La Hipoxia, el Premio Nobel de Medicina 2019 y los aportes peruanos a los estudios de hipoxia de la altura

Dr. Gustavo F. Gonzales y AE. Dr. Roger Guerra-García

Academia Nacional de Ciencias del Perú

El 7 de octubre de 2019 se anunció en Suecia que tres científicos, dos norteamericanos (William Kaelin y Gregg Semenza) y uno británico (Peter Ratcliffe) recibirán en diciembre próximo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2019 al descubrir los factores Inducibles por Hipoxia (HIF), proteínas formadas por dos sub-unidades (alfa y beta), que permiten a las células percibir y adaptarse a la disponibilidad de oxígeno. El oxígeno es esencial para la vida animal, el cual es usado por la mitocondria para convertir los alimentos en energía útil.

Estos hallazgos permiten avizorar nuevas estrategias para el tratamiento de la anemia, el cáncer, y otras enfermedades, y en lo que compete a nuestras poblaciones altoandinas, una estrategia terapéutica para la eritrocitosis excesiva, signo cardinal del mal de montaña crónico. Semenza y Ratcliffe de manera independiente y estudiando el gen de eritropoyetina (EPO) descubren que segmentos específicos de DNA localizados cerca del gen de EPO mediaban la respuesta a la baja disponibilidad de oxígeno (hipoxia). Semenza y su grupo logró purificar a la proteína que era codificada por este gen y que denominó HIF. Luego Semenza y Ratcliffe demostraron que HIF se expresaban virtualmente en todos los tejidos.

La subunidad alfa del HIF es regulada por la disponibilidad de oxígeno, y la subunidad 1 beta es constitutiva. En presencia de oxígeno (normoxia), hay una prolil hidroxilación en la subunidad HIF-alfa, con lo cual se degrada HIF. En cambio, en presencia de hipoxia, las reacciones de prolil hidroxilación se suprimen, por lo que la subunidad HIF-alfa escapa de la destrucción, y con ello se favorece la actividad del HIF, que a nivel renal es favorecer la producción de eritropoyetina (EPO), hormona que regula la eritropoyesis o formación de glóbulos rojos.

La prolil hidroxilación ocurre por acción de las prolil hidroxilasas (PHD1, PHD2 y PHD3) producidas por la activación del gen EglN1. Por ello, las PHDs se constituyen en los sensores de la disponibilidad del oxígeno. Para inactivar la subunidad alfa de HIF es necesario que los residuos de prolina hidroxilada se unan a la proteína supresora de tumores von Hippel Lindau (vHL). Kaelin estudiando a la proteína supresora de tumores von Hippel Lindau (vHL) demostró que el gen vHL codifica una proteína que no solo previene el inicio de un cáncer, sino que físicamente interactúa con HIF-1 alfa luego de ser hidroxilada para permitir su degradación.

El oxígeno es el regulador de la actividad eritropoyética, aumentando la misma ante una baja disponibilidad de oxígeno (hipoxia) y disminuyendo la producción de glóbulos rojos ante una adecuada disponibilidad de oxígeno (normoxia). Los mecanismos de este rol sensorial de las células al oxígeno, basado en la función de estos HIFs han sido reconocidos por la Academia Sueca para otorgar el Premio Nobel 2019 a estos tres investigadores científicos.

En la naturaleza existen muchas situaciones de cambio de normoxia a hipoxia y viceversa, que fueron estudiadas en Perú por Alberto Hurtado y sus colaboradores durante décadas. Con la era espacial se observó que los astronautas que retornan a la tierra hacen cuadros de anemia, en un proceso denominado neocitólisis, por el cual células jóvenes de la serie roja son selectivamente hemolizadas permitiendo una rápida adaptación cuando la masa celular es excesiva para el nuevo ambiente.

Esto se pudo confirmar simulando en Perú el experimento del discípulo de Hurtado, el hematólogo peruano César Merino (Blood, 1950). Así, investigadores de la U. de Baylor en Houston, con los del Instituto de Investigaciones de la Altura de la U. Peruana Cayetano Heredia (UPCH) estudiaron 9 nativos de Cerro de Pasco (4340 m) con policitemia quienes fueron trasladados a nivel del mar; tres de ellos recibieron dosis bajas de eritropoyetina. Se observó una disminución de los glóbulos rojos a los pocos días del descenso (asociado a un aumento en los niveles de ferritina). Los cambios fueron consistentes con un mecanismo hemolítico de las formas jóvenes de la serie roja. La eritropoyetina fue suprimida y la administración de EPO previno todos los cambios observados (Ann Int Med, 2001).

HIF activado en situaciones de hipoxia promueve la expresión de EPO y con ello la eritropoyesis. En modelos experimentales en ratones sometidos a hipoxia y luego trasladados a normoxia se observa también esta neocitólisis de las formas jóvenes de los glóbulos rojos. La neocitólisis, sin embargo, se ve atenuado en animales que constitutivamente tienen elevada expresión de HIFs.

Una situación especial de hipoxia sostenida es la que ocurre en las poblaciones que habitan en las alturas o zonas montañosas. De acuerdo a la FAO hacia el año 2000, el 12% de la población mundial vivía en regiones montañosas del planeta; esto equivale a 720 millones de personas de los cuales 366 millones viven en altitudes hasta 1000 m, y 354 millones en zonas de alturas por encima de los 1000 m. De >1000 a 2500 m de altura habitan 292 millones de personas, entre 2500 y 3500 m 46 millones de personas y por encima de 3500 m, hay 16 millones de personas. En Perú, el 30% de la población vive sobre los 2000 m de altura lo que representa a casi 10 millones de personas. Estas poblaciones están expuestas a diferentes grados de hipoxia constituyendo un inmenso laboratorio natural para los estudios de hipoxia de la altura.

El Perú ha contribuido de manera importante al conocimiento científico con su escuela de biología y medicina de altura inicialmente a través del Instituto de Biología Andina de la U. de San Marcos y a partir de 1961 con el Instituto de Investigaciones de la Altura (IIA), de Cayetano Heredia (UPCH). Una de las patologías de las poblaciones que habitan las alturas es el mal de montaña crónico que lleva como nombre “enfermedad de Monge” en reconocimiento a su descubridor, el médico peruano Carlos Monge Medrano, que lo presentó por primera vez ante la Academia Nacional de Medicina en 1925. Monge Medrano describe el caso de una patología asociada a la vida en las alturas caracterizada por policitemia (cefalea y otros síntomas), que revierte al bajar el paciente a nivel del mar y se restituye cuando retorna a la altura. Esta interesante observación de cambios en la cantidad de glóbulos rojos al descender de las grandes alturas a nivel del mar indica una regulación del organismo que percibe las diferencias en la disponibilidad del oxígeno.

Otro científico peruano insigne es Alberto Hurtado, quien en 1936 se incorpora a la Academia Nacional de Medicina con su trabajo sobre aspectos fisiológicos y patológicos de la vida en la altura. Destacan entre sus numerosos discípulos, César Merino y César Reynafarje. En 1950, César Merino, hematólogo peruano publicó un excelente artículo en la revista Blood donde demuestra que al descender de Morococha a 4500 metros hacia Lima ubicada a 150 m del nivel del mar ocurre una disminución rápida y consistente de los glóbulos rojos. Merino destaca que mientras la causa primaria de este cambio es el variar de un estado hipóxico a otro normóxico, no se conoce el mecanismo por el cual desaparece la policitemia. El sugiere dos posibles mecanismos, una disminución temporal de la eritropoyesis, o una destrucción de glóbulos rojos. El Dr. César Reynafarje, uno de los más preclaros investigadores de la hematología de la exposición a la altura, en base a una serie de elegantes experimentos postula que la disminución de los glóbulos rojos luego de descender de la altura se debe a la presencia de un “Factor inhibidor de la eritropoyesis” (1972). No cabe duda que este Factor sería la disminución de HIF que a su vez produciría una disminución de la eritropoyetina.

También son pioneros los estudios de Baltazar Reynafarje, (otro discípulo de A. Hurtado) sobre mecanismos moleculares de la adaptación a la hipoxia en las grandes alturas (1971). Baltazar Reynafarje demuestra la mayor producción de ATP en los nativos de las grandes alturas, como un mecanismo para afrontar la menor disponibilidad de oxígeno (2002).

La contribución peruana a los estudios del mal de montaña crónico, además de los ya mencionados, incluye entre muchos otros a Tulio Velásquez, Fausto Garmendia, Emilio Marticorena, César Picón, Javier Arias Stella, Dante Peñaloza, Francisco Sime, Carlos Monge Cassinelli, Fabiola León-Velarde, María Rivera, Francisco Villafuerte, y José Luis Macarlupú entre otros desde el punto de vista cardio-respiratorio, y de Roger Guerra-García y Gustavo F. Gonzales desde el punto de vista endocrinológico.

Otra situación de cambio de un medio hipóxico a uno normóxico es la que ocurre durante la gestación y el parto. El feto en el útero se encuentra en un medio hipóxico y produce la hemoglobina fetal (Hb F) de alta afinidad por el oxígeno, al nacer sus valores sanguíneos se caracterizan por una gran cantidad de glóbulos rojos y elevada concentración de Hb. En el medio aeróbico hay un exceso de glóbulos rojos que ya no son necesarios, y la Hb F debe ser destruida y cambiada por Hb adulta (Hb A). Aquí se observa otra situación de neocitólisis donde hay una disminución marcada de la concentración de la hemoglobina, y donde el hierro liberado de los glóbulos rojos destruidos es almacenado para su posterior uso. A este fenómeno se le denomina “anemia fisiológica”. Se ha sugerido que los cambios adaptativos metabólicos y morfológicos requeridos al pasar de la vida uterina a la vida terrestre se logran por una disminución de la señalización de HIF.

Se destaca que la contribución de los tres galardonados con el Nobel 2019 podría ayudar también en el tratamiento de la anemia, debido al rol del HIF sobre la expresión de la eritropoyetina. Recientemente se ha evidenciado con más claridad que la hipoxia emite señales a través de HIF que liga la eritropoyesis con la homeostasis del hierro. Así se ha demostrado que el HIF 2 en riñón activa la producción de eritropoyetina, que va a actuar en el eritroblasto produciendo una hormona, la eritroferrona que en hígado inhibe la producción y liberación de hepcidina. Esta supresión de hepcidina promueve la activación de HIF-2 en las células del duodeno que aumenta la producción y actividad de la Proteína Transportadora de metales divalentes-1 (DMT1) que permite el ingreso del hierro al enterocito, y de la ferroportina en cara basolateral del enterocito, que permite la entrada de hierro a la circulación. Este proceso ocurre en situación de hipoxia aguda o en situaciones de deficiencia de hierro.

Por ello se estima que el uso de agentes estabilizadores de HIF o de drogas inhibidoras de HIF o su actividad serán de gran importancia para el tratamiento de la anemia por deficiencia de hierro, o de la sobrecarga de hierro, respectivamente.

Finalmente debemos destacar la contribución de otro peruano residente en Suiza, Max Gassmann, miembro correspondiente de la Academia Nacional de Ciencias, quien preparó células embrionarias deficientes de HIF-1 alfa contribuyendo a demostrar su rol como principal regulador de la homeostasis del oxígeno (Genes Dev, 1998). Este estudio fue realizado por Max Gassmann colaborando con Gregg Semenza uno de los ganadores del Nóbel 2019. Este tema donde se evaluó entre otros el rol de HIF en situaciones de anemia, eritrocitosis excesiva, procesos inflamatorios, y en cáncer fue discutido en Lima en mayo del presente año en una reunión conjunta de investigadores de la Academia Nacional de Ciencias y de la Academia Leopoldina de Ciencias (Alemania).

El descubrimiento de las HIFs, su mecanismo de regulación y su impacto fisiopatológico que ha merecido el premio Nobel de este año permite destacar la importancia de nuestra Escuela de Biología y Medicina de Altura que ha contribuido por décadas y en varias generaciones científicas de manera importante a generar la búsqueda de mecanismos de acción que puedan explicar la intrigante manera por lo cual los organismos sobreviven y se adaptan en situaciones de baja disponibilidad de oxígeno.