La criptología de la enfermedad

Garrod. El padre de los errores innatos

Archibald Garrod vivió entre 1857 y 1936. Fue pionero de la medicina científica. Desde muy temprana edad mostró su vocación por la ciencia. Estudió ciencias naturales y química en la Universidad de Cambridge y luego medicina en St. Bartholomew Hospital, en Londres. Posteriormente, vivió un año en Viena, donde aprendió técnicas científicas modernas en medicina. En 1885 obtuvo su grado de Medicina y un máster en Ciencias de Oxford; fue aceptado como miembro del Royal College of Physicians. Trabajó por veinte años en los hospitales Marylebone General Dispensary, West London Hospital, St. Bartholomew’s Hospital, Great Ormond Street Hospital for Children y Alexandra Hospital for children with Hip Disease.

En el ámbito personal, se casó con Laura Elizabeth Smith en el año 1886. Tuvo cuatro hijos: tres hombres, dos de ellos murieron durante la época de la guerra, y una mujer, Dorothy Garrod, eminente arqueóloga y primera mujer en ser profesora en Cambridge.

Frederick Gowland Hopkins (1861-1947). Bioquímico inglés. Trabajó junto a Christiaan Eijkman, con quien recibió el Premio Nobel en Fisiología o Medicina en el año 1929 “por su descubrimiento de elementos esenciales necesarios en la dieta animal para mantener la salud”, o vitaminas, término acuñado después por Casimir Funk, un bioquímico polaco. La mayoría de su carrera académica la realizó en Cambridge, en química fisiológica, cuando aún la bioquímica no era reconocida como una disciplina propia. Garrod reconoció que sus trabajos con Hopkins fueron fundamentales en su carrera científica. En su laboratorio trabajaron Luis Leloir, Sir Hans Krebs y Albert Szent-Gyorgyi, quienes también recibieron el Premio Nobel y cuyo trabajo fue fundamental en el desarrollo de los EIM.

Sir Archibald Garrod (1857-1936). Médico inglés. Propuso la teoría de los errores innatos del metabolismo. Predijo la mayoría de los hallazgos científicos fundamentales que se han logrado en el último siglo sobre estas enfermedades. Sus enseñanzas no tuvieron eco durante su tiempo y fue solo unos diez años después de su muerte que Beadle y Tatum reconocieron la importancia de sus enseñanzas. Su teoría la elaboró basado en cuatro desórdenes. Hoy en día se conocen cerca de 1500.

Influencias en la vida de Garrod

Sir Archibald Garrod tuvo la fortuna de vivir en un ambiente muy propicio para la generación de nuevo conocimiento. Interactuó con grandes científicos de su época. Su padre, Alfred Garrod, desarrolló una técnica para determinar el ácido úrico en sangre, la orina y otros fluidos biológicos, lo que le permitió deducir que la gota se debe a un defecto temporal o permanente en la excreción del ácido úrico; asoció su acumulación con el vino, la buena vida y la falta de ejercicio. Este método le permitió distinguirla de las otras enfermedades reumáticas, las que clasificó como fiebre reumática aguda y subaguda. En la actualidad, Alfred Garrod es reconocido como el padre de la reumatología moderna (3, 4). La influencia de su padre en su formación se refleja en el hecho de que la tesis para el grado de médico fue sobre artritis reumatoidea y en 1890 publicó un tratado sobre el reumatismo y la artritis reumatoidea.

El hermano mayor de Archibald, Alfred Henry (1846-1879), fue un destacado zoólogo. Era amigo del hijo de Charles Darwin. Murió prematuramente a la edad de 33 años de tuberculosis. Para entonces había publicado 73 artículos y ostentaba dos títulos de Profesor Regio^V (5, 6).

Uno de los mentores y amigo personal de Archibald Garrod fue Sir Frederick Gowland Hopkins, experto en pigmentos y considerado uno de los grandes pioneros de la bioquímica (6). Dentro de su trabajo experimental, Hopkins alimentó animales con dietas que contenían sacarosa, caseína, manteca de cerdo, minerales y agua, y que, según las teorías prevalentes, eran suficientes para el crecimiento animal. Adicionalmente, a la mitad de esos animales les suministró leche. Basado en esos experimentos, en el año de 1912 propuso que para el crecimiento de los animales se necesitaban pequeñas cantidades de otros “factores alimenticios accesorios”.^VI

William Bateson (1861-1926). En su libro Mendel's Principles of Heredity (1902) rescató las ideas de Mendel que habían sido ignoradas por más de treinta años.

Su colaboración con Garrod fue muy importante para mostrar que las Leyes de Mendel se cumplen en humanos. Sugirió a Garrod que el tipo de herencia en la alcaptonuria se ajustaba bastante a los principios de la herencia auto-sómica recesiva que Mendel había descubierto en sus experimentos con plantas (8).

Hopkins descubrió el triptófano y el glutatión. Demostró el papel del ácido láctico en la contracción muscular, una de sus contribuciones más importantes a la ciencia y la medicina. Desarrolló un método para la determinación del ácido úrico, que se usó por muchos años. En 1929 recibió el Premio Nobel de Medicina por su trabajo sobre las vitaminas (7).

Garrod también fue amigo y colega de William Bateson, botánico reconocido, director del Jardín Botánico de Londres y fundador de la genética moderna.

En la publicación de Garrod sobre alcaptonuria (1902), hecha en The Lancet, se lee: “Recientemente ha sido señalado por Bateson que las leyes de la herencia descubiertas por Mendel dan cuenta de dicho fenómeno [la herencia recesiva en la alcaptonuria] (9). Cuando un carácter recesivo se encuentra con uno de tipo dominante el organismo resultante exhibirá el carácter dominante mientras que si dos caracteres recesivos se encuentran el carácter recesivo se manifestará necesariamente en el cigoto” (10). En una cita que hizo Garrod en 1909, tomada de una conferencia de Bateson del mismo año en la Royal Society, se lee: “Dos primos usualmente portan los mismos gametos que al aparearse se encuentran y llevan a que se manifieste en el cigoto el carácter recesivo peculiar, esto hace que el apareamiento de primos sea una condición favorable para que un carácter recesivo se manifieste”.

En el Museo Bateson, en Londres, se guarda una carta que Garrod le envió sobre las familias alcaptonúricas. Bateson, a pesar de que su formación de base era la botánica, se interesó en el estudio de varias enfermedades y colaboró estrechamente, no solo con Garrod, sino con otros médicos, especialmente oftalmólogos y dermatólogos, y en su libro Mendel's Principles of Heredity (2nd edition, 1909) cita como enfermedades probablemente mendelianas dominantes a la epidermólisis bullosa, la aniridia, xantomas, las cataratas congénitas, braquidactilia, corea de Huntington; entre la recesivas están el albinismo y la alcaptonuria, y como ligadas al sexo, la ceguera al color (daltonismo) y la distrofia muscular pseudohipertrófica (distrofia muscular de Duchenne).

Garrod extendió el concepto de recesividad a las seis enfermedades que publicó en la segunda edición de su libro Inborn Errors of Metabolism de 1923: alcaptonuria, pentosuria, cistinuria, albinismo, hematoporfiria y esteatorrea congénita.

La sinergia entre Garrod y Bateson destaca la importancia del trabajo interdisciplinario, hoy fundamental para la resolución de problemas complejos.

Algunos postulados de Garrod

En su libro Inborn Errors of Metabolism (figura 2-1), publicado en 1909, presentó sus teorías sobre los errores innatos del metabolismo (EIM) alrededor de cuatro enfermedades: alcaptonuria, pentosuria, cistinuria y albinismo (11). En la segunda edición (1923) (12) incluyó también a la hematoporfiria congénita y la esteatorrea congénita.

Con base en la segunda edición de su libro, en la cual hizo muchas afirmaciones valederas y audaces que aún se mantienen vigentes, presentamos algunos comentarios sobre las primeras cuatro enfermedades que le sirvieron de fundamento para elaborar sus teorías de los errores innatos del metabolismo.

Figura 2-1. Facsímil de la primera edición del libro Inborn Errors of Metabolism.

Alcaptonuria

Como referíamos a comienzos del capítulo, a finales del siglo XIX le fue remitido a Garrod un paciente recién nacido. A las 52 horas de su nacimiento, detectaron que su orina se ennegrecía al exponerla a la luz solar debido a la exagerada excreción de ácido homogentísico, compuesto cuyo metabolismo está alterado en la alcaptonuria.

La alcaptonuria se debe a la acumulación de ácido homogentísico en los fluidos biológicos, produciendo orina, lágrimas y otras secreciones de color negro; su acumulación en las articulaciones se llama ocronosis. Además de esa incómoda situación con la orina y de la presencia del pigmento oscuro en el cerumen y en el ojo, algunos pacientes no presentan más síntomas durante la infancia, pero a medida que pasa el tiempo, el ácido alcaptonúrico se va acumulando en las articulaciones produciendo artritis, problemas cardiovasculares tales como valvulitis, fibrosis, calcificación, pérdida de la audición y desórdenes genitourinarios como cálculos renales y falla renal. El fenómeno del ennegrecimiento de la orina y algunas de las propiedades químicas del compuesto que origina esa coloración habían sido descritos anteriormente. En efecto, Garrod, en su tratado de 1923, refiere que en el año 1609 un médico de apellido Schenck describió a un monje que presentaba color negro peculiar en su orina. Narra también que Alexander Marcel, en una publicación de 1823, retrató cuidadosamente este fenómeno en un niño que desde el nacimiento excretaba orina que se ennegrecía al dejarla un tiempo a la luz, y en 1854 Scribonius había reportado un escolar sano que excretaba orina de coloración negra (13).

Aprovechando su formación como científico, Garrod desarrolló un método para determinar la cantidad de ácido homogentísico e hizo un detallado estudio químico de lo que sucedía en estos pacientes. Confirmó que las personas que no padecían esta patología y a quienes se les administraba exógenamente ácido homogentísico no lo excretaban en la orina, mientras que los alcaptonúricos lo excretaban sin metabolizarlo. Concluyó que en el metabolismo normal de la fenilalanina y la tirosina se forma el ácido homogentísico, que es destruido por una enzima deficiente en estos pacientes. La naturaleza de las enzimas no se conocía y para entonces se les llamaba fermentos, pues fueron descubiertos en levaduras. Estudió minuciosamente no solo a sus pacientes, recopiló todo lo que había en la literatura científica al respecto, juntó sus observaciones y las de sus contemporáneos y predecesores, y en 1902 publicó en The Lancet un artículo en el que describía la enfermedad. Posteriormente amplió sus hallazgos en sus publicaciones de 1908 y 1923, en las que sostiene que la alcaptonuria se debe a un defecto en la enzima que rompe el anillo de la tirosina y la fenilalanina, haciendo énfasis en que esta es más frecuente en hijos de padres consanguíneos, y en que el ácido homogentísico no era producido por la acción de las bacterias sobre la orina, como se creía por entonces (15-19).

El defecto enzimático en el caso de la alcaptonuria propuesto por Garrod solo pudo ser verificado hasta en el año 1958 por La Du y colaboradores, quienes publicaron ese año su artículo “La naturaleza del defecto en el metabolismo de la tirosina en alcaptonuria” (19). Entre el postulado de Garrod sobre el defecto en la enzima y la confirmación de La Du, pasaron 56 años.

En el año de 1993, Pollak y colaboradores descubrieron el gen de la enzima homogentísico oxidasa, lo que permitió —91 años después— la confirmación total de la predicción de Garrod: que la acumulación del ácido homogentísico es producida por una alteración en una proteína producto de un daño en el gen HGD situado en el cromosoma 3 (20).

Algunos individuos alcaptonúricos presentan solo síntomas muy atenuados de la enfermedad y la única manifestación reconocible puede ser el ennegrecimiento de la orina. Otros casos pueden presentar también problemas articulares, lo que muestra la heterogeneidad en la presentación genética, que ya había anticipado Garrod cuando propuso en su tratado de 1909 la individualidad química y afirmaba que no hay enfermedades sino enfermos, enfatizando que cada paciente afectado por un EIM es y se debe tratar como un caso independiente y diferente.

Pentosurias

Son errores innatos del metabolismo de los carbohidratos, derivados de un defecto en el metabolismo de las pentosas.^VII Es un desorden asintomático que ordinariamente se diagnostica en el laboratorio cuando se encuentra en la orina acumulación anormal de otros carbohidratos como la glucosa en personas con sospecha de diabetes mellitus.

Garrod, en su libro Inborn Errors of Metabolism, dentro del capítulo que le dedica a este desorden, anotó: “A pesar de que se sabe que la Pentosuria persiste por muchos años sin causar problemas de salud, la evidencia de seguimiento desde el nacimiento es muy incompleta. Es sorprendente que solo se detecta por el poder reductor de la orina de niños que de vez en cuando se examinan buscando la presencia de azúcares”. “Algunos pacientes se han seguido durante al menos 10 años hasta la edad de 60 y después, periodo durante el cual no se agravó su condición”. “En cuanto a la prognosis de la pentosuria, es muy temprano para hablar de ello, pero la impresión [que] prevalece entre los estudiosos del tema [es] que no es muy perjudicial. Sin embargo, la historia de la alcaptonuria nos debe llevar a ser cuidadosos al adoptar ese punto de vista” (13).

En otro aparte afirma: “Es claro que el diagnóstico correcto en los casos de pentosuria tiene una importancia práctica real. Si no se hace el diagnóstico, el paciente será sometido a los inconvenientes de restricción dietaria que se prescribe en la diabetes y que cuando no es necesaria es francamente indeseable”.

De los errores innatos descritos por Garrod, la pentosuria es, quizá, el menos estudiado. Su prevalencia es más común en los judíos askenazis. Se ha confirmado que es autosómico recesivo y se caracteriza por la excreción elevada del azúcar de cinco átomos de carbono L-xilulosa. En 1970 se descubrió que era producida por un defecto en la enzima L-xilulosa reductasa. La pentosuria es completamente asintomática. Antes de que se inventara un método específico para medir los niveles de xilulosa, la prueba que se usaba para medir azúcares en orina no discriminaba entre glucosa y xilulosa, y muchos pacientes pentosúricos fueron tratados como diabéticos, lo cual se solucionó con una prueba que desarrolló Margaret Lasker en 1933 para determinar xilulosa. Estudios recientes muestran que la enzima L-xilulosa reductasa es codificada en el gen DCXR, localizado en el brazo largo del cromosoma 17. En un estudio que hizo sobre la prevalencia de la pentosuria en judíos askenazis en Nueva York, Lasker encontró que la frecuencia de pentosuria en la población judía, en la cual es más prevalente, era de 1:3 300 individuos (21-23). Todos estos estudios confirman, en cierta medida, las predicciones de Garrod.

Albinismo

El albinismo es una condición en que la persona afectada tiene hipopigmentación de la piel, los cabellos y los ojos. La mayoría de las personas afectadas llevan una vida normal, era conocido por los griegos y los romanos. Se sabe que la melanina, pigmento negro que da coloración a la piel, protege contra los efectos nocivos de la radiación. Garrod reseñó los experimentos hechos por Beckel y Tasawa sobre el efecto de la luz en la piel de animales albinos y las consecuencias de la exposición a la luz de lámparas de mercurio durante dos horas diarias en conejos normales, que mostraron un aumento en glóbulos rojos y en la hemoglobina de su sangre, mientras que los conejos albinos tratados en forma similar solo mostraban un ligero aumento en esos parámetros sanguíneos (12). Garrod describió el bloqueo en la síntesis de la melanina y la ausencia de este pigmento en la piel y cabellos de los albinos; atribuyó el defecto a la carencia de una enzima específica en las células de estas personas y sugirió que esta era responsable del defecto en los animales albinos y quizá también en el vitiligo. Garrod afirmó que, a diferencia de los otros errores innatos que se manifiestan por problemas en la excreción, el albinismo es diferente, pues se debe a la falta de sustancias que son constituyentes normales de ciertos tejidos.

El albinismo ha probado ser mucho más complejo de lo que se consideraba inicialmente. En 2013 fueron clasificados siete tipos distintos: albinismo oculocutáneo (OCA), que afecta la piel, los ojos y el cabello, y albinismo ocular, fundamentalmente (OA). Algunos tipos de OCA y OA se heredan en forma autosómica recesiva. Algunos tipos de OA se heredan ligados al cromosoma X; otras formas de albinismo, con fenotipos más severos que comprometen otros caminos metabólicos como en el síndrome de Hermansky–Pudlak (HPS) y síndrome de Chediak–Higashi (CHS), que son menos comunes que los OCA y OA. Actualmente, se ofrecen paneles moleculares de más de 55 genes para el diagnóstico diferencial del albinismo y que incluyen otros defectos genéticos asociados con la hipopigmentación de herencia autosómica dominante.

Entre estos genes hay algunos que codifican por las enzimas melanogénicas, por receptores específicos, por transportadores al sitio donde se sintetiza la melanina (el melanosoma) y un número grande de genes asociados con proteínas comprometidas en la síntesis de lisosomas, etc. (24).

A pesar de los avances en el conocimiento de la enfermedad, aproximadamente el 20 % de los individuos con albinismo no han podido ser clasificados molecularmente. Se conocen cerca de 400 genes asociados con la pigmentación, de los cuales solo el 4 % se ha vinculado al albinismo, poniendo de manifiesto la complejidad de esa entidad que antes se creía muy simple y sobre la cual hay mucho por descubrir y aprender. El albinismo se ha encontrado en varios animales: elefantes, primates, cebras, ardillas, etc. El ratón albino ha sido especialmente valioso para el estudio de la enfermedad.

Cistinuria

Enfermedad caracterizada por la producción de cálculos renales que se manifiesta por cólicos o infecciones, excreción urinaria con cantidades anormales de cistina, lisina, ornitina y arginina, y mala absorción intestinal de esos aminoácidos.

Algunos de los pacientes no desarrollan síntomas, otros en cambio presentan cálculos renales desde temprana edad. Los episodios agudos se presentan con dolor abdominal o en la parte baja de la espalda, hematuria, piuria^VIII y evacuación espontánea de cálculos.

En las dos ediciones del libro Inborn Errors of Metabolism, Garrod hizo una minuciosa descripción de lo que se conocía hasta entonces sobre la cistinuria, anotando lo observado por otros autores y los frutos de su propia experiencia. Detalla lo que otros habían visto en cuanto al color y olor de la orina de esos pacientes y concluye que para él lo que ha sido obvio es el olor particular azufrado de la orina (11, 12).

Son llamativos los avances respecto al conocimiento de la cistina, cuya estructura ya había sido identificada. Los métodos utilizados para ello incluían la precipitación de cristales en la orina de los pacientes mediante un sencillo procedimiento que se utiliza aún hoy en día en el laboratorio.

Usando la información disponible en la literatura y sus propias observaciones, concluyó que el defecto, además de comprometer el metabolismo de la cistina, involucra los aminoácidos lisina y ornitina y se debe a “un proceso de desaminación realizado en varios tejidos por la acción de enzimas que parecen diferir en su modo de acción, lo que puede ser la clave de las diferencias observadas en casos individuales de cistinuria” (11).

Agregó además lo siguiente: “Pareciera que cuando, por cualquier razón, los aminoácidos escapan a este cambio inicial (desaminación), no hay un mecanismo alternativo disponible para manejarlos y entonces son excretados sin modificación” (25, 26).

Hoy se conocen dos genes: el SLC3A1 y el SLC7A9, que codifican por las dos subunidades del transportador epitelial de esos aminoácidos, por lo que un defecto en esos genes origina problemas en la reabsorción renal de la cisteína y de los aminoácidos dibásicos lisina y ornitina. Dado que la cistina es el aminoácido más insoluble, se forman en el riñón cálculos de cistina que son muy difíciles de disolver. La cistinuria no se debe a un defecto en la desaminación de los aminoácidos como lo predijo Garrod, sino a un defecto en los receptores que permiten su reabsorción en el riñón. El descubrimiento de los receptores se hizo años más tarde. Los defectos en el gen SLC3A1 se asocian con un modelo de herencia autosómica recesiva, en tanto que los defectos en el gen SLC7A9 se asocian con modos de herencia más complejos.

En resumen, a la luz de lo que se conoce actualmente, la cistinuria puede ser trasmitida en forma autosómica recesiva o dominante de penetrancia incompleta (27, 28). Tal vez en la cistinuria fue donde menos acertó Garrod, pero como dice Scriver en una de sus reseñas: “Garrod no pudo descubrir el error de la función en la cistinuria, pero investigaciones posteriores han mostrado que el tráfico entre y a través de las células es una parte vital del denominado metabolismo dinámico, en cuyo caso Garrod estaba en el sendero correcto” (26).