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Inmunoglobulinas
M. Frías, I. J. Molina, L. Castro y J. Peña
Las inmunoglobulinas son de gran importancia en la defensa del organismo ya que
tienen la capacidad de identificar y neutralizar antígenos extraños, de ahí que históricamente
se conociesen como anticuerpos, por su función de anteponerse a lo extraño. Son las
principales responsables de la respuesta inmune humoral y su correcto funcionamiento es
esencial para la defensa frente a microbios. Su carencia hace que el individuo muera por
infecciones de todo tipo si no se instaura un tratamiento adecuado. También a veces se
pueden formar de manera atípica causando enfermedades para el individuo.
Estas sustancias son glicoproteínas que se producen por los linfocitos B o sus células derivadas,
las células plasmáticas. Se pueden encontrar de dos formas:
• De forma soluble en líquidos biológicos, donde actúan neutralizando y colaborando en la destrucción de los antígenos.
• Unidas a la membrana de los linfocitos B que las producen donde actúan como receptores de los mismos.
Se distinguen cinco isotipos de inmunoglobulinas: IgM, IgA, IgG, IgD e IgE, cada una de ellas
con ciertas características diferenciales. En este capítulo analizaremos su estructura, su
función y algunos aspectos del control genético de su síntesis.
Estructura de las Inmunoglobulinas
Todas las inmunoglobulinas están formadas
por cuatro cadenas polipeptídicas, dos de
mayor tamaño, denominadas cadenas
pesadas, y dos, de menor tamaño, llamadas
cadenas ligeras. Las cadenas ligeras y pesadas
se agrupan de tal manera que existe una
proximidad espacial entre los cuatro extremos
amínicos por una parte, y los extremos
carboxílicos por otra. Las inmunoglobulinas
pueden ser fraccionadas mediante la
utilización de enzimas (papaína, pepsina,
etc.), obteniéndose diferentes tipos de
fragmentos. Esto permitió no sólo conocer la estructura de estas moléculas sino también
deducir la función de cada una de sus partes (Figura: Estructura unidad básica).
Al tratar con papaína la inmunoglobulina, se produce la ruptura específica de las cadenas
pesadas, en el espacio comprendido entre el puente disulfuro que las une entre sí y los puentes
que las unen a las cadenas ligeras. Se obtienen tres fragmentos: uno denominado Fc, que
define la actividad biológica, la clase y subclase de cadenas pesadas y otros dos fragmentos
denominados cada uno de ellos Fab, que es por donde la molécula se une a los antígenos. Por
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otro lado, cuando se trata con tripsina se producen dos fragmentos (Fab) y resto de péptidos
(Figura: Fragmentos Igs).
Cadenas ligeras
Hay dos tipos de cadenas ligeras diferentes: tipo
kappa (κ) y lambda (λ), las cuales poseen unos
200 aminoácidos. En cada molécula de
inmunoglobulina las dos cadenas ligeras son del
mismo tipo, κ o bien λ. Estas cadenas se unen a
las pesadas por un puente disulfuro
intercatenario (Figura: Fragmentos Igs).
Cadenas pesadas
Están formadas por 400 aminoácidos. Las cadenas
pesadas están unidas entre sí por puentes
disulfuro intercatenarios, que pueden ser distintos
en número dependiendo del tipo de
inmunoglobulina. Esta zona, donde se
encuentran los puentes intercatenarios, es muy
flexible y constituye lo que se denomina zona bisagra que es por donde se deforman estas
moléculas cuando se unen al antígeno.
Parte variable y constante de las cadenas ligeras y pesadas
Las cadenas ligeras poseen dos partes: una
corresponde al extremo carboxílico que es
constante (CL) y otra que corresponde al extremo
amínico, que es muy variable (VL). También las
cadenas pesadas poseen una parte variable (VH)
y otra constante (CH). Por las partes variables
tanto de las cadenas ligeras y pesadas es por
donde se produce la unión al antígeno.
La parte constante de estas cadenas, es diferente
según la clase de inmunoglobulina que
consideremos. Así estas cadenas pueden ser de
tipo: γ, α, µ, δ y ε que definen a su vez las cinco
clases de inmunoglobulinas: IgG, IgA, IgM, IgD e
IgE respectivamente. (Figura: Cadenas Igs).
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Características de las distintas clases de Inmunoglobulinas
Las cadenas pesadas son las
responsables de propiedades biológicas,
tales como la capacidad de unirse entre
sí, fijar complemento, fijar la pieza de
secreción y unirse a macrófagos,
neutrófilos y células NK. Hemos de
considerar que incluso entre moléculas
de una misma clase existen, según a la
subclase a la que pertenezcan, ciertas
diferencias (Tabla: Características Igs).
Dominios moleculares en las cadenas ligeras y
pesadas
Tanto las cadenas pesadas como las ligeras poseen
grupos de aminoácidos unidos por puentes disulfuro
intracatenarios, conocidos como dominios. La cadena L
tiene dos dominios, uno corresponde a la región variable
(VL) y otro a la constante (CL).
La cadena H tiene un dominio en la región variable (VH)
y tres o cuatro en la constante dependiendo de la clase
de inmunoglobulina que consideremos (3 en la IgG, IgA
e IgD y 4 en las IgM e IgE).
Regiones hipervariables
Las zonas variables, tanto de la cadena L como H,
poseen a su vez unas regiones de mayor grado de variabilidad. Son tres pequeños segmentos
que constituyen las denominadas regiones o segmentos hipervariables que determinan el
centro activo que es por donde se produce el reconocimiento y unión al antígeno.
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Cada una de estas regiones hipervariables se compone de 17 a 20 aminoácidos de tal manera
que cambios en uno o varios aminoácidos en ellas suponen una enorme fuente
de variabilidad de posibilidades de unión al antígeno sin cambiar el resto de la molécula. Las
otras partes variables son menos variables, de modo que sustituciones en los residuos que la
constituyen, no afectan la especificidad de unión al antígeno (Figura: IgG).
Moléculas adicionales a la estructura básica
En las inmunoglobulinas, además de las
cuatro cadenas polipeptídicas básicas,
existe un componente glucídico (que
representa aproximadamente el 10%
de la molécula) y ciertas
inmunoglobulinas contienen una
glicoproteína adicional conocida como
cadena J.
La cadena J, se une, mediante puentes
disulfuro, al extremo Fc tanto de la IgA
como de la IgM haciendo posible la
formación de complejos diméricos o
pentaméricos, respectivamente.
Estructura espacial de las Inmunoglobulinas
Las inmunoglobulinas pueden estar constituidas por unidades
básicas simples, como es el caso de la IgG, IgD e IgE; en forma de
dímeros (dos unidades básicas unidas), como es el caso de la IgA,
o incluso por hasta cinco estructuras básicas unidas por sus
extremos Fc como es el caso de la IgM (Figura: Pentámero IgM).
Las cadenas pesadas y ligeras están plegadas sobre sí mismas, en
forma de hoja plegada β, gracias a sus dominios (Figura:
Dominios Igs).
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Subclases de Inmunoglobulinas
Se sabe que no todas las inmunoglobulinas de una misma clase tienen idéntica estructura, sino
que dentro de cada isotipo se pueden establecer subtipos considerando la secuencia de
aminoácidos de la región constante de las cadenas H y el diferente número y situación de los
puentes disulfuro intercatenarios establecidos entre las cadenas pesadas. Así, la IgG humana
se divide en cuatro subclases (IgG1, IgG2, IgG3 e IgG4) y la IgA (IgA1 e IgA2)
Alotipos
Si se inmuniza un animal con inmunoglobulinas de
otro animal de la misma especie se pueden obtener
antisueros que van dirigidos contra ciertas regiones
constantes de las inmunoglobulinas que son
distintas entre ambos animales (Figura:
Antialotipo).
Ello se debe a la presencia de diferentes formas
alélicas (pequeños cambios en las zonas constantes
de las cadenas pesadas y ligeras) que distinguen la
Ig de unos individuos a otros de la misma especie y
que se conocen como alotipos.
En humanos se han descrito tres tipos de alotipos:
• Gm en las cadenas gamma de las IgG
• Am en las cadenas alfa de las IgA y
• Km en las cadenas ligeras κ que dan lugar a tres alotipos: Km (1´2), Km (1) y Km (3).
Idiotipos
Se entiende por idiotipo el conjunto de determinantes antigénicos situados en las regiones
variables de las cadenas ligeras y pesadas de un
determinado anticuerpo que es precisamente por
donde se produce su acoplamiento al antígeno
que indujo su formación. Es pues una zona de
estructura complementaria al antígeno y que a
su vez puede actuar, cuando se van formando
como antígeno induciendo nuevos anticuerpos
en el individuo y así sucesivamente (Figura:
Idiotipos).
Los idiotipos parecen tener importancia
fisiológica en la regulación del sistema inmune.
Según la teoría de la red de Jerne, frente a los
idiotipos se formarían anticuerpos que al unirse
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a los mismos formarían una red de anticuerpos unidos a otros anticuerpos que tendrían como
acción final la regulación del proceso de síntesis de nuevas inmunoglobulinas.
Distribución de las Inmunoglobulinas
Las inmunoglobulinas se encuentran distribuidas en todos los fluidos orgánicos de la economía
de los vertebrados, en las membranas de los linfocitos B y en las células plasmáticas. Las
cantidades relativas de cada una de las clases de inmunoglobulinas en los diferentes
compartimentos del organismo son muy diferentes. En el torrente sanguíneo predomina la IgG
mientras que en las secreciones (saliva, lágrimas, secreción bronquial, así como en el líquido
cefalorraquídeo y mucosas) predomina la IgA. Los niveles de inmunoglobulinas séricas fluctúan
ampliamente en función de diversos aspectos, como estado nutricional, edad, etc.
Ontogénicamente se producen múltiples cambios en los niveles de inmunoglobulinas desde el
nacimiento hasta los 8 ó 10 años, momento en que se estabilizan. Los niveles de IgG son muy
altos en la vida fetal y en las primeras semanas de vida extrauterina, debido a que esta
inmunoglobulina es la única que pasa de la madre al feto a través de la placenta (Figura:
Niveles séricos).
Durante la lactancia, descienden los niveles de IgG por catabolismo de esas moléculas, lo cual
no es una respuesta como tal al carecer el niño aún de la capacidad completa de síntesis de
las mismas. También en la edad fetal se sintetizan pequeñas cantidades de IgM (Figura:
Niveles séricos). Cuando las inmunoglobulinas se encuentran insertas en la membrana de los
linfocitos (inmunoglobulinas de membrana), actúan como receptores de las señales de
activación antigénicas por su capacidad de reconocimiento del antígeno constituyendo el
receptor para el antígeno del linfocito B.
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Superfamilia de las Inmunoglobulinas
La estructura de las cadenas pesadas y ligeras de las inmunoglobulinas posee ciertas
similitudes entre sí (por ejemplo, la estructura en dominios equivalentes). Esto hizo pensar que
ambas cadenas procedían de una molécula ancestral común. Así idéntica estructura se ha
observado con la β-2-microglobulina y con una gran cantidad de moléculas, todas ellas
agrupadas, bajo el mismo epígrafe de superfamilia de las inmunoglobulinas.
La superfamilia de inmunoglobulinas está formada por glico-proteínas que tienen uno o más
dominios extracelulares homólogos a las inmunoglobulinas. Entre las diferentes moléculas de la
superfamilia, se encuentran, además de las propias inmunoglobulinas:
• Muchos de los componentes de los receptores antigénicos de los linfocitos T y B
• Las moléculas del MHC
• Muchas de las moléculas de adhesión celular e involucradas en la circulación y tráfico de los
leucocitos.
Función de las Inmunoglobulinas
La función esencial de las inmunoglobulinas es la de unirse al antígeno. De esta manera las
inmunoglobulinas actúan como receptoras de señales antigénicas (insertas en la membrana de
los linfocitos B) o bien pueden colaborar en la destrucción de los mismos cuando dichas
inmunoglobulinas se encuentran de forma soluble.
Unión antígeno-anticuerpo
La unión del antígeno (Ag) con el anticuerpo (Ac) es semejante a la que se establece entre la
enzima y su substrato. Estas interacciones se deben a la formación de múltiples enlaces no
covalentes (enlaces de hidrogeno, interacciones electrostáticas, de Van der Waals e
hidrófobas), cada uno de los cuales por si solos son débiles. Los anticuerpos se unen al
antígeno por lugares determinados conocidos
como epítopos.
Epítopos
Los epítopos de un antígeno pueden estar
formados por aminoácidos consecutivos de la
proteína (epítopos lineales) o por zonas de
confluencia (epítopos conformacionales) de
varias cadenas (Figura: Tipos de epítopos).
Parátopo
Las inmunoglobulinas se unen a los epítopos
de los antígenos por sus sitios activos,
constituidos como se ha indicado
anteriormente, por los segmentos variables de
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las cadenas pesadas y ligeras, donde intervienen
principalmente las regiones hipervariables. Esta zona
de unión de una inmunoglobulina al epítopo de un
antígeno se conoce con el nombre de parátopo.
Unión Ag-Ac
La unión ag-ac es la consecuencia de múltiples
interacciones entre unos y otros de tal manera que la
fuerza total de la unión puede ser muy elevada. Para
que las interacciones mencionadas lleguen a ser
efectivas, los grupos entre los que se establece deben
estar situados a distancias muy cortas, y para que
esto sea posible y se puedan producir un gran número
de interacciones, el epítopo y el parátopo deben
encajar perfectamente, dependiendo de ello la
“fuerza” de la interacción que conocemos con el
nombre de afinidad.
La afinidad de la interacción es de vital importancia, ya que de ella depende la utilidad
diagnóstica y de investigación de un anticuerpo y su importancia fisiopatológica. Para
cuantificar la afinidad de una interacción, deberemos entender primero una serie de conceptos
de los que nos ocuparemos a continuación. Al tratarse de uniones no covalentes, la unión
Ag/Ac será reversible de modo que cuando el antígeno y el anticuerpo se mezclan en solución,
se estarán formando y disociando complejos constantemente de acuerdo con la siguiente
ecuación:
Donde ka representa la constante de velocidad y kd la de disociación. Llegara un momento en
que la velocidades de asociación y disociación se igualen, es decir, que el numero de complejos
Ag/Ac que se formen sea el mismo que el que se disocie, entonces decimos que se ha llegado
a una situación de equilibrio dinámico. Una forma indirecta de medir la afinidad de la
interacción de una pareja Ag/Ac, será medir la velocidad de asociación y disociación antes de
que se llegue al equilibrio, lo cual puede realizarse actualmente mediante biosensores.
Cuanto mayor sea la velocidad de asociación y menor la de disociación mayor será la afinidad
de la interacción de esa pareja Ag/Ac. Otra forma complementaria y más directa de cuantificar
la afinidad de la interacción Ag/Ac, es hacerlo una vez que se ha alcanzado el equilibrio y
utilizando concentraciones bajas de anticuerpo. En estas condiciones la concentración de
antígeno que permite que la mitad de los anticuerpos estén unidos a ellos y la otra mitad libre,
medida en molaridad, se denomina constante de disociación (KD) y es una medida directa de la
afinidad de la interacción.
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Cuanto menor sea la KD mayor será la afinidad puesto que indica que es necesaria una menor
concentración de antígeno para que la mitad de los anticuerpos estén ocupados. La inversa de
la KD es la constante de asociación (KA) cuyo valor es directamente proporcional a la afinidad
de la interacción.
Para determinar experimentalmente estas constantes tendremos que conocer las
concentraciones de antígeno libre y unido, para lo cual existen varios métodos entre los que
destacan análisis mediante diálisis de equilibrio (Figura: Moléculas difusibles).
Esta técnica se basa en la utilización de una membrana semipermeable de un poro tal, que
permita el paso de un antígeno suficientemente pequeño (un hapteno) pero no del anticuerpo.
A concentraciones bajas de antígeno, la concentración de anticuerpo libre ira bajando
rápidamente hasta que se alcance el equilibrio, puesto que todo el antígeno que entre a través
de la membrana semipermeable quedara retenido por el anticuerpo.
Realizando el experimento anterior con varias concentraciones de antígeno, podremos
encontrar aquella en la que la mitad del anticuerpo se encuentra unido al antígeno que como
hemos dicho corresponde a la KD. La afinidad que hayamos calculado corresponderá
exclusivamente a la de la interacción de esa pareja Ag/Ac. Un determinado anticuerpo podrá
unirse a más de un antígeno con afinidades distintas en cada caso.
Avidez de la unión Ag-Ac
Como apuntábamos anteriormente, el fenómeno de la unión Ag/Ac es en realidad mucho más
complejo, pues cada uno de los antígenos poseen varios epítopos distintos, por lo que podrán
unir más de un anticuerpo. Cada molécula de anticuerpo, por su parte, podrá unir al menos
dos moléculas de antígeno, una por cada Fab y en el caso de la IgM hasta diez moléculas ya
que se ensamblan en unidades funcionales constituidas por cinco moléculas de anticuerpo).
Finalmente en un antígeno, un determinado epítopo puede estar representado varias veces
siendo capaz de unir varias moléculas del mismo anticuerpo. La fuerza total de la interacción
que considera todas las interacciones epítopo/parátopo que tienen lugar entre antígenos y
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anticuerpos multivalentes (con varios sitios de unión), se denomina avidez y es mucho mayor
que la suma de las afinidades puesto que las distintas interacciones se estabilizan entre ellas.
Estas interacciones multivalentes poseen una gran importancia fisiopatológica ya que cuando
se encuentran Ag y Ac en solución, como es el caso del plasma o tejidos, se forman agregados
inmunocomplejos constituidos por muchas moléculas. A concentraciones equivalentes de Ag y
Ac estos inmunocomplejos serán de gran tamaño y podrán quedar atrapados en los tejidos,
iniciando una respuesta inflamatoria y dando lugar a las llamadas enfermedades por depósito
de inmunocomplejos.
Especificidad de la unión Ag-Ac
La unión entre el Ag e Ig tiene una gran especificidad, de tal manera que una Ig se unirá
fundamentalmente y con mayor avidez, a un antígeno determinado. En algunos casos la
inmunoglobulina podrá unirse a antígenos con epítopos muy similares, aunque en este caso la
afinidad de la unión es mucho menor.
La consecuencia final de la acción de las inmunoglobulinas es la de destruir al antígeno y/o
neutralizar los efectos nocivos de los mismos. Para la consecución de estos objetivos todas las
inmunoglobulinas poseen, como ya se ha indicado, una característica esencial y común, que es
la de unirse específicamente al antígeno.
Propiedades biológicas de las Inmunoglobulinas
Tras la unión del antígeno y la inmunoglobulina, ésta puede anular la acción del antígeno por
neutralización, precipitación o aglutinación. Así si la Ig es específica para una toxina
bacteriana, cuando se produce la unión Ag-Ig (toxina-antitoxina) quedan neutralizados los
efectos tóxicos de la toxina. De ahí que clásicamente cuando no se conocía la estructura, se le
denominase antitoxinas, precipitinas o aglutininas en función de la reacción que se detectaba
en cada caso.
Estos fenómenos no son suficientes por sí solos para la destrucción y total eliminación de los
antígenos. Para ello, además de las inmunoglobulinas se requiere de la colaboración de otros
muchos elementos, tales como el sistema del complemento, macrófagos, polimorfonucleares o
células NK. Podemos decir que las inmunoglobulinas, al detectar los antígenos y producirse la
subsiguiente unión a ellos, actúan como transductores de la información de la presencia de los
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mismos que serían destruidos por el complemento, macrófagos, los polimorfonucleares o
células NK.
Opsonización
La unión de antígeno a la inmunoglobulina produce una serie de cambios alostéricos en
su extremo Fc que hacen que adquiera la propiedad de unirse a receptores que se encuentran
en la membrana de macrófagos y polimorfonucleares. A este fenómeno se le denomina
opsonización. Al producirse esta unión, los macrófagos se activan, iniciándose el fenómeno
de fagocitosis y subsiguiente destrucción de los complejos antígeno anticuerpo por los procesos
líticos intracelulares, propios de la acción de los enzimas contenidos en los lisosomas de estas
células (Figura: Acciones de las Igs)
Estos receptores pueden ser de distinta naturaleza, conociéndose en la actualidad tres: FcgRI
(CD64), FcgRII (CD32) y FcgRIII (CD16). Además de en los macrófagos estos receptores se
encuentran en otras células como plaquetas, linfocitos B y NK.
Cuando se produce la unión a células NK estas se activan y lisan a las células portadoras del
antígeno por un mecanismo conocido como citotoxicidad celular dependiente de anticuerpos
(ADCC). Algunos de estos receptores se encuentran en los mastocitos y basófilos en cuyo caso
a ellos se puede unir la IgE activándolos y produciendo su degranulación con liberación de
histamina y otros sustancias vasoactivas que darán lugar a proceso de hipersensibilidad que
pueden ser graves.
Lisis por complemento
Cuando la inmunoglobulina que se une a un antígeno es IgM o IgG, en sus extremos Fc se
producen ciertos cambios alostéricos gracias a los cuales éstas adquieren la propiedad de fijar
y activar uno de los componentes del complemento. Las fracciones activas del complemento
poseen diferentes acciones de gran importancia en la defensa del organismo, una de las cuales
es la lisis celular. Este fenómeno se conoce como citotoxicidad mediada por el complemento,
será estudiada en el capítulo dedicado al complemento.
Inmunoglobulinas como receptor de linfocito B
Además de las funciones arriba indicadas, las inmunoglobulinas, especialmente la IgM tienen la
capacidad de intervenir en el reconocimiento del antígeno por los linfocitos B cuando se
encuentran ligadas a la membrana celular de estas células como inmunoglobulinas de
membrana constituyendo parte del receptor para el antígeno del linfocito B (BCR). Este
proceso será estudiado con detalle en el capítulo dedicado a la activación de linfocito B.
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Respuesta primaria y secundaria
Se entiende por respuesta primaria aquella que aparece como consecuencia de un primer
contacto del sistema inmune con un determinado antígeno, mientras que la respuesta
secundaria es aquella respuesta que aparece frente a un determinado antígeno que ya ha
tenido previamente contacto con el individuo. Las características de estas respuestas se
esquematizan en la figura anexa. En resumen se puede decir que la respuesta primaria es de
aparición más inmediata que la secundaria, pero que ésta suele ser más duradera y en muchos
casos más eficiente que la primaria. (Figura: Niveles IgM-IgG).
Propiedades individuales de las Inmunoglobulinas
Aunque en los apartados anteriores se ha hecho mención a las propiedades y función de las
inmunoglobulinas, a continuación estudiaremos brevemente y por separado las características
funcionales más relevantes de cada una de ellas.
Inmunoglobulina G
Es la inmunoglobulina más abundante y representa más del 70 % de las Igs séricas totales.
Las diferentes subclases se presentan en proporciones muy diferentes, así la IgG1 es la
subclase más frecuente (más del 60 %), seguida de la IgG2 (aproximadamente un 18 %),
mientras que IgG3 e IgG4 se encuentran en mucha menor proporción. Esta Ig posee capacidad
neutralizante, precipitante, de fijar complemento, de unirse a células NK y a macrófagos
(opsonización) y es capaz de atravesar activamente las membranas biológicas, incluida la
placenta materna.
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La propiedad de atravesar activamente las membranas biológicas es de sumo interés,
esta acción se realiza también en el feto al atravesar la placenta desde la madre, gracias a la
existencia de receptores para la porción Fc en el sincitiotrofoblasto.
Como el feto sólo sintetiza pequeñas cantidades de inmunoglobulinas, adquiere de este modo
la posibilidad de defensa, no solamente mientras se encuentra en el seno materno, sino incluso
durante la lactancia, período en el cual todavía no ha desarrollado la capacidad total de síntesis
de inmunoglobulinas.
Sin embargo, este paso de IgG desde la
madre al feto no siempre es beneficioso
para el feto. Cuando hay incompatibilidad
del tipo Rh entre la madre y el feto, se
puede desarrollar el síndrome de
eritroblastosis fetal como consecuencia de la
destrucción de glóbulos rojos fetales,
pudiendo ocasionar nefastas consecuencias
si no se acude a tiempo. Esto no se
presentaría si la IgG no pasase de la madre
al feto. La IgG se sintetiza tardíamente tras
un primer contacto con el antígeno, sin
embargo, tras un segundo contacto la
mayoría de las Igs formadas pertenecen a
esta clase (Respuesta Secundaria).
Inmunoglobulina M
Los anticuerpos del tipo IgM son los que más rápidamente se forman en respuesta a un
estímulo antigénico (Respuesta primaria). Esta Ig se caracteriza también por poseer capacidad
neutralizante, precipitante, aglutinante, fijar complemento, activar la respuesta inmune, sin
embargo no atraviesa activamente las membranas biológicas. Esta última propiedad hace que
esta inmunoglobulina ejerza su acción normalmente en los espacios intravasculares.
Representa del 5 al 10 % de las Igs séricas totales y junto a la IgD es la más encontrada en la
superficie de los linfocitos B como inmunoglobulina de membrana.
Inmunoglobulina A
Esta inmunoglobulina posee capacidad neutralizante y precipitante, mientras que su capacidad
de fijar complemento y de opsonización son muy débiles, limitándose su efecto a neutrófilos y
no a macrófagos. La propiedad más importante de esta inmunoglobulina viene determinada
por su capacidad de unirse por el extremo Fc a la pieza secretora, gracias a la cual puede ser
secretada por las mucosas y glándulas exocrinas, ejerciendo su acción más importante en la
superficie de mucosas y líquidos biológicos (sobre todo IgA2), tales como el liquido
cefalorraquídeo, secreción bronquial, lágrima, saliva, etc.
Esto es importante porque así protegen precisamente los puntos más vulnerables del
organismo, esto es, las puertas de entrada al mismo, como son ojos, boca, aparato digestivo,
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sistema respiratorio, vagina, etc. No olvidemos que, por ejemplo, si desplegamos la mucosa
del aparato respiratorio, la superficie que cubriríamos es de unos 300 m2, superficie que se
encuentra en contacto directo con el exterior a través del aire que se respira. Se deduce de ello
que, sin duda, deben ser importantes los mecanismos de defensa local entre los cuales la IgA
tiene un papel esencial. Esta inmunoglobulina se encuentra también en la leche materna.
Los niveles de todas las inmunoglobulinas, a excepción de la IgG en recién nacidos son muy
bajos, siendo por tanto de gran significación el hecho de que la IgA se transfiera desde la
madre al lactante a través de la secreción láctea. De ahí que tengamos que insistir en que los
lactantes se amamanten en el mayor grado posible directamente por las madres y no con leche
de otros orígenes, a lo que actualmente existe excesiva tendencia. La IgA recibida de la madre
ejerce un importante papel de defensa a nivel de todo el aparato digestivo. En ello parece que
influyen las especiales características de pH gástrico del lactante que es menos ácido que en el
adulto y permite una especial resistencia de esta inmunoglobulina frente al mismo, por lo que
no se destruye a su paso por el estómago.
Inmunoglobulina D
La concentración de esta inmunoglobulina en suero es muy baja. Hasta fechas muy recientes
no se había demostrado que esta inmunoglobulina poseía capacidad de unirse a antígenos, por
lo que se dudaba de que actuase con función de anticuerpo. Sin embargo, aunque actualmente
se ha demostrado su acción de anticuerpo, no se conoce con precisión cuáles son sus funciones
específicas, aunque se piensa que colabora de forma importante en la activación de linfocitos B
al actuar como receptor en la superficie de los mismos.
Inmunoglobulina E
En muchos individuos alérgicos esta inmunoglobulina se presenta en grandes cantidades. El
estímulo para su síntesis puede proceder de una gran variedad de antígenos, a los que en este
caso se conocen como alérgenos. Estos alérgenos pueden penetrar en el organismo a través de
la piel o de las mucosas respiratoria, ocular, del aparato digestivo, etc, así como por
inyectables, como es el caso de la penicilina u otros medicamentos. La vida media de la IgE en
sangre periférica es de 24-48 horas.
No tiene capacidad de atravesar la placenta, por lo tanto, las reacciones de hipersensibilidad
inmediata no pueden transferirse de manera pasiva de la madre al feto. Sin embargo, puede
existir una predisposición de tipo familiar a padecer enfermedades de naturaleza alérgica. Esta
predisposición parece estar relacionada con una tendencia a producir anticuerpos de tipo IgE
en la respuesta secundaria frente a antígenos, en lugar de IgG que sería la respuesta normal
en individuos no alérgicos. La IgE se encuentra en forma libre en sangre, en donde se observa
que los niveles cambian a lo largo de la edad.
También la IgE se encuentra en otros líquidos biológicos así como unidos a basófilos y células
cebadas, gracias a la propiedad que tiene esta inmunoglobulina de unirse por su extremo Fc a
receptores de superficie presentes en dichas células. Estas células se caracterizan por
encontrarse en la piel y mucosas y por contener abundantes gránulos citoplasmáticos, ricos en
sustancias vasoactivas que liberan una vez se activan.
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Genética de las Inmunoglobulinas
¿Cómo explicar que se sinteticen millones de anticuerpos distintos con un limitado material
genético? Si se tuviese que utilizar un gen para la síntesis de cada uno de los anticuerpos
que posee el individuo, se necesitarían miles de veces más de genes que los disponibles en
todo el genoma humano.
Este dilema lo ha solucionado el organismo partiendo de genes con multitud de segmentos
internos, todos ellos presentes en las células más primitivas de tipo B. En el proceso
madurativo, estos segmentos de genes se recombinan de manera diferente para dar lugar a
la formación de millones de linfocitos B diferentes entre sí por el tipo de inmunoglobulinas
que cada uno es capaz de sintetizar.
Todo esto se ha conocido a partir de los estudios de Tonegawa en 1976, en los que además
se demostró que la síntesis de las
cadenas ligeras y pesadas se regula por
genes que se encuentran en cromosomas
distintos (Figura: Genes). Esto fue
puesto de manifiesto empleando técnicas
de digestión enzimática del DNA de
células B y posterior hibridación con
sondas de DNA complementario (cDNA),
mediante la técnica de Southern Blot (ver
capitulo Métodos). Mediante esta técnica,
se pudo observar que usando un cDNA
marcado radiactivamente como sonda los
marcajes eran distintos si se hacían en
células inmaduras que cuando se hacían
en células maduras.
Tipos de segmentos génicos
Los segmentos que codifican la parte variable de las cadenas son V,D y J mientras que
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diversos fragmentos C codifican la parte constante.
En las células embrionarias estos segmentos génicos se encuentran separados entre si de
tal forma que, por una parte, se encuentran los segmentos V, por otra los D, los J y los C.
Reordenamiento de los segmentos génicos de las Inmunoglobulinas
A lo largo del proceso madurativo de los linfocitos B, se produce un reagrupamiento de
segmentos de genes para la iniciación de la síntesis de las cadenas ligeras y pesadas. A este
fenómeno se denomina recombinación intracromosómica.
Efectivamente, a medida que se produce el proceso madurativo de los linfocitos B, los
segmentos V, D y J cambian de sitio en el cromosoma de tal manera que se colocan juntos.
Posteriormente este conjunto V/D/J se reagrupa con el segmento C correspondiente
quedando constituido en consecuencia un gen con toda la información de la cadena. Cuando
cada linfocito B ha madurado posee ya reagrupados los genes correspondientes a sus
cadenas ligeras y pesadas y sólo podrá producir un determinado tipo de anticuerpo.
Reordenamiento de genes de cadenas ligeras.
En la síntesis de cadenas ligeras participan los segmentos V, J y C (no hay genes D para la
cadena ligera).
Así pues, en el proceso de recombinación de los genes de cadenas ligeras se acopla un
segmento V con un segmento J y el conjunto V/J se recombina con el segmento
correspondiente a la parte constante C. El proceso de transcripción se hace de tal manera
que el RNA mensajero contiene información secuenciada V, J y C (Figura: Transcripción
cadenas ligeras).
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Reordenamiento de genes de cadenas pesadas
En este caso participan los segmentos V, D, J, y C. Primero se produce la recombinación
entre un segmento D y un segmento J. En la segunda fase, este conjunto D/J se recombina
con un segmento V. El complejo V/D/J se puede por último recombinar con cada uno de los
segmentos que codifican las regiones constantes, según el isotipo de la inmunoglobulina a
formar.
Se piensa que el gen Cm es el situado en primer lugar en la secuencia de genes C, seguido de
Cd. En células B en reposo, el único y largo transcrito primario de RNA va a contener la
información del complejo V/D/J más la correspondiente a los genes Cm y Cd.
Mediante mecanismos de procesamiento del RNA que analizaremos posteriormente, se va a
proceder a la escisión en el transcrito primario de la información correspondiente a Cm o bien
a Cd. Se da lugar de esta manera a una inmunoglobulina de tipo IgM o IgD, y este
mecanismo es además el responsable de que en las células B en reposo se encuentre la
expresión simultánea de ambas inmunoglobulinas. Se esquematiza el proceso de
recombinación y transcripción ocurrido en la línea celular B concerniente a la síntesis de
cadenas pesadas en este caso del tipo m3 (Figura: Transcripción cadenas pesadas).
En este caso la recombinación se ha producido entre VH3, D1, JH2, responsables de la parte
variable de la cadena pesada que se ha recombinado con la parte constante del segmento
del gen Cg3, que originará la cadena pesada correspondiente a la IgG3. En el caso de los
genes V de las cadenas pesadas, al igual que hemos visto para las cadenas ligeras, junto a
cada segmento génico se encuentran las estructuras líder y cerca de las mismas se sitúan las
secuencias promotoras.
Segmentos líder y promotores
Asociados a los segmentos génicos V, existen otros segmentos génicos conocidos como
segmentos líder (L). Estos segmentos codifican un péptido pequeño que servirá de guía
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tanto para las cadenas ligeras como pesadas a su paso por el retículo endoplásmico pero
que se separa de ellas antes de que las mismas se unan entre sí para formar la molécula
completa.
Junto a estos segmentos génicos se sitúan otros conocidos como segmentos promotores y
que son responsables de iniciar la señal del proceso de transcripción del DNA. El lugar
preciso de la iniciación de la transcripción es reconocido por la combinación conservada de
cuatro bases en las que se alternan timina y adenina, para formar lo que se conoce como
caja "TATA".
Dentro de las secuencias promotoras, se encuentran secuencias del DNA a las que se van a
unir de manera específica ciertas proteínas nucleares conocidos como factores
transcripcionales que son las que van a regular su función.
Regulación del proceso de reordenación de las inmunoglobulinas
La complejidad de estos procesos de recombinación ha de tener, necesariamente, un
mecanismo de regulación muy estricto, no solo para las Igs sino también para el TCR, en el
que sabemos que participan los genes RAG-1 y RAG-2 (genes activadores de la
recombinación 1 y 2).
Fenómenos de aproximación de regiones
Para el proceso de reordenamiento génico, se deberán de juntar los segmentos de genes que
formarán la estructura de las futuras cadenas ligeras y pesadas. Este acercamiento implica la
formación de un bucle en la estructura espacial del DNA, de manera que la aproximación
entre ambas regiones no es lineal, sino espacial. (Figura: Eliminación).
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Cambio de isotipo de las inmunoglobulinas.
Cuando los linfocitos B reconocen al antígeno, y se activan las células plasmáticas formadas
producen IgM dando lugar a la respuesta primaria.
Si el estímulo persiste, otras células
pueden comenzar a producir IgG, IgA e
IgE. Esto quiere decir que las células B
tienen la propiedad de cambiar el isotipo
de las inmunoglobulinas que producen.
Por tanto, en la respuesta a un mismo
antígeno se van a generar anticuerpos
que van a mantener su parte variable,
pero van a ser diferentes en los
segmentos constantes que van a
ensamblar dando lugar a varios isotipos.
Esto se debe a que las células B cambian
su isotipo a nivel de DNA, así una célula
que ha sido comprometida a producir
anticuerpos de un determinado isotipo,
va a sufrir una delección de todos los
genes C a excepción del correspondiente a la subclase que va a ser producida (Figura:
Delección). Otra forma es por splicing alternativo (Figura: Splicing alternativo) que se debe a
la transcripción alternativa de los exones. Estos fenómenos pueden ser influenciados por
ciertas citocinas, como es la IL-4
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Causas de diversidad de las Inmunoglobulinas
La diversidad de las inmunoglobulinas se debe a múltiples factores, entre ellos destacan.
• La variabilidad de las cadenas ligeras y pesadas, por una parte, y por otra de las diversas posibilidades de unirse entre sí estas cadenas. La variabilidad de cadenas, tanto L como H, que un mismo organismo es capaz de producir, se debe al alto número de segmentos V, D y J existentes, y a la multiplicidad de formas de combinación tanto en cadenas pesadas como ligeras.
• Así, si consideramos que para la cadena pesada de las inmunoglobulinas del ratón existen unos 300 genes VH, 12 genes DH y 4 genes JH, las posibilidades de combinación diferentes son como mínimo de (300x12x4) =1.4x104. A esto hay que añadir las provenientes de las cadenas ligeras que para una sola cadena puede ser del orden 1.2x103. Por otra parte, al necesitarse la unión de cadenas pesada y ligera, las posibilidades combinatorias son las resultantes de multiplicar los valores obtenidos del cálculo de variabilidad de cada una de las cadenas.
• Otro generador de diversidad es la imprecisión de las uniones de los segmentos V, D y J debido posiblemente a desequilibrios en la unión entre los intrones y exones correspondientes. Este mecanismo multiplica las posibilidades combinatorias de los genes de la cadena pesada y de las cadenas ligeras.
• Además, toda la diversidad generada por los dos mecanismos ya mencionados, puede verse amplificada por la aparición de mutaciones puntuales en el gen responsable de una determinada cadena de inmunoglobulinas. La ocurrencia de hipermutaciones somáticas como vía de generación de diversidad se ha demostrado al encontrarse cadenas de inmunoglobulinas que, obtenidas del mismo tipo de mieloma, poseían secuencias de aminoácidos ligeramente diferentes a pesar de estar codificadas por un mismo gen. Estas mutaciones somáticas son de gran importancia en los procesos de incremento de la afinidad del anticuerpo. Sabemos que conforme se produce en el tiempo la respuesta de inmunoglobulinas, esta no sólo incrementa el número de moléculas producidas, sino que igualmente lo hace la afinidad de las mismas.
Exclusión alélica en la síntesis de Inmunoglobulinas
Cada célula productora de anticuerpos sólo expresa un tipo de cadena pesada y de cadena
ligera. Este fenómeno se produce a pesar de que los genes que codifican estas cadenas se
encuentran presentes tanto en el cromosoma de origen paterno como materno. Es decir, a
pesar de que existan dos copias para cada una de las cadenas pesadas y ligeras, sólo una es
expresada. De no ser así se generaría un serio problema en el individuo que generaría
anticuerpos por una misma célula con especificidades diferentes.
Este fenómeno se conoce como exclusión alélica y se debe a que una vez que se ha
producido una unión productiva V/D/J, los procesos de recombinación son bruscamente
detenidos en el otro cromosoma.
Fases finales de las síntesis de Inmunoglobulinas
El RNA mensajero correspondiente al péptido a sintetizar se forma mediante la transcripción
de los segmentos V, D, J y C ya reagrupados, de manera que la información de estas
regiones se transcribe en un solo mRNA al que se añade la cola de poliadenilación (poli-A).
También se transcribe el segmento L (Figura: Secreción). Las partes del RNAm
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correspondientes a los segmentos intrónicos son eliminadas. Después, el RNAm abandonará
el núcleo para alcanzar los ribosomas en donde se producirá la síntesis de los péptidos
mediante el proceso de traducción.
En el proceso de traducción en el ribosoma se
sintetizan los péptidos, que después glicosilan y se
ensamblan para la formación de la inmunoglobulina
completa.
Una vez que se ha producido el ensamblaje de la
inmunoglobulina, esta molécula tiene dos opciones.
Una primera es la de permanecer en la membrana
de las células B, convirtiéndose de esta forma en el
receptor de las células B para el antígeno. La
segunda opción es la de ser secretada al medio,
con la función de interaccionar directamente con el
antígeno y conseguir su destrucción.
La única diferencia entre ambas es que las formas
de Igs de membrana tienen además un péptido añadido que le vale para unirse a la
membrana.
Anticuerpos monoclonales producidos por hibridomas
Cuando un antígeno induce la producción de anticuerpos se forman una gran variabilidad de
éstos frente a los diferentes epítopos
del antígeno. Esta producción de
anticuerpos es de tipo policlonal debido
a que son muchos y muy diversos
clones linfocitarios los que se activan y
diferencian (Figura: Producción AcMo).
Este fenómeno es de gran utilidad
biológica ya que ofrecen una amplia
barrera de protección del organismo
por la gran variabilidad de anticuerpos
formados.
Sin embargo, los antisueros así
obtenidos, ofrecen serias dificultades
para su uso, en el laboratorio debido a
la gran heterogeneidad estructural y funcional que poseen. Este problema se ha solucionado
desde que Georges Kholer y Cesar Milstein consiguieron la producción de anticuerpos
monoespecíficos, conocidos como anticuerpos monoclonales (AcMo) (Figura: Cesar Milstein).
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Con ello se abrió un amplio campo en Biología y Medicina puesto que estos anticuerpos son
de una gran utilidad por cuanto tienen la capacidad de reconocer a un solo epítopo
determinado. Veamos primero como se producen y después sus utilidades.
Fundamentos de la producción de anticuerpos
monoclonales
El método seguido para la producción de estos anticuerpos
consiste en la unión (fusión) de una célula B productora de
anticuerpos, con una célula de gran capacidad de crecimiento
(células de mieloma) con lo cual se forma un híbrido (
hibridoma) que posee la información genética necesaria para
la síntesis del anticuerpo deseado, que le es aportada por la
célula B, y una activa capacidad de síntesis proteica al tiempo
que puede multiplicarse tanto in vivo como in vitro
indefinidamente, propiedades estas últimas que son aportadas
por la célula mielomatosa (Figura: Sínteis AcMo).
De esta manera, se pueden producir innumerables tipos de hibridomas de acuerdo con el
tipo de anticuerpo que interesa. Al ser cada uno de los anticuerpos así producidos
homogéneos, ofrecen patrones de reacción de gran especificidad con los antígenos utilizados
en la inmunización.
De esta manera se pudo desarrollar cultivos continuos de células híbridas que segregaban un
anticuerpo monoclonal de especificidad predefinida. Una vez seleccionado el hibridoma
adecuado, éste puede conservarse largo tiempo congelado. En cualquier momento el clon
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puede hacerse crecer para la producción de anticuerpos por inyección a ratones o siembra
en cultivo. Generalmente el clon se inyecta intraperitonealmente generándose ascitis
extraordinariamente ricas en anticuerpos, de donde son fácilmente purificables. Cuando el
clon se ha cultivado in vitro el anticuerpo se recolecta a partir del sobrenadante del cultivo.
Tecnología de la obtención de AcMo
Generalmente se comienza por inmunizar a ratones con el antígeno frente al cual se desea
obtener el anticuerpo. Comprobada la presencia de anticuerpos se procede al aislamiento de
las células B productoras de los mismos del bazo de los animales, en condiciones de
esterilidad.
Las células así obtenidas serán utilizadas para su fusión con células de mieloma. Mientras los
linfocitos B, sensibilizados frente al antígeno correspondiente aportan al híbrido los genes
que codifican las cadenas ligeras y pesadas de las inmunoglobulinas, la línea mielomatosa
dota al híbrido de la capacidad de crecimiento ilimitado propia de las células tumorales.
La fusión celular entre los esplenocitos del ratón inmunizado y la línea mielomatosa NSI se
realiza la presencia de polietilén glicol (PEG) que es un detergente capaz de disolver parte de
la membrana celular permitiendo así la formación de células que contienen dos núcleos
(fusión celular). Posteriormente se procede a la selección de los híbridos que se inicia a partir
de las 24 horas después de la fusión.
Terminado este proceso se estudian los sobrenadantes de los híbridos para determinar si
producen anticuerpos. Los hibridomas productores de anticuerpos se expanden y si siguen
siendo positivos se clonan cuando se estabilizan en cultivo. La clonación tiene como objetivo
aislar el hibridoma productor del anticuerpo deseado y que todas las células que lo
constituyen procedan de la misma célula progenitora, dado que los hibridomas productores
de anticuerpos se encuentran mezclados en cultivo con otros hibridomas que, o bien no son
productores o sintetizan anticuerpos que no interesan.
Se expone un esquema del procedimiento seguido para la producción de AcMo para su
posterior utilización tanto en el laboratorio como en la clínica como medio terapéutico y
diagnostico.
Utilidad de los anticuerpos monoclonales
Los AcMo, son de gran utilidad en múltiples circunstancias. A continuación se relacionan algunas de ellas.
• En la caracterización y cuantificación de sustancias de interés biológico que se encuentran en cantidades muy pequeñas, tales como hormonas, enzimas, interferones, etc (Tabla: Utilidad de los AcMo).
• En la identificación de antígenos presentes en las membranas celulares, tales como las moléculas CD3, CD4, CD8 y otras muchas.
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Esto ha permitido no solamente la cuantificación de subpoblaciones celulares, sino también su fraccionamiento y aislamiento.
• En trasplantes de órganos y enfermedades autoinmunes en donde los AcMo dirigidos contra los linfocitos T se utilizan frecuentemente en casos de amenaza de rechazo agudo.
• En oncología para la localización de células tumorales y/o su destrucción. Para ello los anticuerpos monoclonales específicos frente a antígenos tumorales tales como el antígeno carcinoembrionario pueden ser marcados con sustancias radioactivas, como por ejemplo In111 o Tc99. De esta manera es posible localizar su situación en el organismo mediante una gamma cámara especial cuando son administrados a individuos afectos de tumores. También los AcMo pueden ser utilizados en la destrucción de células tumorales en oncología, para lo cual los anticuerpos son marcados con drogas citostáticas y citotóxicas.
AcMo quiméricos humanizados
Al ser los AcMo en su mayoría de origen murino, cuando administran a individuos, éstos pueden producir anticuerpos frente a los mismos, lo que hace que disminuya su eficacia o incluso aparezcan problemas de tipo alérgico cuando se usan de manera reiterada.
Para evitar este problema se están ya obteniendo mediante técnicas de ingeniería genética anticuerpos humanizados de tipo quimérico. Estos anticuerpos se preparan mediante la creación de una molécula híbrida en la que se mantienen las partes del anticuerpo monoclonal de ratón que le confieren la especificidad (regiones V, D y J), y sustituir la región constante del anticuerpo de ratón por una región igualmente constante del mismo isotipo pero de procedencia humana.
De acuerdo con esto, es posible eliminar de un anticuerpo de ratón (al menos parcialmente) sus regiones más inmunógenas, de manera que no sea reconocido como extraño por la persona que es inyectada el organismo humano. Un paso más adelante en la humanización de los anticuerpos monoclonales producidos en ratón ha sido ya dado mediante la realización de los llamados anticuerpos hiperquiméricos.
Sin embargo, sería deseable que, para su aplicación terapéutica, los anticuerpos procedieran de linfocitos humanos y no de ratón o rata. Contrariamente a lo que se esperaba en un comienzo, la utilización de linfocitos humanos ha resultado difícil, en tanto que los intentos de inmortalizar hibridomas humanos mediante su fusión con células mielómicas de ratón o rata, han sido, hasta la fecha, decepcionantes.
El problema reside en que, cuando se fusionan células humanas con células animales, hay una rápida pérdida preferencial de los cromosomas humanos en las células híbridas interespecies resultantes. En la actualidad se comienza a producir AcMo humanos empleando linfocitos B a los que se transforma en tumorales mediante su infección con el virus de Epstein Barr, obteniéndose así linfocitos B productores de AcMo que pueden ser clonados y, por consiguiente, anticuerpos monoclonales homogéneos en su composición y especificidad (Figura: Hibridoma).