Interferón

interferones (IFNs) son un grupo de proteínas señalizadoras producidas y liberadas por las células huésped en respuesta a la presencia de varios virus. En un escenario típico, una célula infectada por virus liberará interferones, lo que hará que las células cercanas aumenten sus defensas antivirales.

Los IFN pertenecen a la gran clase de proteínas conocidas como citocinas, moléculas que se utilizan para la comunicación entre las células para activar las defensas protectoras del sistema inmunitario que ayudan a erradicar los patógenos. Los interferones reciben su nombre por su capacidad de "interferir" con la replicación viral protegiendo a las células de las infecciones virales. Sin embargo, los elementos genéticos codificados por virus tienen la capacidad de antagonizar la respuesta de IFN que contribuye a la patogénesis viral y las enfermedades virales. Los IFN también tienen varias otras funciones: activan las células inmunitarias, como las células asesinas naturales y los macrófagos, y aumentan las defensas del huésped al regular al alza la presentación de antígenos en virtud del aumento de la expresión de los antígenos del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC). Ciertos síntomas de infecciones, como fiebre, dolor muscular y "síntomas parecidos a la gripe", también son causados por la producción de IFN y otras citocinas.

Se han identificado más de veinte genes y proteínas de IFN distintos en animales, incluidos los humanos. Por lo general, se dividen en tres clases: IFN de tipo I, IFN de tipo II e IFN de tipo III. Los IFN pertenecientes a las tres clases son importantes para combatir las infecciones virales y para la regulación del sistema inmunitario.

Tipos de interferón

Según el tipo de receptor a través del cual envían señales, los interferones humanos se han clasificado en tres tipos principales.

• Tipo de interferón I: Todo tipo IFNs se unen a un complejo específico de receptores de superficie celular conocido como el receptor IFN-α/β (IFNAR) que consiste en cadenas IFNAR1 e IFNAR2. Los interferones tipo I presentes en humanos son IFN-α, IFN-β, IFN-ε, IFN-κ e IFN-ω. En general, los interferones tipo I se producen cuando el cuerpo reconoce un virus que lo ha invadido. Son producidos por fibroblastos y monocitos. Sin embargo, la producción de tipo IFN-α es inhibida por otro citocina conocido como Interleukin-10. Una vez liberado, los interferones tipo I se unen a receptores específicos en las células de destino, lo que conduce a la expresión de proteínas que evitarán que el virus produzca y repita su ARN y ADN. En general, IFN-α se puede utilizar para tratar infecciones de hepatitis B y C, mientras que IFN-β se puede utilizar para tratar la esclerosis múltiple.
• Interferón tipo II (IFN-γ en humanos): Esto también se conoce como interferón inmune y es activado por Interleukin-12. Los interferones tipo II también son liberados por células T citotóxicas y células de ayuda tipo-1 T. Sin embargo, bloquean la proliferación de células ayudadoras tipo 2 T. Los resultados anteriores en una inhibición de la respuesta inmune Th2 y otra inducción de la respuesta inmune Th1. IFN tipo II se une a IFNGR, que consiste en cadenas IFNGR1 e IFNGR2.
• Interferón tipo III: Señal a través de un complejo de receptores compuesto por IL10R2 (también llamado CRF2-4) e IFNLR1 (también llamado CRF2-12). Aunque se descubrió más recientemente que el tipo I y el tipo II IFNs, la información reciente demuestra la importancia de las IFN tipo III en algunos tipos de virus o infecciones fúngicas.

En general, los interferones tipo I y II son los encargados de regular y activar la respuesta inmunitaria. La expresión de IFN tipo I y III se puede inducir en prácticamente todos los tipos de células tras el reconocimiento de los componentes virales, especialmente los ácidos nucleicos, por parte de los receptores citoplasmáticos y endosómicos, mientras que el interferón tipo II es inducido por citocinas como la IL-12 y su expresión está restringida. a las células inmunitarias como las células T y las células NK.

Función

Todos los interferones comparten varios efectos comunes: son agentes antivirales y modulan funciones del sistema inmunológico. Se ha demostrado experimentalmente que la administración de IFN tipo I inhibe el crecimiento tumoral en animales, pero la acción beneficiosa en tumores humanos no ha sido ampliamente documentada. Una célula infectada por virus libera partículas virales que pueden infectar las células cercanas. Sin embargo, la célula infectada puede proteger a las células vecinas contra una posible infección del virus mediante la liberación de interferones. En respuesta al interferón, las células producen grandes cantidades de una enzima conocida como proteína quinasa R (PKR). Esta enzima fosforila una proteína conocida como eIF-2 en respuesta a nuevas infecciones virales; el eIF-2 fosforilado forma un complejo inactivo con otra proteína, llamada eIF2B, para reducir la síntesis de proteínas dentro de la célula. Otra enzima celular, la ARNasa L, también inducida por la acción del interferón, destruye el ARN dentro de las células para reducir aún más la síntesis de proteínas de los genes virales y del huésped. La síntesis de proteínas inhibida afecta tanto la replicación del virus como las células huésped infectadas. Además, los interferones inducen la producción de cientos de otras proteínas, conocidas colectivamente como genes estimulados por interferón (ISG), que tienen funciones en la lucha contra los virus y otras acciones producidas por el interferón. También limitan la propagación viral al aumentar la actividad de p53, que mata las células infectadas por virus al promover la apoptosis. El efecto de IFN sobre p53 también está relacionado con su papel protector contra ciertos tipos de cáncer.

Otra función de los interferones es regular al alza las moléculas del complejo principal de histocompatibilidad, MHC I y MHC II, y aumentar la actividad del inmunoproteasoma. Todos los interferones mejoran significativamente la presentación de antígenos dependientes de MHC I. El interferón gamma (IFN-gamma) también estimula significativamente la presentación de antígenos dependiente de MHC II. Una mayor expresión de MHC I aumenta la presentación de péptidos virales y anormales de las células cancerosas a las células T citotóxicas, mientras que el inmunoproteasoma procesa estos péptidos para cargarlos en la molécula de MHC I, lo que aumenta el reconocimiento y la eliminación de células infectadas o malignas. Una mayor expresión de MHC II aumenta la presentación de estos péptidos a las células T colaboradoras; estas células liberan citocinas (como más interferones e interleucinas, entre otras) que señalan y coordinan la actividad de otras células inmunitarias.

Los interferones también pueden suprimir la angiogénesis mediante la regulación a la baja de los estímulos angiogénicos derivados de las células tumorales. También suprimen la proliferación de células endoteliales. Tal supresión provoca una disminución de la angiogénesis tumoral, una disminución de su vascularización y la posterior inhibición del crecimiento. Los interferones, como el interferón gamma, activan directamente otras células inmunitarias, como los macrófagos y las células asesinas naturales.

Inducción de interferones

La producción de interferones ocurre principalmente en respuesta a microbios, como virus y bacterias, y sus productos. La unión de moléculas que se encuentran únicamente en los microbios (glucoproteínas virales, ARN viral, endotoxina bacteriana (lipopolisacárido), flagelos bacterianos, motivos CpG) mediante receptores de reconocimiento de patrones, como los receptores toll like unidos a la membrana o los receptores citoplasmáticos RIG-I o MDA5, puede desencadenar liberación de IFN. Toll Like Receptor 3 (TLR3) es importante para inducir interferones en respuesta a la presencia de virus de ARN de doble cadena; el ligando de este receptor es el ARN de doble cadena (dsRNA). Después de unirse al dsRNA, este receptor activa los factores de transcripción IRF3 y NF-κB, que son importantes para iniciar la síntesis de muchas proteínas inflamatorias. Las herramientas de tecnología de interferencia de ARN, como el siARN o los reactivos basados en vectores, pueden silenciar o estimular las vías del interferón. Los mitógenos también inducen la liberación de IFN de las células (específicamente IFN-γ en las células linfoides). Otras citocinas, como la interleucina 1, la interleucina 2, la interleucina-12, el factor de necrosis tumoral y el factor estimulante de colonias, también pueden aumentar la producción de interferón.

Señalización aguas abajo

Al interactuar con sus receptores específicos, los IFN activan los complejos transductores de señales y activadores de la transcripción (STAT); Los STAT son una familia de factores de transcripción que regulan la expresión de ciertos genes del sistema inmunitario. Algunos STAT son activados por IFN tanto de tipo I como de tipo II. Sin embargo, cada tipo de IFN también puede activar STAT únicos.

La activación de STAT inicia la vía de señalización celular mejor definida para todos los IFN, la vía de señalización clásica Janus quinasa-STAT (JAK-STAT). En esta vía, las JAK se asocian con los receptores de IFN y, luego de la interacción del receptor con el IFN, fosforilan tanto STAT1 como STAT2. Como resultado, se forma un complejo del factor 3 del gen estimulado por IFN (ISGF3), que contiene STAT1, STAT2 y un tercer factor de transcripción llamado IRF9, y se mueve hacia el núcleo celular. Dentro del núcleo, el complejo ISGF3 se une a secuencias de nucleótidos específicas llamadas elementos de respuesta estimulados por IFN (ISRE) en los promotores de ciertos genes, conocidos como genes estimulados por IFN ISG. La unión de ISGF3 y otros complejos transcripcionales activados por la señalización de IFN a estos elementos reguladores específicos induce la transcripción de esos genes. Una colección de ISG conocidos está disponible en Interferome, una base de datos en línea seleccionada de ISG (www.interferome.org); Además, los homodímeros o heterodímeros STAT se forman a partir de diferentes combinaciones de STAT-1, -3, -4, -5 o -6 durante la señalización de IFN; estos dímeros inician la transcripción de genes al unirse a elementos del sitio activado por IFN (GAS) en promotores de genes. Los IFN tipo I pueden inducir la expresión de genes con elementos ISRE o GAS, pero la inducción génica por IFN tipo II solo puede ocurrir en presencia de un elemento GAS.

Además de la vía JAK-STAT, los IFN pueden activar varias otras cascadas de señalización. Por ejemplo, tanto los IFN de tipo I como los de tipo II activan un miembro de la familia CRK de proteínas adaptadoras llamado CRKL, un adaptador nuclear para STAT5 que también regula la señalización a través de la vía C3G/Rap1. Los IFN de tipo I activan aún más la proteína quinasa activada por mitógeno p38 (MAP quinasa) para inducir la transcripción génica. Los efectos antivirales y antiproliferativos específicos de los IFN de tipo I resultan de la señalización de p38 MAP quinasa. La vía de señalización de la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K) también está regulada por IFN de tipo I y tipo II. PI3K activa P70-S6 Kinase 1, una enzima que aumenta la síntesis de proteínas y la proliferación celular; fosforila la proteína ribosómica s6, que participa en la síntesis de proteínas; y fosforila una proteína represora de la traducción llamada proteína 1 de unión al factor 4E de iniciación de la traducción eucariota (EIF4EBP1) para desactivarla.

Los interferones pueden interrumpir la señalización de otros estímulos. Por ejemplo, el interferón alfa induce RIG-G, que interrumpe el señalosoma COP9 (CSN) que contiene CSN5, un complejo multiproteico altamente conservado implicado en la desindilación, deubiquitinación y fosforilación de proteínas. RIG-G ha demostrado la capacidad de inhibir la señalización de NF-κB y STAT3 en células de cáncer de pulmón, lo que demuestra el potencial de los IFN de tipo I.

Resistencia del virus a los interferones

Muchos virus han desarrollado mecanismos para resistir la actividad del interferón. Evitan la respuesta de IFN al bloquear los eventos de señalización aguas abajo que ocurren después de que la citocina se une a su receptor, al prevenir una mayor producción de IFN y al inhibir las funciones de las proteínas que son inducidas por IFN. Los virus que inhiben la señalización de IFN incluyen el virus de la encefalitis japonesa (JEV), el virus del dengue tipo 2 (DEN-2) y los virus de la familia de los herpesvirus, como el citomegalovirus humano (HCMV) y el herpesvirus asociado al sarcoma de Kaposi (KSHV o HHV8). Las proteínas virales que han demostrado afectar la señalización de IFN incluyen el antígeno nuclear 1 de EBV (EBNA1) y el antígeno nuclear 2 de EBV (EBNA-2) del virus de Epstein-Barr, el antígeno T grande del poliomavirus, la proteína E7 del virus del papiloma humano (VPH) y el Proteína B18R del virus vaccinia. La reducción de la actividad de IFN-α puede evitar la señalización a través de STAT1, STAT2 o IRF9 (como en la infección por JEV) o a través de la vía JAK-STAT (como en la infección por DEN-2). Varios poxvirus codifican homólogos de receptores de IFN solubles, como la proteína B18R del virus vaccinia, que se unen y evitan que el IFN interactúe con su receptor celular, lo que impide la comunicación entre esta citocina y sus células diana. Algunos virus pueden codificar proteínas que se unen al ARN de doble cadena (dsRNA) para evitar la actividad de las proteínas quinasas dependientes de ARN; este es el mecanismo que adopta el reovirus utilizando su proteína sigma 3 (σ3), y el virus vaccinia emplea el producto génico de su gen E3L, p25. La capacidad del interferón para inducir la producción de proteínas a partir de genes estimulados por interferón (ISG) también puede verse afectada. La producción de proteína quinasa R, por ejemplo, puede interrumpirse en células infectadas con JEV. Algunos virus escapan a las actividades antivirales de los interferones por mutación de genes (y por lo tanto de proteínas). El virus de la influenza H5N1, también conocido como gripe aviar, tiene resistencia al interferón y otras citocinas antivirales que se atribuye a un cambio de un solo aminoácido en su proteína no estructural 1 (NS1), aunque el mecanismo preciso de cómo esto confiere inmunidad no esta claro.

Respuesta al coronavirus

Los coronavirus evaden la inmunidad innata durante los primeros diez días de la infección viral. En las primeras etapas de la infección, el SARS-CoV-2 induce una respuesta de interferón tipo I (IFN-I) aún más baja que el SARS-CoV, que en sí mismo es un inductor débil de IFN-I en las células humanas. SARS-CoV-2 también limita la respuesta de IFN-III. La reducción del número de células dendríticas plasmocitoides con la edad se asocia con una mayor gravedad de la COVID-19, posiblemente porque estas células son productoras sustanciales de interferón.

El diez por ciento de los pacientes con COVID-19 potencialmente mortal tienen autoanticuerpos contra el interferón tipo I.

La respuesta retardada de IFN-I contribuye a la inflamación patógena (tormenta de citoquinas) que se observa en etapas posteriores de la enfermedad por COVID-19. La aplicación de IFN-I antes de (o en las primeras etapas de) la infección viral puede ser protectora, lo que debe validarse en ensayos clínicos aleatorizados.

Terapia con interferón

Tres viales llenos de interferón leucocito humano

Enfermedades

El interferón beta-1a y el interferón beta-1b se usan para tratar y controlar la esclerosis múltiple, un trastorno autoinmune. Este tratamiento puede ayudar a reducir los ataques en la esclerosis múltiple remitente-recurrente y retrasar la progresión de la enfermedad y la actividad en la esclerosis múltiple progresiva secundaria.

La terapia con interferón se usa (en combinación con quimioterapia y radiación) como tratamiento para algunos tipos de cáncer. Este tratamiento se puede utilizar en neoplasias malignas hematológicas, como leucemia y linfomas, incluida la leucemia de células pilosas, la leucemia mieloide crónica, el linfoma nodular y el linfoma cutáneo de células T. Los pacientes con melanomas recurrentes reciben IFN-α2b recombinante. Tanto la hepatitis B como la hepatitis C se tratan con IFN-α, a menudo en combinación con otros medicamentos antivirales. Algunos de los tratados con interferón tienen una respuesta virológica sostenida y pueden eliminar el virus de la hepatitis. La cepa más dañina, el virus de la hepatitis C genotipo I, se puede tratar con una tasa de éxito del 60-80 % con el tratamiento estándar actual de interferón-α, ribavirina e inhibidores de la proteasa recientemente aprobados como Telaprevir (Incivek) Mayo de 2011, Boceprevir (Victrelis) mayo de 2011 o el inhibidor de polimerasa análogo de nucleótido Sofosbuvir (Sovaldi) diciembre de 2013. Las biopsias de pacientes que recibieron el tratamiento muestran reducciones en el daño hepático y la cirrosis. Cierta evidencia muestra que administrar interferón inmediatamente después de la infección puede prevenir la hepatitis C crónica, aunque el diagnóstico temprano en la infección es difícil ya que los síntomas físicos son escasos en la infección temprana por hepatitis C. El control de la hepatitis C crónica por IFN se asocia con una reducción del carcinoma hepatocelular.

Los resultados no confirmados sugirieron que las gotas oftálmicas de interferón pueden ser un tratamiento eficaz para las personas que tienen queratitis epitelial por el virus del herpes simple, un tipo de infección ocular. No hay pruebas claras que sugieran que la extracción del tejido infectado (desbridamiento) seguida de gotas de interferón sea un enfoque de tratamiento eficaz para este tipo de infecciones oculares. Los resultados no confirmados sugirieron que la combinación de interferón y un agente antiviral puede acelerar el proceso de curación en comparación con la terapia antiviral sola.

Cuando se utilizan en la terapia sistémica, los IFN se administran principalmente mediante una inyección intramuscular. La inyección de IFN en el músculo o debajo de la piel generalmente se tolera bien. Los efectos adversos más frecuentes son síntomas gripales: aumento de la temperatura corporal, malestar, fatiga, dolor de cabeza, dolor muscular, convulsiones, mareos, adelgazamiento del cabello y depresión. También se observan con frecuencia eritema, dolor y dureza en el lugar de la inyección. La terapia con IFN causa inmunosupresión, en particular a través de la neutropenia y puede provocar que algunas infecciones se manifiesten de formas inusuales.

Formulaciones de medicamentos

Varios tipos diferentes de interferones están aprobados para su uso en humanos. Uno fue aprobado por primera vez para uso médico en 1986. Por ejemplo, en enero de 2001, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) aprobó el uso de interferón-alfa pegilado en los EE. UU.; en esta formulación, el interferón-alfa-2b PEGilado (Pegintron), el polietilenglicol se une a la molécula de interferón para hacer que el interferón dure más tiempo en el cuerpo. La aprobación del interferón-alfa-2a PEGilado (Pegasys) siguió en octubre de 2002. Estos medicamentos PEGilados se inyectan una vez a la semana, en lugar de administrarse dos o tres veces por semana, como es necesario para el interferón-alfa convencional. Cuando se usa con el fármaco antiviral ribavirina, el interferón pegilado es eficaz en el tratamiento de la hepatitis C; al menos el 75 % de las personas con hepatitis C genotipos 2 o 3 se benefician del tratamiento con interferón, aunque este es efectivo en menos del 50 % de las personas infectadas con el genotipo 1 (la forma más común del virus de la hepatitis C tanto en los EE. UU. como en Europa occidental). Los regímenes que contienen interferón también pueden incluir inhibidores de la proteasa como boceprevir y telaprevir.

También existen fármacos que inducen el interferón, en particular la tilorona, que ha demostrado ser eficaz contra el virus del Ébola.

Historia

Sidney Pestka de la Universidad Rutgers, visto aquí recibiendo la Medalla Nacional de Tecnología.

Los interferones fueron descritos por primera vez en 1957 por Alick Isaacs y Jean Lindenmann en el Instituto Nacional de Investigación Médica de Londres; el descubrimiento fue el resultado de sus estudios de interferencia viral. La interferencia viral se refiere a la inhibición del crecimiento del virus causada por la exposición previa de las células a un virus activo o inactivado por calor. Isaacs y Lindenmann estaban trabajando con un sistema que implicaba la inhibición del crecimiento del virus de la influenza vivo en las membranas corioalantoideas de embriones de pollo mediante el virus de la influenza inactivado por calor. Sus experimentos revelaron que esta interferencia estaba mediada por una proteína liberada por las células en las membranas tratadas con el virus de la influenza inactivadas por calor. Publicaron sus resultados en 1957 nombrando el factor antiviral que habían descubierto interferón. Los hallazgos de Isaacs y Lindenmann han sido ampliamente confirmados y corroborados en la literatura.

Además, es posible que otros hayan realizado observaciones sobre los interferones antes de la publicación de 1957 de Isaacs y Lindenmann. Por ejemplo, durante la investigación para producir una vacuna más eficiente contra la viruela, Yasu-ichi Nagano y Yasuhiko Kojima, dos virólogos japoneses que trabajan en el Instituto de Enfermedades Infecciosas de la Universidad de Tokio, notaron una inhibición del crecimiento viral en un área de piel de conejo. o testículo previamente inoculado con virus inactivado por UV. Formularon la hipótesis de que algún "factor inhibidor viral" estaba presente en los tejidos infectados con el virus y se intentó aislar y caracterizar este factor a partir de homogeneizados de tejido. Independientemente, Monto Ho, en el laboratorio de John Enders, observó en 1957 que el poliovirus atenuado confería un efecto antiviral específico de especie en cultivos de células amnióticas humanas. Describieron estas observaciones en una publicación de 1959, nombrando al factor responsable factor inhibidor viral (VIF). Tomó otros quince a veinte años, utilizando la genética de células somáticas, para mostrar que el gen de acción del interferón y el gen del interferón residen en diferentes cromosomas humanos. La purificación del interferón beta humano no ocurrió hasta 1977. Y.H. Tan y sus colaboradores purificaron y produjeron interferón beta humano radiomarcado biológicamente activo mediante la superinducción del gen del interferón en las células de fibroblastos, y demostraron que su sitio activo contiene residuos de tirosina. El laboratorio de Tan aisló cantidades suficientes de interferón beta humano para realizar los primeros análisis de aminoácidos, composición de azúcar y N-terminal. Demostraron que el interferón beta humano era una glicoproteína inusualmente hidrofóbica. Esto explicaba la gran pérdida de actividad del interferón cuando las preparaciones se transfirieron de un tubo de ensayo a otro o de un recipiente a otro durante la purificación. Los análisis mostraron la realidad de la actividad del interferón por verificación química. La purificación del interferón alfa humano no se informó hasta 1978. Una serie de publicaciones de los laboratorios de Sidney Pestka y Alan Waldman entre 1978 y 1981 describen la purificación de los interferones tipo I IFN-α e IFN-β. A principios de la década de 1980, se clonaron los genes de estos interferones, lo que agregó una prueba más definitiva de que los interferones eran responsables de interferir con la replicación viral. La clonación de genes también confirmó que IFN-α estaba codificado por una familia de muchos genes relacionados. El gen de IFN tipo II (IFN-γ) también se aisló en esta época.

El interferón se sintetizó manualmente por primera vez en la Universidad Rockefeller en el laboratorio del Dr. Bruce Merrifield mediante la síntesis de péptidos en fase sólida, un aminoácido a la vez. Más tarde ganó el premio Nobel de química. El interferón era escaso y costoso hasta 1980, cuando el gen del interferón se insertó en bacterias utilizando tecnología de ADN recombinante, lo que permitió el cultivo masivo y la purificación a partir de cultivos bacterianos o derivados de levaduras. El interferón también puede ser producido por células de mamíferos recombinantes. Antes de principios de la década de 1970, Kari Cantell había sido pionera en la producción a gran escala de interferón humano. Produjo grandes cantidades de interferón alfa humano a partir de grandes cantidades de glóbulos blancos humanos recolectados por el Banco de Sangre de Finlandia. Se produjeron grandes cantidades de interferón beta humano mediante la superinducción del gen del interferón beta en células de fibroblastos humanos.

Los métodos de Cantell y Tan para producir grandes cantidades de interferón natural fueron fundamentales para la caracterización química, los ensayos clínicos y la preparación de pequeñas cantidades de ARN mensajero de interferón para clonar los genes de interferón alfa y beta humanos. El ARN mensajero del interferón beta humano superinducido fue preparado por el laboratorio de Tan para Cetus corp. para clonar el gen del interferón beta humano en bacterias y el interferón recombinante se desarrolló como 'betaseron' y aprobado para el tratamiento de la EM. Los científicos israelíes también utilizaron la superinducción del gen del interferón beta humano para fabricar interferón beta humano.

Interferones humanos

Interferones de peces teleósteos