Invasores y Defensas

La mejor defensa contra las enfermedades es impedir que el enemigo invasor penetre en el organismo. Por ello, la primera línea de defensas está formada por estructuras que impiden su entrada, como son la piel, las mucosas, los pelos, los cilios, y las secreciones del tubo digestivo. No obstante, cuando microorganismos foráneos al propio organismo logran penetrar en el cuerpo, entran en juego una serie de células altamente especializadas, así como toda una batería de defensas químicas. 

La mayoría de las enfermedades que afectan a los seres humanos son, de hecho, infecciones microbianas, o invasiones bacterianas mediante virus, hongos, o protistas. Muchos de estos organismos nocivos son capaces de burlar las protecciones físicas externas, así como lograr penetrar e invadir el cuerpo. Para defenderse de tales invasiones, los animales vertebrados poseen barreras físicas y una serie de defensas de respuesta rápida. La más importante de estas defensas consiste en un sofisticado conjunto de células y tejidos conocido como sistema inmune. De hecho, ningún vertebrado es capaz de sobrevivir mucho tiempo en ausencia de tales defensas. 

Concepto de Inmunidad

Células como los linfocitos y los monocitos desempeñan un papel importante en el desarrollo de la inmunidad. Ellas son las que producen los anticuerpos que hacen que un organismo sea inmune a diversas afecciones. El término "inmune o inmunidad" se refiere a las reacciones químicas específicas que inactivan o destruyen los microorganismos invasores y sus productos. El sistema inmunitario es una colección increíblemente compleja de células especializadas, células no especializadas, y diversas estructuras histológicas. Su misión consiste en identificar y destruir a los invasores antes que estos produzcan daños en el organismo. 

Concepto de Antigeno

Lo que se conoce como "antígeno" corresponde a una sustancia extraña al organismo, casi siempre una determinada proteína, que estimula los linfocitos B para que proliferen y secreten anticuerpos específicos que se unirán a la sustancia extraña, etiquetándola como extraña, y destinarla a su eventual destrucción. Un antígeno, por lo tanto, es cualquier sustancia que estimula al organismo para que este produzca una proteína específica que lo contrarreste. Tal proteína especifica es conocida como un “anticuerpo.” 

Concepto de Anticuerpo

A diferencia de un antígeno, un "anticuerpo" corresponde a una sustancia proteica producida en sangre por un linfocito B en respuesta a una sustancia extraña o antígeno, que es liberada en el torrente sanguíneo. La nueva sustancia fabricada por el organismo en presencia de un antígeno se denomina anticuerpo. Un anticuerpo posee una estructura o configuración química especifica y adecuada para combinarse con el antígeno específico que ha provocado su síntesis. Las celulas plasmaticas (linfocitos B) y los anticuerpos que producen son capaces de aprender a reconocer estructuras con las cuales jamás han visto o estado en contacto.

El estudio de los anticuerpos se inicio en el año 1890 por Emil von Behring y Kitasato Shibasaburo. No obstante, fue recién en el año 1948 Astrid Fagreus determino que los linfocitos B en forma de células plasmáticas eran los responsables de la generación de anticuerpos. Los anticuerpos son una familia de proteínas extremadamente similares entre si. Los linfocitos B fueron denominados como tal porque fueron descubiertos por primera vez en la bolsa de Fabricio de los animales. La bolsa de Fabricio es un órgano linfoide primario que esta presente en las aves. Tiene función hematopoyetica y es el lugar donde maduran los linfocitos B. Tiene forma de saco y está situado próximo a la cloaca. Los mamíferos carecen de un órgano semejante.

Los anticuerpos también se conocen como inmunoglobulinas. Consisten en proteínas producidas por las células plasmáticas de la médula ósea como parte de la respuesta inmunitaria. Las células plasmáticas son linfocitos B transformados tras la exposición a un antígeno exógeno u ocasionalmente endógeno.

Todos los anticuerpos tienen la misma estructura molecular básica. Están formados por dos cadenas polipeptídicas "ligeras" y dos cadenas polipeptídicas "pesadas" idénticas, unidas por puentes bisulfuro. Las cadenas ligeras pueden ser de dos tipos: kappa y lambda. Las cadenas pesadas pueden ser de cinco tipos: alfa, gamma, delta, épsilon, y mu. Por otro lado, las inmunoglobulinas se denominan bioquímicamente según su tipo de cadenas pesadas como: IgA (dímero), IgG (monómero), IgD (monómero), IgE (monómero), e IgM (pentámero). De los cinco tipos, los tres principales que se encuentran en el plasma son: IgG, IgA, e IgM.

Además, las moléculas se caracterizan estructuralmente por poseer por dos distintas áreas funcionales: 1. El área Fab, o extremo variable, es la zona que reconoce y se une al antígeno; y 2.- el area Fc, es la zona responsable de la interacción con otros componentes del sistema inmunitario, como el complemento y las células T helper. Además, las distintas clases de inmunoglobulinas tienen estructuras proteicas terciarias y funciones diferentes.

Relación Antígeno-Anticuerpo

Esta singular relación entre el antígeno y el anticuerpo a menudo se compara con otra relación, la que existe entre una llave y una cerradura. Sabemos que sólo una llave adecuada encajara en una cerradura específica o especial. Del mismo modo, sólo un anticuerpo adecuado encajara en un antígeno concreto. Por lo tanto, solamente ese anticuerpo específico será capaz de neutralizar o destruir el antígeno concreto en cuestión. 

Todo lo anterior apunta a que la química y la bioquímica constituyen el trasfondo de todo proceso biológico. Karl Landsteiner descubrió que no hay limite al numero de anticuerpos por que tampoco hay limite en el numero de sustancias ante las cuales los anticuerpos son capaces de reaccionar.

Al unirse al antígeno, los anticuerpos proceden a marcarlo para su destrucción por otros elementos del sistema inmunitario. Un anticuerpo efectúa el marcaje de un antígeno combinándose con él para formar lo que se conoce como un “complejo antígeno-anticuerpo.” Este proceso de unión altamente específico es el que desencadena adicionales mecanismos moleculares con el fin de neutralizar o destruir al invasor o antígeno.

Especificidad y Maduración de la Respuesta Inmune

Un animal inmunizado no solo es capaz de producir anticuerpos específicos sino que esos anticuerpos mejoran con el tiempo a medida que el proceso de inmunización progresa. De hecho, el proceso mejora porque la afinidad y la especificidad de los anticuerpos permanece en aumento mientras subsiste el antígeno circulante. Ese fenómeno recibe el nombre de "maduración de la respuesta inmune."

Por lo tanto, el sistema inmunitario representa un sistema de defensa del organismo compuesto por glóbulos blancos. Un cierto tipo de células marcan inespecíficamente a los invasores extraños para que sean eliminados por las patrullas itinerantes, mientras que el otro tipo ataca específicamente y mata a las células que son identificadas como extrañas. La respuesta inmunitaria así generada representa la producción de anticuerpos específicos dirigidos contra antígenos también específicos. No obstante, el grado y la especificidad varia según veremos mas adelante.

Concepto de Clona o Clon

Una “clona o clon” es una célula o grupo de células producidas asexualmente a partir de un ancestro, al cual son genéticamente idénticas. Por lo tanto, policlonal significa que desciende de muchas células y no es genéticamente idéntica; y monoclonal significa que desciende de una sola célula y es genéticamente idéntica. El termino "clonar" tiene el significado de "obtener un conjunto de organismos o células idénticos a partir de un solo progenitor." La palabra proviene de "clon" y este del griego "klon" que significa "ramita, brote, renuevo."

Concepto de Policlonal

La porcion distal de una tipica molecula de anticuerpo suele ser extremadamente variable y existiendo la posibilidad de millones de tales variaciones. No obstante, sólo una pequeña porción de una molécula antigénica encaja en el sitio de reconocimiento de un anticuerpo. En el caso de los antígenos proteicos, por ejemplo, tal porción a veces se denomina "determinante," y suele contener entre dos y seis aminoácidos. No obstante, la mayoría de los antígenos son mucho más grandes que esto. Como resultado, diferentes porciones de la molécula antigénica son capaces de encajar en distintos sitios de los anticuerpos. 

Por lo tanto, un antígeno típico provocará muchos anticuerpos diferentes, cada uno de los cuales encajará en una porción diferente de la superficie del antígeno. En consecuencia, se dice que una respuesta de anticuerpos de este tipo es de carácter "policlonal." A modo de simplificacion, los anticuerpos policlonales se asemejan hermanos mellizos con diferentes genomas.

Los anticuerpos policlonales son muy prometedores en medicina e investigación por su capacidad para reconocer moléculas biológicas con una precisión casi exquisita. Sin embargo, a menudo es fundamental que las herramientas biológicas sean incluso de mucho mayor especificidad para llegar a ser útiles. 

Las inmunoglobulinas pueden aumentar de forma inespecífica en una gran variedad de infecciones, así como en las enfermedades autoinmunes. Este aumento en la síntesis procede de varias líneas celulares, cada una de las cuales produce su propia inmunoglobulina específica. Se dice entonces que la respuesta es "policlonal" y da lugar a un aumento heterogéneo y difuso de la masa proteica en toda la región correspondiente a la gammaglobulina en la electroforesis. 

Uno de los grandes misterios del sistema inmunitario que la investigación científica acabó resolviendo consiste en cómo es posible que el sistema inmune sintetize suficientes tipos diferentes de anticuerpos para poder unirse a cualquiera de los millones de proteínas o antígenos extraños diferentes que pudieran aparecer. El fundamento de tal incógnita y/o hipótesis consiste que no hay suficientes genes humanos en el ADN para codificar tantísimas moléculas de anticuerpos, y además altamente especificas. 

Sendos estudios de investigación claramente dilucidaron que el sistema inmune comienza tratando con una pequeña gama de tipos de moléculas de anticuerpos. Sin embargo, si una de ellas no se aproxima al nivel de perfección estructural requerido, el sistema inmunitario hace que las células que fabricaron el anticuerpo "casi correcto" comiencen a dividirse y a producir células hijas que fabrican cada una de ellas ligeras variaciones de la molécula original.  

A través de un elaborado y extremadamente complejo sistema de transmisión y retransmisión de mensajes, las células que fabricaron anticuerpos cada vez más adecuados son estimuladas para que evolucionen aún más. Finalmente, el sistema inmunitario crea células capaces de sintetizar moléculas de anticuerpos con un ajuste perfecto del tipo antígeno-anticuerpo. No obstante, este proceso suele tardar unos días, y explica por qué las infecciones a veces empeoran antes de que el sistema inmunitario les haga frente y finalmente logre superarlas.

Concepto de Monoclonal

En cambio, todas las células de un solo clon producen anticuerpos idénticos. Se dice entonces que la respuesta es “monoclonal.” A modo de simplificacion, podemos decir que los anticuerpos monoclonales son como hermanos gemelos con idénticos genomas. A medida que las células se multiplican, la producción de inmunoglobulina monoclonal se vuelve lo suficientemente grande como para ser observada en la electroforesis como una banda homogénea, única, y discreta. 

Es importante poder conceptualizar las diferencias y ventajas que existen entre los anticuerpos policlonales y los monoclonales. Metafóricamente hablando y, a igual que un determinado email debe poseer una dirección específica para llegar a su destino, los anticuerpos también. Una respuesta tipo policlonal es de carácter inespecífica ya que representaría una pesada y gruesa guía telefónica colmada de direcciones potenciales hacia donde dirigirse. En tal caso, idealmente, y para encontrar una determinada dirección, un investigador necesitaría de un anticuerpo dirigido específicamente contra un único y exclusivo determinante. 

En consecuencia, y debido a su bajo grado de especificidad, los anticuerpos policlonales no le servirían, siendo necesario para tal una serie de anticuerpos altamente específicos – o sea que se necesitarían anticuerpos monoclonales. Nuevamente en consecuencia, y actualmente, se utilizan dos tipos básicos de preparaciones de anticuerpos: 1.- con anticuerpos policlonales y, 2.- con anticuerpos monoclonales. 

Comparación y Contraste Entre Ambos Tipos de Anticuerpos

Los anticuerpos policlonales son heterogéneos y corresponden a aquellos producidos por muchos tipos o poblaciones genéticamente diferentes de células productoras de anticuerpos en un animal inmunizado con una proteína antigénica. Cada tipo o estirpe de célula contiene un ADN diferente y, por lo tanto, produce un anticuerpo que se une sólo a una pequeña parte específica de la proteína del antígeno. Por consiguiente, los preparados policlonales contienen una mezcla de anticuerpos que reconocen diferentes partes de la proteína antigénica.  

A modo de comparación y contraste, los anticuerpos monoclonales son sintetizados por una población de células genéticamente idénticas, conocida como clon, que crece en un cultivo celular. Un cultivo celular es un proceso en que células procariotas (sin núcleo) o eucariotas (con núcleo), pueden cultivarse en condiciones controladas. En la práctica el término "cultivo celular" se usa normalmente en referencia al cultivo de células aisladas de eucariotas pluricelulares, especialmente células animales. 

Por lo tanto, los anticuerpos monoclonales, a diferencia de los policlonales, son homogéneos y todos reconocen la misma parte específica de la proteína antigénica. La función de una proteína determinada depende de su secuencia de aminoácidos y configuración tridimensional. Los anticuerpos son de una especificidad tan elevada específicos, especialmente los monoclonales, que pueden distinguir entre dos estructuras proteicas cuya diferencia radica en un solo aminoácido. 

Cesar Milstein, Georges Kohler, y Niels Jerne

En 1984, los biólogos moleculares Cesar Milstein (1927-2002), de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), Georges Kohler (1946-1995) de la Universidad de Friburgo (Alemania), y Niels Jerne (1911-1994) de la Universidad de Basilea (Suiza) fueron galardonados con el Premio Nobel de fisiologia y Medicina por determinar el diseño de una respuesta ante determinados antígenos mediante anticuerpos monoclonales. Ambos idearon un procedimiento relativamente sencillo para aislar una clona única de células plasmáticas, todas ellas productoras de la misma e idéntica molécula de anticuerpos. Milstein, Kohler, y Niels Jerne (1911-1994) trabajaron juntos en la investigación de este tema en la Universidad de Cambridge a lo largo de los años 1970.

Cesar Milstein fue uno de los grandes científicos que pertenecian a otra generación. Una generacion selecta de mentes brillantes y humanas a la vez, y que entendía la ciencia más como una continuación de su vida que como una actividad independiente. Milstein fue alumno del Dr. Andres Estopanni, quien en su momento dirigio su tesis doctoral. Estoppani fue, conjuntamente con Venancio Delofeu y Agustin Marenzi, autor del celebre texto titulado "Quimica Biologica" editado en el año 1968, y el que muchos alumnos de medicina utilzaban como texto de referencia en la asignatura "bioquimica." Milstein tambien trabajo con Frederik Sanger, ganador de dos premios Nobel (1958 y 1980), en la Universidad de Cambridge.

En el año 1962 Milstein retorno a la Argentina, mas especificamente a la ciudad de Buenos Aires, donde acepto un puesto importante como Jefe del Departamento de Biologia Molecular del Instituto Nacional de Microbiologia Carlos Malbran. No obstante, en breve, y lamentablemente como muchos otros grandes cientificos de ese pais, seria expulsado o bien echado del pais por algunos miembros del gobierno vigente en esos tiempos. En consecuencia se vio obligado a retornar al laboratorio de biologia molecular que dirigia Frederik Sanger en la Universidad de Cambridge donde siempre fue bien recibido.

Fue en ese momento cuando Sanger le sugirió comenzar el estudio de los anticuerpos o inmunoglobulinas, cosa que eventualmente culmino en el descubrimiento de los anticuerpos monoclonales. Milstein se jubilo en el año 1995 despues de haber realizado una excelente y admirable labor como cientifico y persona de bien. Milstein, una persona de alta integridad, siempre mantuvo un profundo compromiso con la ciencia y promovio el acceso universal y la disponibilidad del conocimiento para el beneficio de la sociedad en su conjunto, renunciando a patentes, y beneficios y retribuciones economicas personales. Cabe mencionar que ese mismo pais ha perdido una cantidad ingente de mentes brillantes que eventualmente se han radicado en otros paises.

Fusión de Células Plasmáticas y de Mieloma 

En el año 1975 Milstein y Kohler mezclaron células plasmáticas productoras de anticuerpos con células cancerosas tipo linfocitos malignos llamados mieloma múltiple. Las células plasmáticas son también conocidas como células plasmáticas B. Son glóbulos blancos que se originan en los órganos linfoides por los linfocitos B que secretan grandes cantidades de anticuerpos en respuesta a la presencia de antígenos.

Las neoplasias del sistema inmunitario incluyen la leucemia, el linfoma, y el mieloma múltiple. El mieloma múltiple consiste en una proliferación descontrolada de clones de células plasmáticas que producen un único tipo de anticuerpos y corroen el hueso pélvico, las costillas, la columna vertebral, y los huesos del cráneo.

La erosión osea se lleva a cabo mediante la activación de los osteoclastos, que liberan calcio del hueso hacia la circulación. Esto provoca una elevación significativa del nivel de calcio en la sangre, siendo esta una característica tipica del mieloma múltiple. A su ves, el exceso de calcio en sangre causa una insuficiencia renal que es agravada por la excreción de fracciones de moléculas de anticuerpos conocidos como proteínas de Bence-Jones.

A pesar de que las células del mieloma múltiple sean productoras de anticuerpos, se produce una disminución de la producción, así como un aumento en la destrucción de los anticuerpos normales. Este proceso conduce a una disminución general en la capacidad de protección que puede ofrecer el sistema inmunitario. En consecuencia, las personas que padecen mieloma múltiple tienden a ser altamente vulnerables a cualquier infección bacteriana. 

Por otro lado, las células del mieloma múltiple son células plasmáticas anormales que se acumulan en la médula ósea y forman tumores óseos. Las células plasmáticas normales fabrican anticuerpos para ayudar al organismo a combatir infecciones y enfermedades. De esta manera, a medida que aumenta el número de células de tipo mieloma múltiple, se fabrica un mayor numero de anticuerpos.

Sin embargo, ni las células plasmáticas ni las de mieloma múltiple parecían ser capaces de sobrevivir lo suficiente cuando Milstein y Kohler las mezclaron. Normalmente, las células plasmáticas sólo viven durante pocas generaciones celulares, y las células cancerosas del mieloma múltiple eran mutantes y por lo tanto incapaces de sobrevivir sin un metabolito específico que las células eran incapaces de sintetizar.

El Hibridoma

No obstante, ciertas células lograron sobrevivir en la mezcla, creciendo y dividiéndose aún más. Al examinarlas se trataba de un nuevo tipo de células híbridas producidas por la fusión de una célula plasmática con una célula de mieloma múltiple. El término "híbrido" se refiere a un origen o composición mixta, o bien a la combinación de dos o más elementos diferentes. Por ejemplo, un automóvil hibrido es capaz de combinar y utilizar energía eléctrica y gasolina como combustibles. Por ello, las nuevas células híbridas creadas en el laboratorio por Milstein y Kohler recibieron el nombre de "hibridomas."  El término hibridoma fue acuñado por Leonard Herzenberg durante el año sabático que paso en el laboratorio de la Universidad de Cambridge de César Milstein entre los años 1976 y 1977.

Las células tipo hibridoma poseían un mecanismo de acción molecular doble y altamente sinérgistico: 1.- estaban dirigidas por los genes de la célula plasmática para fabricar el metabolito necesario para su crecimiento; y 2.- también estaban dirigidas por los genes de la célula cancerosa del mieloma múltiple para crecer y mantenerse en constante división en un cultivo. Estos hallazgos y desarrollos confirieron un inmenso alcance e importancia a la investigación. Y lo hizo porque las células tipo hibridoma eran capaces de continuar produciendo los anticuerpos específicos del clon molecular en el cual se había especializado la actividad inmunitaria de la célula plasmática.  

Al lograr aislar células tipo hibridoma individuales de la mezcla, los investigadores obtuvieron líneas celulares de rápido crecimiento capaces de mantenerse en cultivo indefinidamente, y donde cada célula del cultivo era capaz de producir moléculas idénticas de anticuerpos monoclonales altamente específicos. Tales anticuerpos altamente específicos corresponden a los anticuerpos monoclonales.

Utilidad Medica y Científica de los Anticuerpos Monoclonales

Los anticuerpos monoclonales han demostrado ser de gran importancia porque pueden utilizarse, entre otras muchas cosas, para aislar y purificar moléculas específicas dentro de mezclas complejas. Por ejemplo, el interferón, presente sólo en cantidades mínimas en los extractos de tejidos, se purificó por primera vez de este modo. El interferón es una proteína de bajo peso molecular producida por las células de los animales vertebrados. Esta, al entrar en contacto con un virus, actúa impidiendo la entrada y la proliferación de cualquier otro virus.  

Los anticuerpos monoclonales también han revolucionado muchos aspectos de la investigación biológica y bioquímica. También son utilizados para determinar el embarazo, diagnosticar enfermedades infecciosas, y diagnosticar ciertos tipos de enfermedades infecciosas, además del cáncer 

También se ha demostrado la posibilidad de generar anticuerpos monoclonales dirigidos contra cada una de las muchas proteínas que sobresalen de la superficie de una célula y, de este modo, aprender mucho sobre la estructura molecular y la función de los receptores ubicados sobre la superficie celular. De hecho, el receptor de células T fue aislado por primera vez en 1984 por investigadores que emplearon anticuerpos monoclonales. 

Este receptor es un complejo proteico que se encuentra en la superficie de las células o linfocitos T, siendo responsable de reconocer fragmentos de antígeno como péptidos unidos a moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad. Los linfocitos T son los responsables de montar el mecanismo de defensa inmune mediado celularmente.

En medicina, los anticuerpos monoclonales son un área de aplicación común en el diagnóstico médico. También son prometen como vehículos para administrar terapias específicas, así como en ensayos terapéuticos. Por ejemplo, se está buscando intensamente ciertos antígenos que aparezcan sólo, o predominantemente, en células cancerosas, contra los cuales que se podrían dirigir anticuerpos monoclonales ligados a fármacos o bien radiactivos para eliminar las células cancerosas de forma selectiva. 

Estas combinaciones moleculares de anticuerpos y fármacos actúan como auténticos misiles específicamente guiados hacia sus puntos diana. Cuando se inyectan en un paciente que padece cáncer, por ejemplo, la alta especificidad del anticuerpo monoclonal es capaz de dirigirse a las células cancerosas que, en consecuencia, son destruidas por el fármaco que lleva adosado. Este enfoque del tratamiento del cáncer está actualmente en fase de investigación y desarrollo, arrojando resultados alentadores especialmente en los canceres de médula ósea, así como otros. 

Palabras Finales

La explosión internacional actual la investigación y la tecnología biomédica queda evidenciada por el estudio y la aplicación de los anticuerpos monoclonales en diferentes áreas funcionales. No obstante, y como suele ocurrir con cualquier otra tecnología altamente novedosa, la implementación de los anticuerpos monoclonales ha estado plagada de dificultades y problemas. En su camino desde el lugar de la inyección hasta su objetivo, los anticuerpos monoclonales, se ven forzados a recorrer una especie de carrera de obstaculos o laberinto biológico a través de otros órganos, estructuras histológicas, y fluidos.

De hecho, un anticuerpo monoclonal determinado suele tardar mas o menos dos días en llegar a su destino. Por ello, sólo un limitado numero de ellos llegan al destino previsto. Por otro lado, las personas tratadas con anticuerpos monoclonales suelen padecer ciertos efectos secundarios como fiebre, escalofríos, y la enfermedad del suero. Todos ellos suelen ser resultado de la formación de complejos antígeno-anticuerpo, así como de la producción, por parte del sistema inmunitario, de anticuerpos anti-anticuerpos monoclonales.

A modo de aclaración, la enfermedad del suero consiste en una reacción de hipersensibilidad de tipo III que puede producirse tras la administración de antibióticos y/o antitoxinas. Típicamente, una o dos semanas después de la administración del medicamento, los complejos antígeno-anticuerpo circulantes provocan síntomas como fiebre, malestar, erupciones cutáneas, dolor articular, disminución de glóbulos blancos, aumento de los ganglios linfáticos, y excreción de proteínas en la orina.

El uso de anticuerpos monoclonales es actualmente considerado como uno de los tratamientos mas prometedores para combatir la pandemia generada por el Covid-19. Y lo es porque se pueden utilizar como un medicamento profilactico de accion rapida en personas expuestas al virus. 

Como podrán apreciar, este tema conlleva una enorme complejidad química, bioquímica, histológica, biológica, fisiologica, y medica. Por ello, todo lo expresado en este breve articulo solo representa una muy general y superficial introducción al tema.