Biomarcadores genéticos de la detox. metabólica para la medicina personalizada

La detoxificación (desintoxicación) y la biotransformación son funciones fisiológicas que eliminan estas sustancias de nuestro cuerpo en tres fases separadas (I, II y III). La detoxificación defectuosa debido a factores genéticos, sobrecarga ambiental y deficiencias de nutrientes puede provocar diversas enfermedades crónicas como cáncer, asma, obesidad, enfermedades cardiovasculares, diabetes y afecciones neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer.

Las variantes genéticas y los factores dietéticos pueden afectar la función de la detoxificación de Fase I y Fase II, lo que afecta la sensibilidad y la respuesta del cuerpo a la exposición a tóxicos. 

En la Fase I, las enzimas descomponen los xenobióticos en el hígado y producen como subproducto, radicales libres altamente reactivos. Estos xenobióticos activados pueden dañar la estructura y función celular a menos que se procesen en la Fase II o se neutralicen con antioxidantes endógenos o exógenos. En la Fase II, las enzimas de conjugación unen xenobióticos activados con moléculas grandes para producir sustancias solubles en agua que finalmente se excretan del cuerpo en la Fase III, la fase de eliminación, principalmente a través de la orina o las heces. 

Se ha reportado que varios polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) afectan la función de las enzimas de detoxificación de Fase I y de Fase II y la forma en que los factores dietéticos modulan estas enzimas. Sin embargo, la validez científica y la utilidad clínica de estos SNP aún no están claras, ya que la mayor parte del conocimiento actual se basa en estudios observacionales en humanos o modelos experimentales in vivo e in vitro, con pruebas muy limitadas de causalidad y valor clínico.

Por ello, el objetivo de este artículo es brindar a los profesionales de la salud una revisión y un análisis de la investigación, sobre variantes genéticas que podrían usarse para programas personalizados de detoxificación metabólica.

En la Tabla 1, se muestran las variantes genéticas comunes dentro de los genes involucrados en las reacciones de detoxificación de Fase I/Fase II y sus efectos en la función enzimática. Los SNP citados se han seleccionado en función de su asociación con la variabilidad interindividual del metabolismo de detoxificación en respuesta a ciertos nutrientes en el contexto de ensayos clínicos en humanos. Para cada uno de estos SNP, se proporciona una puntuación de solidez de la evidencia basada en directrices actuales para la interpretación y clasificación de variantes nutrigenéticas. 

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Tabla 1.- Lista de polimorfismos de un único nucleótido (SNP) probados clínicamente ubicados dentro de los genes involucrados en las reacciones de desintoxicación de la Fase I y Fase II. Abreviaciones: los números de identificación SNP (indicados como "rs...") son los identificadores SNP únicos de la base de datos NCBI dbSNP. CYP1A2: Citocromo P-450 1A2; CYP1B1: Citocromo P-450 1B1; GSTM1: glutatión S-transferasa mu 1; GSTT1: glutatión S-transferasa theta 1; COMT: Catecol-O-metiltransferasa; UGT1A1: UDP-glucuronosiltransferasa A-1.

En la Tabla 2, se listan alimentos y nutrientes que interaccionan con estos SNPs modulando el metabolismo de detoxificación de Fase I y Fase II.

Tabla 2.- Alimentos y nutrientes que modulan la actividad de las enzimas de Fase I/Fase II. Abreviaciones: los números de identificación SNP (indicados como "rs...") son los identificadores SNP únicos de la base de datos NCBI dbSNP. CYP1A2: Citocromo P-450 1A2; CYP1B1: Citocromo P-450 1B1; GST: Glutatión Stransferase; GSTM1: glutatión S-transferasa mu 1; GSTT1: glutatión S-transferasa theta 1; COMT: Catecol O-metiltransferasa; UGT1A1: UDP-glucuronosiltransferasa A-1; EROS: Especies Reactivas al Oxígeno.

ENZIMAS DE DETOXIFICACIÓN DE FASE I

La superfamilia de enzimas del citocromo P450 (CYP450) son oxidasas que usan el oxígeno para metabolizar compuestos tóxicos de origen exógeno o endógeno (fármacos, sustancias tóxicas ambientales y algunos metabolitos de hormonas esteroideas) y sintetizan varias moléculas como colesterol, esteroides y ácidos biliares. Las enzimas de Fase I tienen el potencial de inducir daño oxidativo debido a la producción de especies reactivas electrofílicas, que requieren de una segunda fase de detoxificación (conjugación de Fase II) para poder ser eliminadas de manera segura.

Citocromo P450 1A2 (CYP1A2)

El CYP1A2 activa los hidrocarburos policíclicos aromáticos del humo del tabaco, los gases de los automóviles y los alimentos cocinados a la parrilla/barbacoa en intermediarios cancerígenos. Varios factores dietéticos y xenobióticos pueden inducir la expresión del gen CYP1A2, incluidos la cafeína, las verduras crucíferas, el paracetamol, la aflatoxina B1 y el humo del cigarrillo. La variante rs762551 es una variante que afecta la inducción de la expresión del CYP1A2 por xenobióticos como la cafeína o el tabaco, probablemente a través de efectos en la transcripción. El alelo rs762551 (C) es un "alelo de metabolismo lento", mientras que el alelo rs762551 (A) es "un alelo de metabolismo rápido". Los portadores del alelo C producen una variante enzimática con una actividad 62–70 % menor y son poco inducibles por xenobióticos que la variante enzimática producida por aquellos con el genotipo AA. La baja actividad del CYP1A puede resultar en una disminución de la detoxificación, una proporción más baja de 2/16-alfa hidroxiestrona y un mayor riesgo de ciertos tipos de cáncer. Por otro lado, el aumento de la actividad del CYP1A sin un aumento en la eliminación de Fase II puede resultar en la acumulación de intermediarios que son más reactivos que las toxinas originales, lo que resulta en un aumento del daño oxidativo y el riesgo de cáncer.

Las crucíferas (brócoli, coles de Bruselas, coliflor, berros y repollo) pueden aumentar la actividad del CYP1A2. Por el contrario, las verduras apiáceas (zanahorias, apio, eneldo, perejil y chirivías) pueden disminuirlo, pero estos efectos no parecen depender del genotipo CYP1A2. En un estudio cruzado aleatorizado, el consumo de crucíferas durante dos semanas aumentó la actividad del CYP1A2 de manera dosis dependiente en todos los genotipos rs762551 en comparación con una dieta baja en fitoquímicos, y los hombres experimentaron una mayor dosis-respuesta que las mujeres. En el mismo estudio, el consumo de apiáceas y crucíferas durante dos semanas disminuyó la actividad del CYP1A2 en comparación con una dieta que solo contenía solo crucíferas.

Citocromo P450 1B1 (CYP1B1)

El CYP1B1 se encuentra localizado en el retículo endoplásmico y metaboliza pro-carcinógenos y estrógenos. Por ejemplo, convierte el 17 beta-estradiol en 4-hidroxiestradiol, un metabolito mutagénico que se ha implicado en la carcinogénesis de mama y endometrio.

El alelo rs1056836 (G) del gen CYP1B1 cambia un aminoácido en la secuencia de la proteína de valina a leucina, lo que se ha asociado con una menor actividad enzimática.  Esto puede dar como resultado una activación reducida de sustancias tóxicas, una producción reducida de 4-hidroxiestrógenos y un daño oxidativo reducido. Como resultado, las personas con genotipos GG y CG pueden tener mayor protección contra la exposición a pro-carcinógenos que aquellas con el genotipo CC. Por el contrario, los individuos con genotipos CC tienden a tener una mayor actividad enzimática y producen de 2 a 4 veces más 4-hidroxiestrógeno que aquellos con el genotipo GG. Por lo tanto, podrían tener un mayor riesgo de cánceres asociados con los estrógenos. Sin embargo, los efectos de este SNP sobre el riesgo de cáncer no están claros y pueden depender de la edad, origen étnico y estado menopáusico. 

Se ha reportado que el consumo de zumo de fruta rico en el flavonoide quercetina, un modulador de la actividad del CYP450, reduce el estrés oxidativo en mayor medida en los portadores del alelo rs1056836 (G) que en aquellos con el genotipo CC. En un estudio clínico en 168 voluntarios sanos, el consumo de un zumo de arándano/manzana que proporciona 97 mg de quercetina y 16 mg de ácido ascórbico al día durante 4 semanas redujo en mayor medida el daño oxidativo del ADN provocado por H2O2 ex vivo en linfocitos de portadores de alelos G que en aquellos con el genotipo CC.

ENZIMAS DE DETOXICACIÓN DE FASE II

Glutatión S-transferasas Mu 1 (GSTM1) y Theta 1 (GSTT1)

La glutatión S-transferasa Mu 1 (GSTM1) y S-transferasa Theta 1 (GSTT1) son enzimas de Fase II implicadas en la detoxificación de compuestos electrofílicos nocivos de origen endógeno o exógeno, incluidos los tóxicos ambientales, los fármacos y los productos del estrés oxidativo, como los productos de peroxidación lipídica. Estas enzimas conjugan el glutatión con los metabolitos intermedios de Fase I altamente reactivos para producir sustancias solubles en agua que pueden eliminarse del cuerpo. Los EROs y una variedad de alimentos, fitonutrientes y xenobióticos pueden inducir la producción de estas enzimas, posiblemente mediante la regulación positiva de la vía de señalización Nrf2.

Muchas personas portan deleciones genéticas en una o ambas copias de los genes GSTT1 y GSTM1. Estas deleciones tienen frecuencias diferentes en los distintos grupos étnicos, estando presentes en más del 70% de los caucásicos y asiáticos, pero menos del 25% de los africanos. Las deleciones de ambas copias de los genes GSTM1 o GSTT1 a menudo se denominan deleciones dobles. Las personas que portan deleciones dobles del GSTM1 o GSTT1 pueden tener una menor capacidad para desintoxicar sustancias tóxicas ambientales, carcinógenas y productos del estrés oxidativo. Esto da como resultado un mayor riesgo de desarrollar cáncer, pero también una mayor sensibilidad a la quimioterapia y mejores resultados del tratamiento. El efecto del genotipo GST sobre la sensibilidad a la quimioterapia depende en gran medida del tipo de fármaco utilizado (p. ej., agentes alquilantes o inhibidores de las kinasas).

Las deleciones del GSTM1 y GSTT1 pueden modular los efectos de ciertos nutrientes en la actividad del GST y la ingesta requerida de esos nutrientes para el apoyo adecuado de las reacciones de desintoxicación. Las personas que portan deleciones de genes en GSTM1 o GSTT1, especialmente aquellas que portan deleciones en ambos genes, pueden tener una excreción más rápida de los nutrientes bioactivos que se encuentran en las verduras crucíferas, como los isotiocianatos y el sulforafano. En particular, se encontró que las personas con genotipo nulo/nulo de GSTM1 (deleciones dobles) excretan ~30 % más de sulforafano y otros isotiocianatos urinarios que las personas positivas para el GSTM1, tanto en un estudio cruzado aleatorizado en 16 adultos sanos como en un estudio de alimentación en 114 adultos sanos. En consecuencia, los portadores de la doble deleción de GST pueden necesitar consumir más crucíferas que aquellos que portan al menos una copia de GSTM1 o GSTT1 para experimentar beneficios para la salud. Esto puede explicar por qué los estudios observacionales informan mayores beneficios de protección contra el cáncer para los portadores de doble deleción frente a los individuos positivos para el GST solo en las poblaciones europeas y asiáticas, pero no en los Estados Unidos, probablemente debido a la menor ingesta de crucíferas en comparación con  Europa y Asia.

En un estudio aleatorio cruzado en 82 fumadores, el isotiocianato de 2-fenetilo oral (PEITC), un compuesto del berro de agua (crucífera) aumentó los metabolitos de excreción urinaria de carcinógenos que se encuentran en el humo del cigarrillo (es decir, ácidos mercaptúricos de benceno y acroleína). Los fumadores con genotipo nulo/nulo de GSTM1 experimentaron mayores aumentos en los ácidos mercaptúricos del benceno (43 %) en comparación con los controles de placebo que los individuos con una o dos copias del gen (11 %). Si también tenían una doble deleción del gen GSTT1, experimentaron aumentos aún mayores en los ácidos mercaptúricos de benceno en orina (95,4 %) después de la suplementación con PEITC. Por el contrario, aquellos que tenían al menos una copia del GSTM1 y GSTT1 no experimentaron ningún efecto de mejora de la detoxificación con la suplementación con PEITC. Sin embargo, los factores de género y estilo de vida, como fumar, pueden modificar la interacción entre el genotipo del GST y los factores dietéticos en la actividad del GST. Las crucíferas pueden aumentar la actividad del GST en aquellos que portan deleciones de ambas copias de GSTM1, con efectos más pronunciados en mujeres que en hombres. Por el contrario, las apiáceas parecen inhibir el GSTM1 específicamente en hombres, no en mujeres, que portan al menos una copia del gen GSTM1. Estos efectos se observaron en un estudio clínico de adultos no fumadores después de consumir crucíferas o apiáceas durante un período de 6 días. Los alimentos ricos en antioxidantes pueden disminuir el estrés oxidativo en mayor medida en los portadores de doble deleción de GST que en los individuos positivos para el GST. 

Los fumadores que tienen deleciones de GST pueden beneficiarse particularmente de la suplementación con antioxidantes porque los carcinógenos en el humo del cigarrillo pueden sobrecargar su capacidad de detoxificación e inducir una mayor producción de EROs. Sin embargo, los antioxidantes parecen mejorar ciertos marcadores de estrés oxidativo como los niveles de glutatión y vitamina C en mayor medida en aquellos con al menos una copia del GSTM1 o GSTT1. En un estudio en 95 fumadores masculinos coreanos, todos los participantes experimentaron reducciones significativas en el daño del ADN con la suplementación con zumo de uva morada. El impacto antioxidante del zumo de uva difirió según el genotipo. Solo las personas con una o dos copias del gen GSTT1 (GSTT1 presente/presente o presente/nulo) experimentaron aumentos significativos en las concentraciones de vitamina C en sangre. Además, solo las personas con deleciones dobles de GSTM1 (genotipo nulo/nulo) experimentaron aumentos significativos en las concentraciones de vitamina E en plasma. Por el contrario, los niveles de glutatión aumentaron en aquellos con una o dos copias del gen GSTM1 (GSTM1 presente/presente o presente/nulo).

Catecol-O-metiltransferasa (COMT)

La COMT participa en el metabolismo de conjugación de Fase II de varias moléculas que poseen estructura de catecol, incluidas las catecolaminas (como dopamina, epinefrina y norepinefrina), estrógenos, fármacos (p. ej., L-DOPA) y xenobióticos incluidas las catequinas del té y los metabolitos de benzopireno (que se encuentran en el humo del tabaco, las carnes a la parrilla y otros alimentos). En este proceso, la COMT transfiere un grupo metilo de S-adenosil metionina a un compuesto de catecol, produciendo así S-adenosil homocisteína, un precursor de la homocisteína. Esta reacción es esencial para la detoxificación de compuestos de catecol y el mantenimiento de niveles adecuados de dopamina y norepinefrina para una salud cerebral óptima (p. ej., comportamiento, cognición y manejo del estrés).

El SNP rs4680 en el gen COMT determina una sustitución de G por A, que a su vez produce una sustitución de valina (Val) por metionina (Met) en la posición 158 de la secuencia de aminoácidos de la enzima (Val158Met). Esta sustitución afecta la actividad del COMT, con la variante del alelo A (Met) produciendo una enzima con un 40 % menos de actividad que la codificada por el alelo ancestral G (Val). Esto puede resultar en una disminución de la degradación de los neurotransmisores (dopamina, epinefrina y norepinefrina), estrógenos, fármacos y otros compuestos de catecol. Como resultado, los portadores del alelo A pueden tener una mayor sensibilidad a los tóxicos ambientales, un mayor riesgo de desarrollar trastornos neuropsiquiátricos y alteración del metabolismo de los estrógenos. Por ejemplo, las personas con genotipo AA pueden tener un mayor riesgo de desarrollar cáncer de mama tras la exposición a sustancias químicas disruptoras endocrinas.

El SNP rs4680 puede afectar el metabolismo de ciertos nutrientes y sus efectos en las reacciones de detoxificación mediadas por la COMT. Las catequinas del té como la epigalocatequina-3-galato (EGCG) son un sustrato de la COMT y pueden aumentar la actividad de la misma poco después del consumo de dosis altas (500–1000 mg). Las personas con el genotipo AA, que tienen una actividad COMT lenta, pueden ser metabolizadores lentos de catequinas, tener una menor excreción de catequinas en la orina y retener más catequinas en la sangre que aquellos con el genotipo GG. Como resultado, pueden beneficiarse de una menor ingesta de catequinas del té. Por el contrario, aquellos con el genotipo GG, que tienen una mayor actividad del COMT, pueden ser más sensibles a los efectos a corto plazo de las catequinas del té, como un aumento en la secreción de insulina y la presión arterial.

Bilirrubina Uridina Difosfato Glucuronosil Transferasa (Bilirrubina-UGT)

La bilirrubina-UGT es una enzima de detoxificación de Fase II producida por el gen UGT1A1 que conjuga el ácido glucurónico con una variedad de sustancias endógenas y exógenas, como bilirrubina, estrógenos, carcinógenos y varios fármacos para facilitar su excreción del cuerpo. Esta reacción juega un papel importante en la conversión de la bilirrubina no conjugada tóxica en bilirrubina conjugada no tóxica y participa en el metabolismo del 40 al 70% de todos los fármacos.

El alelo rs3064744 (TA), también conocido como UGT1A1*28 y previamente anotado como rs34815109 o rs34983651, es una variante del gen UGT1A1. Mientras que los genotipos -/- y -/TA no parecen tener ningún impacto clínico o funcional, el genotipo homocigoto (TA/TA) reduce la cantidad de la enzima bilirrubina-UGT producida por la transcripción, lo que resulta en una disminución del 70 % en la actividad enzimática. En consecuencia, las personas TA/TA pueden tener un mayor riesgo de ciertos tipos de cáncer y experimentar una mayor toxicidad en respuesta a ciertos medicamentos, como el quimioterapéutico irinotecán y el medicamento antialérgico tranilast. Algunas personas con TA/TA pueden desarrollar el síndrome de Gilbert, una afección benigna caracterizada por niveles séricos elevados de bilirrubina total y no conjugada y asociada con un menor riesgo de enfermedad de las arterias coronarias. No todos los individuos TA/TA desarrollan el síndrome de Gilbert, lo que indica la participación de factores ambientales y otras variantes genéticas, como las de los genes UGT1A6 y UGT1A7, que regulan aún más el proceso de glucuronidación.

Las crucíferas y las apiáceas pueden disminuir los niveles de bilirrubina sérica total en portadores del alelo rs3064744 (TA), observándose mayores efectos en sujetos homocigotos TA/TA. En un ensayo de alimentación aleatorizado, controlado y cruzado, 70 adultos sanos no fumadores con genotipo TA/TA y TA/- experimentaron, respectivamente, una disminución del 16 al 21 % y del 8 % en la bilirrubina, un marcador de la actividad de la UGT1A1, tras el consumo diario de una dosis única o doble de crucíferas o una dosis única de crucíferas más una dosis única de apiáceas durante dos semanas. De manera similar, los cítricos pueden ayudar a reducir la bilirrubina sérica en las portadoras del alelo rs3064744 (TA), aunque estos efectos pueden limitarse a las mujeres con el genotipo TA/TA. En un estudio observacional en adultos sanos no fumadores, las mujeres con el genotipo TA/TA que consumían 0.5 porciones diarias de cítricos tenían una bilirrubina sérica ~30% más baja que aquellas con el mismo genotipo que consumían menos, mientras que -/- y TA/ - los genotipos no experimentaron ningún efecto.

CONCLUSIÓN

Hasta el momento, solo se han probado en estudios clínicos seis variantes en los genes que codifican las enzimas de detoxificación de Fase I y Fase II: CYP1A2 rs762551; CYP1B1 rs1056836; deleciones segmentarias del GSTT1 y GSTM1; COMT rs4680-A; y variantes de inserción del UGTA1 (TA/-). Ninguna de estas variantes se ha asociado consistentemente con resultados relacionados con la detoxificación en el contexto de ensayos clínicos en humanos. Por lo tanto, los médicos y profesionales de la salud siempre deben usarlos junto con pruebas funcionales (homocisteína, colesterol LDL oxidado, GGT) para identificar a los pacientes que podrían beneficiarse de intervenciones específicas de detoxificación. Existen correlaciones interesantes entre los SNP y los biomarcadores funcionales de la función de detoxificación y el estrés oxidativo en nuestro entorno clínico del mundo real, pero aún es piloto. Una limitación importante de este análisis ha sido la falta de información sobre la dieta y el estado de salud de los participantes para correlacionar con el genotipo y los marcadores de estrés oxidativo y detoxificación funcional. La combinación de estos SNP en una puntuación de riesgo poligénico (PRS) puede mejorar su poder de predicción. Sin embargo, los médicos deben tener cuidado al tratar con variantes genéticas que pueden considerarse factores de riesgo o factores de protección según las características y los objetivos de salud de un individuo. Los estudios futuros deberían validar estas variantes y su combinación en las PRS en estudios clínicos grandes y bien diseñados que investiguen los efectos de intervenciones específicas en los resultados relacionados con la detoxificación y usen estándares comunes para definir protocolos dietéticos y estratificar a los pacientes para evaluar la heterogeneidad de la respuesta en diferentes subgrupos de pacientes.

Aronica L, Ordovas JM, Volkov A, Lamb JJ, Stone PM, Minich D, Leary M, Class M, Metti D, Larson IA, Contractor N, Eck B, Bland JS. Genetic Biomarkers of Metabolic Detoxification for Personalized Lifestyle Medicine. Nutrients. 2022 Feb 11;14(4):768. doi: 10.3390/nu14040768. PMID: 35215417; PMCID: PMC8876337.