Pequeñas maravillas: los anticuerpos de camellos y tiburones que podrían cambiar la medicina

Cada cuatro meses, el patólogo Aaron LeBeau captura con una red a uno de los cinco tiburones nodriza que tiene en su laboratorio de la Universidad de Wisconsin. Luego, cuidadosamente, como un pediatra que le pone una vacuna a un niño, le administra al animal una inyección. Esta vacuna tal vez inmunizará al tiburón contra un cáncer humano, o contra una enfermedad infecciosa, como la Covid-19. Un par de semanas más tarde, después de que el sistema inmunitario del animal haya tenido tiempo de reaccionar, LeBeau recogerá una pequeña muestra de sangre del tiburón.

Al otro extremo de Estados Unidos, el inmunólogo Hidde Ploegh sigue los mismos pasos, pero con alpacas que viven en una granja en el oeste de Massachusetts. Los dos científicos persiguen lo mismo: anticuerpos diminutos, fabricados solo por ciertos animales, que pueden tener grandes implicancias para la salud humana.

La mayoría de los anticuerpos —esas moléculas que circulan por nuestra sangre y tejidos controlando patógenos— son de las proteínas más fornidas que hay. Pero los anticuerpos producidos por camellos y tiburones y sus parientes cercanos son más simples y pequeños. Desde su descubrimiento a fines de los años ochenta, los investigadores han aprendido que estos anticuerpos tienen gran impacto: pueden adherirse a partes ocultas de moléculas y penetrar más profundamente en los tejidos, mejorando su potencial como terapias.

“Pueden entrar en pequeños recovecos de diferentes proteínas a las que los anticuerpos humanos no pueden acceder”, dice LeBeau.

En las últimas décadas han aumentado las investigaciones de estos diminutos anticuerpos. No solo pueden colarse en lugares pequeños, sino que también es fácil trabajar con ellos ­—son más resistentes que sus homólogos ordinarios— y relativamente baratos de fabricar en grandes cantidades. Todas estas características hacen que estos anticuerpos sean tratamientos prometedores para una gran cantidad de enfermedades, ya sean trastornos de la coagulación o la Covid-19. Los investigadores también están explorando su uso para diagnosticar afecciones como el cáncer, y se están convirtiendo en una herramienta clave en otros tipos de estudios, como el mapeo del interior celular.

Materializar la promesa que representan estos anticuerpos aún puede tardar años, pero los investigadores están muy entusiasmados con sus posibilidades. “Creo que tienen la capacidad de salvar el mundo”, dice LeBeau.

La suerte en una muestra de sangre

Un grupo de estudiantes de biología descubrió estos anticuerpos inusuales —por pura casualidad— en 1989. Los estudiantes de la Universidad Libre de Bruselas necesitaban un poco de sangre para un examen en el que se les pedía separar un anticuerpo en sus dos partes principales: dos cadenas de proteínas pesadas, que forman una Y, y dos cadenas de proteínas ligeras, que flanquean cada brazo de la parte superior de la Y.

En aquella época trabajar con sangre humana suponía demasiado riesgo, debido a las preocupaciones en torno a una posible exposición al VIH, y los estudiantes tampoco querían matar a un ratón. Entonces, el profesor de los estudiantes, el difunto Raymond Hamers, estaba estudiando la enfermedad del sueño en animales grandes y les dio a los estudiantes un poco de sangre de camello, dice el inmunólogo Serge Muyldermans, quien entonces era investigador postdoctoral en la universidad.

Curiosamente, los estudiantes solo encontraron proteínas de cadena pesada en la sangre, aunque se suponía que los anticuerpos también debían tener cadenas ligeras. Como cuenta Muyldermans, todos pensaron que los anticuerpos de los camellos se habían degradado —o que los estudiantes habían hecho algo mal—, por lo que, para repetir el experimento, Hamers fue al Zoológico de Amberes para recolectar sangre fresca de camello. Pero los estudiantes no se habían equivocado: los camellos fabrican anticuerpos solo con cadenas de proteínas pesadas.

En aquellos primeros años Hamers cayó en la cuenta de las aplicaciones potenciales de los pequeños anticuerpos de los camélidos, dice Muyldermans, quien detalla sus innumerables usos en el Annual Review of Animal Biosciences de 2021. Al igual que los anticuerpos humanos o de ratones, los anticuerpos de camélidos podrían reducirse a fragmentos todavía más pequeños, pero aún efectivos —solo los brazos de la Y—. Estos fragmentos, llamados dominios variables, son la región activa de cualquier anticuerpo: actúan como el “sensor” del anticuerpo y puede adherirse a partes de patógenos, toxinas o cualquier sustancia que se reconozca como extraña y constituya una posible amenaza.

En los anticuerpos estándar (que también fabrican los camellos), los dominios variables vienen en pares, uno de la cadena pesada y otro de la cadena ligera. Pero los dominios variables de los anticuerpos de solo cadena pesada del camélido son solterones. Los investigadores se dieron cuenta de que estos fragmentos solitarios podrían adherirse a partes de moléculas extrañas que los anticuerpos convencionales no lograban alcanzar porque eran demasiado grandes.

En 1993, el equipo publicó el descubrimiento en Nature. Al año siguiente, Hamers patentó la producción de estos fragmentos de anticuerpos de camélidos (también conocidos como anticuerpos VHH o “nanoanticuerpos”, un término patentado). Unos años más tarde, otro grupo de investigadores dio a conocer que los tiburones también fabrican anticuerpos que solo tenían cadenas pesadas y que estos tienen una punta aún más pequeña. (Los extremos de los fragmentos de anticuerpos del tiburón se denominan nuevos receptores de antígeno de dominio variable, o VNAR, en inglés).

Cuando la patente principal expiró en 2013, la investigación sobre los anticuerpos realmente despegó, dice Ploegh, inmunólogo del Hospital de Niños de Boston. “Ahí fue cuando se rompió la represa y mucha gente entró en el juego”.

Desde entonces, los científicos han aprendido mucho sobre las ventajas de estos mini anticuerpos. Algunas son ventajas prácticas: a diferencia de los anticuerpos de tamaño completo, los fragmentos son estables a temperatura ambiente, por lo que no es necesario guardarlos en un congelador ni transportarlos en frío. Los mini anticuerpos de los tiburones pueden incluso hervirse sin afectar su función, dice LeBeau. Y mientras que los anticuerpos de tamaño completo requieren de células de mamífero para cultivarse en un matraz, lo que puede ser complicado y costoso de mantener, los fragmentos se pueden fabricar en grandes cantidades utilizando bacterias, ahorrando tiempo y dinero.

Estos mini anticuerpos también tienden a autoensamblarse correctamente, manteniendo sus formas correctas, lo que los convierte en una alternativa prometedora a los anticuerpos de tamaño completo, que tienen más piezas y, por lo tanto, pueden adquirir formas incorrectas. Dobleces incorrectos como esos pueden dejar al descubierto partes que son más susceptibles a ser reconocidas como moléculas extrañas por el sistema inmunitario, lo que puede provocar una respuesta inmunitaria negativa en el organismo, con consecuencias potencialmente graves para la salud del paciente.

Pero el rasgo sobresaliente de los mini anticuerpos es su versatilidad. Todos los anticuerpos, ya sean humanos o de tiburón, tienen dominios variables en sus puntas, pero los de tiburones y camellos tienen características únicas. Tienen una prolongación especialmente larga y delgada llamada bucle CDR3 que puede penetrar en lugares a los que los anticuerpos humanos no acceden. Parecen adoptar fácilmente diferentes formas —LeBeau describe esa característica como “yoga molecular”—. Esto significa que los mini anticuerpos pueden entrar en lugares estrechos, ya sea en los tejidos del organismo o en partes minúsculas de moléculas individuales.

Anticuerpos contra el cáncer

La investigación sobre estos mini anticuerpos inusuales ahora está comenzando a dar sus frutos. En 2019 salió al mercado el fármaco llamado Cablivi, el primer tratamiento médico con mini anticuerpos aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EEUU. Cablivi se emplea para tratar un trastorno sanguíneo raro que provoca coágulos en los vasos sanguíneos pequeños. El tratamiento utiliza nanoanticuerpos para unirse a una proteína en las plaquetas, lo que evita que se peguen.

Los mini anticuerpos podrían convertirse en una valiosa herramienta para el tratamiento del cáncer. Los anticuerpos completos ya se usan en inmunoterapias para tratar ciertos tipos de cáncer. En algunos casos, el anticuerpo marca las células cancerosas para que las propias células del sistema inmunitario del organismo puedan reconocer y eliminar las células anómalas. En otros, puede acercar las células inmunitarias a las células cancerosas para que el cuerpo combata mejor el cáncer. Los mini anticuerpos pueden hacer lo mismo, pero también se pueden usar de otras formas, como atacar proteínas para reducir el crecimiento del tumor o bloquear los vasos sanguíneos para que no alimenten al tumor. Y, en comparación con los anticuerpos completos usados en inmunoterapia, los anticuerpos más pequeños también pueden tener menos probabilidad de desencadenar una respuesta inmunitaria negativa, lo que puede mejorar el tratamiento de forma dramática, dice Ploegh.

LeBeau, por su parte, se centra en el desarrollo de mini anticuerpos dirigidos al cáncer de próstata y de pulmón. Los tiburones que tiene en su laboratorio, cada uno bautizado con el nombre de los villanos de James Bond —Goldfinger, Hugo Drax, Sr. Stamper, Oddjob y Nick Nack—, lo mantienen abastecido con anticuerpos que usa en experimentos. Recientemente, su laboratorio identificó un fragmento de anticuerpo de tiburón que es específico para una forma de cáncer de pulmón altamente agresiva y actualmente intratable. LeBeau tiene la esperanza de que este nuevo mini anticuerpo pueda ayudar a combatir el cáncer y tiene en curso estudios para probarlo.

Los mini anticuerpos también están ayudando a los médicos a detectar cánceres con más facilidad, identificando las células enfermas con mayor precisión. Al unir moléculas trazadoras radiactivas a anticuerpos específicos que buscan células cancerosas, los médicos pueden ubicar células cancerosas en una tomografía PET, potencialmente con mayor resolución que con anticuerpos estándar porque pueden penetrar a más profundidad en los tejidos. Uno de esos marcadores basados en nanoanticuerpos detectó varios tumores en ratones con mayor especificidad que las imágenes convencionales, publicó un equipo en PNAS en 2019.

Eliminando virus

Los científicos también están aprovechando mini anticuerpos para combatir enfermedades infecciosas, incluida la Covid-19. Wai-Hong Tham, experta en enfermedades infecciosas de la Universidad de Melbourne y del Instituto de Investigación Médica Walter and Eliza Hall, ha estado trabajando para generar nanoanticuerpos que se adhieran a parte de la proteína en forma de espiga o spike del SARS-CoV-2, para prevenir la entrada del virus en las células del organismo.

En un estudio preliminar publicado en PNAS en 2021, Tham y sus colegas identificaron varios nanoanticuerpos de alpacas que interferían con la capacidad de las proteínas en forma de espiga para adherirse a la cerradura molecular que usa para ingresar a las células; y cócteles de nanoanticuerpos también redujeron la cantidad de virus en experimentos con ratones. Idealmente, dice Tham, se podría encontrar un nanoanticuerpo que bloquee universalmente la Covid-19, sin importar cuál sea la variante del coronavirus. Otros cócteles de nanoanticuerpos también parecen prometedores: cuatro nanoanticuerpos, mezclados y emparejados en diferentes combinaciones, desactivaron la proteína en forma de espiga en experimentos en células, informó otro grupo de investigadores en Science, en 2021.

Los mini anticuerpos podrían administrarse a través de la tecnología de ARNm para que los anticuerpos se ensamblen dentro de las células de las personas, dice Tham. Las inyecciones similares a vacunas podrían funcionar contra otras enfermedades infecciosas, contrarrestar toxinas como el botulismo o incluso actuar como terapias para el cáncer u otras afecciones.

Y con una simple píldora, los mini anticuerpos podrían administrarse directamente en el intestino, lo que podría ayudar a bloquear una serie de patógenos, por ejemplo, el rotavirus, que ingresa al cuerpo a través del tracto digestivo. Los microbios pequeños —como levaduras, bacterias y algas— no pueden producir anticuerpos completos de manera eficiente porque son demasiado complejos. Sin embargo, investigadores han propuesto que la espirulina modificada genéticamente (un alga verde-azulada que suele venderse como suplemento nutricional) o unas bacterias inofensivas llamadas Lactobacilli o Lactococcus podrían proporcionar nanoanticuerpos terapéuticos a través de una píldora, lo que sería mucho más rentable que producir un fármaco, dice Tham.

Investigando los misterios celulares

Los diminutos anticuerpos también son una gran ayuda para los científicos que estudian proteínas e investigan las interacciones entre moléculas. El tamaño y la larga prolongación de estos anticuerpos pueden ayudar a resolver estructuras de proteínas, mapear proteínas dentro de las células y mostrar cómo interactúan las moléculas entre sí al interior de la célula.

Por ejemplo, recientemente, investigadores resolvieron la estructura de una proteína humana llamada ASIC1a — que forma un tipo de canal que permite que el sodio ingrese a las células nerviosas y desempeña un papel importante en la percepción del dolor y en varias enfermedades neurodegenerativas—. La estabilización de la proteína con un nanoanticuerpo les permitió a los investigadores determinar su estructura con mayor resolución, según informó el equipo en 2021 en eLife.

Los anticuerpos de un solo dominio “tienen el potencial de mapear interacciones que, de otra manera, serían muy difíciles de estudiar”, dice Ploegh, coautor de una revisión general de sus características en el Annual Review of Immunology de 2018. Los científicos incluso están investigando su uso potencial en el cerebro —una tarea complicada porque a la barrera hematoencefálica le gusta mantener alejadas a las moléculas extrañas—. Un grupo internacional informó recientemente sobre el uso de nanoanticuerpos como sensores para estudiar si una proteína en el cerebro de un ratón se activó o no, y dónde se encontraba.

Ploegh dice que los mini anticuerpos son excepcionalmente útiles y tienen ventajas significativas sobre los anticuerpos completos, pero siguen siendo un nicho debido al acceso limitado a los animales que los fabrican —no todos los investigadores tienen camellos, llamas o, en el caso de LeBeau, tiburones cerca. (“Probablemente muy pocas personas están lo suficientemente locas como para construir un tanque de tiburones y trabajar con ellos. Pero nosotros lo estamos”, dice LeBeau).

Pero esto está empezando a cambiar a medida que aumenta el interés. Los científicos también están desarrollando nuevos enfoques, como la creación de nanoanticuerpos sintéticos y el desarrollo de ratones con sistemas inmunitarios “camelizados” para la investigación.

Los científicos aún no saben por qué los camélidos y los peces cartilaginosos, como los tiburones, son los únicos animales que se sabe que producen anticuerpos de solo cadena pesada. Los tiburones son los organismos vivos más antiguos que dependen de los anticuerpos como parte de su sistema inmunitario, y sus anticuerpos son más estables que los de los camélidos. Los expertos especulan que los tiburones dependen de estos anticuerpos debido a las altas concentraciones de urea en su sangre, lo que degradaría los anticuerpos de la mayoría de los mamíferos.

Los tiburones evolucionaron unos 350 millones de años antes que los camellos, pero los anticuerpos de cadena pesada de camélidos también son relativamente antiguos: se encuentran tanto en camélidos del Viejo Mundo, como los camellos, como en los del Nuevo Mundo, como las llamas y alpacas, lo que sugiere que los anticuerpos pueden haberse desarrollado temprano en la evolución del linaje. Quizás “hay ciertos patógenos que son exclusivos de los camélidos que se combaten mejor con estos anticuerpos de cadena pesada”, dice Ploegh.

Los anticuerpos de cadena pesada de los tiburones bien podrían ser las moléculas inmunitarias más antiguas que aún existen —pero LeBeau está entusiasmado con lo que podrían lograr en el futuro—. “Al trabajar con ellos ves algo nuevo todos los días. Y eso es realmente emocionante”, dice.

Y en cuanto a sus tiburones, ahora de 60 centímetros de largo, cuando ya no entren en su tanque, serán llevados al acuario local.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld