Alteraciones de la Inmunidad Natural; Genes del Complemento y Predisposición a la Enfermedad.

Santiago Rodríguez de Córdoba. Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC) y Centro de Investigación Biomédica en Red de Enfermedades Raras. Madrid, España.

Hasta hace no mucho las enfermedades relacionadas con el sistema del complemento se limitaban casi exclusivamente al déficit de alguno de sus componentes y se asociaban fundamentalmente con predisposición a infecciones, enfermedades por inmunocomplejos o patologías autoinmunes. Durante los últimos 15 años numerosos estudios de ligamiento y de asociación con marcadores a lo largo de todo el genoma humano han revelado que la asociación del complemento con la enfermedad es mucho más importante y compleja.

Estos estudios, por ejemplo, han mostrado que variantes genéticas del complemento contribuyen a la predisposición individual a trastornos neurológicos que no hubiéramos anticipado, como Enfermedad de Alzheimer o esquizofrenia. Sin embargo, la gran contribución de estos estudios genéticos ha sido poner de manifiesto que un grupo cada vez más numeroso de enfermedades caracterizadas por inflamación y daño tisular crónico, resultan de un exceso de activación del complemento (desregulación) causado por mutaciones o polimorfismos en las proteínas del complemento. Este grupo de enfermedades incluye patologías raras como el síndrome hemolítico urémico atípico (SHUa), la glomerulopatía-C3 (C3G) o la hemoglobinuria paroxística nocturna (HPN) o muy comunes como la nefropatía IgA (NIgA) o la degeneración macular asociada a la edad (DMAE). La implicación del complemento en este grupo de enfermedades ha impulsado un renovado interés en el estudio molecular detallado de los procesos implicados en la activación y regulación del complemento que, en último término, han permitido revelar los mecanismos patogénicos que subyacen a varias de estas enfermedades y a desarrollar terapias eficaces para tratarlas. Una importante conclusión derivada de estos estudios, que cada vez se hace más patente en la práctica clínica, es que para el manejo y tratamiento eficaz de los pacientes con alteraciones del sistema del complemento es necesaria una medicina personalizada basada en la interpretación de los resultados de los estudios genéticos y moleculares realizados en estos pacientes.

El complemento es un componente clave de nuestra inmunidad innata capaz de disparar señales de alarma en presencia de patógenos, complejos inmunes o restos celulares. El complemento discrimina entre componentes propios y patógenos, etiquetando estos últimos para su eliminación por células del sistema fagocítico o para su destrucción directa mediante lisis celular. Brevemente, la acción del complemento conlleva los siguientes procesos: i) Activación por cualquiera de las tres vías de activación, clásica (CP), de las lectinas (LP) y alternativa (AP), lo que resulta en la formación de complejos bimoleculares inestables con actividad proteasa denominados C3-convertasas que escinden C3 para generar C3b; ii) Unión covalente del C3b a la superficie activadora del complemento y posterior amplificación del depósito de C3b mediante el bucle de amplificación de la AP; y iii) Formación de la C5-convertasa con capacidad de activar C5, disparando la inflamación y el inicio de la formación del complejo de ataque a la membrana (MAC) a través de la vía lítica. Varias proteínas reguladoras restringen la activación del complemento a la superficie responsable de su activación y controlan el bucle de amplificación de la vía alternativa evitando que el complemento se consuma completamente después de la activación (figura 1). La pérdida de la regulación del complemento conduce a la generación de componentes pro-inflamatorios y/o al daño a los tejidos propios; ambas son situaciones con consecuencias patológicas (1).

Figura 1 Santiago de Córdoba

Figura 1. Activación y Regulación del Complemento

Los patógenos, las superficies alteradas del organismo y algunos componentes que se liberan o exponen como resultado del daño tisular, la infección o la inflamación, como las moléculas de la matriz extracelular o DNA, pueden activar el complemento. La vía clásica se activa por inmunoglobulinas, pentraxinas o por la unión directa de C1q a esos ligandos. La via de las lectinas lo hace por la unión de lectinas unidoras de manosa o de ficolinas a sus ligandos. El C3b que se genera a partir del componente C3 por cualquiera de estas vías se retroalimenta a través de la vía alternativa, amplificando la activación inicial. La activación de C3 en C3b resulta en la unión covalente del C3b a la superficie activadora. La formación de agregados de C3b sobre esta superficie activadora genera la C5-convertasa con capacidad de unir y activar C5, iniciando la vía lítica y la generación de los complejos líticos C5b-9 (denominados complejo de ataque a la membrana, MAC, cuando se integran en la membrana celular). Como se señalo anteriormente la regulación del complemento es crítica para mantener la homeostasis y localizar la activación del complemento al lugar de la activación. Esta regulación la lleva a cabo un conjunto de proteínas en plasma y en las superficies celulares (indicadas en rojo en la figura). Entre ellas el factor H (FH), el principal regulador de la vía alternativa, es el regulador prototípico, capaz de preservar la homeostasis del complemento y focalizar su actuación en la superficie activadora. Abreviaturas de componentes del complemento en la figura: C4b-binding protein (C4bp), membrane cofactor protein (MCP, CD46), decay accelerating factor (DAF, CD55), complement receptor type 1 (CR1; CD35).

Entre las proteínas reguladoras del complemento, tal vez la más importante sea el factor H (FH), una abundante glicoproteína plasmática que regula el complemento en fase fluida y  sobre las superficies celulares. FH es una proteína multifuncional con un dominio N-terminal que sustenta la actividad reguladora y dos dominios, uno en el centro de la molécula y otro en el extremo C-terminal (C-ter), que son fundamentales para el reconocimiento de las superficies celulares (2). Un importante avance estos últimos años ha sido descubrir que la actividad reguladora del FH está regulada a su vez por un grupo de cinco proteínas evolutivamente y estructuralmente relacionadas con FH que se conocen como “FH-related proteins” (FHRs). Las FHRs se originaron a partir de FH mediante duplicación génica y han conservado los dos dominios de FH que son necesarios para el reconocimiento de superficies celulares. Sin embargo carecen de regiones homólogas a la región N-terminal  (N-ter) de FH, portadora de la actividad reguladora del complemento. Actualmente se considera que el papel principal de estas FHRs es competir con FH por la unión a sus ligandos, permitiendo una mejor discriminación de las superficies activadoras del complemento (Figura 2) (3).

Figura 2 Santiago de Córdoba

Figura 2. Competición entre FH y los FHRs y su relevancia en patología.

La figura resume algunos escenarios potenciales de competición entre FH y los FHRS. Los datos disponibles indican que sobre las superficies de las células propias no hay competición entre FH y los FHRs. Esta competición, en cambio se ha demostrado que existe en la superficie de algunas bacterias como Neisseria que posee moléculas que unen FH y que contribuye a disminuir su supervivencia en suero. Se postula, actualmente, que esta competición podría darse también sobre superficies “modificadas” de nuestro organismo, entendiendo por “modificadas” los cambios que se producen en las moléculas en la superficie del organismos como resultado de factores genéticos, por el envejecimiento, por patógenos, substancias químicas, depósito de inmunocomplejos o incluso por el depósito de complemento. El delicado equilibrio entre FH y FHRs sobre estas superficies modificadas se alteraría si se modificara la relación FH/FHRs. Según esto, la sobreexpresión de los FHRs o mutaciones que resultarán en exceso de actividad de estas proteínas FHRs o disminuyeran los niveles o actividad de FH se traduciría en desregulación del complemento sobre esas superficies. La falta de FHRs (DCFHR3-CFHR1), por otro lado, eliminaría el daño potencial de esa competición. Ambas situaciones se han descrito en patologías asociadas con desregulación de complemento como C3G, NIgA o DMAE.

El complemento está implicado en una larga lista de enfermedades, desde las clasicas infecciones y enfermedades por inmunocomplejos asociadas a deficits de proteinas del complemento, a dismorfologias y enfermedades neurológicas como, Alzheimer o eschizofrenia, en donde el papel del complemento es todavia un interrogante. En algunos casos, como en la artritis reumatoide, el lupus eritematoso sistémico, la esclerosis múltiple, o en las lesiónes asociadas a isquemia/reperfusión y trasplante, el principal papel del complemento es mantener el "círculo vicioso" de la inflamación y perpetuar el daño tisular. En otros casos, entre los que estan las anteriormente mencionadas SHUa, C3G, NIgA, PNH o DMAE, el complemento causa la patologia como consecuencia de mutaciones o polimorfismos que alteran la funcion de los componentes o de los reguladores de la convertasa C3 de la AP. Aunque el solapamiento entre los conjuntos de genes del complemento asociados con cada una de estas enfermedades es casi completo, existen variantes genéticas particulares en estos genes que se asocian específicamente con una u otra patología. El estudio funcional de estas variantes genéticas y la caracterización de su asociación con otros factores de riesgo (genéticos y ambientales) ha permitido establecer mecanismos patogénicos y guiar el desarrollo de terapias basadas en la utilización de inhibidores del complemento. En su conjunto este conocimiento está permitiendo una valoración individualizada de la predisposición a la enfermedad, facilitando una medicina preventiva y anticipando en muchos casos la evolución de la enfermedad y la respuesta del paciente al tratamiento (4-6).

El SHUa, una microangiopatía trombótica que afecta principalmente el riñón y que frecuentemente resulta en insuficiencia renal terminal, se asocia con mutaciones en genes que codifican las proteínas del complemento como FH, FI, MCP, C3 y FB. Las mutaciones que ocurren en la región C-ter de FH son prototípicas de SHUa y la alteración genética más frecuente en estos pacientes. Estudios funcionales han mostrado que estos mutantes de FH asociados a SHUa regulan de forma adecuada el complemento en el plasma pero tienen una capacidad limitada para proteger las células propias de la lisis mediada por complemento. De modo análogo, las deficiencias totales de FH, o mutaciones homocigóticas que causan la inactivación de la región N-ter de FH, son características de la enfermedad de depósitos densos (EDD), una variante de C3G, caracterizada por consumo completo de C3, que también resulta en insuficiencia renal terminal. Esta peculiar asociación entre mutaciones en la región C-ter con SHUa y del déficit de FH con EDD, replica muy bien en modelos animales, lo que ha permitido concluir, junto con resultados de otros experimentos in vitro, que SHUa es el resultado de una lesión causada en los tejidos propios por la actividad de la vía lítica del complemento, mientras que la activación masiva del C3 en plasma y la generación de iC3b a nivel glomerular son aspectos críticos en la patogénesis de C3G (4).

DMAE, la causa más frecuente de ceguera en los países desarrollados, presenta un componente genético elevado (40-70%) y muy bien definido que incluye varios polimorfismos comunes en componentes y reguladores del complemento. Entre estos, el polimorfismo FH-402His en el dominio central de FH es característico de DMAE. Los mecanismos por los que el polimorfismo FH-402His aumenta el riesgo a desarrollar DMAE en los individuos portadores no están claros, aunque se cree que este polimorfismo altera la unión de FH a sus ligandos, impidiendo que FH sea reclutado a sitios de la retina donde se acumulan compuestos con capacidad de activar complemento. En este sentido, la variante FH-402His se une peor a ciertos ligandos como proteína C reactiva, heparán sulfatos y malondialdehido, un producto habitual de la peroxidación de lípidos que está presente en la retina y que se ha implicado en el desarrollo de DMAE (4).

Debido a la existencia de grandes duplicaciones genómicas, la region que contiene los genes CFH y CFHRs sufre constantes reordenamientos genómicos que resultan en la generación de genes híbridos y duplicaciones o delecciones intragenicas. La caracterización de las consecuencias funcionales de estas mutaciones genómicas han sido también muy informativa. Así, sabemos que la generación de genes híbridos entre FH y FHR-1 o FHR-3 se asocia específicamente con SHUa porque las proteínas codificadas por estos genes híbridos son incapaces de regular el complemento correctamente en superficies endoteliales. De mismo modo existe un grupo de reordenamientos genómicos en los genes CFHRs que se asocian específicamente con C3G. Estos reordenamientos se caracterizan por causar la duplicación del dominio de dimerización presente en algunos FHRs, lo que hace que formen grandes multímetros que competirían en exceso con FH, causando, potencialmente, desregulación del complemento en superficies de nuestro organismo que han alterado su composición química, permitiendo la competición entre FH y los FHRs. Aunque la naturaleza de estas superficies alteradas en el organismo, que sustentarían la competición entre FH y los FHRs, es de momento desconocida, se cree que los componentes de la matriz extracelular, el principal constituyente de la membrana basal glomerular y de la membrana de Bruch en la neuroretina serían algunas de ellas. Se cree, asimismo que esta competición podría estar favorecida por la presencia de compuestos de origen microbiano u otras sustancias fisiológicas o patológicas depositados en estas estructuras junto con fragmentos de C3 activados (Figura 2) (3).

En patologías relacionadas con el complemento no es raro encontrar pacientes que presentan auto-anticuerpos contra proteínas del complemento. Como ocurre con las mutaciones en genes del complemento, estos anticuerpos muestran características diferentes dependiendo de la enfermedad que presenta el paciente. En SHUa, estos anticuerpos van dirigidos contra la región C-ter de FH y por lo tanto tiene consecuencias similares a las de las mutaciones en esta región de FH. Curiosamente, la inmensa mayoría de los pacientes SHUa con anticuerpos anti-FH son deficientes en FHR-1, una proteína cuyo C-ter es casi idéntico al C-ter de FH, por lo que se piensa que estos anticuerpos son en realidad anticuerpos anti FHR-1 que cross-reaccionan con FH. Se han descrito anticuerpos anti-FH también en pacientes con C3G, pero en estos casos los anticuerpos no van dirigidos contra la región C-ter ni se asocian con el déficit de FHR-1; de hecho, en estos casos de C3G se ha demostrado que los anticuerpos van dirigidos contra la región N-ter de FH y bloquean la actividad reguladora de FH. Además, un 25-50% de los pacientes con C3G presentan factor nefrítico (C3Nef), un auto-anticuerpo que estabiliza la C3-convertasa de la AP y que determina consumo masivo de C3 en plasma. Estos anticuerpos aparecen en otros tipos de glomerulonefrítis, pero nunca en casos de SHUa.

El amplio papel del complemento en la patogénesis humana sugiere que la inhibicion del complemento sea una estrategia terapeutica satisfactoria para muchas de estas enfermedades. Del mismo modo, los datos disponibles sugieren que estas enfermedades tal vez requieran inhibidores y pautas de administracion diferentes. En condiciones agudas, se requerirá un tratamiento a corto plazo y bloquear eficazmente la activación del complemento en general. Sin embargo, para las enfermedades crónicas, es probable que se necesiten terapias más específicas y selectivas que permitan el uso a largo plazo. Idealmente estas terapias deberian bloquear especificamente aquellas actividades relevantes a la patologia, preservando aquellas otras relacionadas con defensa de las infecciónes y la eliminación de inmunocomplejos y restos apoptóticos (7).

El Eculizumab (Soliris; Alexion), un anticuerpo monoclonal humanizado que se une a C5 evitando su activación y que se inicie la vía lítica, fue el primer inhibidor del complemento cuya comercialización se autorizó por las agencias reguladoras: la norteamericana Food and Drug Administration (FDA) y la europea European Medicines Agency ( EMEA) para el tratamiento, primero de HPN y después de SHUa, pero hay muchos otros inhibidores del complemento actualmente en desarrollo, incluyendo algunos ya en ensayos clínicos. El tratamiento con Eculizumab previene la hemólisis intravascular en los pacientes HPN eliminando la aparición de eventos trombóticos, su principal causa de muerte, y mejorando notablemente todos los parámetros clínicos y la calidad de vida de los pacientes. La caracterización de los mecanismos patogénicos del SHUa, junto al precedente del éxito de Eculizumab en el tratamiento de HPN, impulsó la aplicación de esta terapia en SHUa, de modo que hoy en día es el tratamiento de primera línea en esta patología. Eculizumab mejora la función renal durante el debut o la recurrencia del SHUa en los pacientes. Además, es fundamental como tratamiento profiláctico para evitar la recurrencia en pacientes que van a recibir un trasplante. Aunque la eficacia del tratamiento con Eculizumab está cambiando la historia natural del SHUa y de la HPN, debemos recordar que este tratamiento no corrige el defecto de base; la desregulación del complemento seguramente persiste en muchos pacientes a pesar del bloqueo de la vía terminal y requiere un tratamiento de por vida. Existen actualmente varias guías clínicas para el diagnóstico y manejo de los pacientes con SHUa y HPN en donde se detallan los aspectos clínicos del tratamiento con Eculizumab (5-6).

En los últimos años se han estudiado cientos de pacientes con SHUa desde una perspectiva genético-molecular, lo que nos ha proporcionado un buen conocimiento del componente genético de predisposición a la enfermedad, incluyendo la identificación de correlaciones genotipo-fenotipo que nos informan de la probable evolución de la enfermedad, de su respuesta a tratamientos convencionales, incluso a Eculizumab, y de la probabilidad de recurrencia de la enfermedad en el injerto tras el trasplante. Este nivel de conocimiento, junto con las facilidades cada vez mayores de realizar análisis genéticos, apoya que empecemos a considerar seriamente un manejo individualizado de los pacientes basado en la experta interpretación de sus perfiles genéticos. Obviamente necesitamos más datos en el resto de patologías asociadas al complemento para elevar su nivel de conocimiento  hasta alcanzar el que tenemos en SHUa. Esto solo se conseguirá a través del análisis genético de mayores números de pacientes con estas patologías, incluso si los beneficios inmediatos de estos estudios genéticos en estos pacientes hoy en día no sean evidentes.

El diagnóstico genético molecular del complemento ha ido evolucionando durante estos últimos años junto a los avances en las tecnologías de secuenciación. De una aproximación basada en amplificación de fragmentos de PCR y secuenciación Sanger se ha pasado a tecnologías de secuenciación masiva (NGS) utilizando paneles de genes que incluyen todos los genes relacionados con la patología que se han identificado. Estas estrategias NGS se han ido complementando con otras técnicas de análisis de DNA, como multiple-ligation probe amplification (MLPA) o comparative genomic hybridization (CGH) arrays, dirigidas a identificar variantes genéticas específicas que escapan a los análisis de secuenciación de DNA y que son relativamente frecuentes en este grupo de patologías. Del mismo modo, hemos aprendido que el diagnóstico molecular en estas patologías no es solo identificar una variante potencialmente patogénica. Es necesario interpretar estas variantes genéticas en el contexto de la enfermedad, considerando sus mecanismos patogénicos y los datos estructurales y funcionales ya disponibles.

Simultáneamente al desarrollo de procedimientos para el análisis del DNA de los pacientes, el desarrollo de una medicina personalizada en este campo precisa del desarrollo de biomarcadores que permitan la monitorización de la evolución de la enfermedad y su seguimiento durante el tratamiento. En el pasado los ensayos funcionales clásicos para evaluar la actividad del complemento iban destinados fundamentalmente a examinar su pérdida de actividad. Ahora necesitamos ensayos que evalúen el exceso de actividad del complemento y sean susceptibles de trasladarse a la práctica clínica.

Hemos descrito brevemente los importantes avances en el campo del complemento y enfermedad en años recientes y como estos avances han generado enormes expectativas en relación al diagnóstico, manejo y tratamiento de los pacientes basado en la implementación de una medicina personalizada. El reto actual es proporcionar a la clínica una evaluación genético molecular de las características del complemento, interpretadas en el contexto de la patología que sufre el paciente de modo que permita al clínico tomar esas decisiones de forma individualizada. Es importante resaltar que la aplicación de esta medicina personalizada permitirá a su vez, a través de la identificación de nuevas correlaciones entre aspectos clínicos y parámetros identificados en los estudios genéticos/moleculares, el desarrollo de mejores herramientas para la monitorización de estos pacientes. Todo ello será instrumental para conseguir un mayor conocimiento de papel del complemento en patología y cómo explotar este conocimiento en beneficio de los pacientes.

 

Referencias.

  1. Holers M, Immunol.Reviews 223:300-316, 2008
  2. Rodríguez de Córdoba S, et al. Mol Immunol 41:355-367, 2004
  3. Józsi et al, Trends Immunology 36:374–384 2015
  4. Rodríguez de Córdoba, Immunobiology. doi:10.1016/j.imbio.2015.05.015, 2015
  5. Campistol et al, Nefrología 33:27-45 2013
  6. Nester et al, Mol Immunol. 67:31-42 2015
  7. Ricklin and Lambris, Adv. Exp. Med. Biol., 735:1-20 2013

 

Páginas Web de interés

http://www.omim.org/

http://ghr.nlm.nih.gov/

http://emedicine.medscape.com/article/136368-overview

http://primaryimmune.org/about-primary-immunodeficiencies/specific-disease-types/complement-deficiencies/

http://www.uptodate.com/contents/inherited-disorders-of-the-complement-system

 

Conflicto de intereses.

El Prof. Rodríguez de Córdoba ha desarrollado actividades de consultoría y docencia para Alexion Pharmaceuticals y es socio fundador de Secugen S. L. Ninguna de las actividades mencionadas han influido en la elaboración de este manuscrito o en las ideas expresadas en él.