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Los tres componentes principales del sistema inmunitario del cuerpo son: linfocitos B (células B), linfocitos T (células T) y el sistema inmunitario innato. Los linfocitos B se derivan principalmente de células de la médula ósea, mientras que los linfocitos T se originan a partir del timo. Las células B se encargan de la síntesis de anticuerpos humorales circulantes, también conocidos como inmunoglobulinas. Las células T están involucradas en diversos procesos inmunitarios mediados por células, como rechazo de injerto, reacciones de hipersensibilidad y defensa contra células malignas y muchos virus. Las células B y T responden de una manera adaptativa; desarrollan una respuesta dirigida para cada invasor encontrado. El sistema inmunitario innato defiende contra infección de una manera inespecífica. Contiene diversas células, como fagocitos, neutrófilos, células asesinas naturales y otras (capítulo 54).
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Las inmunoglobulinas constan de múltiples cadenas polipeptídicas
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Las inmunoglobulinas (Ig) son proteínas oligoméricas cuyas subunidades individuales tradicionalmente se han clasificado como pesadas (H) o ligeras (L) con base en su migración durante electroforesis en gel de SDS-poliacrilamida. Las inmunoglobulinas del humano pueden agruparse en cinco clases que se abrevian IgA, IgD, IgE, IgG e IgM (cuadro 52-8). En el cuadro 52-9 se resumen las funciones biológicas de cada clase. La más abundante de las cinco, la IgG, consta de dos cadenas ligeras idénticas (23 kDa) y dos cadenas pesadas idénticas (53 a 75 kDa) enlazadas juntas por una red de enlaces disulfuro. Las cadenas L y H son sintetizadas como polipéptidos separados que después son montados dentro de la célula B o la célula plasmática hacia moléculas de inmunoglobulina maduras, todas las cuales son glucoproteínas.
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La configuración en forma de Y de la unidad central de inmunoglobulina se ilustra por el tetrámero de IgG (L2H2) (figura 52-11). Algunas inmunoglobulinas, como la IgG inmune sólo existen en la estructura tetramérica básica. Otras, como la IgA y la IgM pueden formar oligómeros superiores compuestos de dos, tres (IgA) o cinco (IgM) copias de la unidad tetramérica central (figura 52-12). El tipo de cadena H determina la clase de inmunoglobulina y, así, su función efectora (véase más adelante): α (IgA), δ (IgD), ε (IgE), γ (IgG) y μ (IgM). Las cadenas γ de la IgG están organizadas hacia cuatro dominios conservados: una región variable amino terminal (VH) y tres regiones constantes (CH1, CH2, CH). Los cinco tipos de cadenas H se distinguen por diferencias en sus regiones CH. Las cadenas μ y ε tienen, cada una, cuatro dominios CH en lugar de los tres habituales.
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La cadena ligera de IgG puede dividirse en una región constante C terminal (CL) y una región variable amino terminal (VL). Hay dos tipos generales de cadenas ligeras, kappa (κ) y lambda (λ), que pueden distinguirse con base en diferencias estructurales en sus regiones CL. Una molécula de inmunoglobulina dada siempre contiene dos cadenas ligeras κ o dos cadenas ligeras λ (nunca una mezcla de κ y λ). En humanos, las cadenas κ son más comunes que las cadenas λ en moléculas de inmunoglobulina.
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Las moléculas de IgG son divalentes. El extremo de cada Y contiene un sitio de unión a antígeno constituido de dominios VH y VL dispuestos juntos para formar dos láminas de aminoácidos antiparalelas. El sitio en el antígeno al cual se une un anticuerpo se denomina un determinante antigénico (o epítopo). La región entre los dominios CH1 y CH2, que puede separarse fácilmente usando pepsina o papaína (figura 52-11), se denomina la “región bisagra”. La región bisagra confiere flexibilidad y permite que ambos brazos Fab se muevan de manera independiente. Esto facilita la unión a sitios antigénicos que pueden estar separados distancias variables o que están presentes en dos bacterias o virus diferentes. De esta manera, pueden formarse agrupaciones de anticuerpo-antígeno cuyo tamaño hace que sean más fácilmente reconocidas y desechadas por leucocitos fagocíticos. Este fenómeno comúnmente se demuestra en el laboratorio por la formación de rosetas de eritrocitos.
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Las regiones variables confieren especificidad de unión
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Las regiones variables de las cadenas ligera y pesada de inmunoglobulina forman los sitios de unión a antígeno que dictan la especificidad asombrosa de los anticuerpos. Como su nombre lo indica, son bastante heterogéneas. De hecho, no hay dos regiones variables de seres humanos diferentes que compartan secuencias de aminoácidos idénticas. Las regiones variables de las cadenas L y H constan de un puñado de islas cortas (5 a 10 residuos) llamadas regiones hipervariables intercaladas dentro de un “mar” de polipéptidos por regiones marco relativamente invariables (figura 52-13). Las regiones hipervariables también se denominan regiones determinantes de complementariedad (CDR). Un sitio de unión a antígeno se forma cuando las regiones hipervariables de las cadenas H y L se alinean juntas en espacio tridimensional (estructura terciaria) como asas que se proyectan desde la superficie del anticuerpo.
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Diversas combinaciones de CDR de cadena H y L pueden dar lugar a múltiples anticuerpos que poseen diferentes especificidades, una característica llamada diversidad combinatoria. Los antígenos grandes interactúan con todas las CDR de un anticuerpo, mientras que los ligandos pequeños pueden interactuar con sólo una CDR o con algunas CDR que forman una bolsa o surco en la molécula de anticuerpo. La esencia de las interacciones antígeno-anticuerpo es la complementariedad mutua entre las superficies de CDR y epítopos que involucran múltiples interacciones no covalentes como formación de enlaces de hidrógeno, puentes de sal, interacciones hidrofóbicas, y fuerzas de Van der Waal (capítulo 2).
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Las regiones constantes determinan funciones efectoras específicas para clase
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Las regiones constantes de las moléculas de inmunoglobulina, en particular la CH2 y CH3 (y CH4 de IgM e IgE) situadas dentro del fragmento Fc, se encargan de las funciones efectoras específicas para clase de las diferentes moléculas de inmunoglobulina (cuadro 52-9, parte inferior), como fijación de complemento o paso transplacentario.
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La diversidad de anticuerpos depende de reordenamientos de gen
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El genoma humano contiene menos de 150 genes que codifican para inmunoglobulina; sin embargo, cada persona es capaz de sintetizar quizás un millón de anticuerpos diferentes, cada uno específico para un antígeno único. Es evidente que la expresión de inmunoglobulina no sigue el paradigma de “un ejemplo, una proteína”. En lugar de eso, la diversidad de inmunoglobulina es generada por mecanismos combinatorios que se basan en la mezcla y el reordenamiento de múltiples maneras de un fondo común finito de información genética (capítulos 35 y 38).
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La primera fuente de diversidad de anticuerpos es la división de la secuencia codificadora para cada cadena de inmunoglobulina entre múltiples genes. Cada cadena ligera es el producto de al menos tres genes estructurales separados que codifican para la región variable (VL), la región de unión (J) (que no tiene relación con la región J de IgA o IgM) y región constante (CL), respectivamente. De modo similar, cada cadena pesada es el producto de al menos cuatro genes diferentes que codifican para una región variable (VH), una región de diversidad (D), una región de unión (J) y una región constante (CH). Cada gen está presente en el genoma humano en varias versiones, lo que ofrece el potencial del montaje de múltiples combinaciones.
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La diversidad aumenta más mediante la acción de la citidina desaminasa inducida por activación (AID). Al catalizar la conversión de citidina en uracilo, la AID aumenta de manera masiva la frecuencia de mutación de genes V que codifican para inmunoglobulina. Estas mutaciones son de naturaleza somática, es decir, singular para una célula diferenciada más que para una célula de la línea germinal. En consecuencia, cada activación de AID genera nuevas subpoblaciones de células B que albergan mutaciones singulares de sus genes V, lo que hace que cada una sintetice inmunoglobulinas de especificidad de antígeno que difiere. En algunos estados patológicos, la acción mutagénica de AID puede llevar a la generación de autoanticuerpos que se dirigen a componentes endógenos del organismo, un fenómeno llamado autoinmunidad.
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Un tercer mecanismo para generar anticuerpos que se dirigen a antígenos nuevos es la diversidad de unión. Esto se refiere a la adición o deleción de números al azar de nucleótidos que tiene lugar cuando ciertos segmentos de gen son unidos entre sí. Como sucede con la AID, las mutaciones generadas por diversidad de unión son de naturaleza somática.
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El cambio de clase (isotipo) ocurre durante respuestas inmunitarias
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En casi todas las respuestas inmunitarias humorales, se generan anticuerpos de diferentes clases que poseen especificidades de antígeno idénticas. Cada clase aparece en un orden cronológico específico en respuesta al inmunógeno (antígeno inmunizante). Por ejemplo, los anticuerpos de la clase IgM normalmente preceden a moléculas de la clase IgG. La transición desde la síntesis de una clase a otra es designada cambio de clase o de isotipo. El cambio comprende la combinación de una cadena ligera de inmunoglobulina dada con diferentes cadenas pesadas. Mientras que una cadena ligera recién sintetizada inicialmente será apareada con una cadena μ para generar una molécula de IgM específica, con el tiempo la misma cadena ligera específica para antígeno será apareada con una cadena γ. Empero, esta cadena γ poseerá una región VH idéntica a la de la cadena μ, lo que generará así una IgG cuya especificidad de antígeno es idéntica a la de la molécula de IgM original. La misma cadena ligera también puede combinarse con una cadena pesada α, que de nuevo contiene la región VH idéntica, para formar una molécula de IgA con especificidad de antígeno idéntica. Se dice que moléculas de inmunoglobulina de diferentes clases que poseen dominios variables y especificidad de antígeno idénticos, comparten un idiotipo. (Los idiotipos son los determinantes antigénicos formados por los aminoácidos específicos en las regiones hipervariables).
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Los anticuerpos monoclonales son una importante herramienta de investigación
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Los anticuerpos han surgido como una herramienta importante en la investigación, el diagnóstico y el tratamiento biomédicos. Originalmente, la producción de anticuerpos contra un antígeno seleccionado requería que el antígeno se inyectara en un animal huésped, como un conejo o una cabra, y que se obtuviera suero que contenía inmunoglobulinas plasmáticas que incluían (se esperaba) anticuerpos contra el antígeno de interés. Cuando se inyecta un antígeno en un animal, los anticuerpos resultantes son producidos por una mezcla de células B que sintetizan anticuerpos dirigidos contra diferentes sitios (epítopos o determinantes) sobre el antígeno. De este modo, los anticuerpos producidos en huéspedes animales son heterogéneos o de naturaleza policlonal. Más aún, a menos que queden sujetos a una costosa purificación de afinidad, las inmunoglobulinas séricas también contienen anticuerpos contra muchos miles de antígenos a los cuales el animal huésped ha quedado expuesto durante su lapso de vida.
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Es posible generar en el laboratorio anticuerpos monoclonales homogéneos que se dirigen a un epítopo único y que están libres de otras inmunoglobulinas contaminantes. Típicamente, se obtienen células B del bazo de un ratón (o de otro animal idóneo) en el cual previamente se inyectó un antígeno o una mezcla de antígenos (p. ej., células extrañas). Las células B se mezclan con células de mieloma murinas y se exponen a polietilenglicol, que causa fusión celular. El producto de esta fusión es una línea celular permanente llamada un hibridoma capaz de proporcionar un aporte continuo de anticuerpos monoclonales. En la figura 52-14 se resumen los principios involucrados en la generación de células de hibridoma. Al colocar en placas mezclas de células altamente diluidas sobre un medio selectivo que contiene hipoxantina-aminopterina-timidina (HAT), pueden aislarse líneas de hibridoma clonales, homogéneas, que se originan a partir de una célula única. Al identificar líneas que secretan un anticuerpo monoclonal específico para el antígeno de elección, es posible obtener una batería de anticuerpos monoclonales específicos para componentes individuales de la mezcla inmunogénica o epítopos diferentes en un antígeno único. Las células de hibridoma se pueden congelar y almacenar, y después descongelar cuando se requiere más anticuerpo; esto asegura su aporte a largo plazo.
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Para uso terapéutico en humanos, anticuerpos monoclonales producidos mediante líneas de células murinas se pueden humanizar. Esto se logra al fijar los CDR (los sitios que unen antígenos) en sitios apropiados en una molécula de inmunoglobulina humana. Esto produce un anticuerpo que es muy similar a un anticuerpo humano, cuya inmunogenicidad reducida disminuye de manera notoria las probabilidades de una reacción anafiláctica.