AVANCES CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS EN BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR.

Avances científicos y tecnológicos en Biología molecular y celular que han impactado en el desarrollo y aplicación de la Medicina de Precisión humana. Periodos de la primera y segunda década del siglo XXI.

La medicina de precisión (MP) (generalmente considerada análoga de la medicina personalizada o medicina individualizada) es un enfoque innovador que utiliza información sobre características genómicas y moleculares, ambientales y del estilo de vida de una persona para guiar la toma de decisiones relacionadas a su atención médica. El objetivo de la medicina de precisión es proporcionar un enfoque más preciso para la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades (National Human Genome Research Institute)

Los datos genómicos de una persona (Medicina Genómica) son actualmente identificables a través de las tecnologías de secuenciación genómica exhaustiva y otras de reciente aplicación como parte de su atención clínica. En diferentes afecciones se utiliza la información genómica como ayuda para el diagnóstico de la enfermedad, guiar el tratamiento, predecir los resultados y mejorar el seguimiento clínico.

La interacción genes–ambiente se refiere a interrelación de los genes (y en términos más amplios, de la función del genoma) y el entorno físico y social. Esas interacciones influyen en la expresión de diversos fenotipos. Un individuo puede estar predispuesto a una enfermedad determinada por características genéticas, pero probablemente no va a desarrollar la enfermedad a menos que el factor ambiental desencadenante esté también presente.

La determinación de una característica genética específica asociada a la presencia o desarrollo de una enfermedad, se ha realizado -y actualmente se realiza- a través de un estudio de análisis (Ciencia de datos) del genoma completo (GWAS) para identificar variantes genómicas asociadas estadísticamente con la presencia de indicadores de riesgo de enfermedad.

Aunque el término “medicina de precisión” es relativamente nuevo, su contexto y su aplicación han sido parcialmente parte de la atención médica durante muchos años en situaciones muy específicas.

El enfoque de la Medicina de Precisión en la atención médica diaria es y ha sido el producto de la investigación traslacional emergente del trabajo de investigadores biomédicos y clínicos, obtenido mediante la aplicación de los paradigmas científicos modernos, biotecnologías avanzadas y reorganizaciones multidisciplinarias de profesionales relacionados con el estudio los procesos de salud y enfermedad humanas. En los siguientes párrafos se describen los principales avances científicos y tecnológicos en ciencias naturales, particularmente en el área de la Biología molecular y celular que han sido los pilares del desarrollo de la Medicina de Precisión.

El proceso de investigación científica en el área de la Biología, ha acumulado numerosos avances científicos, conceptuales y el desarrollo de biotecnologías de segunda generación en diferentes áreas relacionadas con la atención de la salud humana.

La construcción de los paradigmas actuales aplicables en el estudio de los organismos es sumativo e integrativo de los esfuerzos permanentes de investigación biológica básica, publicados, verificados y aceptados por la comunidad científica. En las últimas décadas, profesionales biomédicos y clínicos empleando los paradigmas científicos actualizados y apoyados en las biotecnologías de segunda y tercera generación han aplicado protocolos y ensayos clínicos controlados/estratificados a pacientes, a través de investigación traslacional y clínica. Los resultados exitosos de estos ensayos son enviados a las Agencias Reguladoras de Salud Internacionales quiénes tras un proceso riguroso de verificación, supervisan y autorizan la aplicación clínica de medicamentos o productos biofarmacéuticos en el diagnóstico y tratamiento médico estándar. Así, pacientes con diferentes tipos y subtipos de enfermedades, identificados a partir de biomarcadores moleculares específicos -a la fecha predominantemente genéticos y genómicos- pueden ser seleccionados racionalmente para ser tratados.

Este proceso traslacional de identificación de moléculas alteradas se ha realizado en pacientes con estados de enfermedad avanzada; las moléculas estructuralmente alteradas o disfuncionales fueron inicialmente sometidas a intervencionismo por medio de inhibidores moleculares específicos a través de estudios básicos y preclínicos, y una vez probada su utilidad, pasaron a la fase de prueba en ensayos clínicos, para que finalmente al comprobarse su utilidad clínica, sea aprobado su uso por las Agencias Reguladoras de Salud, para aplicarse consecuentemente en los algoritmos habituales de estudio y tratamiento clínicos.

"Los descubrimientos en la investigación básica han impulsado los avances notables que hemos visto en la medicina del cáncer en los últimos años" (AACR), En Oncología de Precisión, lo que comenzó con un enfoque en la secuenciación de próxima generación del genoma del cáncer, actualmente se ha convertido en un conjunto completo de herramientas para analizar tumores sólidos y líquidos a nivel subcelular/molecular, y conducir al empleo de terapias de precisión como productos biológicos (terapias basadas en células), terapía génica, vacunas y pequeñas moléculas dirigidas (inhibidores de tirosina cinasas), que, solos o en combinación han aumentado la eficacia de las terapias. El advenimiento de las tecnologías de detección temprana, las biopsias líquidas, el análisis genético de la enfermedad mínima residual (MRD) y otras tecnologías de diagnóstico han permitido la realización de un diagnóstico más rápido, una selección racional del tratamiento, y finalmente se han obtenido resultados clínicos más eficaces para los pacientes con diversos cánceres.

“La inversión en la ciencia del cáncer, así como el apoyo a la educación científica en todos los niveles, es absolutamente esencial para impulsar la próxima ola de descubrimientos y acelerar el progreso”. Un sinnúmero de esfuerzos e iniciativas en investigación preclínica y en su aplicación en la clínica se mantienen en todo el mundo, como lo sucedido recientemente en USA, donde se reinició el Programa del Cancer Moonshot por el NCI, en el cual entre sus objetivos destacan reducir la tasa de mortalidad a la mitad y mejorar la calidad de vida de las personas con cáncer o sobrevivientes de él; y el lanzamiento del curso de formación continua “Experto universitario en Oncología Genómica y de Precisión”

Avances científicos y tecnológicos en Biología molecular y celular de las dos primeras décadas del siglo XXI han conducido al desarrollo y aplicación del Modelo de Oncología de Precisión (MOP).

Por limitaciones de espacio de este documento, enlistaremos incipientemente las principales áreas en las cuales el trabajo científico progresivo ha impactado en su construcción del MOP, luego enlistaremos los más recientes conceptos identificados, que serán aplicados en los próximos paradigmas de la MP para finalmente, extendernos en una de las áreas mencionadas, el estudio de la genómica humana, la cual es y ha sido el pilar básico predominante del Modelo de la Medicina de Precisión.

Dentro de las principales áreas de la Biología molecular y celular y ciencias complementarias que han incidido en el desarrollo de la Oncología de Precisión están:

-Estudio Integral de la Genómica Humana

-Estudio de las células empleando el enfoque de la Biología de Sistemas (regulación y desregulación de las vías de señalización fisiológicas y oncogénicas).

-Identificación de biomarcadores moleculares por medio de biotecnologías ómicas y multiómicas de segunda y tercera generación a niveles subcelulares, celulares, tisulares, y sistémicos (genómicas, epigenómicas, transcriptómicas, metabolómicas, farmacogenómicas, proteómicas), y otras multiómicas (transcriptómica espacial)

-Aplicación de la Biología Computacional en los estudios de asociación entre los datos moleculares, fenotípicos e interactómicos con el exposoma en los procesos de salud y enfermedad humana. Ciencia de datos

-Empleo de herramientas bioinformáticas y de inteligencia artificial en estudios biomédicos básicos y clínicos

-Registros y análisis de biomarcadores moleculares de enfermedad por medio de la información registrada en BioBancos de Tejidos

-Mejoramiento en la construcción de modelos de enfermedad a través del empleo de organoides, iPSC, estudios in sílico, etc.

-Diseño de medicamentos molecularmente dirigidos y terapias biológicas avanzadas a través de profesionales con dominios interdisciplinarios de la Biología Sintética (células CARs, edición de genes), Biología Computacional, etc.

-Avance en los paradigmas, biotecnologías y estudios biomédicos básicos y aplicativos en las áreas de Oncoinmunología e Inmunoterapia (bloqueo del punto de control inmunitario)

-Avance en el estudio individual de las células humanas, y en su interacción microambiental, por transcriptómica espacial, etc.

-Diseño y aplicación de ensayos clínicos estratificados a partir de avances terapéuticos identificados en protocolos de investigación preclínica

Dentro de los aspectos biológicos más recientes identificados por el proceso de investigación científica y que impactarán en investigación médica traslacional y en el MOP, están:

Identificación del tipo de desorden genético en los genes impulsores del cáncer en las células tumorales: Insersiones/deleciones, mutuaciones puntuales, variación en el número de copias (sobrexpresion/amplificación), cambios en la expresión génica (cambios epigenéticos), y traslocaciones cromosómicas.

Identificación del índice de carga mutacional tumoral (número de mutaciones/Mb de ADN) y de la deficiencia en la reparación de la estabilidad del ADN) como indicadores de respuesta pronóstica al tratamiento con bloqueadores de puntos de control inmunitario.

Identificación de mutaciones no fisiopatológicas de las células somáticas en el envejecimiento humano.

Mejoramiento en la construcción de modelos biológicos de precisión en el proceso de investigación biomédica preclínica

Identificación de la heterogeneidad celular y microambiental tisular del tumor primario y sus metástasis en el paciente

Identificación y participación de cambios en la expresión génica de diferentes poblaciones celulares en el microambiente tumoral, individuales sistémicos y macroambientales en el desarrollo y evolución de un tipo de cáncer en el paciente

Formación de grupos profesionales interdisciplinarios en áreas de oncología genómica, oncología de precisión, y biología computacional e inteligencia artificial, relacionados al cáncer.

Exploración de protocolos terapéuticos a base terapias avanzadas, recursos de biología sintética, combinación de ellos o agregados a tratamientos convencionales.

Constitución de “Clínicas/juntas” multidisciplinarias de valoración molecular tumoral (molecular tumor boards) en la práctica clínica en los Hospitales Oncológicos, constituidas por oncólogos clínicos, patólogos, genetistas consultores, bioinformáticos, biólogos moleculares, principalmente.

Utilización de portales digitales reconocidos para el respaldo de decisiones clínicas en los casos clínicos de las “Clínicas/juntas” de decisión clínica del modelo de oncología de precisión (como el Molecular Tumor Board Portal)

Estudio analítico del genoma humano, inicio, avances y aplicaciones.

En el inicio del estudio analítico del Genoma Humano se destacaron dos grandes Proyectos, en los cuales se estudiaron las secuencias nucleotídicas del ADN y las principales variantes estructurales

El Proyecto Genoma Humano (PGH) fue el primer proyecto de investigación científica internacional con el objetivo de determinar los nucleótidos ó pares de bases que componen el ADN humano y de identificar, mapear y secuenciar todos los genes del genoma humano desde un punto de vista tanto físico como funcional. El proyecto se lanzó formalmente en 1990 y se declaró esencialmente completo el 14 de abril de 2003, pero incluía solo alrededor del 85% del genoma. El análisis del "genoma completo" se alcanzó en mayo de 2021, y el ensamblaje final sin espacios se terminó en enero de 2022.

El Proyecto Internacional HapMap tuvo como objetivo identificar un mapa de haplotipos ( HapMap ) del genoma humano , con la finalidad de describir los patrones comunes de la variación genética humana (se identificaron más de 3,3 millones de polimorfismos de un nucleótido único). HapMap se usa para encontrar variantes genéticas que afectan la salud, la enfermedad y las respuestas a medicamentos a los factores ambientales. Comenzó en octubre de 2002, tuvo tres fases de análisis que fueron reportadas. El conjunto de datos de la Fase III se publicó en septiembre de 2010.

El Proyecto 1000 Genomas (abreviado como 1KGP ), lanzado en enero de 2008, fue un esfuerzo de investigación internacional para establecer, con mucho, el catálogo más detallado de variación genética humana . Los científicos planearon secuenciar los genomas de al menos mil participantes anónimos de varios grupos étnicos diferentes en tres años, utilizando tecnologías recientemente desarrolladas que eran más rápidas y menos costosas.. En 2015,informaron resultados y la finalización del proyecto y oportunidades para futuras investigaciones.

El Proyecto de 100,000 Genomas, fue una iniciativa británica para secuenciar y estudiar el papel de los genes en diferentes enfermedades raras y cáncer. Sus resultados se emplean actualmente en beneficio clínico de los participantes.

-Una de las grandes aportaciones del estudio analítico estructural del genoma humano fue la elaboración de una referencia del Genoma Humano, que sirve de plantilla base en los estudios comparativos del estado de salud y enfermedad en el Modelo de la Medicina de Precisión (información genómica sobre un individuo como parte de su atención clínica, principalmente en los campos de oncología, farmacología y enfermedades raras). La última versión del genoma de referencia humano-2017 fue GRCh38 (Consorcio de Referencia del Genoma); dicha versión ha recibido varios anexos para actualizarla y así lograr la versión GRCh38.p14, publicada en marzo de 2022; en la cual se anexa información de las secuencias de ADN de regiones centroméricas, teloméricas, largas repetitivas, y de cromosomas acrocéntricos (esta versión solo contiene 349 huecos en todo el genoma, comparativamente a la primera versión, que contenía 150 000).

En el estudio funcional del Genoma Humano se destacan dos Proyectos e innumerables iniciativas:

La genómica funcional es un campo de la biología molecular que intenta describir las funciones e interacciones de genes (y proteínas ). La genómica funcional hace uso de la gran cantidad de datos generados por los proyectos genómicos y transcriptómicos (como los proyectos de secuenciación del genoma y la secuenciación del ARN ). La genómica funcional se centra en los aspectos dinámicos como la transcripción génica , la traducción , la regulación de la expresión génica y las interacciones proteína-proteína , a diferencia de los aspectos estáticos de la información genómica estructural. Una característica clave de los estudios de genómica funcional es su enfoque de analizar el genoma completo con métodos de alto rendimiento y multimodales en lugar de un enfoque más tradicional de "gen por gen".

La genómica funcional incluye aspectos relacionados con la función del propio genoma, como la mutación y el polimorfismo (como el análisis del polimorfismo de un solo nucleótido (SNP)), así como la medición de las actividades moleculares, por medio de emplear una serie de " ómicas " como la transcriptómica ( expresión génica ), la proteómica ( producción de proteínas ) y la metabolómica . La genómica funcional utiliza principalmente técnicas multiplex para medir la abundancia de muchos o todos los productos génicos, como ARNm o proteínas, dentro de una muestra biológica.. Un enfoque de genómica funcional más centrado podría probar la función de todas las variantes de un gen y cuantificar los efectos de los mutantes utilizando la secuenciación como una lectura de la actividad. Juntas, estas modalidades de medición se esfuerzan por cuantificar los diversos procesos biológicos y mejorar nuestra comprensión de las funciones e interacciones de genes y proteínas.

El estudio genómico funcional en el cáncer ha mejorado en los últimos años por el uso de la secuenciación genómica unicelular, la biopsia liquida, y muy recientemente el análisis transcriptómico espacial de las diferentes células que conforman el microambiente tisular tumoral.

El proyecto ENCODE

El proyecto ENCODE (Enciclopedia de elementos del ADN) es un análisis integral, completo del genoma humano cuyo objetivo es identificar todos los elementos funcionales del ADN genómico, tanto en regiones codificantes como no codificantes. Los resultados importantes incluyen evidencia de matrices de mosaico genómico de que la mayoría de los nucleótidos se transcriben como transcripciones codificantes, ARN no codificantes o transcripciones aleatorias, el descubrimiento de sitios reguladores transcripcionales adicionales y una mayor aclaración de los mecanismos de modificación de la cromatina

La Enciclopedia de Elementos del ADN ( ENCODE ) es un proyecto público de investigación que tiene como objetivo identificar elementos funcionales en el genoma humano . En 2015 se publicó el análisis integrador de 111 epigenomas humanos de referencia generados como parte del programa, perfilados para caracterizar los patrones de modificación de histonas, accesibilidad al ADN, metilación del ADN y expresión del ARN, y se demostró el papel central de la información epigenómica para comprender principalmente la regulación génica, la reprogramación celular, la diferenciación celular y algunas de las enfermedades humanas La fase actual de ENCODE (2016-2019) está agregando profundidad a sus recursos al aumentar la cantidad de tipos de células, tipos de datos, ensayos y ahora incluye soporte para el examen del genoma del ratón. El proyecto informó recientemente los hallazgos de su fase 3 en un artículo , donde se revelan los elementos funcionales candidatos que pueden regular los genes en los genomas humano y de ratón, particularmente en las millones de regiones del ADN llamadas elementos reguladores en cis, que actúan como "interruptores" para regular la transcripción de genes, sobre cómo las modificaciones del ADN que influyen en la función del genoma, las proteínas que se unen al ADN y cómo interactúan las moléculas de ARN para regular la expresión génica. Con el éxito de las primeras tres fases de ENCODE, en 2017 se lanzó la cuarta fase del proyecto.

El proyecto Expresión Genómica Tisular (Genotype-Tissue Expression-GTEx)

El proyecto GTEx es un proyecto lanzado por los NIH en 2010 destinado a comprender el papel de la variación genética en la configuración de los distintos fenotipos celulares del cuerpo humano y de células de tejidos de pacientes con diversas enfermedades, apoyándose para ello en la formación de los primeros Biobancos de Tejidos Humanos, .El proyecto recolectó una variedad de muestras de 50 tejidos diferentes de donantes post-mortem, o de tejidos de piezas quirúrgicas, para analizar la diferencia genética funcional de y entre los individuos y entre las células en los estados de salud y enfermedad; en 2015 se publicó y se registró la base de datos de Genotipo y Fenotipo-dbGaP. En 2020, el Consorcio GTEx publicó un artículo donde se describen los loci de rasgos cuantitativos (eQTL) de expresión de 48 tejidos.

GTEx es un proyecto pionero que utiliza protocolos de última generación para obtener y almacenar una gran variedad de órganos y tejidos y analizarlos en el laboratorio. Uno de los objetivos de GTEx es identificar los segmentos de ADN que controlan el comportamiento de los genes. Estos fragmentos de ADN se denominan loci de rasgos cuantitativos de expresión o eQTL, los cuales controlan el comportamiento de los genes en analogía a cómo un termostato regula la temperatura de una casa. Los estudios de GTEx encontraron que la cantidad de eQTL varía de persona a persona y de tejido a tejido. Los investigadores también descubrieron que los eQTL actúan de diferentes maneras, algunos pueden afectar un conjunto de genes en un tejido, mientras que otros eQTL afectan a genes en muchos tejidos. Comprender cómo los eQTL cambian el comportamiento de los genes en diferentes tejidos puede ayudarnos a comprender cómo se desarrollan las enfermedades en las personas. Este conocimiento, a su vez, puede ayudarnos a desarrollar nuevas terapias y tratamientos, ó mejorar nuestra salud en general.

La secuenciación genética ha recorrido un largo camino desde el Proyecto Genoma Humano, con avances tecnológicos que aumentan significativamente el rendimiento y la eficiencia, al mismo tiempo que reducen los costos. De hecho, el costo de secuenciar un genoma humano completo se ha reducido en un factor de mil durante la última década debido al empleo de secuenciadores de ADN de segunda y tercera generación.. Afortunadamente, estos sistemas automatizados ya no están reservados exclusivamente para laboratorios de gran rendimiento, y actualmente son más asequibles, por lo que laboratorios más pequeños ofrecen rutas hacia estudios y resultados más confiables y repetibles.

La secuenciación de última generación (NGS) ha permitido a los clínicos identificar mutaciones en el ADN asociadas al desarrollo de enfermedades, y en el caso de pacientes oncológicos, el análisis genómico de las muestras tumorales también puede brindar orientación sobre si los tratamientos innovadores o convencionales podrían ser eficaces/ineficaces en casos particulares. Este tipo de toma de decisiones basada en datos contrasta marcadamente con los métodos de detección previos a la NGS, en los que los tumores se definían por su tejido de origen, imagen histopatológica, o mediante el uso de pruebas en serie que se basan en PCR o inmunohistoquímica. Si bien estos métodos pueden mostrar la ausencia, presencia o sobreexpresión de genes o variantes específicos, y siguen siendo valiosos en muchos contextos, no pueden competir con la información a nivel de nucleótidos proporcionada por NGS.

Resumen

Con la conclusión del Proyecto genoma humano y los avances en las tecnologías de secuenciación, ha sido posible el análisis mutacional sistemático del genoma del cáncer. La secuenciación del genoma completo de las células de cáncer es ahora asequible a la atención médica, y esta tecnología tiene el potencial de revolucionar nuestro enfoque para la prevención, diagnóstico y tratamiento del cáncer.

En particular, los avances en las biotecnologías de segunda y tercera generación han permitido conocer los perfiles estructurales y de expresión a nivel de genoma completo y elaborar una imagen detallada de los defectos moleculares que aparecen en las neoplasias individuales. El tratamiento personalizado con base en alteraciones genéticas específicas dentro de algunos tipos tumorales se ha vuelto una realidad. A pesar de que tales progresos, solo pequeños éxitos se han traducido en cambios globales en la prevención, el pronóstico o el tratamiento del cáncer.

Los datos de secuenciación se han utilizado para dilucidar el perfil mutacional del cáncer, incluyendo la identificación de mutaciones impulsoras que están funcionalmente involucradas en el desarrollo de tumores. En los últimos 25 años se ha producido una revolución en la genética del cáncer, así la identificación de los genes de las neoplasias ha permitido conocer más a fondo el proceso de tumorigénesis y ha tenido repercusiones importantes en todos los aspectos de la biología del cáncer.

Los perfiles de expresión génica y las técnicas de secuenciación de genoma completo han permitido un conocimiento sin precedentes del cáncer a nivel molecular. Se ha sugerido que el conocimiento individualizado de las vías de señalización o de los genes desregulados en una neoplasia particular (genómica personalizada), puede proporcionar una guía de las opciones terapéuticas para tratar el tumor, y de este modo, permitir una terapia personalizada (también llamada medicina de precisión). Debido a que el comportamiento de un tumor es muy heterogéneo, incluso dentro de un mismo tipo neoplásico, la medicina con información personalizada probablemente complementará y mejorará el tratamiento actual basado en la histología, en especial en el caso de tumores resistentes a los intentos terapéuticos convencionales. La nosología molecular ha revelado similitudes en tumores de diversos tipos histológicos. El éxito de esta estrategia dependerá de la identificación de cambios accionables lo suficientemente prácticos (mutaciones o vías que pueden ser blanco con un fármaco específico).

La expresión génica celular varía considerablemente dentro del tumor de una sola persona y cuando metastatiza a diferentes sitios anatómicos del paciente. Los cambios en la expresión génica también tienen la posibilidad de anticipar sensibilidades a fármacos y aportar información pronóstica. La medicina personalizada de precisión es una estrategia nueva y fascinante para el tratamiento de los pacientes con cáncer, ya que permite una selección racional de un tratamiento efectivo más avanzado y específico a partir de las características biológicas propias de un tumor particular, en el momento adecuado.