Avances en el desarrollo de un antídoto universal contra el veneno de serpientes

Tema: A nivel mundial, el envenenamiento por mordedura de serpiente es un importante problema de salud pública para el cual se necesitan urgentemente mejores terapias. La diversidad antigénica presente en las toxinas del veneno de serpientes de varias especies representa un desafío considerable para el desarrollo de un antídoto universal. El pasado 21 de febrero del 2024, el grupo de investigación del Prof. Joseph G. Jardine (Instituto de Investigaciones de Scripps, U.C.S.D.) publicó en la revista Science Translational Medicine sus resultados acerca del desarrollo de una estrategia basada en la producción de anticuerpos humanos sintéticos que neutralice las α-neurotoxinas producidas por numerosas especies de serpientes de relevancia médica (Khalek et al., 2023). Estos anticuerpos muestran una alta afinidad para unirse a diversas variantes de toxinas, bloqueando la unión de la toxina al receptor nicotínico de acetilcolina in vitro, siendo capaces de proteger a ratones expuestos a los venenos letales. 

1. Introducción

Año con año, al iniciar el periodo vacacional de Semana Santa suelen aparecer en redes sociales y medios de comunicación en general advertencias sobre inicio de “temporada de serpientes” y, con ello, exhortos a la ciudadanía  a extremar precauciones durante las excursiones y actividades al aire libre, ya que la primavera marca el inicio del periodo de apareamiento de las principales especies de serpientes en la Península de Baja California Pese a que las víboras y todos los animales silvestres están protegidos por la Norma Oficial Mexicana NOM-059-SEMARNAT-2010, y matarlas constituye un delito, en la realidad la mayor parte de las víboras son sacrificadas por las personas, más cuando son encontradas dentro de las viviendas, los patios y/o corrales de animales. Las víboras de cascabel abundan en toda la Península de Baja California, principalmente en zonas rocosas o con monte cerrado en donde hay sitios de refugio, atacando únicamente cuando se ven en riesgo; generalmente huyen de la presencia humana (Semarnat, 2018).

2. ¿De qué magnitud es el problema de las mordeduras de serpiente a nivel global?

Se estima que el envenenamiento por mordedura de serpiente causa entre 81,000 y 138,000 muertes al año, además de 400,000 personas que quedan con discapacidades permanentes. De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS), estas cifras justifican la designación de la mordedura de serpiente como una enfermedad tropical desatendida en el 2017. La terapia anti-veneno basada en la aplicación de anticuerpos policlonales de origen animal, es el principal tratamiento médico para tratar las mordeduras de serpiente (se ha usado por más de un siglo, ver Para saber mas). Actualmente, los anti-venenos comercializados se producen mediante la hiperinmunización de animales de gran tamaño (caballos y ovejas) hasta que produzcan una respuesta de anticuerpos fuerte. A partir de ahí, los anticuerpos generados (inmunoglobulinas policlonales IgG) se purifican, a veces se procesan en fragmentos de anticuerpos (Fabs) y se preparan para su administración intravenosa a las víctimas de mordeduras de serpiente. Un antídoto de alta calidad adaptado a las especies de serpientes que muerden es eficaz para reducir la morbilidad y la mortalidad. Sin embargo, en la práctica, los antídotos suelen tener problemas sustanciales de seguridad, eficacia, potencia, costo y distribución. La inmunogenicidad de las proteínas y las impurezas presentes en los anti-venenos, pueden inducir enfermedad la del suero y/o una reacción alérgica generalizada grave. Además, sólo una fracción de los anticuerpos de los antivenenos se dirige terapéuticamente a las toxinas del veneno, por lo que se requieren grandes dosis de un producto con una alta variabilidad entre lotes para lograr la curación.

3. ¿Cuál es la naturaleza de los venenos de serpientes?

El desarrollo de un antídoto eficaz es un desafío, porque los venenos son mezclas complejas de múltiples clases e isoformas de proteínas tóxicas, que presentan estructuras, funciones, objetivos biológicos y composiciones muy diversas en diferentes especies de serpientes. Debido a su relevancia clínica, las toxinas del veneno de serpientes han sido extensivamente estudiadas y ha sido bien caracterizada su diversa composición. Las principales familias de toxinas del veneno de serpiente incluyen fosfo-lipasas, metalo-proteasas, toxinas de tres dedos (3FTx) y serin-proteasas, también se han descrito varias otras familias de toxinas auxiliares, incluidas proteínas secretoras ricas en cisteína, hialuronidasas, nucleasas, inhibidores de serin-proteasa tipo Kunitz y lectinas tipo C. Sin embargo, los estudios han destacado que inhibir o neutralizar las principales familias de toxinas puede aliviar la mortalidad y morbilidad asociadas al veneno en modelos animales.

• Los 3FTx se encuentran entre las toxinas más abundantes y letales presentes en el veneno de los elápidos (familia de serpientes que incluye cobras, kraits y mambas). A pesar de su similitud estructural, los 3FTx exhiben una amplia diversidad antigénica y funcional y se clasifican en varias subfamilias. La clase de α-neurotoxina de 3FTx se dirige al receptor nicotínico de acetilcolina de tipo muscular (nAChR) en las uniones neuromusculares, lo que provoca la parálisis y muerte por asfixia. Las α-neurotoxinas se clasifican además en variantes de cadena corta (3FTx-S) y de cadena larga (3FTx-L) en función de la longitud de su secuencia. Debido a que las α-neurotoxinas son producidas abundantemente por una amplia gama de elápidos, se consideran moléculas objetivo clave para el desarrollo de anti-venenos.

4. ¿Cuál es la estrategia actual para la producción de anti-venenos de serpiente?

En la práctica, la diversidad de variantes de toxinas ha dado lugar a anti-venenos relativamente específicos de cada especie de serpiente, lo que ha llevado a los fabricantes a inmunizar animales con venenos de múltiples especies de serpientes médicamente relevantes para ampliar la amplitud funcional de la cobertura, pero, al hacerlo, se ha generado una necesidad de dosis terapéuticas más altas debido a la eficacia de la dosis reducida. Muchas de las limitaciones actuales de seguridad, eficacia y reproducibilidad de los anti-venenos policlonales de origen animal podrían abordarse con el desarrollo de un cóctel de anticuerpos. Últimamente, varios estudios han demostrado la eficacia de los anticuerpos monoclonales (mAb) o los anticuerpos de dominio único (sdAb) para neutralizar una toxina particular y proteger a los animales de experimentación envenenados. Sin embargo, al igual que los anti-venenos policlonales de origen animal, casi todos tipos o derivados de anticuerpos (mAb y sdAb) reportados a la fecha, tienen una cobertura limitada fuera de la variante objetivo inicial. Un antídoto recombinante de amplio espectro requeriría una cantidad inviable de estos anticuerpos para cubrir las múltiples variantes de toxinas en diversas especies de serpientes.

4.1 ¿En qué consiste la estrategia para desarrollar un antídoto universal contra el veneno de serpientes?

Aunque las toxinas dentro de una clase son diversas, la región activa de la proteína responsable puede estar altamente conservada para preservar la funcionalidad. La hipótesis de trabajo de Khalek et al. (2024) se basa en que el desarrollo de anticuerpos dirigidos a las regiones funcionalmente conservadas podría lograr dos objetivos:

(i) un amplio reconocimiento en una clase de toxina y,

(ii) la alteración de la función de la toxina.

Por otro lado, no obstante que los anticuerpos ampliamente neutralizantes (bnAb) están bien estudiados en las infecciones virales, Khalek et al. (2024) desarrollaron una metodología para producir bnAbs contra 3FTx-L. Para identificar y luego hacer la validación eficaz de anticuerpos, reunieron un panel diverso de variantes de 3FTx-L que representan la diversidad antigénica de toxinas en una colección de serpientes de importancia médica. El descubrimiento de bnAb se realizó mediante una estrategia de selección de dos partes: 1) Donde los anticuerpos específicos de toxina se seleccionaron inicialmente contra una única variante de interés antes de dividirse y analizarse contra una pequeña colección de toxinas en paralelo, y 2) Posteriormente, mediante un análisis de secuenciación profunda de estas selecciones paralelas, lo que permitió la determinación de alto rendimiento del pequeño subconjunto de anticuerpos que reconocían una parte de la proteína ampliamente conservada en las diferentes variantes de toxina.

Estos candidatos de bnAb se sintetizaron y caracterizaron para seleccionar a un candidato principal que maduró en afinidad y se caracterizó estructuralmente para dilucidar el mecanismo de amplitud entre los diversos antígenos 3FTx: obteniéndose el 95Mat5. Finalmente, se evaluó la protección in vivo contra 3FTx-L nativo purificado y veneno crudo de distintas especies de serpientes asiáticas y africanas, entre las que se incluyen: Bungarus multicinctus (búngaros o serpiente krait), Naja kaouthia (cobra monocelada), Dendroaspis polylepis (mamba negra) y Ophiophagus hannah (cobra real) (Fig. 1). Este trabajo demuestra una estrategia eficaz para identificar anticuerpos con reacción cruzada en una colección de antígenos y proporciona una plantilla para encontrar bnAbs que se dirijan a clases adicionales de toxinas venenosas.

Figura 1. Especies de serpientes asiáticas y africanas: a) Bungarus fasciatus, búngaros o serpiente krait (Fuente: Canva); b) Naja kaouthia, cobra monocelada (Fuente: Canva); c) Dendroaspis polylepis, mamba negra (Fuente: Canva); y d) Ophiophagus hannah, cobra real (Canva).

5. ¿Cuáles son las perspectivas en cuanto a mordeduras de serpientes venenosas en México?

Khalek et al. (2024) reconocen que su trabajo publicado tiene limitaciones. Aunque 95Mat5 demostró una protección exitosa de ratones contra venenos letales de diversas especies de serpientes, debe enfatizarse que este anticuerpo por sí solo no constituye el producto definitivo para el desarrollo de un antídoto universal. Debido a que el veneno de serpiente es un cóctel complejo de toxinas, es necesario incluir bnAb contra varias clases adicionales de venenos importantes, incluidos 3FTx-S y fosfolipasas en elápidos y metaloproteinasas, fosfolipasas y serin-proteasas en vipéridos. Por lo tanto, un antídoto universal final probablemente requeriría un mínimo de cuatro a cinco anticuerpos para cubrir eficazmente las clases de veneno adicionales, que pueden incluir una variedad de formatos diferentes de mAb, incluidos sdAb o multiespecíficos para optimizar las consideraciones prácticas. 

El descubrimiento y desarrollo de 95Mat5 es un primer paso importante en el desarrollo de un antídoto universal contra veneno de serpientes, por lo que es importante que se continúen investigaciones biotecnológicas como la plataforma para el descubrimiento de anticuerpos sintéticos de alto rendimiento desarrollada por el grupo del Prof. Jardine  para atender pacientes con mordeduras de especies de serpientes que viven en nuestro país, teniendo en cuenta que México es uno de los países con mayor cantidad de serpientes venenosas en América. En nuestro país existen 700 especies de serpientes, de las que 4 son serpientes venenosas:

1. Las serpientes de cascabel (Crotalus). El veneno de esta serpiente ataca al sistema circulatorio al destruir las células de la sangre y los tejidos de la piel, causando una hemorragia interna. También se inmoviliza el sistema nervioso y afecta la función respiratoria de su víctima (Barish y Arnold, 2022; Wikipedia, 2024a);

2. La serpiente nauyaca terciopelo (Bothrops). Los síntomas de mordedura incluyen dolor, supuración de las heridas punzantes, inflamación local que puede aumentar durante 36 horas, moretones que se extienden desde el lugar de la mordedura, ampollas, entumecimiento, fiebre leve, dolor de cabeza, sangrado de la nariz y las encías, hemoptisis, hemorragia gastrointestinal, hematuria, hipotensión, náuseas, vómitos, alteración de la conciencia y sensibilidad del bazo. En los casos no tratados, con frecuencia se produce necrosis local que puede producir gangrena y por tanto requerir la amputación (Wikipedia, 2024b);.

3. La serpiente coralillo (en México Leptomicrurus, Micrurus y Micruroides): Las mordeduras de estas serpientes no suelen causar dolor ni inflamación de forma inmediata. El veneno es una neurotoxina presentando síntomas graves varias horas despues de la mordedura. La víctima experimenta hormigueo en la zona que rodea la mordedura y debilidad en los músculos cercanos. Puede presentarse incoordinación muscular y debilitamiento general además de visión doble y borrosa, confusión, somnolencia y una mayor producción de saliva, con dificultades para hablar y tragar. Finalmente, pueden manifestarse problemas respiratorios, que pueden ser extremadamente graves, cuyo veneno es mortal (Barish y Arnold, 2022), y

4. La serpiente cantil o mocasín (Agkistrodon bilineatus).  El veneno del cantil contiene hemotoxina que es una proteina que produce la degradación de proteínas (proteólisis) y destruye los globulos rojos y otros tejidos. Puede causar un dolor intenso, enrojecimiento, inflamación y la muerte patológica de un conjunto de células o de cualquier tejido en un organismo vivo (necrosis) en el área de la mordedura. 

Figura 2. Serpientes venenosas de México: a) Serpientes de cascabel (Crotalus angelensis Fotografía: Gustavo Alberto Arnaud Franco/CIBNOR); b) Serpiente nauyaca terciopelo (Bothrops asper, Fuente: https://www.inaturalist.org/guide_taxa/298202); c)  Serpiente coralillo (Micrurus sp. Fuente: https://mexico.inaturalist.org/taxa/30493-Micrurus); d) Serpiente cantil o mocasín (Agkistrodon bilineatus, Fuente: https://serpientess.com/wolpoch/).

5. Referencias

Barish R. y Arnold T. 2022. Mordeduras de serpientes. MSD. Consultado 25/04/2024.

Hernández F. 2021. Cuales son las serpientes mas venenosas de México. eHow. Consultado 08/04/2024.

Khalek I.S., Laxme R.R.S., Nguyen Y.T.K., Khochare s., Patel R.N., Woehl J., Smith J.M., Saye-Francisco K., Kim Y., Mindrebo L.N., Tran Q., Kędzior M., Boré E., Limbo O., Verma M., Stanfield R.L., Menzies S.K., Ainsworth S., Harrison R.A., Burton D.R., Sok D., Wilson I.A., Casewell N.R., Sunagar K., Jardine J.G. 2024. Synthetic development of a broadly neutralizing antibody against snake venom long-chain α-neurotoxins. Sci. Transl. Med. 16, eadk1867. DOI: 10.1126/scitranslmed.adk1867

Semarnat, 2018. Programa de Acción para la Conservación de las Especies: Serpientes de Cascabel (Crotalus spp.). Semarnat/Conanp, México. Consultado XX/04/2024.

(https://www.gob.mx/conanp/documentos/programa-de-accion-para-la-conservacion-de-la-especie-pace-serpientes-de-cascabel-crotalus-spp?state=published).

Wikipedia. 2024a. Bothrops. https://es.wikipedia.org/wiki/Bothrops_asper.

Consultado 25/04/2024.

Wikipedia. 2024b. Crotalus. https://es.wikipedia.org/wiki/Crotalus. Consultado 25/04/2024.

Wikipedia. 2024c. Agkistrodon bilineatus. https://es.wikipedia.org/wiki/Agkistrodon_bilineatus#:~:text=El%20veneno%20del%20cantil%20contiene,el%20%C3%A1rea%20de%20la%20mordedura.