el verano en los laboratorios Friday Harbor, aunque no se pudo quitar Yellowstone de la cabeza. En el viaje de regreso a Indiana recaló allí de nuevo, esta vez con un poco más de tiempo, y tomó varias muestras.

En el verano siguiente decidió pasar allí dos semanas intensivas de investigación junto a su mujer antes de un viaje que tenía previsto realizar a Islandia. En Mushroom Spring fue donde se fijó por primera vez en unas masas de bacterias filamentosas rosadas, a partir de cuyas muestras (y gracias a la ayuda de Hudson Freeze) lograron aislar un organismo al que llamaron Thermus aquaticus 5.

Lo cierto es que dos años antes de la publicación de este descubrimiento, Brock ya había llamado la atención de la comunidad científica acerca de la importancia de investigar a fondo las fuentes termales del Parque Nacional Yellowstone. Lo hizo en un artículo que apareció como artículo principal de la revista Science 6, tras cuya publicación un buen número de bioquímicos de diferentes Universidades y de la industria se interesaron por estos microorganismos. Nuestro microbiólogo señaló entonces que una buena vía de investigación sería centrarse en las enzimas que actúan sobre el ADN, como las polimerasas. Su trabajo, sin embargo, continuó por otros derroteros.

Cuando muchos años más tarde se descubrió la reacción en cadena de la polimerasa, el valor de la enzima de Thermus aquaticus se puso de relieve.

La ADN polimerasa de este organismo (Polimerasa Taq) se caracterizó en 1976 en la Universidad de Cincinnati por Alice Chien, David Edgar, y John Trela; pero no fue hasta 1987 cuando se produjo el hito final: en diciembre de ese año se aceptó para la publicación en Science el artículo escrito por Kary Mullis y otros colegas 7 donde se explicaba la trascendencia de utilizar la ADN polimerasa de Thermus aquaticus para la reacción en cadena de la polimerasa 8.

El hecho clave es que esta enzima es activa y estable a altas temperaturas, lo que significa que no pierde su función tras el primer paso de la desnaturalización del ADN, y sólo tiene que añadirse al comienzo de la reacción: su temperatura óptima de funcionamiento se sitúa entre los 70ºC y 80ºC, momento en que la bacteria sintetiza ADN a la velocidad de 35–100 nucleótidos por segundo.

El primer termociclador para la PCR salió al mercado en 1987 y supuso la automatización de todo el proceso. La revista Science eligió la PCR como el desarrollo científico más importante de 1989, y otorgó a la Taq el premio a la molécula del año.

Conclusión

Esta historia nos sirve para traer a colación la importancia de la investigación básica —que la mayoría de las veces se lleva a cabo por científicos individuales o pequeños grupos de científicos en las universidades—. En estos casos es muy difícil predecir cuándo, dónde y a quién beneficiarán los eventuales rendimientos de las diferentes líneas de investigación pero, como hemos visto, incluso un trabajo que puede parecer tedioso o demasiado teórico puede tener un impacto decisivo en el avance de la ciencia.

Artículos principales

Brock, T. D. y Freeze, H. (1969), «Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile«. Journal of Bacteriology, vol. 98, núm. 1, p. 289-297.

Mullis, K., et al. (1986), «Specific enzymatic amplification of DNA in vitro: The polymerase chain reaction«. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, vol. 51, p. 263-273.

Saiki, R. K., et al. (1985), «Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia». Science, vol. 230, núm. 4732, p. 1350-1354.

Saiki, R. K., et al. (1988), «Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase«. Science, vol. 239, núm. 4839, p. 487-491.

Más información

Brock, T. D. (1967), «Life at high temperatures». Science, vol. 158, núm. 3804, p. 1012-1019.

─── (1978), Thermophilic microorganisms and life at high temperatures. New York: Springer-Verlag, xi, 465 p.

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Notas

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