La formación de un inmunólogo: los años de Heidelberger en el Instituto Rockefeller, 1912-1927

La formación de un inmunólogo: los años de Heidelberger en el Instituto Rockefeller, 1912-1927

 

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 Michael Heidelberger saltó a la fama científica durante sus quince años en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica (hoy Universidad Rockefeller), fundado en 1901 como el principal centro de investigación biomédica del país. Como colaborador en los laboratorios de varios de los principales investigadores del instituto, desarrolló importantes fármacos quimioterapéuticos y ayudó a lanzar la inmunología moderna mediante la introducción de enfoques bioquímicos en el campo. Su descubrimiento seminal con Oswald T. Avery en 1923 de que los poderosos antígenos de la bacteria neumococo son polisacáridos abrió una nueva área expansiva en el estudio de los microorganismos y, por primera vez, estableció una conexión entre la estructura química de los antígenos (los microorganismos, partículas, o toxinas que provocan una reacción inmune en animales) y su especificidad inmunológica, o modo de acción.

 La asociación de Heidelberger con el Instituto Rockefeller comenzó antes de su contratación formal. Su antiguo médico de familia se había unido al Instituto y fue el primero en entrevistar a Heidelberger sobre su interés en convertirse en científico. Por recomendación de los químicos del Instituto Rockefeller, Phoebus A. T. Levene, Donald D. Van Slyke y Walter A. Jacobs, Heidelberger decidió en 1911 pasar un año en el laboratorio de Richard Willstätter en la Universidad Politécnica Federal de Zúrich para completar su formación y aumentar sus posibilidades de obtener un puesto en una universidad de investigación en los Estados Unidos.

Willstätter, Premio Nobel de Química de 1915, estaba realizando una investigación innovadora sobre la constitución química y la función de las enzimas y de los pigmentos vegetales, en particular la clorofila, que Heidelberger había ido a estudiar. En cambio, Willstätter puso a Heidelberger a descubrir la estructura del ciclooctatetraeno. Heidelberger demostró que este compuesto inestable era el siguiente análogo superior del benceno, con ocho átomos de carbono y cuatro dobles enlaces. Heidelberger trabajó continuamente durante casi 24 horas a bajas temperaturas para obtener un líquido incoloro que fuera lo suficientemente estable y reactivo para el análisis químico. Los resultados de Heidelberger se mantuvieron frente a las críticas de Hugh S. Taylor y Charles D. Hurd durante la década de 1940 de que la sustancia que él y Willstätter habían producido no era de hecho ciclooctatetraeno. Como consecuencia de su trabajo, el ciclooctatetraeno se convirtió en un intermediario ampliamente utilizado en química orgánica.

Después de que Simon Flexner, el director del Instituto Rockefeller, le ofreciera un puesto como Fellow, Heidelberger pasó más de nueve años, de 1912 a 1921, en el laboratorio de Walter Jacobs. Describió a Jacobs como un experimentador muy hábil de quien aprendió importantes técnicas de investigación, como la forma de trabajar en una serie de problemas a la vez. Colaboraron en la síntesis de varios fármacos quimioterapéuticos, que esperaban sirvieran como tratamientos para enfermedades infecciosas. Bajo la dirección de Flexner, estudiaron un derivado de la hexametilentetramina, un complejo de formaldehído y amoníaco que parecía prolongar la vida de los monos que padecían poliomielitis, para su uso en humanos. Los resultados parecían prometedores al principio, pero luego resultaron ser debido a la pérdida de virulencia del virus.

Durante la Primera Guerra Mundial, Jacobs y Heidelberger centraron su atención en los arsenicales aromáticos para usarlos como agentes quimioterapéuticos contra la sífilis y la enfermedad del sueño africana. Se centraron en los arsenicales pentavalentes, estudiados por primera vez por Paul Ehrlich en el curso de la investigación que condujo a su descubrimiento de Salvarsan, la "bala mágica" contra la sífilis hasta la introducción de los antibióticos. Ehrlich había examinado varios compuestos de esta clase, en particular el ácido arsénico de fenilglicina, pero los había encontrado demasiado tóxicos para su uso como fármacos. Jacobs sospechó que su toxicidad era el resultado de agrupaciones químicas que eran altamente reactivas in vivo y razonó que si estas agrupaciones se reemplazaban o se enmascaraban químicamente, los compuestos podrían resultar terapéuticos. Jacobs y Heidelberger sintetizaron una amida de ácido arsénico de fenilglicina en la que se bloqueó el grupo carboxilo, y el fármaco resultante, arsonato de parafenilglicinamida de sodio, para el que Flexner propuso el nombre de triparsamida, demostró ser eficaz contra la tripanosomiasis, es decir, la enfermedad del sueño africana. Louise Pearce lo probó con éxito en humanos en el Congo Belga y se convirtió en el tratamiento quimioterapéutico estándar para la enfermedad. Todavía está en uso hoy.

 Durante este tiempo, Heidelberger también estudió la quimioterapia de las infecciones bacterianas neumocócicas, la causa más común de neumonía lobar. Heidelberger y Jacobs creían que para ser un quimioterapéutico útil, una sustancia tenía que ser altamente bactericida. Entre los compuestos que estudiaron estaba la sulfanilamida, sintetizada por primera vez por el químico vienés Paul Gelmo en 1908. Mejoraron el método para preparar la sulfanilamida, pero debido a que no era bactericida in vitro, no probaron sus propiedades terapéuticas, sino que la convirtieron en altamente derivados bactericidas pero terapéuticamente ineficaces. Veinte años más tarde, Gerhard Domagk probó empíricamente Prontosil, un colorante azoico en el que un grupo de sulfonamida era el ingrediente activo, lanzando así las sulfamidas y marcando el comienzo de una nueva era en la quimioterapia de infecciones bacterianas y otras enfermedades. El descubrimiento de los efectos terapéuticos de la sulfonamida ayudó a salvar innumerables vidas y le valió a Domagk el premio Nobel en 1939. En sus conferencias para estudiantes de medicina de primer año en el Colegio de Médicos y Cirujanos, Heidelberger siempre contaba esta historia como una advertencia de que los científicos no deberían estar en deuda con una teoría en particular.

En 1921, después de nueve años y medio en el laboratorio de Jacobs, Heidelberger se trasladó al laboratorio de Donald D. Van Slyke en el Rockefeller Institute Hospital para unirse a Van Slyke y Baird Hastings en sus estudios sobre la captación y liberación de oxígeno. por la hemoglobina en la sangre. Lo hizo a instancias de Flexner, quien pensó que Heidelberger tendría más posibilidades de obtener un puesto de investigación independiente como bioquímico que como químico orgánico. Heidelberger pasó los siguientes dos años desarrollando una técnica para preparar grandes cantidades de oxihemoglobina de caballo cristalina y purificada, con su capacidad de transporte de oxígeno intacta (una capacidad que a veces se pierde durante la purificación).

En el curso de su trabajo sobre la hemoglobina, Heidelberger diseñó la primera centrífuga refrigerada, con un serpentín de enfriamiento de salmuera envuelto alrededor de una centrífuga de tamaño estándar 2. Su invento fue motivado por su preocupación por su técnico de laboratorio, que contraía resfriados recurrentes trabajando en la cámara frigorífica en la que se había instalado una centrífuga convencional. La centrífuga refrigerada se convirtió rápidamente en equipo estándar en los laboratorios bioquímicos. Heidelberger decidió no patentar su invento, con el resultado de que su ganancia comercial ascendió a solo $ 50, pagados por el fabricante, International Equipment Company, por escribir el manual de operación.

Durante estos años, Heidelberger desarrolló un interés más profundo en la hemoglobina. Siguiendo una idea que estaba muy adelantada a su tiempo, Heidelberger en 1920 tomó algunas de las primeras fotografías de rayos X de cristales de la gran proteína en los laboratorios de General Electrics en Schenectady, Nueva York, con la esperanza de derivar de estas fotografías su imagen tridimensional. estructura. No logró resultados útiles (determinar la estructura de la hemoglobina mediante cristalografía de rayos X presentó muchas dificultades y no se logró hasta 1953) y su fracaso lo impulsó a reanudar su enfoque en la analítica y la bioquímica.

 Heidelberger se aventuró por primera vez en el campo de la inmunoquímica durante una investigación conjunta con el inmunólogo austriaco y futuro premio Nobel (1930), Karl Landsteiner, quien llegó al Instituto Rockefeller en 1922. Su investigación, así como la posterior colaboración de Heidelberger con Oswald Avery y, de hecho, su trabajo durante las siguientes cinco décadas fue diseñado para dilucidar el hecho de que los anticuerpos, moléculas de proteína que reaccionan con un antígeno específico, no estaban dirigidos contra un antígeno en su conjunto, sino contra grupos químicos particulares (más tarde llamados determinantes antigénicos) en la superficie del antígeno a la que se unen los anticuerpos. Heidelberger demostró así que la especificidad de los antígenos y los anticuerpos, es decir, la correlación entre un tipo particular de antígeno y el único tipo de anticuerpo cuya síntesis induce (entre más de un millón de tipos diferentes conocidos en la actualidad), no se basaba en en características biológicas generales, como habían concluido generaciones anteriores de inmunólogos, sino en una característica definida con precisión de la química del antígeno. Aunque el mecanismo químico exacto de unión de un antígeno específico a un anticuerpo específico no se descubrió hasta la década de 1950, los descubrimientos de Heidelberger explicaron por qué ciertos microorganismos eran particularmente patógenos y por qué la recuperación dependía de la aparición en el suero de los pacientes de anticuerpos específicos para los antígenos del infectante. microorganismo.

Heidelberger y Landsteiner se embarcaron en estudios de las propiedades antigénicas de diferentes tipos de hemoglobinas, que Landsteiner había aislado por primera vez y para las que había preparado antisueros. Las hemoglobinas de una especie de animal pueden actuar como antígenos cuando se inyectan en otra, desencadenando así una respuesta inmunitaria que produce anticuerpos contenidos en el suero sanguíneo, el líquido transparente que se separa de la sangre al coagularse. (El suero es la porción clara de cualquier fluido corporal. El suero que contiene anticuerpos o antitoxinas se llama antisuero).

En dos importantes artículos publicados en 1923, Heidelberger y Landsteiner presentaron nuevas técnicas inmunológicas y de solubilidad para distinguir y comparar hemoglobinas de diferentes especies. Demostraron, primero, que el mismo antisuero podía precipitar hemoglobinas antigénicamente distintas; y segundo, que las hemoglobinas de caballo y burro reaccionaron de forma cruzada con antisueros para el otro, lo que significa que no hubo diferencias inmunológicas entre ellos. Estos experimentos le enseñaron mucho a Heidelberger sobre reacciones inmunológicas cruzadas, la interacción de un antígeno con un anticuerpo formado contra un antígeno diferente con el que el primer antígeno comparte determinantes antigénicos idénticos o estrechamente relacionados. Heidelberger estudió las reacciones cruzadas a lo largo de su carrera porque dan pistas importantes sobre la estructura química de antígenos y anticuerpos.

Poco después, Heidelberger se vio nuevamente atraído por el estudio del neumococo cuando el bacteriólogo Oswald Avery, jefe del grupo de estudio del neumococo en el Instituto Rockefeller, fue a ver a Heidelberger, agitando un vial de una suspensión gris oscuro de la bacteria del neumococo y diciendo: " todo el secreto de la especificidad bacteriana está en este pequeño vial. ¿Cuándo vas a trabajar en ello? Hasta la introducción de las sulfonamidas a fines de la década de 1930 y de la penicilina en la década de 1940, la neumonía causada por una infección neumocócica era una de las principales causas de enfermedad y muerte en humanos. El único tratamiento eficaz fue la inyección de antisueros antineumocócicos producidos en conejos y caballos mediante la inoculación de neumococos muertos. Descubrir la constitución química y el modo de acción (la especificidad) del neumococo fue de gran importancia científica y clínica.

Fred Neufeld había clasificado el neumococo aislado de la sangre y el esputo de pacientes infectados en tres tipos estables (I, II y III) y había relegado todos los demás (Heidelberger demostró a lo largo de su carrera que había muchos) al grupo IV. Pero los bacteriólogos y los médicos sabían poco sobre su composición química, o sobre cómo los antígenos del neumococo, o incluso de cualquier microorganismo o toxina, se unen a anticuerpos específicos y causan enfermedades de menor o mayor virulencia. La mayoría de los científicos asumieron que los antígenos eran proteínas, pero dado que la fina estructura de las proteínas seguía siendo un misterio, la especificidad de los antígenos no podía explicarse en términos de su química.

 Con el fin de averiguar qué aspecto de su química hizo que el neumococo fuera un antígeno tan poderoso y que algunos de sus tipos fueran aún más poderosos que otros, Avery trató de descubrir la composición química de los precipitados de la "sustancia soluble específica", él y Alphonse R. Dochez había obtenido incubando bacterias neumocócicas virulentas con antisueros de tipo específico. Fue esta sustancia, que, como Avery y Dochez se dieron cuenta, se desprendió de la cápsula que rodeaba a los neumococos vivos y virulentos, lo que impartió a cada tipo neumocócico su especificidad inmunológica. Para caracterizar el material capsular, Avery necesitaba la experiencia de un bioquímico como Heidelberger.

Aplicando minuciosas técnicas requeridas antes de la invención de la cromatografía en papel, Heidelberger precipitó la sustancia soluble específica de Avery en neumococos tipo II (una elección afortunada debido a la simplicidad estructural de su cápsula) con antisuero específico para este tipo y recuperó la sustancia del precipitado. Luego lo purificó hasta el punto en que ya no contenía nitrógeno, un componente de casi todas las proteínas. Heidelberger y Avery llegaron a la conclusión de que, en lugar de proteínas, la sustancia consistía en carbohidratos libres de nitrógeno, es decir, polisacáridos, compuestos de azúcar formados por cadenas de cinco o más monosacáridos. La estructura química de los polisacáridos capsulares largos y filiformes de cada tipo de neumococo era distinta y servía para distinguir entre tipos.

Además, Heidelberger y Avery encontraron que la virulencia tanto en el neumococo tipo II como en el tipo III estaba determinada por las secuencias repetitivas de monosacáridos a lo largo de la molécula. De este modo establecieron por primera vez una conexión definitiva entre la constitución química de un antígeno y su especificidad inmunológica, y dieron la primera indicación de la importancia de los polisacáridos en los fenómenos inmunológicos. Durante las siguientes décadas, Heidelberger determinó las estructuras de carbohidratos de varias docenas de antígenos neumocócicos y de otros polisacáridos, demostrando que juegan un papel clave en la inmunoquímica de muchos microorganismos encapsulados y varios no encapsulados.

En reconocimiento de su éxito y el de Avery, Flexner en 1924 concedió a Heidelberger un año sabático, el primero en el Instituto, para recorrer los principales laboratorios de Europa.

Después de tres años más de estudiar la estructura química de los antígenos polisacáridos del neumococo con Avery y Walther F. Goebel, Heidelberger dejó el Instituto Rockefeller en 1927 para convertirse en jefe de su propio laboratorio, en el Hospital Mount Sinai en el Upper East Side de Nueva York. Allí esperaba continuar su investigación de forma independiente, pero encontró un laboratorio que necesitaba una reorganización completa, una tarea que tomó todo su tiempo durante los primeros seis meses. Después de eso, se preocupó en gran medida por las pruebas de rutina de muestras hospitalarias, incluidos, entre muchos otros, casos de envenenamiento por plomo. Se alegró de aceptar al año siguiente una oferta de una cátedra de investigación en el Colegio de Médicos y Cirujanos de la Universidad de Columbia. Sin embargo, conoció en Mount Sinai a M. Soo Hoo, un químico chino a quien Heidelberger había pedido que despidiera, pero que en cambio se convirtió en su técnico de laboratorio personal durante los siguientes treinta y cinco años y coautor de varios artículos.