Variaciones genéticas marcan la extrema gravedad en Covid-19


05-01-2021
Un reciente estudio asociativo del genoma completo realizado en Reino Unido, y publicado en Nature, detecta señales genéticas robustas sobre mecanismos de defensa antiviral y mediadores de daño orgánico inflamatorio pulmonar por Covid-19. Con potencial para el desarrollo de nuevos tratamientos, o para la nueva utilización de otros ya existentes, a partir de mecanismos genéticos observados en pacientes en estado crítico con la nueva enfermedad.
 

Al igual que ocurre en diabetes y enfermedades cardiacas, la posibilidad de tener un polimorfismo de nucleótido único (SNP) en lugares específicos (Loci) del genoma humano abre nuevos escenarios para el abordaje de la Covid-19, especialmente, en sus manifestaciones más graves.

Según el trabajo publicado recientemente por la bioinformática Erola Palro-Castieire, y otros 68 autores en la revista científica Nature, sobre el tema de los mecanismos genéticos en pacientes críticos de Covid-19, cada vez es más clara la relación entre determinados genes y una mayor gravedad y mortalidad por la enfermedad debida al SARS-CoV-2.

Salvar los pulmones

El desarrollo de tratamientos dirigidos a cada paciente ha sido, y es, una larga aspiración de los tratamientos concebidos para tratar las enfermedades graves provocadas por virus respiratorios. De forma que la susceptibilidad a la infección viral y la predisposición a la inflamación altamente lesiva para los pulmones son los dos riesgos biológicos de mayor mortalidad, al dañar severamente estos órganos y sus vasos sanguíneos.

Se trata de dos factores fuertemente vinculados a la genética del individuo, como se sabe por las variaciones genéticas ya conocidas en gripe. Pero que, en el caso de la Covid-19 (3p21.31), se localizan en el locus genético del brazo corto (p) del cromosoma 3, región 2, banda 1 y sub-banda 31, claramente relacionado con la gravedad de la patología y la hospitalización.

Como ocurre con otras enfermedades virales, también existen en Covid-19 suficientes ejemplos de que la pérdida de capacidad funcional afecta a procesos inmunitarios que llevan a formas graves de enfermedad en pacientes jóvenes. Tal como ocurre, por ejemplo con la TLR7 y algunos genes implicados en la señalización del interferón tipo 1 y el receptor de la subunidad IFNAR2. Por lo que los estudios de genoma completo tienen potencial para descubrir mecanismos moleculares en casos críticos de Covid-19, con objeto de procurar modular la respuesta inmune y ampliar las tasas de supervivencia.

Uso de corticosteroides

Según evidencias firmes, los casos críticos de Covid-19 difieren cualitativamente y fisiopatológicamente de las formas medias y moderadas de la enfermedad, incluso cuando los pacientes están hospitalizados. Esto se debe a distintos fenotipos y patrones de la sintomatología que también se reflejan en diferentes respuestas a la terapia inmunosupresora. De manera que, en pacientes sin fallo respiratorio, se aprecia un mayor daño cuando se realiza un tratamiento con corticosteroides, a diferencia de los pacientes con fallo respiratorio crítico, en los que sí se constata un beneficio clínico.

Esto pudo confirmarse en las UCI analizadas en el Reino Unido, con criterios bastante homogéneos de fallo respiratorio agudo (hipoxémico). En el que se dio una extraordinaria respuesta a la terapia con corticosteroides, cuando la enfermedad estaba activa y se caracterizaba por la fuerte inflamación pulmonar, con inclusión de daño alveolar, entrada de los macrófagos/monocitos al pulmón, vasculitis en las células arteriales mononucleares pulmonares y la formación de microtrombos.

Mortalidad en UCI

El compendio de metaanálisis realizado por la investigadora Palro-Castieire y el resto de autores fue recibido por Nature Research el 27 de septiembre, aceptado el 30 de noviembre y publicado el 11 de diciembre de 2020. Se trata de una revisión por pares para publicación acelerada, dado su alto interés, aunque sujeta a la posterior corrección de posibles errores.

En su versión publicada, a priori, se centra en los mecanismos genéticos de los casos críticos de Covid-19, a partir de la inflamación causante de la mortalidad. Dirigiendo el futuro desarrollo o nuevo uso de fármacos a las variaciones genéticas que se aprecian en los casos graves. Para ello, se analiza la genética de la mortalidad estudiada en cuidados intensivos dentro de la muestra GenOMICC, mediante un estudio de asociación del genoma completo (GWAS) en el que se incluyó a 2.244 pacientes en estado crítico ingresados en 208 UCI del Reino Unido.

Dicho enfoque GenOMICC, que incluyó monitorización cardiorrespiratoria, es habitual que se aplique a pacientes con síndromes patológicos críticos, con inclusión de los cuadros más severos de gripe, en sepsis y en infecciones que son emergentes desde hace 5 años. Razones suficientes, por tanto, para su uso en Covid-19, desde que comenzó la pandemia.

En clave de genes

El trabajo publicado identificó y replicó destacables y novedosas asociaciones de genoma completo, en cuatro direcciones principales: La codificación de los genes OAS (1,2 y 3), activadores enzimáticos de restricción; la codificación genética de la proteína tirosina quinasa 2 (TYK2); la codificación genética de la proteína dipeptidil peptidasa 9 (DPP9); y el gen IFNAR2, receptor de interferón, con potente función antiviral en determinados casos.

A partir de lo cual se identificaron reposicionamientos de fármacos ya existentes, mediante una randomización, o aleatorización, mendeliana que mostró relación causal a partir de la baja expresión de IFNAR2 y la alta expresión de TYK2, con riesgo vital, según el estudio de transcriptoma completo (TWAS). En tejido de pulmón que evidenció que la alta expresión del receptor de quimotaxis CCR2 de monocito/macrófagos se asocia también a los casos severos de la nueva enfermedad. Ya que la aleatorización mendeliana permitió jerarquizar la evidencia clínica observada.

Los resultados de esta aleatorización implicaron una relación causal entre IFNAR2 y TYK2 con relevancia estadística. De forma que se vincularon los casos críticos de Covid-19 al menos a 2 mecanismos biológicos. Por un lado las defensas antivirales innatas, cuyo conocimiento en enfermedad temprana involucra tanto a IFNAR2 como a los genes OAS, y el daño pulmonar inflamatorio, que resulta clave en la fase más avanzada de la enfermedad, reconocible en DPP9, TYK2 y CCR2, cuando el riesgo de muerte es más alto para el paciente. Ante este escenario, el artículo publicado postuló que no debe subestimarse, ni sobreestimar, al IFNAR2 como factor de pronóstico de gravedad.

Análisis exploratorios

Los pacientes ingresados en UCI en Reino Unido durante la primera ola de pandemia, fueron como media más jóvenes y mostraron menor carga de comorbilidad. No así en términos de fallo respiratorio.

Los análisis exploratorios del estudio, y los metaanálisis de variación inversa se debieron a la Host Genetics Initiative (HGI), al UK BioBank y, para el fenotipo respiratorio completo, a la parte aportada por la compañía californiana de secuenciación de ADN 23andMe, además de a GenOMICC.

Desde estas fuentes, la investigación publicada redujo el riesgo de falsos positivos asociados a errores de genotipado, mediante dos métodos: la secuenciación del genoma completo con micro-array y la verificación con dos grupos control adicionales de 100.000 genomas de Generation Scotland, a partir de datos aportados desde cinco centros regionales localizados en Escocia.

En la comparativa inicial de los casos europeos de GenOMICC y los controles del biobanco UK, se observaron 15 asociaciones genéticas independientes con relevancia a efectos de genoma completo. Siendo validadas 8 de ellas para su replicación, al usar también dos estudios realizados con los 100.000 de Generation Scotland. Sin que se apreciaran asociaciones ligadas al sexo de los pacientes.

A efectos de replicación, lo reducido de los casos críticos de patología motivaron el uso de controles con poblaciones de HGI, con ascendencias geográficas mezcladas, casos del UK Biobank y ejemplos con fenotipo de ascendencia europea de 23andMe Inc. Con inclusión de casos en los que se utilizó ventilación asistida, administración de oxígeno y neumonía, frente a casos con test negativos de Covid.

Como se ha mencionado, se encontró replicación robusta en cuatro loci genéticos de los pacientes de GenOMICC, correspondientes al clúster de genes OAS (1,2 y 3), el gen IFNAR2 y los locus del cromosoma 21: TYK2 y DPP9.

La no certidumbre de tres variaciones en la región del cromosoma 6, que no ofreció replicación, aconseja la realización de estudios futuros más pormenorizados que tengan en cuenta las dificultades de control y de mayor complejidad en su histocompatibilidad.

También el transcriptoma

El artículo publicado incluyó el estudio de transcriptoma completo (TWAS), previsto para poner en relación los resultados de GWAS con la expresión génica en tejidos específicos del paciente, según variaciones genéticas conocidas y relacionadas con transcripción abundante (eQTL), como elemento predictivo de expresión en sangre y tejido pulmonar.

Para llegar a descubrir 5 genes con diferencias significativas en genoma completo, 4 de ellos en pulmón. A partir de la combinación de 2.000 genes compilados por su relación en la replicación del SARS-CoV-2 y la respuesta inmune del paciente, mediante Metaanálisis por Contenido de Información (MAIC). Ya que, frente a otros estudios, dicho enfoque permitió jerarquizar los genes del estudio GenOMICC, según su mayor implicación en Covid-19.

Para permitir la realización de listados de genes con finalidad investigadora, GenOMICC mostró que los resultados del TWAS superaron ampliamente los datos obtenidos mediante estudios de CRISPR, de proteómica o de otras fuentes de investigación.

El análisis TWAS, en el clúster de genes OAS, apuntó por su lado a susceptibilidades al nuevo coronavirus según asociaciones de genes actualmente en estudio en Vietnam y China, con un potencial incremento de la actividad antiviral.

Linajes de procedencia

El estudio de la población GenOMICC se ajustó a los criterios del Consorcio Internacional sobre Infección Respiratoria Aguda (ISARIC) y del estudio del Consorcio de Caracterización Clínica de Coronavirus (4C). A partir de casos representativos de la población británica de enfermos críticos de Covid. Donde el grupo más numeroso (1.676 pacientes) tuvo ascendencia europea, según el panel TOPMed y el control efectuado con la cohorte de UK Biobank, con cinco controles por cada caso estudiado.

Las muestras de DNA se tomaron de sangre completa con arrays basados en genotipos de genoma completo de 2.734 sujetos, originalmente. Mientras que la ascendencia genética se fijó a partir del proyecto 1.000 genomas de Materials & Methods, como población de referencia. Con lo que se llegó a una población final de 2.244 pacientes con GWAS, según grupos de ascendencia diferenciada. Hasta seleccionar 83.937 variaciones, después de la secuenciación de 4.469.187 variaciones iniciales, con puntuación superior a 0.95 y alelos inferiores al 1%.

El estudio asociativo del genoma completo (GWAS) permitió el descubrimiento de unos mecanismos fisiopatológicos antes desconocidos, relacionados con la última fase inmunomediada de la enfermedad y el fallo respiratorio dependiente de ventilación mecánica invasiva. Porque las variaciones genéticas detectadas permitieron inferir evidencia genética de causalidad y el uso de medicamentos con éxito potencial.

Metodología en genes y tejidos

La expresión específica de cada gen en cada tejido fue definida con rango de 0 a 1, según sus SNPs, o polimorfismos de nucleótido único en lugares específicos (Loci) de los genomas secuenciados. La estratificación de la puntuación de la regresión LP (S-LDSC) se aplicó a cualquier tejido en casos asociados a Covid-19 severa, de cara a calcular la proporción de predisposición genética a la gravedad en la nueva enfermedad. Mientras que en el análisis HDL se estimó cada SNP en estricto sentido sujeto al carácter heredable de cada fenotipo, a efectos de correlaciones genéticas.

Las tomas de DNA en sangre completa se realizaron con el Kit Nucleon de la firma Cytiva, según el protocolo BACC3. Mientras que el genotipado se practicó con la plataforma Illumina iScan y GenomeStudio, para el control de calidad.

Aunque no se vio necesario estudiar los marcadores X e Y en el trabajo, todos los modelos atendieron a las variables de sexo, edad, decil de puntuación de privación (deprivation score decile) y código postal de residencia.

Concretamente para la edad, se tomó la cronológica de cada paciente al uno de abril. Mientras que los valores de expresión de los genes fueron normalizados según el número de transcripciones por millón analizado (TPM).

No se incluyó a los pacientes con PCR positiva de Covid-19, tomando como referencia agosto de 2020. Al tiempo que los principales elementos de estudio (PCA) fueron trabajados con el software GCTA, con más de 30,000 SNPs seleccionados por criterio de alelo menos común.

Nuevo uso para Baricitinib

Respecto al uso de fármacos, la codificación genética de la proteína tirosina quinasa 2 (TYK2) se confirmó como uno de los marcadores de los inhibidores de JAK, como Baricitinib, en los casos críticos de Covid-19, según confirmó el estudio a través de bases de datos externas al equipo investigador. Lo que convirtió a este fármaco en 1 de los principales 9 medicamentos candidatos para tratar los casos extremos de Covid-19, a partir del conocimiento que existe de su indicación original para el tratamiento de la artritis reumatoide, comercializado como Olumiant.

Mientras que FYCO1 aportó datos experimentales de infección por betacoronavirus, también desde fuentes externas. A la vez que el análisis TWAS del artículo publicado exhibió variaciones en genoma completo como expresión de predicción en CXCR6, CCR2 y CCR3, importantes genes de mediación de enfermedad crítica.

También se apreció que el genotipo CCR2 es particularmente importante en tejido del pulmón, al promover la inflamación cuando es alta la expresión de su receptor de quimotaxis, en relación con los monocito/macrófagos, al mostrar un ligando canónico de atracción química de la proteína MCP-1, según se observó en el lavado alveolar de pacientes Covid-19 sujetos a ventilación asistida. Ya que la circulación de MCP-1 se asocia a enfermedad severa. Aspecto que invita a pensar en el uso de terapia con anticuerpos monoclonales Anti-CCR2, cuyo tratamiento ya se demostró seguro en artritis reumatoide.

Aunque el locus ABO se había asociado previamente a Covid19, el estudio sobre la población GenOMICC no aportó datos significativos del mismo en el genoma completo de la cohorte de pacientes críticos, sin excluir su posible relevancia en casos menos graves.

Mientras que, con datos de UK Biobank, se comprobó una infra representación de pacientes con adiposidad importante, respecto a la población general. Con la recomendación de avanzar también en este estudio para conocer la nueva enfermedad mediante tecnologías aplicables a cada comorbilidad principal como, por ejemplo, la obesidad. Aunque, en materia de correlaciones genéticas, se apreciaron fenotipos de adiposidad según índice de masa corporal y grasa en las piernas. Con mención también a la profusión de células inmunes en bazo y páncreas.

Sobre la codificación y locus del dipeptidyl peptidase 9 (DPP9), proteasa serina con funciones intracelulares, y relacionada con la fibrosis pulmonar idiopática, se incluyó el mediador de señalización antiviral CXCL10, que es antígeno de presentación y activación inflamatoria.

Importancia del interferón

Los interferones, como mediadores canónicos de señalización antiviral, acreditaron su función de activación de componentes esenciales de la respuesta del paciente a la infección viral. Con mención a que los interferones tipo 1, con incremento del receptor de interferón en la subunidad IFNAR2, resultaron favorables para la evolución de parte de los casos severos de Covid-19, según mostró la aleatorización mendeliana. Dado que mutaciones de pérdida funcional en dicha IFNAR2 se asociaron claramente a los casos más graves de la nueva enfermedad.

Por ello, pareció probado que la administración de interferones reduce la probabilidad de llegar a estados críticos, en fases tempranas de la enfermedad y cuando la carga viral es alta pero, sin que puedan atajar la mortalidad cuando los pacientes ya están graves e ingresados.

Seguir desentrañando genes

A la vista de este trabajo publicado en Nature, es fácil prever que la identificación de los loci géneticos de susceptibilid a la Covid-19 podrían llevar a seleccionar grupos específicos de pacientes hacia los que orientar el desarrollo de nuevos fármacos o a los que redirigir algunos de los ya comercializados. Desde el planteamiento básico de modular la respuesta inmune para optar a mayores tasas de supervivencia en los pacientes críticos con la nueva enfermedad.

Esto se debe a que el equipo investigador encabezado por Palro-Castieire encontró asociaciones genéticas más que plausibles en los casos críticos de Covid-19. Con la ventaja de que algunas de ellas permiten pensar en potenciales aproximaciones terapéuticas con incrementos de la señalización del interferón, la activación antagonista del monocito en infiltración pulmonar y, especialmente, en los casos de mayor riesgo inflamatorio.

Las robustas señales genéticas descritas apuntan tanto a mecanismos de defensa antiviral como de mediación de daño orgánico inflamatorio por Covid-19. Dos mecanismos que abren la puerta a dirigir los tratamientos con los fármacos actualmente existentes. Para lo cual la investigación también reclamó la realización a gran escala de ensayos clínicos aleatorios, como vía imprescindible para reorientar la práctica clínica en estos casos tan graves provocados por la nueva enfermedad debida al SARS-CoV-2.

En resumen, el estudio GenOMICC cumplió la expectativa de encontrar asociaciones adicionales en un gran número de casos sometidos a ventilación mecánica invasiva. A la vez que invitó a secuenciar en busca de un mayor espectro de variaciones y alelos menos frecuentes.

No obstante, los investigadores admitieron que cada nueva terapia deberá ser ampliamente probada mediante ensayos clínicos realizados profusamente y referidos a los marcadores genéticos arriba descritos, junto a otros que pudieran tener relevancia clínica potencial en un futuro inminente.