El descubrimiento fortuito de la deficiencia de adenosina desaminasa (ADA) en dos pacientes con deficiencia inmune celular en 1972 por la Dra. Eloise Giblett y sus colegas (1) marcó el comienzo de una nueva era en la investigación de los mecanismos moleculares subyacentes a los trastornos de inmunodeficiencia primaria. Además, este hallazgo condujo al desarrollo eventual de nuevas terapias no solo para la deficiencia de ADA, sino también para otros trastornos de inmunodeficiencia y ciertas leucemias. A principios de la década de 1970, varias enfermedades de inmunodeficiencia primaria, como la SCID, la globulinemia gamma a ligada al cromosoma X y el Síndrome de Wiskott-Aldrich, eran bien conocidas por los inmunólogos pediátricos y se suponía que eran causadas por defectos de un solo gen basados en patrones de herencia. Sin embargo, se desconocían los defectos genéticos responsables de estos trastornos devastadores. En aquellos días, la única» cura » para las enfermedades de inmunodeficiencia grave era un trasplante de médula ósea (TMO) de un donante histocompatible. En el caso de uno de los dos pacientes descritos por Giblett et al., la tipificación rutinaria de HLA de los miembros de la familia no logró identificar donantes adecuados. Por lo tanto, los médicos del paciente enviaron muestras de sangre al Dr. Giblett en el Banco Central de Sangre de King Country. Se esperaba que pudiera arrojar luz sobre las relaciones entre los familiares del paciente examinando los patrones de isoenzimas para la enzima ADA. Para su sorpresa, la electroforesis en gel de almidón indicó que los glóbulos rojos del paciente estaban completamente desprovistos de actividad enzimática ADA. Los padres mostraron actividad de ADA detectable, pero reducida, lo que sugiere un modo de herencia autosómico recesivo. Posteriormente, se estudió a un segundo paciente con deficiencia inmunitaria celular grave y también se encontró que tenía deficiencia de ADA. Estos fueron hallazgos completamente inesperados, ya que no había precedencia para la deficiencia de ADA en humanos o para que ADA desempeñara un papel importante en el desarrollo o la función del sistema inmunitario.

ADA es parte de la vía de rescate de purinas que incluye la enzima hipoxantina-guanina fosforribosiltransferasa (HPRT). Se sabe que las mutaciones en el gen HPRT causan el trastorno neurológico Síndrome de Lesch-Nyhan y su artritis gotosa asociada (2), pero no se cree que esta vía sea importante para el sistema inmunitario. Giblett y sus colegas propusieron que los dos pacientes podrían tener alelos mutantes raros para el gen ADA. Alternativamente, se especuló que podrían tener una deleción cromosómica corta que abarca el gen ADA y un gen de respuesta inmunitaria crítico cercano. En cualquier caso, concluyeron: «Dado que la anenzimia ADA y las enfermedades hereditarias de la inmunidad celular son extremadamente raras, su coexistencia en dos pacientes no relacionados parece muy poco probable que sea fortuita.»

Las mediciones de metabolitos de purina en los fluidos corporales de pacientes con deficiencia de ADA mostraron niveles elevados de adenosina (3), uno de los dos sustratos de ADA. Los investigadores mostraron rápidamente que la adenosina podría ralentizar el crecimiento de líneas celulares linfoides y la proliferación inducida por mitógenos de linfocitos primarios (3). En 1975, Giblet y sus colegas informaron de un paciente con una inmunodeficiencia de células T aislada que carecía de actividad de la nucleósido fosforilasa de purina (PNP) (4), una enzima situada entre ADA y HPRT en la vía de rescate de purinas, proporcionando evidencia convincente de la importancia crítica del metabolismo normal de las purinas para un sistema inmune funcional. Aunque originalmente se informó que el ATP estaba elevado en los glóbulos rojos de los pacientes con deficiencia de ADA (5), los esquemas de separación de HPLC más sensibles en los laboratorios de las Dras.Mary Sue Coleman y Amos Cohen revelaron que los niveles de dATP también estaban elevados (6,7). Este hallazgo confirmó una especulación anterior del Dr. Dennis Carson et al. (8) que la desoxiadenosina, el otro sustrato de ADA, en lugar de la adenosina, era el metabolito tóxico en esta enfermedad. Los experimentos posteriores mostraron que la desoxiadenosina se convierte primero en húmeda y finalmente en dATP por los altos niveles de desoxinucleósidos quinasas en el timo. Un mecanismo patógeno probable es la liberación de citocromo c desencadenada por dATP de las mitocondrias, que desencadena una cascada apoptótica, lo que conduce al fracaso del desarrollo de células T (9). Curiosamente, la comprensión de esta vía condujo al desarrollo de enfoques quimioterapéuticos novedosos y exitosos para tratar la leucemia de células pilosas (10).

Tanto ADA como PNP se expresan en prácticamente todas las células del cuerpo y se han considerado genes de «limpieza». Por lo tanto, una pregunta inmediata fue por qué los efectos de la deficiencia de ADA se centraron en el sistema inmunológico. Esto llevó a una evaluación sistemática de la expresión de enzimas metabolizadoras de purinas en varios tejidos humanos y al descubrimiento de que la ADA se encontró en niveles muy altos en el timo, lo que sugiere que este órgano había desarrollado un mecanismo para prevenir la acumulación de sustratos de ADA. Esto es necesario porque la alta tasa de muerte celular en el timo secundaria a eventos de selección proporciona una fuente de ADN que se degrada a desoxiadenosina. Esto, junto con altos niveles de desoxinucleósidos quinasas, explica por qué el timo de los pacientes con deficiencia de ADA acumula niveles tan altos de DAT (8).

Además de la terapia de apoyo normal administrada a los pacientes con IDCG, los pacientes con deficiencia de ADA fueron tratados inicialmente con transfusiones empaquetadas de glóbulos rojos como una especie de terapia de «reemplazo enzimático» (5). Como resultado, muchos pacientes mostraron una mejora significativa en la función inmunitaria, especialmente aquellos con actividad enzimática residual ADA. El avance en el tratamiento de estos pacientes llegó con el desarrollo de ADA bovino modificado con polietilenglicol (PEG) por la empresa biotecnológica Enzon. PEG-ADA (Adagen) fue el primer fármaco de proteína modificada con PEG aprobado por la FDA. Su uso como terapia para pacientes con deficiencia de ADA fue defendido por el Dr. Michael Hershfield en Duke (11). Muchos pacientes que no tienen donantes de médula ósea adecuados han podido llevar una vida razonablemente normal como resultado del tratamiento con PEG-ADA. Hoy en día, hay una serie de medicamentos a base de proteínas en el mercado que se modifican por pegilación para mejorar la estabilidad y disminuir la inmunogenicidad. Estos incluyen Neulasta (Amgen) para el tratamiento de la leucemia, interferón-β para el tratamiento de la hepatitis C crónica y uricasa para el tratamiento de la gota refractaria (12).

La deficiencia de ADA también desempeñó un papel destacado en el desarrollo de la terapia génica. Era la enfermedad perfecta para este campo incipiente. Ya se sabía que los pacientes con SCID podían curarse con un TMO de un donante histocompatible. También se sabía que los pacientes con solo 10-12% de actividad enzimática ADA normal tenían sistemas inmunitarios normales (13). Por lo tanto, era lógico predecir que el TMO autógeno con células de médula ósea modificadas genéticamente tendría valor terapéutico, incluso si no se pudieran alcanzar niveles normales de expresión génica. Sin embargo, los intentos iniciales no tuvieron éxito porque el pequeño número de células modificadas genéticamente no se mantuvo después del trasplante (14). Sin embargo, este enfoque tuvo éxito en pacientes con IDCG ligada al cromosoma X porque las células modificadas genéticamente tenían una ventaja selectiva y, finalmente, crecieron en exceso las células no modificadas restantes (15). Esta comprensión llevó a la hipótesis de que la terapia génica para la deficiencia de ADA no tuvo éxito porque los pacientes se mantuvieron en PEG-ADA como una especie de estándar de atención. Este tratamiento eliminó la ventaja selectiva que las células corregidas con genes ADA disfrutarían en un huésped deficiente en ADA. De hecho, cuando se modificaron los protocolos de tratamiento para eliminar la PEG-ADA, la terapia génica para este trastorno tuvo éxito, aunque por lo general tomó un año o más para que el número de células T corregidas por genes alcanzara los niveles máximos (16).

Al igual que con muchas enfermedades humanas, los inmunólogos desarrollaron modelos de ratón para tener un sistema experimental donde se pudieran estudiar las consecuencias de la deficiencia de ADA y evaluar nuevas estrategias de tratamiento. Para gran sorpresa de los investigadores que fabricaron ratones con deficiencia de ADA, estos ratones murieron en el período perinatal inmediato, no de inmunodeficiencia, sino de insuficiencia hepática (17,18). En el momento de la muerte, el efecto de la deficiencia de ADA en el desarrollo del timo era relativamente modesto. Para evitar este problema, se desarrolló una cepa de ratones que era globalmente deficiente en ADA, excepto la controlada con un promotor específico de la placenta (19). Por lo tanto, tuvieron ADA durante el desarrollo fetal y se volvieron deficientes en ADA solo después del nacimiento. Sorprendentemente, tenían una función hepática normal, lo que demuestra que se necesitaba ADA en el hígado durante el desarrollo fetal, pero no después. Igualmente sorprendente, estos ratones murieron a las 3 semanas de edad por insuficiencia respiratoria (20). Sin embargo, podrían mantenerse en PEG-ADA indefinidamente. Cuando no era óptimo, desarrollaron inmunodeficiencia como se esperaba originalmente (21). Estos ratones han demostrado ser útiles para examinar los mecanismos de la SCID deficiente en ADA (9). Además, debido a la acumulación de adenosina, estos animales han servido como pantalla biológica para detectar trastornos asociados con la señalización aberrante de los receptores de adenosina (22). En los últimos veinte años, se ha vuelto cada vez más evidente que la adenosina regula muchos aspectos importantes de la fisiología a través de la unión a cuatro receptores de adenosina acoplados a la proteína G que abarcan siete transmembranas (23). Aunque la adenosina suele ser inmunosupresora y antiinflamatoria, el trabajo en ratones con deficiencia de ADA ayudó a descubrir nuevas funciones de la adenosina en la promoción de la progresión de enfermedades crónicas, como el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y la fibrosis pulmonar (22). Además, estos ratones ayudaron a definir un papel novedoso para la señalización de adenosina en ciertas manifestaciones de la enfermedad de células falciformes (24).

En conclusión, el descubrimiento de la deficiencia de ADA como causa de SCID fue innovador por varias razones. En primer lugar, fue la primera enfermedad de inmunodeficiencia para la que se identificó el defecto molecular, lo que permitió hacer un diagnóstico molecular tanto pre como postnatal. En segundo lugar, subrayó la importancia del metabolismo normal de las purinas para el desarrollo del sistema inmunitario. Comprender los mecanismos de la SCID deficiente en ADA condujo al desarrollo de inhibidores de ADA y análogos de desoxiadenosina para el tratamiento de la leucemia de células pilosas (10). PEG-ADA se convirtió en la primera proteína modificada por PEG en ser utilizada como terapéutica y abrió la puerta para el desarrollo de proteínas modificadas por PEG adicionales que están en amplio uso clínico hoy en día. La deficiencia de ADA fue la primera enfermedad hereditaria que se trató con terapia génica. Finalmente, los ratones con deficiencia de ADA se convirtieron en una herramienta invaluable para el estudio de la señalización de receptores de adenosina en enfermedades pulmonares crónicas y anemia de células falciformes. Por lo tanto, la historia de las investigaciones de la deficiencia de ADA iniciadas por la sorprendente ausencia de bandas de ADA en el gel de almidón de Eloise Giblett, ilustra el impacto potencial de los descubrimientos fortuitos en la ciencia y la medicina y las recompensas imprevistas que pueden surgir del estudio de pacientes con enfermedades raras.