La búsqueda de los marcadores biológicos de la EDC




Un equipo de la Universidad de Duke usó microarrays de expresión para medir los niveles de expresión de más de 14.000 genes recolectados de la sangre de buzos.


Los buzos aprenden por primera vez lo que es la afección conocida como enfermedad por descompresión (EDC) durante el entrenamiento en aguas abiertas. La EDC se produce cuando los tejidos de nuestro cuerpo absorben gas inerte (como el nitrógeno) durante un buceo y el gas sale de la solución durante el ascenso, formando así burbujas. Estas burbujas pueden causar lesiones en los tejidos, un bloqueo en los vasos sanguíneos y una cascada de respuestas fisiológicas. Los síntomas de la EDC pueden incluir erupción en la piel, dolor articular, malestar general, mareo, debilidad muscular, falta de aire, parálisis y pérdida del conocimiento.

Por desgracia, con la excepción del bloqueo de los vasos sanguíneos, las causas exactas de estos síntomas aún no se comprenden bien. La idea que predomina es que la EDC es causada por la activación de los mecanismos responsables de la respuesta inflamatoria, la coagulación o respuestas inmunes sistémicas por los efectos físicos de las burbujas; no obstante, la investigación aún continúa con el objeto de determinar hasta qué punto estas respuestas están involucradas en la EDC.
Marcadores biológicos
El desarrollo de nuevas maneras de estudiar las causas y los grados de estrés que el cuerpo experimenta durante la descompresión beneficiará no sólo a buzos sino también a pilotos de grandes altitudes y astronautas. En los estudios sobre descompresión humana podría usarse un indicador del estrés descompresivo (DS, del inglés "decompression stress") basado en la sangre como un marcador biológico, o biomarcador, para así proporcionar una idea más clara de los mecanismos moleculares involucrados en la EDC. Un biomarcador relacionado con el DS también podría usarse como punto de partida para desarrollar una prueba con el objeto de diagnosticar una EDC en tiempo real.

El Centro de Biomarcadores en Imágenes del Hospital General de Massachusetts define los biomarcadores como "parámetros anatómicos, fisiológicos, bioquímicos o moleculares relacionados con la presencia y la gravedad de estados de enfermedades específicas". El NIH (National Institutes of Health, o Instituto Nacional de Salud) define los biomarcadores como "una característica que se mide y evalúa objetivamente como un indicador de procesos biológicos normales, procesos patogénicos o respuestas farmacológicas a las intervenciones terapéuticas". Los biomarcadores moleculares son estructuras químicas o moleculares que indican la presencia de una enfermedad, una lesión o factores estresantes en el cuerpo. Los biomarcadores incluyen cualquier cosa desde una única molécula o macromolécula a una compleja impronta de cambios moleculares sobre la base de una patología en particular. Los biomarcadores pueden ser útiles para diagnosticar condiciones clínicas, predecir riesgos o resultados clínicos y proporcionar mediciones objetivas de enfermedades continuas o procesos de lesiones.

Estudios de investigación de buceo han explorado una selección de posibles biomarcadores de DS y EDC. Durante décadas los investigadores han observado parámetros bioquímicos en la sangre (como los niveles de encimas y productos metabólicos) en estudios de descompresión; no obstante, la investigación no ha establecido ninguna correlación directa entre estos parámetros y la incidencia o gravedad de la EDC.

Aun así, los investigadores continúan estudiando los marcadores de otras condiciones médicas como candidatos. Por ejemplo, el dímero D, que es un pequeño fragmento de proteína derivado de la degradación de coágulos de sangre y que sirve de marcador de lesiones neurológicas, se ha medido en mayores niveles en buzos con EDC que manifestaron déficits neurológicos. Se ha demostrado que la S100ß, otro marcador de lesiones neurológicas, aumenta en los sujetos animales después de una descompresión rápida. Los investigadores también han comprobado que los niveles de péptido natriurético cerebral en el plasma comienzan a aumentar en los buzos después de estar una hora bajo el agua a 10 metros (33 pies) y se mantienen elevados por cuatro horas después de salir a la superficie.

Sin embargo, al igual que con los parámetros bioquímicos en la sangre, no se ha establecido ningún marcador neurológico como marcador potencial de DS o EDC. Antiguos estudios también han demostrado que la CPK (creatina-fosfoquinasa), un indicador de daños en los tejidos en enfermedades y lesiones, se eleva considerablemente en sujetos con un diagnóstico de EDC y se correlaciona con la presencia de burbujas en las arterias. Lamentablemente, ninguno de estos candidatos ha sido establecido como un marcador confiable de DS o EDC.
Antecedentes
Para buscar biomarcadores candidatos en la sangre, mi equipo de investigación de la Universidad de Duke utiliza una técnica llamada microarrays de expresión, que mide el nivel de expresión de todos los genes presentes en nuestras células. Los genes contienen la información básica necesaria para ensamblar moléculas llamadas proteínas, que son los bloques de construcción de nuestro cuerpo. Los genes también regulan cómo y dónde se crean y utilizan las diferentes proteínas en nuestro cuerpo. Cuando los tejidos del cuerpo son expuestos a factores estresantes (tales como calor, infección, lesión o burbujas de gas), algunos genes se expresarán (se "activarán") o se reprimirán (se "desactivarán") para iniciar una respuesta a ese factor estresante, que equivale a la producción de una mayor o menor cantidad de la proteína correspondiente de ese gen.

La información genética presente en las células fluye del ADN al ARN y luego a las proteínas. La tecnología de microarrays puede medir la cantidad de ARN de cada gen en una célula y esto proporciona información acerca del nivel de expresión relativa de cada gen en una muestra de sangre o tejido. Llevamos a cabo un estudio para investigar el nivel de expresión relativa de cada gen en las células sanguíneas circulantes a fin de contribuir a una mejor comprensión de los nuevos candidatos a marcadores de genes y vías moleculares involucradas en el EDE.
Métodos
Mediante el uso de microarrays de expresión medimos los niveles de expresión de más de 14.000 genes de muestras de sangre venosa humana recogidas una hora antes y dos horas después de realizar buceos experimentales. Los sujetos estaban sumergidos y ejercitando en una cámara hiperbárica, lo que permitió al equipo del estudio controlar con precisión el perfil de buceo experimental con el objeto de minimizar las posibles fuentes de varianza. Comparamos las muestras tomadas antes y después del buceo para identificar los genes importantes y las vías bioquímicas correspondientes en respuesta al DS. Ninguno de los sujetos experimentó síntomas de EDC.


Un sujeto se prepara para comenzar a ejercitarse bajo el agua en una cámara hiperbárica.
Los sujetos respiraron oxígeno en cámara hiperbárica durante la descompresión. Debido a que los cambios en la expresión de los genes después de los buceos experimentales podían estar relacionados con respirar altas presiones parciales de oxígeno, realizamos un experimento independiente para analizar la expresión de los genes en la sangre una hora antes y dos horas después de respirar oxígeno en cámara hiperbárica. De modo similar, dado que los sujetos ejercitaron durante la fase de fondo del buceo, evaluamos los cambios en la expresión de los genes en la sangre después de realizar ejercicio con un nivel de esfuerzo y una duración similares en un experimento independiente.

Por último, abordamos el efecto del momento del día sobre la expresión de los genes mediante la recolección de muestras a aproximadamente las 7 de la mañana y a las 5 de la tarde para la serie de buceos experimentales. Extrajimos sangre de un grupo experimental diferente sin ninguna otra exposición experimental a las 7 de la mañana y a las 5 de la tarde para ayudarnos a identificar a aquellos genes que se expresan en diferentes niveles exclusivamente sobre la base del momento del día. Procesamos las muestras de sangre para extraer el ARN de las células y luego procesamos el ARN para medir los niveles de expresión relativa de más de 14.000 genes mediante el uso de microarrays de expresión.
Resumen
Los estudios estadísticos revelaron que más de 700 genes (de los más de 14.000 que medimos) se expresaron en niveles que fueron considerablemente más altos o bajos después de los buceos experimentales en comparación con las mediciones de referencia anteriores al buceo.

En el análisis del grupo de control de exposición hiperóxica, aproximadamente 200 genes se expresaron en comparación con los niveles de referencia, incluidos los genes asociados con la comunicación y la adhesión celular. El análisis de las muestras de sangre recolectadas para dar cuenta del momento del día demostró aproximadamente 30 genes que se expresaron de manera diferente entre las 7 de la mañana y las 5 de la tarde. Con respecto al efecto del ejercicio, no hubo cambios importantes en la expresión de los genes dos horas después del ejercicio en comparación con los niveles de referencia.

Después de clasificar los genes que se activaron o desactivaron debido a la exposición hiperóxica o según el momento del día, el estudio aún reveló aproximadamente 700 genes que se expresaron o reprimieron en niveles significativos después de las exposiciones de los buceos experimentales. Estos resultados demuestran que una cantidad considerable de genes periféricos en la sangre se regulan de manera diferente en respuesta al buceo, independientemente de la exposición hiperóxica, el ejercicio o el momento del día. Una cantidad importante de estos genes está relacionada con respuestas inflamatorias e inmunes innatas.
Impacto
En este estudio identificamos una serie de genes clave y rutas a nivel de los genes relacionados con el estrés descompresivo como un primer paso en la identificación de los potenciales candidatos a biomarcadores del DS y la EDC. Comprender el mecanismo de una lesión, una respuesta o el proceso de una enfermedad es útil, si no necesario, para identificar los posibles biomarcadores de esa condición específica.

Se han sugerido varios caminos como mecanismos subyacentes del DS y la EDC en los humanos. El aumento en la actividad y evidencia de coagulación se han demostrado en casos de EDC y en buzos asintomáticos después de exposiciones en cámara hiperbárica. También se ha detectado la activación de plaquetas después de buceos que no manifestaron síntomas. Los estudios han demostrado la elevación de los marcadores inflamatorios e inmunes después de buceos que no presentaron síntomas y en casos de EDC.

Trabajos previos realizados por Bruce Cameron y sus colegas investigaron la expresión de genes inmunoinflamatorios específicos en buzos militares después de buceos profundos con aire. De modo similar a los resultados de nuestro estudio, se comprobó que una serie de genes inmunoinflamatorios se expresó de manera diferente después del buceo. Un estudio de seguimiento realizado por el mismo grupo evaluó la sangre periférica recolectada antes y después del buceo y detectó diferencias importantes en la expresión de los genes tras una serie de buceos con mezclas de gases. En todos los perfiles se observó una expresión distinta de los genes inmunoinflamatorios después del buceo.

Un estudio reciente basado en microarrays realizado por Ingrid Eftedal y sus colegas recolectó muestras de sangre antes e inmediatamente después del primer y el último buceo de una serie de tres días de buceos diarios en aguas abiertas con aire comprimido. Estos investigadores encontraron cambios significativos en la expresión de los genes celulares inmunes e inflamatorios después del buceo. Los genes antioxidantes también aumentaron. Los autores llegaron a la conclusión de que la práctica exhaustiva de buceo puede causar un cambio persistente en las vías que controlan la muerte celular, la inflamación y las respuestas inmunes innatas.

Jan Krog y sus colegas recientemente sugirieron que los marcadores relacionados con el sistema inmunológico serían candidatos ideales como biomarcadores de DS. Su conclusión se basó en la mayor cantidad de células asesinas naturales (NK, por sus siglas en inglés) circulantes y el aumento en la toxicidad de las células NK que observaron en los buzos militares después de la descompresión derivada de una saturación profunda. Aunque la activación de estas vías ha sido demostrada después de exposiciones descompresivas o el desarrollo de una EDC, no se ha establecido ningún biomarcador de DS ni ningún indicador de EDC.


Los investigadores obtuvieron muestras de sangre venosa de sujetos de investigación una hora antes y dos horas después de buceos experimentales.


Nuestro estudio investigó los cambios en la expresión de miles de genes en muestras de sangre humana después de exposiciones de buceo controladas y el diseño del estudio controlado para otras posibles fuentes de varianza biológica (hiperoxia, momento del día y ejercicio). El desarrollo y la validación de un marcador o un panel de marcadores de DS es el primer paso para identificar una prueba para su uso en estudios de descompresión experimental en humanos. Este tipo de prueba también puede servir de base para una prueba de diagnóstico de la EDC que podría usarse en el tratamiento.

Estudios continuos están investigando candidatos multigénicos, de un solo gen y proteínas relacionadas vinculadas a estas vías como posibles marcadores sanguíneos de DS. Desarrollar una mejor comprensión de las vías relacionadas con las exposiciones descompresivas no sólo establecerá candidatos óptimos para marcadores de diagnóstico del DS y la EDC, sino que también permitirá conocer los mecanismos a nivel molecular y tisular subyacentes a la respuesta del cuerpo frente a la formación, presencia y daños de las burbujas y otros factores estresantes potenciales relacionados con la descompresión.

© Alert Diver — 2do Trimestre 2015