Hemoglobina fetal
hemoglobina fetal, o hemoglobina fetal (también hemoglobina F, HbF o α< sub>2γ2) es la principal proteína transportadora de oxígeno en el feto humano. La hemoglobina F se encuentra en los glóbulos rojos del feto y participa en el transporte de oxígeno desde el torrente sanguíneo de la madre a los órganos y tejidos del feto. Se produce alrededor de las 6 semanas de embarazo y los niveles permanecen altos después del nacimiento hasta que el bebé tiene aproximadamente entre 2 y 4 meses.. La hemoglobina F tiene una composición diferente a la de las formas adultas de hemoglobina, lo que le permite unirse (o unirse) al oxígeno con más fuerza; esto, a su vez, permite que el feto en desarrollo recupere oxígeno del torrente sanguíneo de la madre, lo que ocurre a través de la placenta que se encuentra en el útero de la madre.
En el recién nacido, los niveles de hemoglobina F disminuyen gradualmente y alcanzan los niveles adultos (menos del 1% de la hemoglobina total), generalmente dentro del primer año, cuando comienzan a producirse formas adultas de hemoglobina. Enfermedades como las beta talasemias, que afectan componentes de la hemoglobina adulta, pueden retrasar este proceso y hacer que los niveles de hemoglobina F sean más altos de lo normal. En la anemia falciforme, se ha utilizado el aumento de la producción de hemoglobina F como tratamiento para aliviar algunos de los síntomas.
Estructura y genética
La hemoglobina F, al igual que la hemoglobina adulta (hemoglobina A y hemoglobina A2), tiene cuatro subunidades o cadenas. Cada subunidad contiene un grupo hemo con un elemento de hierro que es clave para permitir la unión y desvinculación del oxígeno. Como tal, la hemoglobina F puede adoptar dos estados: oxihemoglobina (unida a oxígeno) y desoxihemoglobina (sin oxígeno). Como la hemoglobina F tiene 4 grupos hemo, puede unirse hasta a cuatro moléculas de oxígeno. Se compone de dos subunidades α (alfa) y dos subunidades γ (gamma), mientras que la hemoglobina A (97% de la hemoglobina total en adultos) se compone de dos α y dos subunidades β (beta).
En humanos, la subunidad α está codificada en el cromosoma 16 y la subunidad γ está codificada en el cromosoma 11. Hay dos genes muy similares que codifican la subunidad α, HBA1 y HBA2. . La proteína que producen es idéntica, pero difieren en las regiones reguladoras de genes que determinan cuándo o cuánta proteína se produce. Esto lleva a que HBA1 y HBA2 contribuyan con el 40% y el 60%, respectivamente, del total de subunidades α producidas. Como consecuencia, se espera que las mutaciones en el gen HBA2 tengan un efecto más fuerte que las mutaciones en el gen HBA1. También hay dos copias similares del gen que codifica la subunidad γ, HBG1 y HBG2, pero la proteína producida es ligeramente diferente, solo en una unidad proteica: HBG1 codifica la forma de proteína con una alanina en la posición 136, mientras que HBG2 codifica una glicina (ver [1] Archivado el 31 de julio de 2020 en Wayback Machine). BCL11A y ZBTB7A son proteínas represoras importantes de la producción de hemoglobina F, al unirse al gen que codifica la subunidad γ en su región promotora. Esto sucede naturalmente cuando el bebé recién nacido comienza a pasar de producir hemoglobina F a producir hemoglobina A. Algunas enfermedades genéticas pueden ocurrir debido a mutaciones en genes que codifican componentes de la hemoglobina F. Las mutaciones en los genes HBA1 y HBA2 pueden causar alfa-talasemia y mutaciones en las regiones promotoras de HBG1 y HBG2 pueden hacer que todavía se produzca hemoglobina F después de que debería haberse producido el cambio a hemoglobina A, lo que se denomina persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal.
Producción
Durante los primeros 3 meses de embarazo, la principal forma de hemoglobina en el embrión/feto es la hemoglobina embrionaria, la cual tiene 3 variantes según los tipos de subunidades que contiene. La producción de hemoglobina F comienza a partir de la semana 6, pero sólo a partir de los 3 meses se convierte en el tipo principal que se encuentra en los glóbulos rojos fetales. El cambio para producir formas adultas de hemoglobina (esencialmente hemoglobina A) comienza alrededor de las 40 semanas de gestación, que es cerca del momento esperado del nacimiento. Al nacer, la hemoglobina F representa del 50 al 95% de la hemoglobina del bebé y alrededor de los 6 meses después del nacimiento, la hemoglobina A se convierte en el tipo predominante. Cuando el bebé cumple un año, se espera que las proporciones de los diferentes tipos de hemoglobina se acerquen a los niveles adultos, con la hemoglobina F reducida a niveles muy bajos. La pequeña proporción de glóbulos rojos que contienen hemoglobina F se denominan células F, que también contienen otros tipos de hemoglobina.
En adultos sanos, la composición de la hemoglobina es hemoglobina A (~97%), hemoglobina A2 (2,2 - 3,5%) y hemoglobina F (<1%).
Ciertas anomalías genéticas pueden hacer que falle el cambio a la síntesis de hemoglobina adulta, lo que resulta en una condición conocida como persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal.
Unión al oxígeno
Factores que afectan la afinidad del oxígeno
Los cuatro hemos, que son las partes de la hemoglobina que se unen al oxígeno, son similares entre la hemoglobina F y otros tipos de hemoglobina, incluida la hemoglobina A. Por lo tanto, la característica clave que permite que la hemoglobina F se una más fuertemente al oxígeno es tener subunidades γ (en lugar de β, por ejemplo). De hecho, algunas moléculas que existen naturalmente en nuestro cuerpo pueden unirse a la hemoglobina y cambiar su afinidad de unión por el oxígeno. Una de las moléculas es el 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) y mejora la capacidad de la hemoglobina para liberar oxígeno. El 2,3-BPG interactúa mucho más con la hemoglobina A que con la hemoglobina F. Esto se debe a que la subunidad β del adulto tiene más cargas positivas que la subunidad γ fetal, que atrae las cargas negativas del 2,3-BPG. Debido a la preferencia del 2,3-BPG por la hemoglobina A, la hemoglobina F se une al oxígeno con más afinidad, en promedio.
Afinidad por el oxígeno aún mayor: hemoglobina Barts (cuatro subunidades γ)
La hemoglobina de Barts es una forma anormal de hemoglobina producida en el síndrome de hemoglobina de Barts o alfa-talasemia mayor, la forma más grave de alfa-talasemia. La alfa-talasemia es un trastorno sanguíneo genético y una de las enfermedades relacionadas con la hemoglobina más comunes, que afecta la producción de subunidades α a partir de la hemoglobina. Dependiendo de cuántos genes que codifican la subunidad α estén afectados (entre uno y cuatro), los pacientes con esta enfermedad pueden tener una producción reducida o nula de la subunidad α de la hemoglobina. Como consecuencia, hay menos hemoglobina disponible y esto afecta el suministro de oxígeno a los tejidos. El síndrome de hemoglobina de Barts se manifiesta cuando se eliminan los cuatro genes que codifican la subunidad α. Esto suele ser fatal para el feto que porta el trastorno, ya que en ausencia de subunidades α, se produce una forma de hemoglobina con cuatro subunidades γ, la hemoglobina Barts. Esta forma de hemoglobina no es apta para el intercambio de oxígeno precisamente debido a su muy alta afinidad por el oxígeno. Si bien la hemoglobina Barts es muy eficiente para unir oxígeno, no libera oxígeno a los órganos y tejidos. La enfermedad es mortal para el feto o el recién nacido a menos que se realice un diagnóstico e intervención tempranos durante el embarazo, y el niño dependerá de transfusiones de sangre durante toda su vida.
Cuantificación de la unión de oxígeno
Para cuantificar con qué fuerza un determinado tipo de hemoglobina se une al oxígeno (o su afinidad por el oxígeno), a menudo se utiliza un parámetro llamado P50. En una situación dada, P50 puede entenderse como la presión parcial de oxígeno a la que la Hb está saturada al 50%. Por ejemplo, la hemoglobina F tiene un P50 más bajo que la hemoglobina A. Esto significa que si tenemos la misma cantidad de hemoglobina F y hemoglobina A en la sangre y le agregamos oxígeno, la mitad de la hemoglobina F se unirá al oxígeno antes que la mitad de la hemoglobina A. logra hacerlo. Por lo tanto, un P50 más bajo significa una unión más fuerte o una mayor afinidad por el oxígeno.
Como referencia, el P50 de la hemoglobina fetal es aproximadamente 19 mmHg (una medida de presión), mientras que la hemoglobina adulta es aproximadamente 26,8 mmHg (consulte Tensión de gases en sangre).
Intercambio de oxígeno en el útero
Durante el embarazo, el sistema circulatorio de la madre suministra oxígeno y nutrientes al feto y elimina la sangre agotada en nutrientes y enriquecida con dióxido de carbono. Las circulaciones sanguíneas materna y fetal están separadas y el intercambio de moléculas se produce a través de la placenta, en una región llamada espacio intervelloso que se encuentra entre los vasos sanguíneos maternos y fetales.
Centrándonos en el intercambio de oxígeno, hay tres aspectos importantes que permiten que el oxígeno pase de la circulación materna a la circulación fetal. En primer lugar, la presencia de hemoglobina F en el feto permite una unión más fuerte al oxígeno que la hemoglobina materna (consulte Factores que afectan la afinidad del oxígeno). En segundo lugar, el torrente sanguíneo de la madre es más rico en oxígeno que el del feto, por lo que el oxígeno fluye naturalmente hacia la circulación fetal por difusión. El último factor está relacionado con los efectos del pH sobre la hemoglobina materna y fetal. A medida que la sangre materna adquiere más dióxido de carbono, se vuelve más ácida y esto favorece la liberación de oxígeno por parte de la hemoglobina materna. Al mismo tiempo, la disminución del dióxido de carbono en la sangre fetal la vuelve más alcalina y favorece la captación de oxígeno. Esto se llama efecto Bohr o efecto Haldane, y también ocurre en el intercambio de aire en los pulmones. Estos tres factores están presentes simultáneamente y cooperan para mejorar el acceso del feto al oxígeno de la madre.
Células F
Las células F son la subpoblación de glóbulos rojos que contienen hemoglobina F, entre otros tipos de hemoglobina. Si bien es común en los fetos, en los adultos normales, sólo alrededor del 3 al 7 % de los glóbulos rojos contienen hemoglobina F. El bajo porcentaje de células F en los adultos se debe a dos factores: la presencia de niveles muy bajos de hemoglobina F y su tendencia a ser producido sólo en un subconjunto de células en lugar de distribuirse uniformemente entre todos los glóbulos rojos. De hecho, existe una correlación positiva entre los niveles de hemoglobina F y el número de células F, y los pacientes con porcentajes más altos de hemoglobina F también tienen una mayor proporción de células F. A pesar de las correlaciones entre los niveles de hemoglobina F y el número de células F, normalmente se determinan mediante mediciones directas. Mientras que la cantidad de hemoglobina F se calcula utilizando lisados celulares, que son líquidos con contenido de células que se abrieron, los números de células F se obtienen contando glóbulos rojos intactos.
Debido a la correlación entre la cantidad de hemoglobina F y células F, la cantidad de células F es mayor en algunos trastornos hereditarios de la hemoglobina, como la beta-talasemia, la anemia falciforme y la persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal. Además, algunas afecciones adquiridas también pueden tener un mayor número de células F, como el estrés eritropoyético agudo (respuesta a una oxigenación deficiente que incluye una síntesis muy rápida de nuevos glóbulos rojos) y el embarazo. Las células F tienen una masa similar de hemoglobina por célula en comparación con los glóbulos rojos sin hemoglobina F, que se mide como valores medios de hemoglobina celular (MCH).
Condiciones con hemoglobina F alta
Durante el embarazo
Hay un aumento significativo en los niveles de hemoglobina F durante las primeras etapas del embarazo. Sin embargo, no está claro si estos niveles son estables o disminuyen a medida que avanza el embarazo, ya que diferentes fuentes informaron resultados diferentes. El aumento de la hemoglobina F induce un aumento de 3 a 7 veces en el número de células F en mujeres embarazadas, lo que se observó entre las semanas 23 y 31 de gestación. Sin embargo, en cuanto al motivo del aumento de los niveles de hemoglobina F en mujeres embarazadas, no parece haber pruebas concluyentes. Si bien un estudio inicial sugirió que los glóbulos rojos maternos activan la producción de hemoglobina F durante el embarazo, la literatura más reciente sugirió que el aumento de la hemoglobina F podría deberse, al menos en parte, a la transferencia de glóbulos rojos fetales a la circulación materna.
La presencia de niveles elevados de hemoglobina F en mujeres embarazadas puede afectar el crecimiento del feto, ya que los glóbulos rojos del feto luchan por competir por el oxígeno de la circulación de la madre. Esto se debe a que en lugar de competir con la hemoglobina A, que tiene una asociación más débil con el oxígeno que la hemoglobina F, se convierte en una competencia entre la hemoglobina F fetal y materna, que tienen afinidades similares por el oxígeno. Como resultado, las mujeres con hemoglobina F >70% de la hemoglobina total tienen muchas más probabilidades de tener fetos pequeños para su edad gestacional en comparación con las mujeres con <70% de hemoglobina F (a una tasa del 100% en comparación con el 8%, respectivamente).
Persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal (HPFH)
Esta es una enfermedad genética benigna poco común en la que la producción de hemoglobina F persiste después de los doce meses de vida y hasta la edad adulta. Como resultado, la hemoglobina F está presente en un número de glóbulos rojos adultos mayor de lo normal. No presenta síntomas y generalmente se descubre al realizar pruebas de detección de otras enfermedades relacionadas con la sangre. En esta condición, los genes que codifican la subunidad γ (HBG1 y HBG2) no se suprimen poco antes del nacimiento. Esto puede suceder cuando se produce una mutación en la región promotora de HBG1 y HBG2, impidiendo la unión de las proteínas BCL11A y ZBTB7A. Estas proteínas normalmente se unirían y suprimirían la producción de subunidades γ y, como no pueden unirse debido a la mutación, se continúan produciendo subunidades γ. Hay dos tipos de pacientes con HPFH: con una copia normal del gen y una forma de la enfermedad o con dos copias de la enfermedad. Mientras que los adultos normales tienen menos del 1% de hemoglobina F, los pacientes con un solo gen de la enfermedad tienen entre el 5 y el 30%. Los pacientes con dos copias de la enfermedad pueden tener hemoglobina F en hasta el 100% de los glóbulos rojos. Como otras enfermedades, como la anemia falciforme, también pueden provocar un nivel más alto de hemoglobina F, a veces puede diagnosticarse erróneamente.
Delta beta-talasemia
La delta beta-talasemia es un trastorno sanguíneo genético poco común en el que la producción de las subunidades δ y β está reducida o ausente. En estos casos, la producción de la subunidad γ aumenta para compensar la pérdida de las subunidades δ y β, lo que resulta en una mayor cantidad de hemoglobina F presente en la sangre. Normalmente, las personas tienen dos conjuntos de genes para producir las subunidades δ y β. Las personas con un solo conjunto de genes funcionales no presentan ningún síntoma y, en los casos raramente reportados en los que ambos conjuntos de genes están afectados, los pacientes solo experimentaron síntomas leves.
Importancia clínica
Tratamiento de la anemia falciforme
El descubrimiento de que la hemoglobina F aliviaba los síntomas de la anemia falciforme se produjo en 1948. Janet Watson observó que los glóbulos rojos de los bebés con la enfermedad tardaban más en formar falciformes y no se deformaban tanto en comparación con las células de su madre., que portaba el rasgo de la enfermedad. Más tarde, se observó que los pacientes con rasgo de células falciformes y persistencia hereditaria de hemoglobina F (HPFH) no presentaban síntomas. Además, en pacientes con anemia falciforme, se descubrió que las células F viven más tiempo que las células no F, ya que contienen hemoglobina F.
Cuando la producción de hemoglobina fetal se interrumpe después del nacimiento, los niños normales comienzan a producir hemoglobina adulta (HbA). Los niños con anemia falciforme comienzan a producir una forma defectuosa de hemoglobina llamada hemoglobina S, que forma cadenas que hacen que los glóbulos rojos cambien su forma de redonda a falciforme. Estos glóbulos rojos defectuosos tienen una vida útil mucho más corta que los glóbulos rojos normales (de 10 a 20 días en comparación con hasta 120 días). También tienen una mayor tendencia a agruparse y bloquear pequeños vasos sanguíneos, impidiendo el suministro de sangre a tejidos y órganos. Esto conduce a la llamada crisis vasooclusiva, que es un sello distintivo de la enfermedad. Si la hemoglobina fetal se mantiene relativamente alta después del nacimiento, el número de episodios dolorosos disminuye en los pacientes con anemia falciforme y tienen un mejor pronóstico. El papel de la hemoglobina fetal en la reducción de la gravedad de la enfermedad proviene de su capacidad para interrumpir la formación de cadenas S de hemoglobina dentro de los glóbulos rojos. Curiosamente, si bien los niveles más altos de hemoglobina F se asociaron con la mejora de algunos síntomas, incluida la frecuencia de los episodios dolorosos, las úlceras en las piernas y la gravedad general de la enfermedad, no tuvo correlación con otros. Algunos ejemplos son el priapismo, el accidente cerebrovascular y la presión arterial sistémica. Como la hemoglobina F sólo la producen algunos glóbulos rojos en diferentes cantidades, sólo una subpoblación de células está protegida contra la anemia falciforme. Podría ser que los síntomas que la hemoglobina F alta no previene sean bastante sensibles a la ruptura de las células falciformes no F.
La hidroxiurea es una sustancia química que promueve la producción de hemoglobina fetal y reduce la ruptura prematura de los glóbulos rojos. Se ha demostrado que la terapia combinada con hidroxiurea y eritropoyetina recombinante, en lugar del tratamiento con hidroxiurea sola, eleva aún más los niveles de hemoglobina F y promueve el desarrollo de células F que contienen HbF.
La hemoglobina F como marcador de cáncer
Se han realizado algunos estudios evaluando la posibilidad de utilizar la hemoglobina F como indicador del pronóstico del cáncer. Se ha sugerido que se pueden encontrar concentraciones elevadas de hemoglobina F en los principales tipos de tumores sólidos y cánceres de la sangre. Los ejemplos incluyen la leucemia linfoblástica aguda y la leucemia mieloide en niños, donde concentraciones más altas de hemoglobina F se asociaron con un peor resultado, incluido un mayor riesgo de recaída o muerte. Otros tipos de cáncer en los que se han observado niveles más altos de hemoglobina F son el cáncer de células de transición y el carcinoma colorrectal. y varios tipos de blastomas. De hecho, en varios tipos de blastomas, incluidos el neuroblastoma y el retinoblastoma (que afectan a las células nerviosas y a los ojos, respectivamente), se encontraron células F en los vasos sanguíneos recién formados y en los espacios entre las células tumorales. También estaban presentes grupos de células F en la médula ósea de algunos de estos pacientes. Curiosamente, la hemoglobina F no es producida directamente por las células tumorales, sino que parece ser inducida por el entorno biológico del cáncer en las células sanguíneas cercanas. Una razón sugerida para este aumento en la hemoglobina F es que puede favorecer el crecimiento del cáncer al proporcionar un mejor suministro de oxígeno a las células cancerosas en desarrollo. En los adultos, se cree que el aumento de la producción de hemoglobina F es causado por factores que conducen a la activación del gen que codifica la subunidad γ, como la desmetilación del ADN (que puede activar genes normalmente silenciosos y es un sello distintivo del cáncer.