1. INTRODUCCIÓN
Se calcula que la exposición a la contaminación atmosférica contribuye a unos siete millones de muertes prematuras al año en todo el mundo y a la pérdida de más del 3% de los años de vida ajustados en función de la discapacidad. La contaminación atmosférica tiene numerosos efectos nocivos para la salud y contribuye al desarrollo y la morbilidad de enfermedades cardiovasculares, trastornos metabólicos y diversas patologías pulmonares, como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). Los nuevos datos indican que la exposición a la contaminación atmosférica modula la marca epigenética, la metilación del ADN (DNAm), y que estos cambios podrían influir a su vez en la inflamación, el desarrollo de enfermedades y el riesgo de exacerbación.
La comprensión de la compleja relación entre los factores ambientales, el epigenoma y los efectos de la exposición a los contaminantes atmosféricos tiene el potencial de conducir a la identificación de biomarcadores transformadores de susceptibilidad y efecto que impulsarán la próxima generación de evaluación de riesgos. Aunque prometedor, el avance exigirá que se aborden cuestiones críticas y se superen retos.
2. CONTEXTO
El estudio de diversos mecanismos biológicos – como los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), las modificaciones epigenéticas (metilación de genes), la expresión génica (transcriptoma) y la regulación de los microARN – puede mejorar nuestra comprensión de cómo los contaminantes atmosféricos dañan los pulmones (Fig. 10.1). Los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) han relacionado SNP específicos con afecciones respiratorias, mientras que la exposición a la contaminación atmosférica altera la metilación del ADN, la expresión génica y la actividad de los microARN (ARN cortos no codificantes que regulan la expresión génica). Las investigaciones realizadas con modelos celulares y animales muestran distintos cambios en la expresión génica debidos a contaminantes como las partículas y el ozono. Para mitigar el daño pulmonar, especialmente en quienes padecen o corren el riesgo de padecer enfermedades pulmonares crónicas, las estrategias deben abordar tanto el control de la contaminación como las intervenciones protectoras. La investigación genómica puede ayudar a desarrollar tratamientos para las lesiones pulmonares relacionadas con la contaminación.
Figura 10.1 Enfoques «ómicos» para estudiar los efectos respiratorios de la exposición a contaminantes atmosféricos (source: Holloway et al., 2012)
Numerosas investigaciones han demostrado que los distintos tipos de contaminación atmosférica (por ejemplo, partículas, ozono y dióxido de nitrógeno) desencadenan respuestas biológicas diferentes. Por ejemplo, está demostrado que las partículas dañan las células pulmonares y respiratorias, inducen la inflamación y generan especies reactivas del oxígeno (ROS), lo que provoca estrés oxidativo y liberación de citoquinas. Los métodos basados en la secuenciación, como los perfiles de metilación del ADN y el análisis de las modificaciones de las histonas, son muy prometedores para revelar las alteraciones epigenéticas inducidas por la exposición a las PM.
Las respuestas individuales a la exposición a la contaminación atmosférica varían debido a factores extrínsecos (por ejemplo, dieta, exposición previa, clima, enfermedad preexistente) e intrínsecos (por ejemplo, edad, sexo), y las diferencias genéticas y epigenéticas desempeñan un papel fundamental. Los estudios en cepas animales endogámicas ponen de relieve las influencias genéticas en las respuestas a los contaminantes. Identificar los determinantes genéticos de la variabilidad en los seres humanos es esencial para comprender los mecanismos de las enfermedades pulmonares, reconocer las poblaciones de riesgo y desarrollar estrategias de prevención específicas, así como para informar las políticas de salud pública sobre los niveles de exposición seguros basados en la sensibilidad de la población.
2.1. Respuesta biológica a la exposición a contaminantes atmosféricos: enfoques genómicos
Los dos enfoques principales del estudio de la genética de las enfermedades son:
Enfoque de genes candidatos – Asume que la variación genética en un rasgo se debe en gran medida a mutaciones funcionales en genes específicos que se sabe que influyen en el desarrollo. Se utiliza ampliamente en la investigación de enfermedades genéticas, los estudios de asociación genética y la identificación de dianas farmacológicas. El enfoque de genes candidatos es un método potente y rentable para estudiar rasgos complejos y descubrir genes directamente. Sin embargo, su eficacia se ve limitada por la dependencia de los conocimientos biológicos existentes, que siguen siendo incompletos para muchos rasgos. A pesar de que se han identificado muchos genes candidatos, se necesitan nuevas estrategias para superar este cuello de botella informativo y hacer avanzar la investigación genética.
Enfoques independientes de la hipótesis – En los últimos años, el estudio de las bases genéticas de las enfermedades complejas se ha visto revolucionado por los avances tecnológicos en las tecnologías de genotipado de SNP basadas en arrays y la caracterización de millones de variantes de SNP en el genoma humano. Los estudios de asociación del genoma completo (GWAS, por sus siglas en inglés) permiten actualmente realizar análisis independientes de hipótesis de factores genéticos en muestras de casos y controles y en muestras poblacionales. Los GWAS han identificado asociaciones estadísticamente significativas para numerosos fenotipos, incluidas enfermedades comunes y rasgos fisiológicos, proporcionando valiosos conocimientos sobre los procesos biológicos subyacentes a estas afecciones. La exploración de todo el genoma suele realizarse sin presuposiciones sobre la importancia de rasgos funcionales específicos de los rasgos investigados, pero su principal desventaja es que resulta cara y exige muchos recursos.
Aprende: Cómo realizar genotipado SNP basado en arrays (video)
Aprende: Estudios de asociación del genoma completo (video)
La tabla 10.1 resume los principales resultados de la investigación de los determinantes genéticos de las respuestas a la exposición a la contaminación atmosférica. Destaca cómo las variaciones genéticas influyen en la susceptibilidad a contaminantes como el ozono, las partículas y el dióxido de azufre, así como su impacto en el estrés oxidativo, la inflamación y la función pulmonar. Comprender estos factores genéticos puede ayudar a identificar a la población de riesgo y orientar futuras investigaciones sobre estrategias preventivas e intervenciones personalizadas.
Tabla 10.1 Determinantes genéticos de la respuesta a la contaminación atmosférica: Principales hallazgos de los estudios sobre genes candidatos y GWAS
| Tipo de estudio | Principales resultados | Implicaciones | Referencia |
| Estudio de exposición al ozono | Los genotipos susceptibles mostraron un daño excesivo del ADN y un mayor estrés oxidativo bajo la exposición al ozono | Destaca la necesidad de una prevención específica en individuos genéticamente susceptibles. Sugiere biomarcadores potenciales para identificar a los individuos de alto riesgo. | Bergamaschi et al., 2001 |
| PM y respuesta alérgica | Los genotipos con bajo nivel de antioxidantes presentaron una mayor respuesta nasal a la IgE y la histamina, agravada por el humo de tabaco ajeno. | Indicación de predisposición genética a reacciones alérgicas más fuertes en entornos contaminados. | Gilliland et al., 2004 |
| Respuesta inflamatoria y polimorfismos del TNF | El genotipo TNF-308G se asocia a un mayor descenso del FEV1 con la exposición al ozono | Identifican factores genéticos relacionados con la inflamación en la susceptibilidad a la contaminación | Yang et al., 2005 |
| Enfoque de exposición controlada / GWAS en la respuesta a la radiación | Un estudio realizado con 277 líneas celulares linfoblastoides identificó 50 SNP en 14 loci que afectan a la sensibilidad a la radiación, validados mediante knockdowns con siRNA. | Ofrece un control preciso de los niveles y condiciones de exposición, lo que permite realizar mediciones de la función pulmonar, la inflamación y los cambios en la expresión génica. | Nie et al., 2010 |
| Estudio del consorcio SPIROMETA y CHARGE | Loci identificados asociados a la función pulmonar | Proporcionar objetivos genéticos para seguir investigando sobre el deterioro de la función pulmonar. | Repapi et al., 2010 |
2.2. Enfoques que abarcan todo el epigenoma para estudiar los procesos epigenéticos
La epigenética es el proceso en el que se producen cambios en las funciones de los genes sin modificar sus secuencias de ADN subyacentes. Tales cambios, que pueden reflejarse en rasgos celulares y fisiológicos, pueden ser generados por factores ambientales, además de formar parte de los fenómenos normales del desarrollo. La metilación del ADN y las modificaciones de las histonas son dos procesos clave que alteran las funciones de los genes sin cambiar las secuencias de ADN (Fig. 10.2).
Figura 10.2 Alteraciones epigenéticas en el sistema de los mamíferos. (a) Metilación del ADN en las bases del ADN, (b) diferentes tipos de modificaciones en las colas de las histonas, y (c) interferencia de los ARN no codificantes (ARNnc) en el proceso de expresión génica. (Mukherjee et al., 2021)
Metilación del ADN (DNAm)
ADNm describe la unión de grupos metilo al ADN por parte de las ADN metiltransferasas (DNMT), normalmente en el quinto carbono de las citosinas, lo que da lugar a la formación de 5-metilcitosina (5-mC). La desmetilación del ADN se produce de forma pasiva por falta de mantenimiento durante la división celular o por la actividad de enzimas. En los mamíferos, la DNAm se produce predominantemente en los dinucleótidos C-G, denominados CpGs. La DNAm en las regiones promotoras de los genes puede contribuir, junto con las variantes de las histonas, las modificaciones de las histonas y los ARN no codificantes, a la regulación de la expresión génica. El DNAm de los sitios CpG situados en los cuerpos de los genes puede estar relacionado con el inicio de la transcripción, la eficiencia de la elongación y el splicing alternativo.
Los efectos de la contaminación atmosférica sobre el ADNm pueden investigarse utilizando varios diseños de estudio diferentes:
- Diseño de estudios epidemiológicos de regresión del uso del suelo – Los estudios epidemiológicos estiman la exposición a la contaminación atmosférica utilizando modelos de regresión del uso del suelo (LUR) basados en datos geográficos y de sensores. Los voluntarios proporcionan muestras (por ejemplo, de sangre), y los niveles de contaminantes en sus domicilios se promedian a lo largo de diferentes ventanas temporales. Estas estimaciones se correlacionan con los datos de metilación del ADN para evaluar los efectos sobre la salud. Aunque este método capta la exposición en el mundo real, sus limitaciones incluyen el control de factores personales, la selección de ventanas temporales y la variación limitada de la población durante el periodo de estudio.
- Diseño de estudios de población – Este enfoque compara a las personas que viven en zonas de alta y baja contaminación, como las regiones industriales frente a las rurales. Tras ajustar las diferencias de población, este método calcula los efectos sobre la salud de una mayor exposición a la contaminación. Sin embargo, entre los retos que plantea se incluye la equiparación de las características de los participantes, ya que a menudo existen disparidades socioeconómicas y sanitarias entre estas zonas.
- Estudios de exposición cruzada controlada – Estos estudios exponen a los voluntarios a niveles de contaminación atmosférica establecidos en una instalación, seguidos de una exposición de control tras un periodo de lavado. Este diseño reduce los factores de confusión, ya que los individuos actúan como sus propios controles. Sin embargo, estos estudios son costosos, difíciles de realizar y pueden verse afectados por efectos de arrastre si los periodos de lavado son demasiado cortos.
Los datos de DNAm procedentes de distintos estudios pueden medirse utilizando plataformas normalizadas y reflejan la unión de factores de transcripción y la expresión génica. El DNAm es, por tanto, una herramienta lógica para intentar comprender el efecto de la contaminación atmosférica sobre la función genómica y las medidas posteriores de interés para la salud. La combinación de múltiples métodos de estudio puede proporcionar una comprensión más completa de los efectos de la contaminación atmosférica sobre la metilación del ADN.
Modificación de histonas y exposición a la contaminación atmosférica
Las histonas también pueden modificarse de varias formas, como la acetilación, la metilación, la fosforilación y la ubiquitinación. La contaminación atmosférica afecta a las modificaciones de las histonas, pero los estudios de grandes poblaciones sobre este tema son limitados. Los estudios muestran que la exposición a contaminantes como el níquel, el arsénico, el hierro y los hidrocarburos poliaromáticos altera la metilación y acetilación de las histonas, lo que repercute en la expresión génica y las respuestas inflamatorias. La exposición al benzo[a]pireno también modifica las histonas y reduce la metilación del ADN. Sirt1, un miembro de la clase III de la histona deacetilasa (HDAC), ayuda a regular la inflamación inducida por MP en los pulmones, mientras que el humo del cigarrillo altera la expresión de DNMT y HDAC, lo que conduce a la inflamación. Las PM10 y las partículas de escape de gasóleo pueden alterar el equilibrio de acetilación de histonas en las células epiteliales bronquiales, contribuyendo a la inflamación respiratoria.
3. ALTERNATIVAS (DEBATE)
3.1. Estudios de interacción en todo el genoma (GWIS)
El enfoque de genes candidatos descrito anteriormente no es capaz de identificar nuevos genes que contribuyan al fenotipo analizado, lo que limita su conocimiento de los mecanismos de la enfermedad. Aunque el enfoque GWAS ha identificado con éxito variantes genéticas para las enfermedades respiratorias, sólo explica una pequeña parte de la heredabilidad, posiblemente debido a las interacciones gen-ambiente (GxE) o a vías más complejas que implican múltiples genes y exposiciones. Por lo tanto, ha habido un interés considerable en explorar las interacciones GxE de una manera independiente de la hipótesis de todo el genoma en estudios en los que se dispone de información sobre la exposición. Tales estudios se han denominado estudios de interacción de genoma completo (GWIS). Sin embargo, los GWIS también se enfrentan a algunos retos, como la evaluación precisa de la exposición, la necesidad de muestras grandes y la heterogeneidad entre los estudios.
A pesar de estas dificultades, los investigadores han empezado a utilizar los GWIS para identificar variantes genéticas subyacentes a enfermedades complejas. Por ejemplo, Beaty et al. realizaron un GWAS sobre el paladar hendido no sindrómico, un defecto congénito frecuente en el que influyen factores genéticos y ambientales. Aunque ningún SNP alcanzó la significación genómica por sí solo, varios marcadores genéticos resultaron significativos cuando se tuvo en cuenta la interacción GxE con tres exposiciones maternas comunes (tabaquismo materno, consumo de alcohol y suplementos multivitamínicos). Esto subraya la importancia de incorporar las interacciones GxE en los estudios genéticos, ya que muchos efectos genéticos sólo pueden manifestarse en poblaciones expuestas.
3.2. Exposición a la contaminación atmosférica y alteraciones del epigenoma
Los estudios de epigenética ambiental, a menudo basados en modelos epidemiológicos simples (Fig. 10.3A), han demostrado vínculos entre las exposiciones a la contaminación atmosférica y los cambios en el epigenoma. Sin embargo, para determinar si los cambios epigenéticos desempeñan un papel causal en los efectos sobre la salud relacionados con la contaminación atmosférica, se necesita un enfoque más integrado que combine la investigación mecanicista, clínica y epidemiológica. A medida que se profundiza en el conocimiento de la regulación genética epigenética, los investigadores reconocen que la relación entre la exposición ambiental y la modificación epigenética es muy compleja. El modelo de la semilla y el suelo sugiere que, en lugar de desempeñar un único papel, los cambios epigenéticos pueden actuar como efectos, modificadores de efectos o mediadores en distintos momentos (Fig. 10.3B). Por ejemplo, un estudio de Gregory et al. demostró que la exposición materna al diésel en un momento dado (t=1) podía alterar el estado epigenético del recién nacido (t=2), lo que más tarde podría interactuar con factores ambientales para desencadenar una respuesta alérgica (t=3). En lugar de considerar estas etapas por separado, vincularlas proporciona una mayor comprensión de la evaluación de riesgos, las posibles intervenciones sanitarias y las futuras líneas de investigación. Un estudio ideal de la contaminación atmosférica y la epigenética realizaría un seguimiento de la exposición, los efectos biológicos (como los marcadores de inflamación) y las modificaciones epigenéticas a lo largo del tiempo en un diseño longitudinal. Sin embargo, el análisis de interacciones tan complejas requiere técnicas estadísticas sofisticadas y el diseño del estudio se beneficiaría de las aportaciones de bioestadísticos o biólogos de sistemas para garantizar una interpretación precisa.
Figura 10.3 Diagrama conceptual de las funciones hipotéticas de la modificación epigenética en la relación exposición-efecto (McCullough et al., 2017)
4. SOLUCIÓN
4.1. Estudio de la interacción genes-ambiente
El desarrollo y la gravedad de enfermedades pulmonares como el asma y la EPOC están influidos por la interacción de la susceptibilidad genética y epigenética con las exposiciones ambientales, incluida la contaminación atmosférica. Algunos polimorfismos genéticos sólo influyen en los resultados de la enfermedad en individuos expuestos, mientras que en algunos casos, sus efectos pueden incluso invertirse dependiendo de las condiciones ambientales, un fenómeno conocido como efectos «flip-flop». Por tanto, el estudio de las interacciones GxE es esencial para mejorar las estimaciones del riesgo poblacional, identificar a los individuos genéticamente susceptibles, inferir la causalidad mediante la aleatorización mendeliana y comprender las vías biológicas implicadas en la respuesta a los contaminantes, lo que ayuda al desarrollo de terapias dirigidas.
La investigación ha explorado ampliamente cómo las variaciones genéticas, en particular en los genes antioxidantes, influyen en la susceptibilidad a las enfermedades respiratorias cuando se combinan con la exposición a la contaminación atmosférica. Varios polimorfismos en genes como GSTM1, GSTP1, GSTT1, NQO1, SOD2 (MnSOD) y GPX1 se han relacionado con el asma y la EPOC, y los estudios muestran interacciones entre estos genes y la exposición al ozono, NO y PM. Además, una revisión sistemática de Minelli et al. identificó 12 estudios epidemiológicos y tres estudios de exposición controlada, que apoyan la presencia de interacciones GxE. Múltiples estudios relacionaron los polimorfismos del gen GST con el asma y las sibilancias infantiles en entornos contaminados. Un ensayo clínico realizado en Ciudad de México reveló que los niños asmáticos con un genotipo GSTM1 poco antioxidante experimentaban un deterioro de la función pulmonar con el aumento de los niveles de ozono, pero la suplementación con vitaminas C y E ayudaba a mitigar este efecto. Este hallazgo pone de relieve el potencial de las intervenciones dirigidas a proteger a los individuos genéticamente susceptibles de los daños respiratorios relacionados con la contaminación atmosférica.
4.2. Exploración de las modificaciones epigenómicas en la investigación sobre la contaminación atmosférica
La metilación del ADN es una de las muchas modificaciones epigenéticas y es poco probable que sea la única causa de los efectos relacionados con la exposición. La complejidad del estudio de las modificaciones epigenéticas puede suponer un reto debido a las limitaciones tecnológicas y a la escasez de material de muestra. Además, los recientes descubrimientos sobre las diversas funciones de los derivados de la metilación del ADN en la regulación de la expresión génica añaden otra capa de complejidad. Los métodos estándar de conversión de bisulfito no pueden diferenciarlos, lo que dificulta una detección precisa. Las técnicas más recientes, como las matrices de bisulfito oxidativo, mejoran la precisión, pero son costosas y requieren más material de muestra.
Los avances en la cartografía del epigenoma han dado lugar a navegadores del epigenoma de acceso público, que ayudan a visualizar las modificaciones de las histonas en distintos tipos celulares, facilitando así la selección de las modificaciones de las histonas diana. La mejora de las técnicas de ChIP-seq, con mayor eficacia, reproducibilidad y normalización, ha hecho más factible el análisis de las modificaciones de las histonas en los estudios toxicogenéticos. Sin embargo, detectar los cambios epigenéticos relacionados con la exposición es sólo el primer paso: establecer un vínculo causal entre la contaminación atmosférica, el epigenoma y los resultados adversos para la salud requiere una investigación más fundamental.
Los métodos tradicionales para modificar las marcas epigenéticas, como el uso de inhibidores de moléculas pequeñas o pequeños ARN de interferencia (siARN), tienden a producir efectos generalizados en todo el genoma, lo que dificulta precisar el papel de las modificaciones específicas en loci individuales. La edición epigenética basada en CRISPR supera esta dificultad utilizando Cas9 desactivado para dirigir con precisión a los loci factores de transcripción, enzimas modificadoras de histonas o metiltransferasas/dimetilasas de ADN. Esto permite modificaciones epigenéticas controladas en modelos celulares y animales, dilucidando el papel de los cambios epigenéticos observados en estudios humanos. El desarrollo y la implicación de estas herramientas serán cruciales para reforzar y ampliar los hallazgos de los estudios a gran escala y ayudarán a establecer relaciones causales entre la contaminación atmosférica, las alteraciones epigenéticas y los resultados sanitarios.
5. RECOMENDACIONES (CONCLUSIÓN)
La contaminación atmosférica sigue planteando un importante problema sanitario mundial, con amplias repercusiones en la salud respiratoria. Los avances en las tecnologías «ómicas» han abierto nuevas vías para investigar sistemáticamente cómo afecta la contaminación atmosférica a los pulmones a nivel molecular. Los investigadores pueden ahora examinar la interacción entre la contaminación atmosférica y las variaciones genéticas, las modificaciones químicas (epigenoma), los patrones de expresión génica (transcriptoma) y el papel de los microARN en la regulación de los genes.
Aunque la reducción de los niveles de contaminación atmosférica sigue siendo un objetivo crítico de salud pública, es igualmente importante desarrollar estrategias que protejan a las poblaciones vulnerables, como las personas con afecciones respiratorias crónicas o las que corren el riesgo de desarrollar enfermedades pulmonares debido a una exposición prolongada a los contaminantes. Al explorar las respuestas genómicas a la contaminación atmosférica, los investigadores pueden profundizar en el conocimiento de los mecanismos de la enfermedad y allanar el camino para futuros ensayos clínicos destinados a mitigar los efectos nocivos de los contaminantes. Estos conocimientos serán esenciales para desarrollar intervenciones dirigidas a minimizar el daño pulmonar y mejorar los resultados de salud pública.
6. REFERENCES
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