Instituto de Hematología e Inmunología

Función de los anticuerpos naturales anti banda 3 en el fenómeno de vasooclusión de la drepanocitosis

Lic. Rinaldo Villaescusa Blanco y Lic. Ada Amalia Arce Hernández

Resumen

La vasooclusión en la drepanocitosis se considera una característica única entre las anemias hemolíticas, y aún cuando se han logrado avances en su conocimiento, las bases de su control y prevención permanecen parcialmente desconocidas. La idea de que el eritrocito falciforme induce el proceso vasooclusivo ha sido descartada, y no existe duda en la actualidad de que el fenómeno ocurre debido a la adhesión al endotelio de eritrocitos SS oxigenados, no deformados, al endotelio de las venas postcapilares, donde participan un número de moléculas de adhesión, presentes tanto en los eritrocitos SS como en el endotelio vascular, factores plasmáticos y un elemento de creciente importancia: la molécula banda 3 eritrocitaria (AE 1). La AE 1 forma parte de una familia de intercambiadores aniónicos (AE 0-3) presentes en todas las células y organelos celulares, que constituyen la proteína central integral de un macrocomplejo en la membrana del eritrocito. Producto de la auto-oxidación de la Hb S, la molécula AE 1 se agrega en la superficie del eritrocito SS y adquiere naturaleza adhesiva, que se reconocen por anticuerpos naturales de la clase IgG. Se destaca la importancia del control de los niveles de anticuerpos naturales anti banda 3, lo que pudiera confirmar o rechazar la idea de si la adhesión de los eritrocitos SS y posterior vasooclusión es el resultado de alteraciones en los niveles de los mencionados anticuerpos. Se analizan las potencialidades terapéuticas del estudio de la molécula banda 3 y los anticuerpos naturales anti banda 3 en la drepanocitosis.

Palabras clave: anticuerpos naturales anti banda 3, drepanocitosis, molécula banda 3, vasooclusión.

La anormalidad molecular de la hemoglobina (Hb S) y su tendencia a polimerizar in vivo una vez desoxigenada contribuye a la expresión de diversas manifestaciones patológicas en la drepanocitosis.1 Entre las anemias hemolíticas las características vasooclusivas de la drepanocitosis son únicas.1 En los últimos años se han logrado avances en el conocimiento de las crisis vasooclusivas en esta enfermedad, pero las bases de su control y prevención permanecen parcialmente desconocidas.2 No existe un mecanismo individual que explique la vasooclusión, su causa puede ser diferente de un evento a otro y su severidad difiere entre pacientes.3

La complejidad del proceso de vasooclusión permite muchas posibilidades terapéuticas; entre las razones que pudieran explicar esta complejidad tenemos que los enfermos contienen cantidades variables de diferentes tipos de hemoglobina (Hb F), efectos metabólicos que pueden influir en el estado de hidratación o pH de la célula, viscosidad de la sangre que puede tener influencia sobre la duración de la exposición hipóxica de la célula, y factores humorales y celulares que pueden incidir en la adhesión de la célula al revestimiento endotelial de los vasos sanguíneos.4-6

La idea de que el eritrocito falciforme induce el proceso vasooclusivo ha sido ampliamente descartada. En la actualidad no existe duda que el fenómeno ocurre debido a la adhesión de eritrocitos SS oxigenados, no deformados, al endotelio en las venas poscapilares microvasculares. No se desestima la participación de eritrocitos falciformes rígidos o irreversibles en el proceso de oclusión, aunque no pueden considerarse como factor fundamental de las crisis, debido a que estos son incompatibles con el hecho de la reversibilidad de las crisis en la drepanocitosis.7

Múltiples investigaciones han permitido acumular un gran volumen de información acerca de las moléculas de adhesión, tanto en eritrocitos SS como en el endotelio vascular, así como factores plasmáticos que participan en este fenómeno de oclusión.8-10 Sin embargo, no se ha logrado un concepto que unifique todos estos datos y permita un tratamiento efectivo. En la actualidad se trabaja en un elemento, que hasta el momento no se consideraba que tuviera algún papel en las crisis vasooclusivas de la drepanocitosis: la molécula banda 3 eritrocitaria (AE 1).

La banda 3 se refiere a una familia de intercambiadores aniónicos (AE 0-3) presentes en la membrana de todas las células y organelos celulares incluyendo mitocondria, aparato de Golgi y núcleo,11-15 y que participan en diversas actividades fisiológicas: volumen celular, intercambio HCO3-/Cl-, unión de IgG y remoción celular, y el mantenimiento de la integridad estructural de las células.16-22

La AE 1 tiene un peso molecular de 95 kDa, la forman 911 aminoácidos y está presente aproximadamente en el 1,2 ´ 10 6 copias/célula. Presenta un dominio N-terminal citoplasmático, fundamental para la interacción con proteínas del citoesqueleto de la membrana y enzimas glicolíticas, y un dominio C- terminal hidrofóbico involucrado en el transporte de aniones y como elemento estructural de la membrana, ya que se entrecruza de 12 a 14 veces a lo largo de la bicapa lipídica.17,23,24

Bajo ciertas condiciones, la molécula AE1 se agrega en la superficie del eritrocito y ello trae como consecuencia 2 cambios significativos. Primero, estas células adquieren naturaleza adhesiva, y segundo, los agregados de banda 3 son reconocidos por el sistema inmune, todo lo cual indica su importancia tanto en la etiología como en la solución de las crisis vasooclusivas en la drepanocitosis.25,26

En hemoglobinopatías tales como la drepanocitosis, b-talasemia y deficiencias de G6PD, existe un aumento de agregados de la molécula de banda 3 como resultado de la oxidación y desnaturalización posterior de la hemoglobina.27 Esta hemoglobina desnaturalizada se adhiere a las paredes del eritrocito formando los llamados hemicrones, a partir de los cuales se forman los cuerpos de Heinz, los que atraen y unen las porciones citoplásmicas de la molécula de banda 3 con la formación de agregados.27,28 Este fenómeno se describió por primera vez en eritrocitos normales senescentes.29

La eliminación de células senescentes de la circulación involucra la agregación de la molécula banda 3, generando un neoantígeno conocido por antígeno de senescencia celular (ASC), el cual es reconocido por anticuerpos naturales que se unen a estosismos y producen la eliminación de dichas células mediante el sistema fagocítico mononuclear.21,30 Estudios realizados en diferentes animales han mostrado la presencia de anticuerpos naturales específicos contra el ASC en células senescentes y dañadas, lo que sugiere que estamos ante un mecanismo ampliamente distribuido y conservado durante la evolución.31-34

Datos obtenidos in vitro indican que la oxidación es el evento fundamental en la generación del ASC.35,36 Este proceso está asociado con la ocurrencia de un número de cambios estructurales y funcionales de banda 3.21 Estos cambios relacionados con el envejecimiento incluyen una disminución en la eficiencia en el transporte de aniones, una disminución en la capacidad del transporte de glucosa, un incremento de la degradación de banda 3 y la unión de autoanticuerpos naturales de la clase IgG que provocan fagocitosis.37-41

Se ha demostrado que los eritrocitos SS generan el doble de la cantidad de moléculas oxidativas, altamente reactivas, al compararlos con eritrocitos controles, probablemente como resultado de un aumento de la oxidación de la hemoglobina S.42 Esto produce alteraciones de la molécula banda 3 con la formación del ASC, el cual es reconocido por anticuerpos naturales de la clase IgG, lo que contrasta con la mayoría de los anticuerpos de este tipo que son comúnmente de la clase IgM.29 Estas células a las que se une el anticuerpo reaccionan con un componente del complemento C3b que acentúa su habilidad de ser reconocido por macrófagos.32 El complejo banda 3 / anticuerpo/C3b causa el bloqueo estérico de la adhesión del eritrocito SS al endotelio y permite también que las células marcadas sean eliminadas por los macrófagos en el bazo.

La participación y especificidad de anticuerpos anti banda 3, así como de péptidos de banda 3, en el fenómeno de adhesión endotelial del eritrocito SS y de eritrocitos infectados con el Plasmodium falciparum de la malaria, ha sido demostrado in vitro empleando células de melanoma y células endoteliales obtenidas de la vena umbilical humana. En un estudio se utilizaron los péptidos de banda 3, 476-489 y 547-553 para inhibir la adherencia entre eritrocitos SS y células endoteliales umbilicales.25 Otros autores demostraron que los péptidos de banda 3 y anticuerpos anti banda 3 pueden bloquear la adhesión de células infectadas con el Plasmodium falciparum a las células endoteliales umbilicales.43,44 Estas investigaciones demuestran de forma convincente la participación de la banda 3 y de los anticuerpos naturales anti banda 3 en el proceso de adhesión.

Los estudios mencionados sugieren que los agregados de la molécula banda 3 resultan especialmente adhesivos, lo que convierte a los eritrocitos portadores, eritrocitos SS o células infectadas por el Plasmodium falciparum, en elementos potencialmente indeseables por su capacidad de permanecer atrapados al revestimiento endotelial del sistema vascular. Afortunadamente, los anticuerpos naturales específicos anti banda 3 son capaces de bloquear esta adhesión al reconocer un área de la molécula de banda 3, ligando para su receptor endotelial.26,27 En relación con el C3b, funciona no como un factor anti adhesivo o citotóxico, sino como un marcador de reconocimiento del macrófago.

Vasooclusión en la drepanositocis

Muchas moléculas y receptores participan en el fenómeno de adhesión: en la célula endotelial, el CD36, la integrina a v b 3 y el VCAM-1, y en el eritrocito el CD36 que une la trombospondina, la integrina a 4 b 1 que une fibronectina y la molécula banda 3, cuya agregación debida a la auto-oxidación de la hemoglobina se considera en la actualidad un factor adhesivo crucial en la vasooclusión.22,35,45,46

El proceso de vasooclusión en la drepanocitosis ocurre cuando producto del estrés ocasionado por la anemia, entran a la circulación sanguínea los reticulocitos más jóvenes, deformables, menos densos, portadores de moléculas de adhesión y agregados de banda 3 formados por la oxidación de la hemoglobina S, los que se adhieren la endotelio de las vénulas poscapilares y provocan un enlentecimiento del flujo sanguíneo; a continuación los eritrocitos falciformes irreversibles que tienen la característica de ser densos, no deformables y de no expresar moléculas de adhesión, son atrapados mecánicamente por los reticulocitos adheridos al endotelio, lo que ocasiona una obstrucción del vaso sanguíneo y el daño isquémico.47

Se plantea que para que ocurra el proceso de vasooclusión se requiere de la presencia de células adhesivas a las que no se hayan unido anticuerpos naturales anti banda 3. Una deficiencia relativa de estos últimos, por un exceso de células adhesivas o por una disminución de los niveles de anticuerpos, los eritrocitos SS portadores de agregados de la molécula banda 3, se adhieren al endotelio, fundamentalmente mediante el CD36 y la trombospondina. La bivalencia de la trombospondina circulante le permite formar un puente entre los agregados de banda 3 eritrocitario y el CD36 en el endotelio. Es posible que algunas de estas células adhesivas se mantengan en la vénula, pero solo cuando un número crítico de ellas está presente se produce una vasooclusión significativa.48

Lo anterior nos permite plantear de que si los anticuerpos naturales anti banda 3 son capaces de bloquear la adhesión del eritrocito SS al endotelio, entonces el control de los niveles de anticuerpos en el proceso de vasooclusión es un elemento con un potencial terapéutico interesante. Dichas posibilidades terapéuticas incluyen el bloqueo del receptor CD36 empleando péptidos de banda 3 por vía endovenosa, o anticuerpos monoclonales específicos que reconozcan los péptidos adhesivos en banda 3, como agentes anti adhesivos.49,50

Un tratamiento recomendable sería el uso de péptidos banda 3 adhesivos como vacuna terapéutica para producir anticuerpos específicos. La determinación de anticuerpos naturales anti banda 3 realizada en pacientes en estado basal o en momentos apropiados en el ciclo de crisis, pudiera confirmar o rechazar la hipótesis si la adhesión de los eritrocitos SS es el resultado de una deficiencia de anticuerpos. Estos conceptos merecen ser estudiados por su indudable potencial terapéutico.

Summary

Vasoocclusion in drepanocytosis is considered a unique characteristic among hemolytic anemias and in spite of the advances attained in its knowledge, the bases of its control and prevention are partially unknown. The idea that the falciform erythrocyte induces the vasoocclusive process has been discarded and there  is no doubt at present that the phenomenon occurs due to the adhesion of oxygenated non-deformed SS erythrocytes to the endothelium., to the endothelium of the postcapilary veins, where a number of adhesion molecules  present both in the SS erythrocytes and in the vascular endothelium, plasmatic factors and an element of increasing importance, the erythrocyte band 3 molecule (AE1), participate. The AE1 is part of the family of anion exchangers (AE 0-3) present in all the cells and cellular organella that constitute the central integral protein of a macrocomplex in the erythrocyte membrane. As a result of the auto-oxidation of Hb S, the AE1 molecule is added to the surface of the SS erythrocyte and acquires an adhesive nature that is known as natural IgG antibodies. It is stressed the importance of the control of the levels of natural anti-band 3 antibodies, which may confirm or reject the idea that the adhesion of SS erythrocytes and  posterior vasocclusion is the result of alterations in the levels of the above mentioned antibodies. The therapeutic potentialities of the study of the band 3 molecule and the natural anti-band 3 antibodies in the drepanocytosis are analyzed.
 

Key words: Natural anti-band 3 antibodies, drepanocytosis, band 3 molecule, vasoocclusion.

 

Referencias bibliográficas

1. Steinberg MH. Management of sickle cell disease.   N Engl J Med 1999;340:1021-9.

2. Reed W, Vichinski EP. New considerations in the treatment of sickle cell disease. Ann Rev Medicine 1998;49:461-74.

3. Nagel RL. The challenge of painful crisis in sickle cell disease. JAMA 2001;286:2152-3.

4. Steinberg MH. Modulation of fetal hemoglobin in sickle cell anemia. Hemoglobin 2001;25:195- 211.

5. Steinberg MH, Mitchell TE. Novel approaches to treatment of sickle cell anemia. Expert Opin Invest Drugs 1999;8:1823-36.

6. Cohen AR. Sickle cell disease: new treatments, new questions. N Engl J Med 1998;339:42-4.

7. Nagel RL, Fabry ME, Billet HH, Kaul DK. Sickle cell painful crisis: A multifactorial event. Prog Clin Biol Res 1987;240:361-3.

8. Harlan JM. Introduction: anti-adhesion therapy in sickle cell disease. Blood 2000;95:365-7.

9. Ortiz A, Hugh-Davies TH, Hebbel RP, Solovey A. Circulating endothelial cells in sickle cell anemia. N Engl J Med 1998;338:1162-3.

10. Platt OS. Sickle cell anemia as an inflammatory disease. J Clin Invest 2000;106:337-8.

11. Kay MMB, Tracey CM, Goodman JR, Cone JC, Bassel PS. Polypeptides immunologically   related to erythrocyte band 3 are present in nucleated somatic cells. Proc Natl Acad Sci USA 1983;80:1631-5.

12. Garlid K, Beavis A. Evidence for a existence of an inner membrane anion channel in mitochondria. Biochim Biophys Acta 1986;853:187-204.

13. Schuster VL, Bousib SM, Jennings ML.. Two types of collecting duct mitochondria-rich (intercalated) cells: Lectin and band 3 cytochemistry. Am J Physiol 1986;251:C347-C55.

14. Kellokumpu S, Neff L, Jansa-Kellokumpu S, Kopito R, Baron RA. 115 kD polypeptide immunologically related to erythrocyte band 3 is present in Golgi membranes. Science 1988;242:1308-11.

15. Ruetz S, Lindsey AE, Ward CL, Kopito RR. Functional activation of plasma membrane anion exchangers occurs in a pre-Golgi compartment. Cell Biol 1993;121:37-48.

16. Kay MM. Generation of senescent cell antigen on old cells initiates Ig G binding to a neoantigen. Cell Mol Biol (Noisy-le-grand) Review 1993;39:131-53.

17. Hsu L, Morrinson M. The interaction of human erythrocyte band 3 with cytoskeletal components. Arch Biochem Biophys 1983;227:31-8.

18. Kay MMB, Bosman G, Johnson RC, Poulin J, Goodman J. Molecular basis of human band 3 mutation associated with inceased anion transport. Exp Clin Immunogenet 1994;11:209-21.

19. Kay MMB. Band 3 anion transporters in health and disease. Cell Mol Biol 1996;42:905-1120.

20. García-Romeu F, Borgese F, Guizouarn H, Fievet B, Motais R. A role for the anion-exchanger AE 1 (band 3 protein) in cell volume regulation. Cell Mol Biol 1996;42:985-94.

21. Kay MMB, Goodman J. Immunoregulation of cellular lifespan: Physiologic autoantibodies and their peptide antigens. Cell Mol Biol 2003;49:217-43.

22. Bosman G. Erythrocyte aging in sickle cell disease. Cell Mol Biol 2004;50:81-6.

23. Steck TL. The band 3 protein of the human red cell membrane: A review. J Supramol Struct 1978;8:311-24.

24. Wang DN, Sarabia VE, Reithmeier RAF, Kuhlbrandt W. Three dimensional map of the dimeric membrane domain of the human erythrocyte anion exchanger, band 3. EMBO J 1994;13:3230-5.

25. Thevenin BJ, Crandall I, Ballas SK. Band 3 peptides block the adherence of sickle cells to endothelial cells in vitro. Blood 1997;90:4172-9.

26. Hornig R, Lutz HU. Band 3 protein clustering on human erythrocytes promotes binding of naturally occuring anti - band 3 and anti – spectrin antibodies. Exp Geront 2000;35:1025-44.

27. Schluter K, Dreuckhahn D. Co-clustering of denatured hemoglobin with band 3: Its role in binding of autoantibodies against band 3 to abnormal and aged erythrocytes. Proc Natl Acad Sci USA 1986;83:6137-41.

28. Liu SC, Yi SJ, Mehta JR. Red cell membrane remodeling in sickle cell   anemia. Sequestration of membrane lipids and proteins in Heinz bodies. J Clin Invest 1996;97:29-36.

29. Lutz HU, Stringaro-Wipf G. Senescent red cell-bound IgG is attached to band 3 protein. Biomed Biochim Acta 1983;42:117-21.

30. Kay MMB. Isolation of the phagocytosis inducing IgG-binding antigen on senescent somatic cells. Nature 1981;289:491-4.

31. Christian JA, Rebar Ah, Boon GD, Low PS. Senescense of canine biotinylated erythrocytes increased autologous immunoglobulin binding occurs on erythrocytes aged in vivo for 104 to 110 days. Blood 1993;82:3469-73.

32. Lutz HU, Stammler P, Fasler S. Preferential formation of C3b-IgG complexes in vitro and in vivo from nascent C3b and naturally occuring and band 3 antibodies. J Biol Chem 1993;268:17418-26.

33. Giger U, Sticher B, Naef R, Burger R, Lutz HU. Naturally occuring human anti band 3 antibodies accelerate clearing of erythrocytes in guinea pigs. Blood 1995;85:1920-8.

34. Lutz HU, Pfister M, Hornig R. Tissue homeostatic role of naturally occuring anti band 3 antibodies. Cell Mol Biol 1996;42:995-1005.

35. Kay MMB, Bosman GJCGM, Shapiro SS, Bendich A, Bassel PS. Oxidation as a possible mechanism of cellular aging: Vitamin E deficiency causes premature aging and IgG binding to erythrocytes. Proc Natl Acad Sci USA 1986;83:2463-7.

36. Lutz HU, Bussolino F, Flepp R, Fasler S, Stammler P, Kazatchkine MD, et al. Naturally occuring anti-band 3 antibodies and complement together mediate phagocytosis of oxidatively stressed human erythrocytes. Proc Natl Acad Sci USA 1987;84:7368-72.

37. Bartosz G, Sosynski M, Wasilewski A. Aging of the erythrocyte XVII. Binding of autologous immunoglobulin. Mech Ageing Dev 1982;20:223-32.

38. Khansari N, Fudenberg HH. Immune elimination of autologous senescent erythrocytes by Kupffer cells in vivo. Cell Immunol 1983;80:426-30.

39. Singer JA, Jennings LK, Jackson C, Doctker ME, Morrison M, Walker WS. Erythrocyte homeostasis: Antibody-mediated recognition of the senescent state by macrophages. Proc Natl Acad Sci USA 1986;83:5498-5501.

40. Kay MMB, Flowers N, Goodman J, Bosman GJCGM. Alterations in membrane protein band 3 associated with accelerated erythrocyte aging.    Proc Natl Acad Sci USA 1989;86:5834-8.

41. Bosman GJCGM, Kay MMB. Alterations of band 3 transport protein by cellular aging and disease: Erythrocyte band 3 and glucose transporter share a functional relationship. Biochem Cell Biol 1990;68:1419-27.

42. Hebbel RP. Auto-oxidation and a membrane associated “Fenton reagent”. A possible explanation for development of membrane lesions in sickle erythrocytes. Clin Haematol 1985;14:129-40.

43. Crandall I, Collins We, Gysin J, Sherman JW. Synthetic peptides based on motifs present in human band 3 protein inhibit cytoadherence/sequestration of the malaria parasite Plasmodium falciparum. Proc Natl Acad Sci USA 1993;90:4703-7.

44. Crandall I, Guthrie N, Sherman IW. Plasmodium falciparum: Naturally occuring rabbit immunoglobulins recognized human band 3 motifs and malaria infected red cells. Exp Parasitol 1996;82:45-53.

45. Kay MMB, Bosman GJCGM, Johnson G, Beth A. Band 3 polymers and aggregates and hemoglobin precipitates in red cell aging. Blood Cells 1988;14:275-89.

46. Hebbel RP. Adhesive interactions of sickle erythrocytes with endothelium. J Clin Invest 1997;99:2561-4.

47. Moore CM, Mohammad E, Leiva LE, Sorensen RV. New concepts in the immunology of sickle cell disease. Ann Allerg Asthma Immunol 1996;76:385-403.

48. Hebbel RP, Vercelloti GM. The endothelial biology of sickle cell disease. J Lab Clin Med 1997;129:288-93.

49. Embury SH, Hebbel RP, Steinberg MH, Mohandas N. Pathogenesis of vasooclusion. En: Embury SH, Hebbel RP, Steinberg MH, Mohandas N, eds. Sickle cell disease: Basic principles and clinical practice. New York : Raven Press; 1994. p.311-26.

50. Hebbel RP. Blockade of adhesion of sickle cells to endothelium by monoclonal antibodies. N Engl J Med 2000;342:1910-2.

Recibido: 10 de diciembre de 2005. Aprobado: 15 de diciembre de 2005
Lic. Rinaldo Villaescusa Blanco. Instituto de Hematología e Inmunología. Apartado Postal 8070, Ciudad de La Habana, CP 10800, Cuba. Tel [phone], 578695, 544214. Fax [phone] e-mail: [e-mail]