Ingeniería biomédica y Medicina traslacional: un futuro alternativo con los xenotrasplantes

A nivel mundial, en todos los países, hay más pacientes en lista de espera de un órgano para trasplante que órganos disponibles, siendo este problema de donantes, el elemento clave y responsable de la efectividad de cualquier programa de trasplantes. Cada año esta discrepancia entre la oferta y la demanda, en vez de disminuir, sigue aumentando, lo que supone un desafío tanto logístico como asistencial, al provocar que muchos pacientes fallezcan en la lista de espera para trasplante, sin haber podido beneficiarse de un órgano donante.

Por este motivo, en la década de los 60, después de los trabajos iniciales experimentales en los primeros años del siglo XX, de Mathieu Jaboulay (primer trasplante de riñón de cerdo en el codo de una mujer en 1906) y Serge Voronoff (trasplantes de testículos de chimpancé a humanos en 1920), se iniciaron a nivel clínico, los primeros programas de investigación de los xenotrasplantes, sobre todo con las experiencias iniciales de Keith Reemtsma, quién realizó 13 trasplantes de riñón de primate no humano a humano en 1963; de James Hardy, con su trasplante de corazón de babuino a humano en 1964; y de Thomas Starzl con trasplantes hepáticos entre babuinos y humanos en 1969; siendo la culminación de todo ello, la realización  del primer xenotrasplante cardiaco del mundo con supervivencia, trasplantando el corazón de un babuino en un recién nacido, realizado en Loma Linda (California) por Leonard L. Bailey en 1984, trasplante que técnicamente fue un éxito inicial, pero que al final fracasó por un problema de rechazo.

Rechazo, que sigue siendo uno de los mayores problemas de los trasplantes, tanto alogénicos (humano-humano) como xenotrasplantes (animal-humano), y que es mucho más acusado en estos últimos, ya que los humanos tenemos anticuerpos naturales xenoreactivos, siendo la mayoría de estos anticuerpos frente a la glicosilación de proteínas mediante Gal-alfa1-3-Galactosa (Alfa-Gal), carbohidrato encontrado en la membrana celular de la mayoría de los mamíferos, pero no en primates y que tampoco está presente en las proteínas humanas. Rechazo que se produce por activación rápida del complemento, incluso sin que haya existido exposición alguna de manera previa al antígeno. Dentro de los xenotrasplantes, el rechazo hiperagudo, producido a las pocos minutos o horas del trasplante a causa de los anticuerpos naturales xenoreactivos, con desarrollo de trombosis, depósitos de inmunoglobulinas, hemorragia intersticial, y edema a nivel del endotelio vascular, es mayor si las especies son discordantes, como es el caso de trasplante entre especies filogenéticas muy distantes, como ocurre en el trasplante de cerdo a humano, y es menor en las especies llamadas concordantes, en los que la escala filogenética está más próxima, como ocurre en los trasplantes de primate a humano.

A lo largo de la historia, para evitar estos rechazos hiperagudos, se han desarrollado diferentes estrategias: (i) mediante el uso de inmunoabsorción o plasmaféresis eliminando los anticuerpos xenoreactivos de la circulación del receptor; (ii) mediante antígenos específicos alfa2-fucosyltransferasa, para enmascarar los azúcares porcinos; (iii) creando cerdos “knock-out” induciendo una doble mutación en el gen galactosil transferasa alfa 1,3, encargado de producir una enzima que añade una glucosa a la superficie de las células porcinas; (iv) mediante depleción del complemento creando cerdos transgénicos que expresen el factor inhibidor del complemento.

Todos estos avances a nivel clínico, derivados de la medicina traslacional, son los que han posibilitado este primer xenotrasplante cardíaco, de corazón de cerdo genéticamente modificado a un humano, en Maryland, USA, el 7 de enero de este año 2022. Trasplante realizado en el hospital de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland, por el Dr. Bartley P. Griffith, jefe de cirugía cardiotorácica y el Dr. Muhammad Mohiuddin, director del programa de xenotrasplante cardíaco, programa subvencionado con 15,7 millones de euros y que supone un gran hito histórico en la investigación de los trasplantes entre especies (xenotrasplantes). Este primer trasplante de corazón de cerdo genéticamente modificado a un humano, pone de manifiesto la gran importancia de la investigación básica y la medicina traslacional, con la implicación directa de la ingeniería genética, en la Medicina Personalizada y en el mundo de los trasplantes.

Una de las claves de éxito de este trasplante, junto con el empleo de una nueva solución cardioplégica, administrada al corazón donante, durante la fase de isquemia, para proteger el miocardio, radica en la terapia génica empleada en el animal donante, con 10 cambios genéticos dirigidos para evitar la respuesta inmune en el receptor ante un órgano de otra especie, y que hace que este falle con el consecuente rechazo. Uno de los problemas clave fue eliminar ciertos azúcares en la superficie de las células de cerdo, que los anticuerpos producidos por las personas reconocen como extraños.

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"El primer trasplante de corazón de cerdo pone de manifiesto la gran importancia de la investigación básica y la medicina traslacional"

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¿Qué cambios genéticos son los que se realizaron en el cerdo donante?

En el caso de Maryland, en el cerdo donante se empleó la misma técnica que en 1996 el equipo dirigido por el embriólogo Ian Wilmut, de la empresa PPL Therapeutics (PPLT) y los embriólogos del Instituto Roslin de Edimburgo, emplearon para crear la oveja Dolly, el primer mamífero en el mundo clonado a partir de una célula adulta, modificando el genoma de una célula de cultivo y luego transfiriéndolo al núcleo de una célula nueva.

Con esta misma técnica, en 2002, mediante la clonación por transferencia nuclear y utilizando la tecnología de recombinación homóloga de PPLT, lograron la inactivación de genes, como el gen específico responsable de que el sistema inmunológico humano rechace órganos provenientes de cerdos, y lograron obtener cinco cerdos con el gen galactosil transferasa alfa 1,3, gen encargado de producir la enzima que añade una glucosa a la superficie de las células porcinas, totalmente inactivado. Este desarrollo de investigación básica (benchside), mediante la medicina traslacional, ha posibilitado que los órganos de este tipo de cerdos genéticamente modificados, hayan podido ser aptos para el trasplante a humanos (bedside). En el xenotrasplante de Maryland, el corazón donante pertenecía a un animal suministrado por Revivicor, empresa que nació en 2003 de la empresa PPLT, previamente citada.

La clave del éxito de este xenotrasplante, radica en la ingeniería genética realizada con la finalidad de engañar al sistema inmunitario del receptor humano. Mediante esta ingeniería genética, se inactivaron tres genes responsables del rechazo hiperagudo fulminante de los órganos de cerdo por parte del sistema inmunológico de los humanos. Se eliminaron los genes de enzimas que permiten que las células de cerdo sinteticen azúcares en las membranas celulares. Al ser eliminado dicho gen de las células del cerdo donante, el cuerpo humano interpreta que las células de ese cerdo ya son humanas.

Otra de las claves del éxito, se debe al logro en 2015, por parte de científicos de la Universidad de Harvard, de conseguir eliminar las secuencias genéticas de 62 retrovirus endógenos porcinos (PERV), del genoma del cerdo y generar nuevas camadas completamente libres de estos retrovirus. Este trabajo científico, fue toda una revolución, lograda también mediante ingeniería genética con la herramienta CRISPR-Cas9, al conseguir editar el genoma del cerdo y luego eliminar dichos retrovirus endógenos integrados en su genoma, eliminando uno de los principales inconvenientes que prácticamente tenían todos los cerdos para poder ser considerados como donantes, como era la posibilidad de transmisión de los PERV que podrían activarse e infectar al receptor humano.

También se insertaron en el genoma del cerdo, seis genes humanos responsables de la aceptación inmunológica del nuevo órgano: dos genes antiinflamatorios, dos genes que mejoran la coagulación de la sangre y previenen el daño a nivel del endotelio vascular, y otros dos genes que regulan las proteínas que ayudan a reducir la respuesta de los anticuerpos.

Adicionalmente a estos nueve cambios genéticos también se suprimió el gen de un receptor de la hormona del crecimiento (GH), creando un “Knockout”, para evitar el crecimiento excesivo del órgano de cerdo una vez implantado en el cuerpo humano.

Estas modificaciones genéticas se realizan para que expresen genes humanos que codifiquen proteínas con capacidad inmunomoduladora, como la proteína CD46, capaz de reducir o controlar un posible rechazo.

Otro punto clave en este trasplante de corazón de cerdo genéticamente modificado a humano, es el nuevo fármaco administrado, desarrollado por la compañía Kiniksa Pharmaceuticals Ltd, que suprime la acción del sistema inmunitario, para evitar que actúe contra el nuevo órgano. Este fármaco, es un inmunosupresor experimental de anticuerpos, llamado KPL-404, que se está empleando como tratamiento para la artritis reumatoide y que al parecer detiene la producción de estos anticuerpos al unirse a un receptor celular llamado CD40, lo que suprime la actividad de las células B productoras de anticuerpos e inhibe su interacción con las células T, que coordinan la respuesta del sistema inmunológico del huésped frente a un invasor.

El otro punto clave, es sin duda la nueva solución cardioplégica protectora del corazón donante, empleada para reducir la actividad metabólica del miocardio durante el período de isquemia. Estas soluciónes cardioplégicas, se utilizan de manera rutinaria, con la finalidad de enlentecer la acidosis intracelular y el exceso de calcio (Ca) en el citosol del miocito, protegiendo el miocardio. Esta nueva solución empleada, está basada en un método desarrollado por el cirujano cardiotorácico Stig Steen de la Universidad de Lund y comercializada por la empresa sueca XVIVO, que se emplea para almacenar y tratar el corazón del donante después de su extracción. El corazón del cerdo una vez extraído, se colocó en un dispositivo de perfusión XVIVO Heart Box, máquina que conserva el corazón fuera del cuerpo del donante hasta la cirugía, y fue perfundido con esta solución que incluye, a diferencia de las soluciones cardioplégicas convencionales utilizadas de manera rutinaria en las cirugías a corazón abierto con circulación extracorpórea, y en los trasplantes, hormonas como la adrenalina y el cortisol, junto con cocaína disuelta. La razón de emplear esta perfusión, se basa en estudios previos que demostraron que los corazones de cerdo trasplantados a mandriles fallan en cuestión de días a menos que se perfundan con una solución nutritiva antes del trasplante. Los mecanismos detrás de este fallo miocárdico no están claros, aunque se especula que la isquemia y la anoxia del corazón de cerdo una vez extraído, agota enseguida la energía producida a nivel de las mitocondrias, actuando esta solución, al igual que las soluciones cardioplégicas convencionales rutinariamente empleadas, inhibiendo la rotura de la creatinfosfokinasa (CPK) y acumulando energía en forma de ATP dentro de las mitocondrias celulares.

Estos cerdos de Revivicor, empresa de medicina regenerativa fundada en 2003 a partir de la compañía británica PPLT y ubicada en Blacksburg, Virginia, que proporciona sus órganos donantes, los UOrgans™, como UHeart™, UThymoKidney™, UKidney™ y ULobe™, no están aprobados por la FDA. El trasplante UHeart™, realizado en Maryland fue autorizado por la FDA solo para el tratamiento de un paciente individual y como tratamiento compasivo. No obstante, la empresa Revivicor, está en negociaciones con la FDA para implantar, a fines de 2023, este programa de xenotrasplantes con corazones de cerdo genéticamente modificados, en ensayos clínicos en humanos, con el objetivo de poder disponer de un suministro ilimitado de órganos de donantes. En Revivicor esperan completar los ensayos clínicos para sus productos xeno UOrgan™ en los próximos años y que la FDA apruebe el programa para poder proporcionar una fuente de donantes de órganos para los cientos de miles de pacientes que no pueden lograrlos a través de la lista de espera de trasplantes.

¿Cuál es el futuro de los trasplantes? ¿Cómo se puede incrementar el número de donantes?

Este nuevo trasplante de un órgano animal (corazón de cerdo genéticamente modificado) a un humano (xenotrasplante), ha vuelto a abrir la esperanza de lograr poder realizar los trasplantes a nivel clínico asistencial de una manera programada, sin la existencia de la “espada de Damocles”, ni con la angustia de la escasez de donantes y la alta mortalidad en la espera de un órgano donante durante la fase de “lista de espera para trasplante”.

Aunque cuanto mayor es la distancia que separa a dos especies en la escala filogenética, mayor es la probabilidad de que existan anticuerpos preformados, y por lo tanto mayor probabilidad de que exista rechazo hiperagudo, la ventaja que tienen los xenotrasplantes de cerdo sobre los de primate no humano (chimpancé o babuino), es la de poder contar con una fuente animal fácilmente disponible, fácil de criar en cautividad, sin posibilidad de transmisión de infecciones (zoonosis), con un potencial de reproducción muy bueno a diferencia de los babuinos, con mayor número de crías por camada, con un crecimiento más rápido que el de los primates, y con unos costes de mantenimiento bajos, para poder conseguir en principio, un suministro ilimitado de órganos donantes. Además, comparativamente el cerdo sobre el primate, al ser utilizado habitualmente como fuente de comida por los humanos, a nivel ético tiene mayor opción de aceptación como fuente de órganos alternativa que el primate, estando aceptado además su potencial empleo como donante en las principales religiones, como la católica, budista, hinduista y musulmana.

Otra ventaja del cerdo a nivel inmunológico y genético, son los avances logrados a nivel de investigación en los últimos 30 años.  En 1991 se logró la Inhibición de la citotoxicidad de las células endoteliales mediada por el complemento, factor primordial para la prevención del rechazo hiperagudo del xenoinjerto. En 1992 se logró la producción de la primera cerda transgénica con el factor de aceleración de decaimiento del complemento (CD55 o hDAF).  Posteriormente, en 2001 se logró suprimir el gen de la alfa-1,3-galactosil-transferasa, (gen GTKO), enzima clave en la biosíntesis de xenoantígenos, logrando reducir el mayor inconveniente del xenotransplante que es el rechazo hiperagudo causado por la respuesta del sistema inmunitario a antígenos específicos de los tejidos animales. Este antígeno se expresa abundantemente en la superficie de las células endoteliales de todos los mamíferos, excepto los humanos.

En la actualidad, existen cerdos que han sido modificados genéticamente para no producir ciertos xenoantígenos como, el alfa-GAL (oligosacárido que está presente en células y tejidos de mamíferos no primates), el Neu5Gc, ácido N-glicolilneuramínico, molécula de ácido siálico que se encuentra en la mayoría de los mamíferos no humanos -azúcar que está presente en animales que tienen activo un gen llamado CMAH, que el ser humano al no tenerlo activo no reconoce el azúcar y lo identifica como sustancia extraña- y que provocan reacciones inmunitarias potentes en el interior de los seres humanos.

Cuando se trasplanta un órgano porcino en un humano, se produce una respuesta inmune inmediata (rechazo hiperagudo), debido a la unión de los anticuerpos anti-porcinos preformados a las celulas endoteliales del injerto. Estos anticuerpos, se unen al epıtopo del carbohidrato, galactosa–a1,3-galactosa (Gal), expresado en el endotelio vascular porcino, y se inicia una respuesta mediada por el complemento con lesión del endotelio, con posterior disfunción del injerto y rechazo. Posterior a este rechazo hiperagudo, este deposito de anticuerpos y complemento activa el endotelio, y hay infiltración de celulas polimorfonucleares, macrofagos, y células “Natural Killer” (NK), que, si la terapia inmunosupresora es inadecuada, acaban destruyendo el órgano donante.

Además, también se han generado cerdos transgénicos que producen moléculas típicamente humanas como la CD47 - proteína asociada a integrina (IAP), proteína transmembrana que en humanos está codificada por el gen CD47 perteneciente a la familia de las inmunoglobulinas; y la CD59 - glucoproteína conocida como proteína inhibitoria del complejo de ataque a la membrana (membrane attack complex-inhibitory protein, MAC-IP), inhibidor de membrana de lisis reactiva (membrane inhibitor of reactive lysis, MIRL), o protectina- una proteína que en los humanos está codificado por el gen CD59, para engañar nuestro sistema inmunitario.

Estos avances junto con las modificaciones genéticas con proteínas reguladoras del complemento como el factor de aceleración de decaimiento del complemento (CD55 o DAF) o la proteína cofactor de membrana (MCP o CD46), son las que han logrado evitar el rechazo hiperagudo temprano.

El camino de investigación es muy grande y no hay que descartar en un futuro no muy lejano los potenciales xenotrasplantes de corazones quiméricos alógenicos (cerdo-humanos) obtenidos de corazones embriológicamente humanos desarrollados en el cerdo y posteriormente criopreservados y guardados en un “banco de órganos para trasplantes”. Trasplante con la capacidad potencial añadida de, al ser autólogos no tener rechazo, o los corazones desarrollados mediante impresión aditiva biológica en 3D que también se está experimentando.

Los intentos para crear corazones humanos en laboratorio, mediante impresión aditiva biológica, son muy prometedores y hay empresas como Techshot, que, en colaboración con la NASA, están investigando la solución a uno de los inconvenientes de la impresión biológica aditiva, como es el soporte estructural necesario o “andamiaje”, valorando la posibilidad de realizar dicha impresión celular en presencia de gravedad cero, hecho este que solucionaría el problema de la necesidad de andamiaje. El objetivo es producir corazones humanos en el espacio dentro de la Estación Espacial Internacional que, al estar en constante caída libre, todo lo que hay en su interior experimenta microgravedad, por lo que un órgano allí fabricado a partir de las propias células madre del futuro paciente receptor, además de no requerir de “andamiaje”, tendría también la ventaja adicional de que no requeriría de medicamentos contra el rechazo. El 3D BioFabrication Facility (BFF) y el Techshot ADvanced Space Experiment Processor (ADSEP), conforman el primer sistema capaz de fabricar tejido humano en la condición de microgravedad del espacio. Utilizando células humanas adultas (células pluripotentes o células madre), el sistema puede crear tejido viable en el espacio a través de tecnología que le permite colocar y construir con precisión capas ultrafinas de biotinta, varias veces más pequeñas que el ancho del diámetro de un cabello humano.

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"La Medicina traslacional es crucial en la evolución de la ciencia biomédica"

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Robert Lechler y Mauro Giacca del King's College de Londres dedicados a la investigación centrada en aumentar la tolerancia de los órganos trasplantados, afirman que “cultivar nuevos órganos a partir de células madre humanas, preferiblemente del receptor para evitar el riesgo de rechazo, puede ser otra solución a largo plazo”. En sus investigaciones han descubierto algo también prometedor a nivel clínico para aquellos pacientes en insuficiencia cardíaca postinfarto, cómo es generar nuevas células musculares, miocitos, mediante la aplicación de moléculas cortas de control genético llamadas microARN.

Como vemos, la traducción de los logros de la ciencia básica a la práctica clínica diaria, sigue siendo un tema importante en la medicina actual y se aborda a través de la Medicina Traslacional, que tiene como objetivo cerrar el “gap”, la brecha existente entre la investigación básica y la práctica clínica. Esta Medicina Traslacional es crucial en la evolución de la ciencia biomédica y en conectar y hacer llegar el trabajo de laboratorio (benchside), al lado clínico (bedside), combinando disciplinas, recursos, conocimientos y técnicas, para promover mejoras en prevención, diagnóstico y tratamiento de las enfermedades.

A manera de reflexión, para potenciar esta Medicina Traslacional y lograr mejoras clínicas sustanciales que posibiliten hechos como el xenotrasplante de corazón de cerdos genéticamente modificados a la clínica humana, son necesarios en nuestra sociedad, cambios estructurales que permitan un nuevo diseño de las carreras investigadoras, donde juegan un papel prioritario las universidades. Se necesitaría también una actualización de la normativa reguladora para impulsar la transferencia de conocimiento y de resultados. Se necesitaría mejorar la coordinación y colaboración entre los actores que intervienen en la investigación -tanto los públicos como los privados- y favorecer la internacionalización de la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación. Es crucial fomentar y promover la participación activa del sector privado en materia de investigación y que las empresas, contando con incentivos fiscales, se conviertan en propulsoras de la investigación, como ocurre en Estados Unidos o en los países más avanzados de la Unión Europea, como Francia y Alemania.

Si queremos ser competitivos no hay que olvidar que para conseguir el progreso global, humanístico, científico, y tecnológico de cualquier país, los dos factores clave son el desarrollo del talento y la promoción de la excelencia.