Capítulo 9: Patogenia de la infección bacteriana

La patogenia de la infección bacteriana comprende el comienzo del proceso infeccioso y los mecanismos que provocan la aparición de los signos y síntomas de la enfermedad. En este capítulo se describen los factores bioquímicos, estructurales y genéticos que contribuyen más a la patogenia bacteriana, pero también se pueden consultar en las secciones sobre cada microorganismo. Algunas de las características de las bacterias patógenas son transmisibilidad, adherencia a las células hospedadoras, persistencia, invasión de las células y tejidos hospedadores, toxigenicidad y capacidad para evadir o sobrevivir al sistema inmunitario del hospedador. La resistencia a los antimicrobianos y desinfectantes también contribuye a la virulencia, o a la capacidad que tiene cada microorganismo para producir una enfermedad.

Muchas infecciones producidas por bacterias que suelen considerarse patógenas permanecen ocultas o son asintomáticas. La enfermedad ocurre cuando la bacteria o las reacciones inmunitarias que se desencadenan por su presencia dañan lo suficiente a la persona. Los términos que se utilizan con frecuencia para describir una serie de aspectos de la patogenia se definen en el glosario (véase más adelante). Véase el glosario del capítulo 8 para obtener definiciones de los términos utilizados en inmunología y para describir los aspectos relacionados con la respuesta del hospedador ante la infección.

• Adherencia (adhesión, unión): Proceso por medio del cual las bacterias se unen a las superficies de las células hospedadoras. Una vez que las bacterias penetran en el organismo, el paso principal en la evolución de la infección es la adherencia. Los términos adherencia, adhesión y unión se utilizan en forma indistinta.

• Infección: Multiplicación de un microorganismo infeccioso dentro del organismo. La multiplicación de las bacterias que forman parte de la flora normal del tubo digestivo, piel, etc., no suele considerarse infección; por otro lado, la multiplicación de las bacterias patógenas (p. ej., especies de Salmonella), incluso cuando la persona se encuentra asintomática, se considera infección.

• Invasión: Proceso a través del cual las bacterias, parásitos animales, hongos y virus penetran en las células o tejidos del hospedador y se diseminan dentro del organismo.

• Microbiota: Flora microbiana que habita en las personas sanas.

• No patógenos: Un microorganismo que no es patógeno también puede formar parte de la microbiota normal.

• Patogenicidad: Potencial de un microorganismo infeccioso de producir una enfermedad (véase también virulencia).

• Patógeno: Microorganismo que puede causar una enfermedad.

• Patógeno oportunista: Microorganismo con el potencial de producir una enfermedad sólo cuando la resistencia del hospedador es deficiente (p. ej., cuando el paciente se encuentra “inmunodeprimido”).

• Portador: Persona o animal con una infección asintomática que puede transmitir a otra persona o animal susceptible.

• Superantígenos: Toxinas formadas por proteínas que activan el sistema inmunitario fijándose al complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) y los receptores de células T (TCR) y que estimulan a un gran número de células T para que produzcan cantidades masivas de citocinas.

• Toxigenicidad: Potencial de un microorganismo de producir una toxina que contribuye a la enfermedad.

• Virulencia: Potencial cuantitativo de un microorganismo de producir una enfermedad. Los microorganismos virulentos generan la enfermedad cuando un pequeño número se introduce en el organismo. La virulencia abarca adherencia, persistencia, invasión y toxigenicidad (véase antes).

Los seres humanos y los animales poseen una microbiota normal abundante que no suele generar enfermedades (cap. 10), pero que logra un equilibrio que garantiza la supervivencia, el crecimiento y la propagación tanto de las bacterias como del hospedador. Algunas bacterias que son causas importantes de diversas enfermedades se obtienen con el cultivo de la flora normal (p. ej., Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus). Algunas veces existen bacterias que son claramente patógenas (p. ej., el serotipo Typhy de la Salmonella), pero la infección permanece latente o subclínica y el hospedador es un “portador” de la bacteria.

Otras veces es difícil demostrar que una especie bacteriana específica constituye la causa de determinada enfermedad. En 1884, Robert Koch propuso una serie de principios que se han aplicado de manera extensa con el fin de vincular una serie de especies de bacterias con determinadas enfermedades. En el cuadro 9-1 se resumen los principios de Koch.

Los postulados de Koch siguen siendo un pilar de la microbiología; sin embargo, desde finales del siglo XIX, se ha demostrado que muchos microorganismos que no satisfacen los criterios de estos principios también causan enfermedades. Por ejemplo, Treponema pallidum (sífilis) y Mycobacterium leprae (lepra) no se pueden cultivar in vitro; no obstante, existen modelos animales de infección con estos microorganismos. Otro ejemplo es Neisseria gonorrhoeae (gonorrea), para lo cual no existe modelo animal de infección aunque la bacteria se puede cultivar fácilmente in vitro; también se ha producido infección experimental en seres humanos, que sustituye al modelo animal.

En otros casos, los postulados de Koch se han cumplido cuando menos parcialmente al demostrar patogenicidad bacteriana en un modelo de infección in vitro en lugar de un modelo animal. Por ejemplo, algunas variedades de diarrea inducida por Escherichia coli (cap. 15) se han definido por la interacción del E. coli con células del hospedador en cultivo.

Al investigar a determinado microorganismo como posible causa de una enfermedad, también es importante tomar en consideración las respuestas inmunitarias del hospedador. Por consiguiente, la elevación de un anticuerpo específico durante la recuperación de una enfermedad constituye un complemento importante de los principios de Koch.

La genética microbiana moderna ha abierto nuevas fronteras para estudiar a las bacterias patógenas y distinguirlas de las no apatógenas. La clonación molecular ha permitido a los investigadores aislar y modificar genes específicos de virulencia y estudiarlos con modelos de infección. Gracias al estudio de los genes vinculados con la virulencia se han propuesto los postulados moleculares de Koch. Estos postulados se resumen en el cuadro 9-1.

Algunos microorganismos patógenos son difíciles o imposibles de cultivar y por esta razón no es posible establecer la causa de la enfermedad que generan por medio de los postulados de Koch o los postulados moleculares de Koch. La reacción en cadena de la polimerasa se utiliza para amplificar las secuencias de ácidos nucleicos específicas de cada microorganismo a partir de los tejidos o líquidos del hospedador. Estas secuencias se utilizan para identificar a los microorganismos causales. En el cuadro 9-1 se enumeran los principios moleculares para establecer la causa de una enfermedad microbiana. Este método se ha utilizado para establecer la causa de diversas enfermedades como la enfermedad de Whipple (Tropheryma whipplei), angiomatosis bacilar (Bartonella henselae), ehrlichiosis monocítica humana (Ehrlichia chaffeensis), síndrome pulmonar por hantavirus (virus sin nombre) y sarcoma de Kaposi (herpesvirus humano 8).

El análisis de la infección y la enfermedad aplicando una serie de normas como los postulados de Koch, permite clasificar a las bacterias en patógenas, patógenas oportunistas o no patógenas. Algunas especies de bacterias siempre se consideran patógenas y su presencia es anormal; dos ejemplos son Myco bacterium tuberculosis (tuberculosis) y Yersinia pestis (peste). Estas bacterias cumplen fácilmente los postulados de Koch. Otras especies que a menudo forman parte de la microbiota normal de los seres humanos (y animales) también producen enfermedades con frecuencia. Por ejemplo, E. coli forma parte de la flora digestiva de los seres humanos sanos, pero también constituye una causa frecuente de las infecciones urinarias, diarrea del turista y otras enfermedades. Las cepas de E. coli que causan enfermedades se distinguen de las que no lo hacen al establecer: 1) si son virulentas en modelos animales o modelos in vitro, y 2) si tienen una composición genética ligada a la generación de enfermedades. Otras bacterias (p. ej., especies de Pseudomonas, Stenotrophomonas maltophilia, levaduras y mohos) sólo causan enfermedad en personas inmunodeprimidas y débiles, por lo que son patógenos oportunistas.

Las bacterias (y otros microorganismos) se adaptan a diversos ambientes que comprenden fuentes externas como tierra, agua y materia orgánica o fuentes internas encontradas dentro de los insectos vectores, animales y seres humanos, donde normalmente habitan y subsisten. Al hacerlo, las bacterias aseguran su supervivencia y aumentan la probabilidad de transmisión. Al producir una infección asintomática o enfermedad leve, en lugar de la muerte del hospedador, los microorganismos que habitan normalmente en las personas aumentan la probabilidad de transmisión de una persona a otra.

Algunas bacterias que con frecuencia causan enfermedades en los seres humanos, existen principalmente en animales e infectan de manera incidental al ser humano. Por ejemplo, algunas especies de Salmonella y Campylobacter infectan a los animales y son transmitidas en productos alimenticios al ser humano. Otras bacterias generan infecciones en los seres humanos de manera involuntaria, un error en el ciclo vital normal del microorganismo; éstos no se han adaptado a las personas y la enfermedad que generan en ocasiones es grave. Por ejemplo, Y. pestis (peste) tiene un ciclo vital bien establecido en los roedores y pulgas de roedores y su transmisión a través de las pulgas a los seres humanos es involuntaria; Bacillus anthracis (carbunco) vive en el medio ambiente, en ocasiones infecta a los animales y es transmitido a los seres humanos a través de ciertos productos como pelo natural de animales infectados. Las especies de Clostridium se encuentran en el medio ambiente y se transmiten al ser humano a través de su ingestión (p. ej., gastroenteritis por C. perfringens y C. botulinum [botulismo]) o cuando las heridas se contaminan con tierra (p. ej., C. perfringens [gangrena gaseosa] y C. tetani [tétanos]). Tanto Bacillus anthracis como las especies de Clostridium, elaboran esporas para proteger el ácido nucleico del microorganismo de diversos factores ambientales nocivos como la luz ultravioleta, la desecación, los detergentes químicos y los pH extremos. Estas esporas garantizan la supervivencia en ambientes externos, incluidos los alimentos que ingiere el ser humano. Después de ser ingeridas o inoculadas, las esporas germinan para formar una estructura vegetativa y metabólicamente activa del microorganismo patógeno.

Las manifestaciones clínicas de las enfermedades (p. ej., diarrea, tos, secreción genital) producidas por los microorganismos, a menudo facilitan su transmisión. Algunos ejemplos de síndromes clínicos y la manera como facilitan la transmisión de la bacteria causal son los siguientes: Vibrio cholerae provoca diarrea abundante que contamina el agua salada y el agua dulce; el agua potable o los mariscos como ostiones y cangrejos también se contaminan; al consumir agua o mariscos contaminados la persona se infecta y enferma. Asimismo, la contaminación de los productos alimenticios con aguas residuales que contienen E. coli que provoca diarrea, tiene como resultado la transmisión de las bacterias. M. tuberculosis (tuberculosis) infecta de manera natural sólo al ser humano; causa una enfermedad respiratoria con tos y producción de aerosoles, lo que provoca la transmisión de la bacteria de persona a persona.

Muchas bacterias se transmiten de persona a persona a través de las manos. El individuo con S. aureus en las narinas se frota la nariz, recoge los estafilococos en las manos y disemina las bacterias hacia otras partes del cuerpo o a otra persona, donde genera una infección. Muchos microorganismos patógenos oportunistas que causan infecciones hospitalarias son transmitidos de un paciente a otro a través de las manos del personal que trabaja en el hospital. Por lo tanto, el hecho de lavarse las manos constituye un componente importante en el control de infecciones.

Las vías de entrada de bacterias patógenas al cuerpo más frecuentes son los sitios donde las mucosas se unen con la piel: aparato respiratorio (vías respiratorias superiores e inferiores), tubo digestivo (principalmente la boca), aparato genital y urinario. Las áreas anormales de mucosas y piel (p. ej., laceraciones, quemaduras y otras lesiones) también constituyen sitios frecuentes de entrada. La piel y mucosas íntegras proporcionan la defensa principal contra la infección. Para producir una enfermedad, los microorganismos patógenos deben vencer estas barreras.

En el organismo la mayor parte de las bacterias que generan enfermedades lo hacen al adherirse a las células del hospedador, que casi siempre son epiteliales. Una vez que las bacterias han establecido un sitio primario de infección, se multiplican y diseminan directamente a través de los tejidos o por el sistema linfático hasta el torrente sanguíneo. Esta infección (bacteriemia) puede ser transitoria o persistente. La bacteriemia permite la diseminación de las bacterias en el organismo hasta llegar a los tejidos que son en especial adecuados para su multiplicación.

Un ejemplo del proceso infeccioso es la neumonía neumocócica. Es posible aislar S. penumoniae a partir de la nasofaringe de 5 a 40% de las personas sanas. En ocasiones, se aspiran neumococos desde la nasofaringe hacia los pulmones; esta aspiración es más frecuente en individuos debilitados y en determinadas circunstancias como el coma, cuando los reflejos normales del vómito y la tos se encuentran atenuados. La infección empieza en los espacios aéreos terminales de los pulmones, en personas que carecen de anticuerpos protectores contra el polisacárido capsular. La multiplicación de los neumococos con la inflamación resultante genera neumonía. Los neumococos penetran en los linfáticos de los pulmones y de ahí pasan al torrente sanguíneo. Entre 10 y 20% de las personas con neumonía neumocócica manifiesta bacteriemia en el momento en el que se establece el diagnóstico. Cuando se produce la bacteriemia, los neumococos pueden diseminarse a sitios secundarios (p. ej., líquido cefalorraquídeo, válvulas cardiacas y espacios articulares). Las complicaciones principales de la neumonía neumocócica son meningitis, artritis séptica y rara vez endocarditis.

En el cólera, el proceso infeccioso comprende la ingestión de V. cholerae, la quimiotaxis de la bacteria hacia el epitelio intestinal, su movilidad por medio de un solo flagelo polar y su penetración a la capa mucosa de la superficie intestinal. La adherencia de V. cholerae a las células epiteliales es gobernada por fimbrias y quizá otras adhesinas. La producción de la toxina del cólera provoca la salida de cloruro y agua hacia la luz intestinal, lo que genera diarrea y desequilibrio electrolítico.

Las bacterias son haploides (cap. 7) y tienen interacciones genéticas limitadas que pueden cambiar sus cromosomas y posiblemente modificar su adaptación y supervivencia a determinados entornos ambientales.

Naturaleza clonal de las bacterias patógenas

Un resultado importante de la conservación de los genes cromosómicos en las bacterias es que son clonales. La mayor parte de los microorganismos patógenos tiene unos cuantos tipos clonales diseminados en el mundo durante determinado periodo. Por ejemplo, la meningitis meningocócica epidémica del serogrupo A existe en Asia, Medio Oriente y África y en ocasiones se extiende hasta el norte de Europa y América. En diversas ocasiones, a lo largo de varias décadas, se ha observado un solo tipo clonal de Neisseria miningitidis serogrupo A en un área geográfica que se extiende posteriormente hacia otras y de esta manera genera una epidemia. Existen varios tipos de Haemophilus influenzae, pero sólo una clona de H. influenzae tipo B es patógena. Por el contrario, existen dos tipos clonales de Bordetella pertussis y ambos son patógenos. Asimismo, el serotipo Typhi de Salmonella (fiebre tifoidea) de los pacientes es de dos tipos clonales. Sin embargo, existen mecanismos que las bacterias utilizan o han utilizado durante largo tiempo en el pasado, para transmitir genes de virulencia de una a otra.

Elementos genéticos móviles

Algunos de los mecanismos principales para el intercambio de información genética entre las bacterias son la transformación natural y los elementos genéticos móviles transmisibles como plásmidos, transposones y bacteriófagos (a menudo llamados “fagos”). La transformación ocurre cuando el DNA de un microorganismo es liberado en el ambiente y tomado por otro microorganismo que lo puede reconocer y fijar a él. En otros casos, los genes que codifican muchos factores de virulencia bacteriana son transportados en los plásmidos, transposones o fagos. Los plásmidos son fragmentos extracromosómicos de DNA con potencial para multiplicarse. Los transposones son segmentos altamente móviles de DNA que se desplazan de una parte del DNA a otra. El resultado es la recombinación entre el DNA extracromosómico y el cromosómico (recombinación ilegítima o no homóloga, cap. 7). Cuando se produce esta recombinación, los genes que codifican factores de virulencia se tornan cromosómicos. Por último, los virus bacterianos o fagos son otro mecanismo por medio del cual se transporta DNA de un microorganismo a otro. La transferencia de estos elementos genéticos móviles entre miembros de una sola especie o, con menos frecuencia, entre diversas especies, tiene como resultado la transferencia de factores de virulencia, incluidos genes de resistencia antimicrobiana. En el cuadro 9-2 se muestran algunos ejemplos de factores de virulencia codificados por plásmidos y fagos.

Islotes de patogenicidad

Los islotes de patogenicidad (PAI, pathogenicity islands) son grandes grupos de genes relacionados con patogenicidad, que se ubican en el cromosoma bacteriano. Son grandes grupos de genes organizados, por lo general de 10 a 200 kb. Las principales propiedades de los PAI son las siguientes: poseen uno o más genes de virulencia; aparecen en el genoma de patógenos de una especie, mas no en los miembros no patógenos; son grandes; tienen una relación guanina-citosina (G + C) distinta al resto de los genomas bacterianos; suelen estar vinculados con genes de tRNA; a menudo se les encuentra relacionados con elementos genéticos del movimiento; con frecuencia poseen inestabilidad genética, y usualmente representan estructuras de mosaico con componentes adquiridos en distintos momentos. En conjunto, las propiedades de los PAI sugieren que se originan a partir de la transferencia genética de una especie ajena. En el cuadro 9-3 se muestran algunos ejemplos de factores de virulencia PAI.

Las bacterias patógenas (y otros microorganismos patógenos) se han adaptado a una vida saprófita o libre, quizá a ciertos ambientes fuera del organismo y al hospedador humano. Durante su proceso de adaptación, los microorganismos patógenos economizan sus necesidades y productos metabólicos. Han creado sistemas complejos de transducción de señales para regular los genes que son importantes para la virulencia. Con frecuencia una serie de señales ambientales regula la expresión de los genes de virulencia. Algunas de las señales más frecuentes son la temperatura, la disponibilidad de hierro, la osmolalidad, la fase del desarrollo, el pH y determinados iones (p. ej., Ca²⁺) o nutrientes. En los párrafos siguientes se muestran algunos ejemplos.

El gen de la toxina diftérica de Corynebacterium diphtheriae es transportado en bacteriófagos lisogénicos. La toxina es producida sólo por cepas lipogenizadas por los fagos. La producción de toxina aumenta cuando C. diphtheriae se cultiva en un medio con poco hierro.

La expresión de los genes de virulencia de B. pertussis aumenta cuando la bacteria se cultiva a 37°C y se suprime cuando se cultiva a una temperatura menor o en presencia de una concentración elevada de sulfato de magnesio o ácido nicotínico.

Los factores de virulencia de V. cholerae son regulados por numerosos factores ambientales. La expresión de la toxina del cólera es mayor a un pH de 6.0 que a un pH de 8.5 y también es mayor a una temperatura de 30°C que a 37° C.

También son importantes la osmolalidad y composición de aminoácidos. Existen hasta 20 genes adicionales de V. cholerae que son regulados en forma similar.

Y. pestis produce una serie de proteínas codificadas por plásmidos de virulencia. Una de éstas es una proteína capsular antifagocítica fracción 1, que genera la función antifagocítica. La expresión de esta proteína es mayor entre 35 y 37°C, la temperatura del hospedador, y menor entre 20 y 28°C, que es la temperatura de la pulga, en la que no se necesita actividad antifagocítica. La regulación de otros factores de virulencia en las especies de Yersinia también está influenciada por factores ambientales.

La movilidad de las bacterias les permite diseminarse y multiplicarse en sus entornos ambientales o en los pacientes. Yersinia enterocolitica y Listeria monocytogenes son frecuentes en el ambiente, donde la movilidad es importante para ellas. Supuestamente, la motilidad no es importante en la patogenia de las enfermedades causadas por estas bacterias. Yersinia enterocolitica es móvil cuando se cultiva a 25°C, mas no a 37°C. De igual forma, Listeria es móvil cuando se cultiva a 25°C pero prácticamente es inmóvil a 37°C.

Muchos factores determinan la virulencia bacteriana o el potencial de las bacterias para causar infecciones y enfermedades.

Factores de adherencia

Cuando las bacterias penetran en el cuerpo del hospedador, se deben adherir a las células de una superficie hística. Si no se adhiere, es eliminada por el moco y otros líquidos que bañan las superficies de los tejidos. Después de la adherencia, que constituye únicamente un paso en el proceso infeccioso, se forman microcolonias y se llevan a cabo los pasos ulteriores en la patogenia de la infección.

Las interacciones entre las bacterias y las superficies celulares de los tejidos durante la adherencia son complejas. Diversos factores como: la hidrofobicidad de superficie y la carga neta de la superficie, las moléculas de unión en las bacterias (ligandos) y las interacciones de los receptores celulares del hospedador. Con frecuencia las bacterias y células hospedadoras poseen una carga neta negativa en la superficie, por lo tanto, las fuerzas electrostáticas se repelen. Estas fuerzas son vencidas por acciones hidrófobas y otras interacciones más específicas entre la bacteria y la célula hospedadora. En general, entre más hidrófoba sea la superficie de la célula bacteriana, mayor es su adherencia a la célula hospedadora. Las propiedades hidrófobas de la superficie y el potencial para adherirse a las células hospedadoras varían en las diversas cepas de bacterias de una sola especie.

Asimismo, las bacterias poseen moléculas específicas de superficie que interactúan con las células hospedadoras. Muchas bacterias poseen pili, que son apéndices gruesos similares a bastones o fimbrias, que son estructuras más cortas “como pelos” que se extienden en la superficie de la célula bacteriana y participan en la adherencia de la bacteria a la superficie de las células hospedadoras. Por ejemplo, algunas cepas de E. coli tienen fimbrias tipo 1, que se adhieren a los receptores de las células epiteliales; esta adherencia se puede bloquear in vitro agregando d-manosa al medio. Las cepas de E. coli que causan infecciones urinarias casi siempre carecen de adherencia controlada por d-manosa, tienen pilosidades P, que se adhieren a una porción del antígeno P del grupo sanguíneo; la estructura mínima de reconocimiento es el disacárido α-d-galactopiranosil-(1-4)-β-d-galactopiranósido (enlace de adhesión GAL-GAL). La E. coli que produce diarrea (véase el cap. 15) se adhiere por medio de pili (fimbrias) a las células epiteliales intestinales. Al parecer, el tipo de vellosidades y los mecanismos moleculares específicos de la adherencia difieren dependiendo del tipo de E. coli que induce la diarrea.

Existen otros mecanismos específicos entre ligando y receptor que han evolucionado para facilitar la adherencia bacteriana a las células hospedadoras, ilustrando los diversos mecanismos que utilizan las bacterias. El estreptococo del grupo A (Streptococcus pyogenes) (cap. 14) también posee apéndices similares a pelos llamados fimbrias que se extienden en la superficie celular. Las fimbrias contienen ácido lipoteicoico, proteína F y proteína M. El ácido lipoteicoico y la proteína F inducen la adherencia del estreptococo a las células epiteliales bucales; esta adherencia es gobernada por la fibronectina, que actúa como molécula receptora en la célula del hospedador. La proteína M actúa como molécula antifagocítica y constituye uno de los principales factores de virulencia.

Los anticuerpos que actúan contra determinados ligandos bacterianos que fomentan la adherencia (p. ej., pilosidades y ácido lipoteicoico) pueden bloquean la adherencia a las células hospedadoras y protegen al hospedador contra la infección.

Después de la adherencia se producen cambios de la conformación de la célula hospedadora que provocan cambios del citoesqueleto que permiten que el microorganismo sea absorbido por la célula. Algunas veces los cambios de la molécula adhesina después de su fijación, desencadenan la activación de genes de virulencia que fomentan la invasión o que tienen como resultado otros cambios patógenos, como se describirá más adelante.

Invasión de las células y tejidos del hospedador

Para muchas bacterias patógenas es indispensable invadir el epitelio del hospedador para generar una infección. Algunas bacterias (p. ej., especies de Salmonella) invaden los tejidos a través de las uniones entre las células epiteliales. Otras bacterias (p. ej., especies de Yersinia, N. gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis) invaden ciertos tipos de células epiteliales del hospedador y posteriormente penetran en los tejidos. Una vez dentro de la célula hospedadora, la bacteria permanece encerrada en una vacuola formada por la membrana de la célula hospedadora o bien la membrana de la vacuola se disuelve y la bacteria se dispersa en el citoplasma. Algunas bacterias (p. ej., especies de Shigella) se multiplican dentro de las células hospedadoras y otras no lo hacen.

Por lo general, se utiliza el término invasión para describir el ingreso de bacterias a las células hospedadoras, lo que implica una participación activa por parte de los microorganismos y una participación pasiva de las células del hospedador. En numerosas infecciones, las bacterias producen factores de virulencia que repercuten en las células hospedadoras, obligándolas a absorber (ingerir) a la bacteria. Las células hospedadoras participan activamente en este proceso.

Por lo general, la producción de toxinas y otras propiedades de virulencia son independientes de la capacidad que tiene la bacteria para invadir las células y tejidos. Por ejemplo, C. diphtheriae puede invadir el epitelio de la nasofaringe generando una faringitis asintomática aunque las cepas del microorganismo no sean toxígenas.

Los estudios in vitro con células de tejidos en cultivos han ayudado a clasificar los mecanismos de la invasión para algunos microorganismos patógenos; sin embargo, los modelos in vitro no necesariamente ofrecen una visión completa del proceso de la invasión. Para comprender en forma integral este proceso, tal y como sucede en las infecciones que se adquieren en forma natural, es necesario estudiar mutantes producidos por ingeniería genética y su potencial para infectar animales y seres humanos susceptibles. Por consiguiente, para conocer la invasión bacteriana de la célula eucariota es necesario observar gran parte de los postulados de Koch y los postulados moleculares de Koch. A continuación se proporcionarán algunos ejemplos de invasión bacteriana de células hospedadoras como parte del proceso infeccioso.

Las especies de Shigella se adhieren a las células hospedadoras in vitro. Por lo general se utilizan células HeLa; estas células no polarizadas e indiferenciadas se obtuvieron de un carcinoma cervical. La adherencia provoca polimerización de actina en la porción cercana de la célula HeLa, lo que induce la formación de seudópodos en las células y absorción de la bacteria. La adherencia e invasión son mediadas parcialmente por productos de los genes ubicados en un gran plásmido común para numerosas shigellas. Existen diversas proteínas, incluidos los antígenos del plásmido de invasión (IpA-D, invasion plasmid antigens) que contribuyen al proceso. Dentro de las células HeLa, la shigella es liberada o escapa de la vesícula fagocítica y se multiplica en el citoplasma. La polimerización de actina impulsa a la shigella dentro de la célula HeLa y de una célula a otra. In vivo, las shigellas se adhieren a las integrinas situadas en la superficie de las células M de las placas de Peyer y no a las células polarizadas de absorción de la mucosa. Las células M normalmente prueban antígenos y los presentan a los macrófagos en la submucosa. Las shigellas son fagocitadas por las células M y atraviesan a estas células hacia el conglomerado subyacente de macrófagos. Las shigellas dentro de las células M y los macrófagos provocan la muerte de estas células al activar el proceso normal de muerte celular (apoptosis). Las shigellas se extienden hacia las células adyacentes de la mucosa de manera similar al modelo in vitro, por medio de polimerización de la actina, que impulsa a las bacterias.

Según estudios que utilizan células in vitro, el proceso de adherencia-invasión de Y. enterocolitica es similar al de Shigella. Yersinia se adhiere a la membrana celular hospedadora y provoca la formación de proyecciones protoplasmáticas. A continuación las bacterias son absorbidas por la célula hospedadora con formación de vacuolas. La invasión es mayor cuando las bacterias se cultivan a 22°C en lugar de 37°C. Una vez que Yersinia ha penetrado en la célula, la membrana vacuolar se disuelve y las bacterias son liberadas hacia el citoplasma. In vivo, se cree que Yersinia se adhiere a las células M de las placas de Peyer y las invade, en lugar de utilizar a las células de absorción de la mucosa, muy similar a Shigella.

L. monocytogenes del medio ambiente se ingiere en los alimentos. Supuestamente, la bacteria se adhiere a la mucosa intestinal y la invade, llega hasta el torrente sanguíneo y se disemina. La patogenia de este proceso se ha estudiado in vitro. L. monocytogenes se adhiere y fácilmente invade a los macrófagos y células intestinales indiferenciadas cultivadas. A continuación estimula a las células hospedadoras para que las absorban. Ciertas proteínas llamadas internalinas, tienen una función importante en este proceso. El proceso de absorción, que es el desplazamiento hacia el interior de una célula y el desplazamiento entre células, requiere la polimerización de actina para impulsar a las bacterias, como sucede con Shigella.

Legionella pneumophila infecta a los macrófagos pulmonares generando neumonía. La adherencia de Legionella a los macrófagos induce la formación de un seudópodo largo y delgado que se enrosca alrededor de la bacteria formando una vesícula (fagocitosis en espiral). La vesícula permanece intacta, se inhibe la fusión fagolisosómica y la bacteria se multiplica dentro de la vesícula.

N. gonorrhoeae utiliza fimbrias como adhesinas principales y proteínas asociadas a la opacidad (Opa, opacity associated proteins) como adhesinas secundarias a las células hospedadoras. Algunas proteínas Opa median la adherencia a los polimorfonucleares. En ocasiones el gonococo sobrevive después de ser fagocitado por estas células. Las fimbrias y las Opa en conjunto, fomentan la invasión de las células cultivadas in vitro. En cultivos de salpinge (falopio), el gonococo se adhiere a las microvellosidades de las células no ciliadas y al parecer induce su fagocitosis por estas células. El gonococo se multiplica dentro de la célula y emigra hacia el espacio subepitelial por un mecanismo desconocido.

Toxinas

Las toxinas producidas por las bacterias, por lo general, se clasifican en dos grupos: exotoxinas y endotoxinas. Las exotoxinas son proteínas que casi siempre son excretadas de la célula. Sin embargo, algunas exotoxinas se acumulan dentro de la célula y se inyectan directamente en el hospedador o son liberadas por lisis celular. Las endotoxinas son moléculas de lípidos que forman parte de la membrana celular bacteriana. En el cuadro 9-4 aparecen las características principales de ambos grupos.

A. Exotoxinas

Muchas bacterias tanto grampositivas como gramnegativas producen exotoxinas que tienen gran importancia médica. Algunas de estas toxinas han tenido una participación muy importante en la historia mundial. Por ejemplo, el tétanos causado por la toxina de C. tetani mató aproximadamente a 50 000 soldados de la Potencias del Eje (Axis powers) en la Segunda Guerra Mundial; sin embargo, las fuerzas aliadas vacunaron a sus soldados contra el tétanos y muy pocos murieron por esta enfermedad. Se han creado vacunas contra algunas enfermedades mediadas por exotoxinas y siguen siendo importantes en la prevención de la enfermedad. Estas vacunas, llamadas toxoides, se elaboran a base de exotoxinas, que se modifican para que ya no sean tóxicas. Muchas exotoxinas constan de subunidades A y B. Por lo general, la subunidad B controla la adherencia del complejo de toxina a una célula hospedadora y ayuda a que la exotoxina penetre en la célula hospedadora. La subunidad A proporciona actividad tóxica. A continuación se ofrecen algunos ejemplos de los mecanismos patógenos ligados a las exotoxinas. En los capítulos que tratan sobre estas bacterias se describen otras toxinas bacterianas.

C. diphtheriae es un bacilo grampositivo que se reproduce en las mucosas del aparato respiratorio superior o en heridas cutáneas menores (véase cap. 12). Las cepas de C. diphtheriae que transportan un corinebacteriófago temperado y lisógeno (fago β o fago ω) con el gen estructural para la toxina, son toxígenos y producen toxina de la difteria que causa difteria. Son numerosos los factores que regulan la producción de la toxina; cuando la disponibilidad de hierro inorgánico constituye el factor que limita la velocidad de proliferación, entonces se produce la máxima cantidad de toxina. La toxina es secretada como una sola molécula de polipéptido (peso molecular [MW] 62 000). Esta toxina natural sufre degradación enzimática para formar dos fragmentos, A y B, unidos por un puente disulfuro. El fragmento B (PM 40 700) se une a ciertos receptores de la célula hospedadora y facilita la penetración del fragmento A (PM 21 150) hacia el citoplasma. El fragmento A inhibe al factor de elongación EF-2 de la cadena peptídica, al catalizar una reacción que adhiere un difosfato de adenosina –ribosilo al EF-2, generando un complejo inactivo de difosfato de adenosina-ribosa-EF-2. La interrupción de la síntesis de proteínas altera las funciones fisiológicas celulares normales. La toxina diftérica es muy potente.

C. tetani es un bacilo anaerobio grampositivo que causa tétanos (cap. 11). C. tetani del medio ambiente contamina las heridas y sus esporas germinan en el medio anaerobio del tejido desvitalizado. Con frecuencia la infección es leve y no tiene manifestaciones clínicas. Las formas vegetativas de C. tetani producen la toxina tetanoespasmina (PM 150 000) que es fragmentada por una proteasa bacteriana hasta formar dos péptidos (PM 50 000 y PM 100 000) unidos por un puente disulfuro. Al principio la toxina se fija a receptores en las membranas presinápticas de las neuronas motoras. Después migra por el sistema de transporte axonal retrógrado hasta los cuerpos celulares de estas neuronas y hasta la médula espinal y tronco cerebral. La toxina se difunde hasta las terminales de las células inhibidoras incluidas interneuronas glicinérgicas y neuronas secretoras de ácido γ-aminobutírico del tronco cerebral. La toxina degrada a la sinaptobrevina, proteína necesaria para el acoplamiento de las vesículas neurotransmisoras en la membrana presináptica. La liberación de lisina inhibidora y GABA se bloquea y las neuronas motoras no se inhiben. El resultado es una parálisis espástica. Incluso una cantidad sumamente pequeña de toxina es mortal para el humano. El tétanos se puede prevenir en las personas con una inmunidad normal vacunándolas con toxoide tetánico.

C. botulimun produce botulismo. Este microorganismo anaerobio, grampositivo productor de esporas, se encuentra en la tierra o el agua y algunas veces crece en los alimentos (p. ej., alimentos envasados o enlatados) cuando el ambiente es lo suficientemente anaerobio. Produce una toxina sumamente potente (la más potente que se conoce). Es termolábil y, por lo tanto, se destruye con calor suficiente. Existen siete tipos serológicos de toxina. Los que con mayor frecuencia causan enfermedad en el ser humano son los tipos A, B, E y F. La toxina es muy similar a la toxina tetánica, con una proteína con un peso molecular de 150 000 que se fragmenta hasta formar una proteína con un peso molecular de 100 000 y otra con peso molecular de 50 000 unidas por un puente disulfuro. La toxina botulínica es absorbida en el intestino, se adhiere a los receptores de las membranas presinápticas de las neuronas motoras, localizadas en el sistema nervioso periférico y pares craneales. La proteólisis, a través de la cadena ligera de la toxina botulínica, en las neuronas, inhibe la liberación de acetilcolina en la sinapsis, lo que tiene como resultado ausencia de contracción muscular y parálisis fláccida.

Las esporas de C. perfringens se introducen en las heridas por contaminación con tierra o materia fecal. En presencia de tejido necrótico (ambiente anaerobio), las esporas germinan y las células vegetativas producen muchas toxinas distintas. Muchas de éstas son necrosantes y hemolíticas y, junto con la distensión de los tejidos por el gas formado a partir de los carbohidratos y la interferencia con la irrigación, favorecen la diseminación de gangrena gaseosa. La toxina alfa de C. perfringens es una lecitinasa que daña las membranas celulares al degradar a la lecitina para formar fosforilcolina y diglicérido. La toxina teta también posee un efecto necrosante. Las especies de Clostridium también producen colagenasas y DNAsas.

Alguna cepas de S. aureus que proliferan en las membranas mucosas (p. ej., la vagina durante la menstruación) o en las heridas, elaboran toxina-1 del síndrome de choque tóxico (TSST- 1, toxic shock syndrome toxin-1), que causa el síndrome de choque tóxico (cap. 13). Esta enfermedad se caracteriza por choque, fiebre elevada y un eritema rojo difuso que posteriormente se descama; abarca muchos otros órganos y sistemas. TSST-1 es un superantígeno que estimula a las células T para que produzcan grandes cantidades de interleucina-2 (IL-2) y factor de necrosis tumoral (TNF) (véase el cap. 8). Sus principales manifestaciones clínicas al parecer son secundarias a los efectos de las citocinas. Muchos de los efectos generalizados de TSST-1 son similares a los efectos de los lipopolisacáridos (LPS, véase la descripción más adelante).

Ciertas cepas del estreptococo hemolítico β del grupo A producen exotoxina A pirógena que es similar o igual a la toxina eritrógena estreptocócica, que provoca la escarlatina. La infección de tejidos blandos por estreptococo productor de exotoxina A pirógena progresa rápidamente y se acompaña de una serie de manifestaciones clínicas similares a las del síndrome de choque tóxico estafilocócico. La exotoxina A pirógena también es un superantígeno que actúa de manera similar a la TSST-1.

B. Exotoxinas asociadas a enfermedades diarreicas e intoxicación alimenticia

Con frecuencia las exotoxinas que causan enfermedades diarreicas se denominan enterotoxinas (cuadro 48-3). A continuación se describen algunas características de ciertas enterotoxinas importantes.

V. cholerae ha causado enfermedad diarreica epidémica (cólera) en muchas partes del mundo (cap. 17) y es otra enfermedad causada por una toxina de importancia tanto histórica como actual. Una vez que penetra en el hospedador a través de alimentos o bebidas contaminadas, V. cholerae invade la mucosa intestinal y se adhiere a las microvellosidades del borde de cepillo de las células epiteliales intestinales. Regularmente el serotipo O1 (y O139) de V. cholerae, produce una enterotoxina con un peso molecular de 84 000. Esta toxina consta de dos subunidades: A, que se degrada hasta formar dos péptidos, A₁ y A₂, unidos por un puente disulfuro; y B. La subunidad B posee cinco péptidos idénticos y une rápidamente las moléculas de gangliósido de la membrana celular. La subunidad A penetra en la membrana celular incrementando la actividad de la adenilato ciclasa y la concentración de cAMP. El efecto neto es la secreción rápida de electrólitos hacia la luz del intestino delgado, con absorción deficiente de sodio y cloruro y pérdida de bicarbonato. Algunas veces la diarrea masiva pone en riesgo la vida (p. ej., 20 a 30 L/día), e incluso se puede presentar acidosis. Los efectos nocivos del cólera son secundarios a la pérdida del líquido y al desequilibrio acidobásico; por lo tanto, el tratamiento es la restitución de líquidos y electrólitos.

Algunas cepas de S. aureus producen enterotoxinas mientras proliferan en carnes, productos lácteos u otros alimentos. En los casos típicos, el alimento se ha preparado recientemente pero no se ha refrigerado en forma adecuada. Existen cuando menos seis tipos de enterotoxina estafilocócica. Una vez que se ingiere la toxina preformada, se absorbe en el intestino, donde estimula a los receptores del nervio vago. Este estímulo es transmitido al centro del vómito en el sistema nervioso central. El resultado es la aparición de vómito en unas cuantas horas en forma de proyectil. La diarrea es menos frecuente. La intoxicación alimentaria más frecuente es la estafilocócica. Las enterotoxinas de S. aureus son superantígenos.

También producen enterotoxinas algunas cepas de Y. ente rocolitica (cap. 19), Vibrio parahaemolyticus (cap. 17), especies de Aeromonas (cap. 17) y otras bacterias, pero la participación de estas toxinas en la patogenia aún no se establece con claridad. La enterotoxina producida por C. perfringens se describe en el capítulo 11.

C. Lipopolisacáridos de las bacterias gramnegativas

Los LPS (endotoxina) de las bacterias gramnegativas, forman parte de la pared celular bacteriana y a menudo son liberados cuando la bacteria es lisada. Estas sustancias son termoestables, tienen un peso molecular de 3 000 a 5 000 (lipooligosacáridos, LOS) y es posible extraer varios millones (lipopolisacári dos) (p. ej., con fenol-agua). Poseen tres regiones principales (véase fig. 2-19).

Los efectos fisiopatológicos de los LPS son similares en cuanto a su origen bacteriano con excepción de las especies de Bacteroides, que poseen una estructura distinta y son menos tóxicos (cap. 21). Al principio, los LPS en el torrente sanguíneo se fijan a las proteínas circulantes, las cuales interactúan con los receptores de macrófagos, monocitos y otras células del sistema reticuloendotelial. Se liberan citocinas proinflamatorias como IL-1, IL-6, IL-8, TNF-α y otras y se activan las cascadas del complemento y la coagulación. En la clínica o durante la experimentación se observa lo siguiente: fiebre, leucopenia e hipoglucemia; hipotensión y choque con hipoperfusión de los órganos vitales (p. ej., cerebro, corazón, riñón); coagulación intravascular y muerte por disfunción masiva de órganos.

La inyección de LPS provoca fiebre en un lapso de 60 a 90 minutos, que es el tiempo necesario para que el organismo libere IL-1. La inyección de IL-1 produce fiebre en los primeros 30 minutos. La inyección reiterada de IL-1 produce la misma respuesta febril cada vez, pero la inyección reiterada de LPS genera una respuesta febril que desciende en forma gradual por tolerancia que en parte es secundaria al bloqueo reticuloendotelial y en parte a los anticuerpos IgM contra los LPS.

La inyección de LPS genera leucopenia temprana, al igual que la bacteriemia con microorganismos gramnegativos. Más adelante aparece leucocitosis secundaria. La leucopenia temprana coincide con el inicio de la fiebre por la liberación de IL-1. Los LPS fomentan la glucólisis en muchos tipos celulares y en ocasiones provoca hipoglucemia.

Al principio de la bacteriemia por gramnegativos o después de la inyección de LPS, aparece hipotensión. En ocasiones se observa contracción arteriolar y venular diseminada seguida de dilatación vascular periférica, aumento de la permeabilidad vascular, reducción del retorno venoso y del gasto cardiaco, estancamiento en la microcirculación, vasoconstricción periférica, choque e hipoperfusión de los órganos con sus consecuencias. La coagulación intravascular diseminada (DIC) también contribuye a estos cambios vasculares.

Los LPS son una de muchas sustancias que activan la vía alterna de la cascada del complemento, precipitando una gran variedad de reacciones mediadas por el complemento (anafilatoxinas, respuestas quimiotácticas, daño de la membrana, etc.) y descenso en la concentración sérica de los componentes del complemento (C3, C5 a C9).

La coagulación intravascular diseminada (DIC, disseminated intravascular coagulation) es una complicación frecuente de la bacteriemia por gramnegativos y también ocurre en otras infecciones. Los LPS activan al factor XII (factor de Hageman), que es el primer paso en el sistema intrínseco de la coagulación, y desencadena la cascada de la coagulación, que culmina en la conversión de fibrinógeno a fibrina. Al mismo tiempo, los LPS activan al plasminógeno para formar plasmina (enzima proteolítica), que ataca a la fibrina con la formación de productos de degradación de la fibrina. Dos indicios de DIC son la reducción en el número de plaquetas y en la concentración de fibrinógeno y en la detección de productos de degradación de la fibrina. Algunas veces la heparina previene las lesiones que acompañan a la DIC.

Los LPS provocan adherencia de las plaquetas al endotelio vascular y obstrucción de los vasos sanguíneos pequeños, con necrosis isquémica o hemorrágica en diversos órganos.

La concentración de endotoxinas se mide en la prueba de limulus: el lisado de amebocitos provenientes del cangrejo herradura (limulus) forma un gel o se coagula en presencia de 0.0001 μg/ml de endotoxina. Esta prueba se utiliza rara vez en los laboratorios clínicos puesto que es difícil de realizar con precisión.

D. Peptidoglucano de las bacterias grampositivas

El peptidoglucano de las bacterias grampositivas está formado por macromoléculas entrecruzadas que rodean las paredes bacterianas (cap. 2 y fig. 2-15). También pueden ocurrir cambios vasculares que provocan choque en las infecciones por bacterias grampositivas que no contienen LPS. Estas bacterias poseen mucho más peptidoglucano en la pared celular que las bacterias gramnegativas. El peptidoglucano liberado durante la infección comparte muchas de las actividades biológicas de los LPS, aunque el peptiglucano es mucho menos potente que el LPS.

Enzimas

Numerosas especies de bacterias producen enzimas que no son tóxicas en sí, pero que participan en el proceso infeccioso. A continuación se describen algunas de estas enzimas.

A. Enzimas que degradan tejidos

Muchas bacterias producen enzimas que degradan tejidos. Las mejor estudiadas son las enzimas de C. perfringens (cap. 11) y, en menor grado, de las bacterias anaerobias (cap. 21), S. aureus (cap. 13) y estreptococo del grupo A (cap. 14). La participación de las enzimas que degradan tejidos en la patogenia de las infecciones es evidente, pero ha sido difícil de comprobar, en especial de cada enzima individual. Por ejemplo, los anticuerpos contra las enzimas del estreptococo que degradan tejidos, no modifican las características de la enfermedad estreptocócica.

Además de lecitinasa, C. perfringens produce la enzima proteolítica colagenasa, que degrada colágena (la principal proteína del tejido conjuntivo fibroso) y fomenta la diseminación de la infección en los tejidos.

S. aureus produce coagulasa, que actúa en conjunto con una serie de factores sanguíneos para coagular el plasma. La coagulasa contribuye a la formación de paredes de fibrinas alrededor de las lesiones estafilocócicas, lo que les ayuda a persistir en los tejidos. Asimismo, la coagulasa provoca depósito de fibrina en la superficie de los estreptococos, lo que ayuda a protegerlos de la fagocitosis o de la destrucción dentro de las células fagocíticas.

Las hialuronidasas son enzimas que hidrolizan ácido hialurónico, componente de la sustancia base del tejido conjuntivo. Muchas bacterias producen hialuronidasas (p. ej., estafilococos, estreptococos y anerobios) y ayudan a su diseminación en los tejidos.

Muchos estreptococos hemolíticos producen estreptocinasa (fibrinolisina), sustancia que activa a una enzima proteolítica del plasma. Así, esta enzima puede disolver el plasma coagulado y quizá ayuda a la diseminación rápida del estreptococo en los tejidos. La estreptocinasa se ha utilizado en el tratamiento del infarto agudo al miocardio para disolver los coágulos de fibrina.

Muchas bacterias producen sustancias que son citolisinas, es decir, disuelven a los eritrocitos (hemolisinas) o aniquilan células hísticas o leucocitos (leucocidinas). Por ejemplo, la es treptolisina O es producida por el estreptococo del grupo A y es mortal para ratones y hemolítica para los eritrocitos de muchos animales. La estreptolisina O es oxígeno-lábil y, por lo tanto, puede ser oxidada y desactivada pero se reactiva con las sustancias reductoras. Es antigénica. El mismo estreptococo produce una estreptolisina S inducida en el suero y oxígeno-estable, que no es antigénica. Clostridium produce diversas hemolisinas, como la lecitinasa antes descrita. La mayor parte de las cepas de S. aureus produce hemolisinas; el estafilococo también produce leucocidinas. La mayor parte de los bacilos gramnegativos obtenidos a partir de sitios de infección produce hemolisinas. Por ejemplo, las cepas de E. coli que causan infecciones urinarias producen típicamente hemolisinas, mientras que las cepas que forman parte de la flora del aparato digestivo producen o no hemolisinas.

B. Proteasas IgA1

La inmunoglobulina A es el anticuerpo secretor de las mucosas. Tiene dos formas principales, IgA1 e IgA2, que difieren región central o bisagra de las cadenas pesadas de las moléculas (cap. 8). La IgA1 posee una serie de aminoácidos en la región bisagra que no existen en la IgA2. Algunas bacterias patógenas producen enzimas, proteasas IgA1, que degradan a la IgA1 en enlaces específicos prolina-treonina o prolina-serina en la región bisagra e inactivan su función de anticuerpo. La proteasa IgA1 es un factor importante de virulencia para las bacterias patógenas N. gonorrhoeae, N. meningitidis, H. influenzae y S. pneumoniae. También producen estas enzimas algunas cepas de Prevotella melaninogenica, algunos estreptococos que causan enfermedades dentales y otras cepas de especies que ocasionalmente causan enfermedades. Especies no patógenas de los mismos géneros no poseen genes que codifican esta enzima y, por lo tanto, no la producen. La producción de proteasa IgA1 permite a los microorganismos patógenos inactivar al principal anticuerpo que se encuentra en las mucosas y, por lo tanto, eliminan la protección que le confiere este anticuerpo al hospedador.

Factores antifagocíticos

Muchas bacterias patógenas son aniquiladas rápidamente una vez que las ingieren los polimorfonucleares o los macrófagos. Otras evaden la fagocitosis o los mecanismos microbicidas leucocíticos al adsorber componentes del hospedador sano en su superficie celular. Por ejemplo, S. aureus posee una proteína A de superficie que se une a la porción Fc de IgG. Otras bacterias patógenas poseen factores de superficie que impiden la fagocitosis; p. ej., S. pneumoniae, N. meningitidis; muchas otras bacterias tienen cápsulas de polisacáridos. S. pyogenes (estreptococo del grupo A) posee una proteína M. N. gonorrhoeae (gonococo) tiene fimbrias. La mayor parte de estas estructuras antifagocíticas de superficie, exhiben una gran heterogeneidad antigénica. Por ejemplo, existen más de 90 tipos de polisacáridos capsulares neumocócicos y más de 150 tipos de proteína M del estreptococo A. Los anticuerpos contra un tipo del factor antifagocítico (p. ej., polisacárido capsular, proteína M) protegen al hospedador de enfermar por las bacterias de ese tipo antigénico, pero no contra la de otros tipos antigénicos del mismo factor.

Unas cuantas bacterias (p. ej., Capnocytophaga y Bordetella) producen factores solubles o toxinas que inhiben la quimiotaxis de los leucocitos y de esta manera evaden la fagocitosis por un mecanismo distinto.

Patogenicidad intracelular

Algunas bacterias (p. ej., M tuberculosis, Listeria monocytogenes, especies de Brucella y especies de Legionella) viven y crecen en un ambiente hostil dentro de los polimorfonucleares, macrófagos o monocitos. Lo hacen gracias a una serie de mecanismos: algunas veces evitan la entrada a los fagolisosomas y viven en el citosol del fagocito. Otras veces evitan la fusión del fagosoma con el lisosoma y viven dentro del fagosoma; y otras veces son resistentes a las enzimas lisosómicas y sobreviven dentro del fagolisosoma.

Muchas bacterias viven dentro de células no fagocíticas (véase la sección anterior, “Invasión de las células y tejidos del hospedador”).

Heterogeneidad antigénica

Las estructuras de superficie de las bacterias (y de muchos otros microorganismos) tienen gran heterogeneidad antigénica. Frecuentemente estos antígenos se utilizan como parte de un sistema de clasificación serológica para las bacterias. La clasificación de las 2 000 salmonellas se basa principalmente en los tipos de los antígenos O (cadena lateral de lipopolisacáridos) y antígenos H (flagelar). Asimismo, existen más de 150 tipos de E. coli O y más de 100 tipos de E. coli K (capsular). El tipo antigénico de la bacteria en ocasiones indica la virulencia, relacionado con la naturaleza clonal de la bacteria patógena, aunque en realidad no constituya el factor (o factores) de virulencia. V. cholerae con antígeno O tipo 1 y antígeno O tipo 139, típicamente produce toxina del cólera, pero muy pocos de los otros tipos O producen la toxina. Asimismo, muy pocas variedades de estreptococo del grupo A con proteína M se relacionan con una frecuencia elevada de glomerulonefritis posestreptocócica. Los tipos A y C del polisacárido capsular N. meningitidis están relacionados con la meningitis epidémica. En los ejemplos antes citados y en otros sistemas de tipificación en los que se utilizan antígenos de superficie para la clasificación serológica, los tipos antigénicos para determinada cepa aislada de la especie permanecen constantes durante la infección y en el subcultivo de la bacteria.

Otras bacterias y microorganismos tienen la capacidad de realizar cambios frecuentes en la forma antigénica de sus estructuras de superficie in vitro y quizá in vivo. Un ejemplo conocido es el de Borrelia recurrentis, que causa la fiebre recurrente. Otro ejemplo muy estudiado es N. gonorrhoeae (cap. 20). El gonococo posee tres antígenos de superficie que cambian de forma con gran rapidez, cerca de 1 en cada 1000:6 a 8 tipos de lipooligosacaridos; innumerables tipos de pili o fibrias; y 10 a 12 tipos de Opa para cada cepa. El número de formas antigénicas es tal que cada cepa de N. gonorrhoeae es antigénicamente diferente. El cambio de forma para cada uno de los tres antígenos al parecer es regulado por un mecanismo genético distinto. Supuestamente el cambio frecuente de formas antigénicas permite al gonococo evadir al sistema inmunitario del hospedador; los gonococos que no son atacados por el sistema inmunológico sobreviven y causan enfermedad.

Sistemas de secreción bacterianos

Los sistemas de secreción bacterianos son importantes en la patogenia de la infección y son indispensables para la interacción entre bacterias y células eucariotas del hospedador. Las bacterias gramnegativas poseen paredes celulares con membranas citoplasmáticas y membranas externas; también existe una capa delgada de peptidoglucano. Las bacterias grampositivas tienen una membrana citoplasmática y una capa muy gruesa de peptidoglucano (cap. 2). Algunas bacterias gramnegativas y grampositivas además poseen cápsulas. La complejidad y rigidez de las estructuras de la pared celular requieren mecanismos para la migración de proteínas a través de las membranas. Estos sistemas de secreción participan en las funciones celulares como el transporte de proteínas que forman las fimbrias o flagelos y en la secreción de enzimas o toxinas hacia el medio extracelular. Las diferencias en la estructura de la pared celular entre las bacterias gramnegativas y grampositivas tienen como resultado ciertas diferencias en los sistemas de secreción. En el capítulo 2 se describen los mecanismos básicos de los distintos sistemas bacterianos de secreción. (Nota: cada sistema de secreción bacteriano se describió en el orden en que fue descubierto, no por su mecanismo de acción.)

Tanto bacterias gramnegativas como grampositivas tienen una vía de secreción general, la cual es el principal mecanismo de secreción proteica (Sec). Esta vía participa en la inserción de la mayor parte de proteínas de la membrana bacteriana y proporciona la vía principal para que las proteínas atraviesen la membrana citoplasmática bacteriana. Los microorganismos gramnegativos poseen otros seis mecanismos de secreción de proteínas, los sistemas de secreción (SS) 1 a 6 (algunas veces llamados del I a VI). Éstos se subdividen en los dependientes del Sec (tipos 2 y 5) y que no dependen del Sec (tipos 1, 3, 4, y 6). El tipo 2 SS utiliza el Sec general para transportar las proteínas al periplasma y crea un canal en la membrana externa formado por un complejo especial de proteínas formadoras de poros. Este tipo 2 SS se utiliza para secretar porciones de toxinas bacterianas tipos A y B, como toxina del cólera. De manera similar, el tipo 5 SS utiliza el sistema Sec general para exportar un autotransportador al periplasma; de ahí se transporta a sí mismo a través de la membrana externa. Un ejemplo de este tipo de SS son las proteasas secretadas por Haemophilus influenzae contra IgA. Las vías independientes de Sec comprenden al sistema de secreción tipo 1 o sistema de secreción ABC (dominio o casete de unión a ATP) y el sistema de secreción tipo 3. Las vías tipo 1 y 3 no interactúan con las proteínas que han sido transportadas a través de la membrana citoplasmática por el sistema Sec. En su lugar, estos sistemas translocan proteínas a través de las membranas tanto citoplasmática como externa. El tipo 3, que se activa al contacto con una célula hospedadora eucariota, fomenta el transporte de proteínas directamente desde el interior de la bacteria hasta el interior de la célula hospedadora utilizando una estructura como aguja llamada inyectosoma; cuando se encuentran en el citoplasma de la célula hospedadora, las proteínas transportadas pueden manipular las funciones de la célula hospedadora. La vía de secreción tipo 4 consta de un complejo proteínico que forma un “túnel” que puede transportar directamente proteínas o DNA. El SS que se descubrió más recientemente es el tipo 6 ss. Este SS participa en la secreción de las proteínas de virulencia en V. cholerae y Pseudomonas aeruginosa, entre otros microorganismos patógenos gramnegativos. Se ha descrito un séptimo SS en M. tuberculosis, pero no se conoce bien. Al parecer, su función es el transporte de las proteínas de membrana necesarias para la virulencia. En el cuadro 9-5 se muestran otros ejemplos de sistemas de secreción y su participación en la patogenia. Estos ejemplos sólo son una pequeña muestra diseñada para ilustrar las funciones del gran número de secreciones moleculares, actividades utilizadas por las bacterias para proporcionar nutrientes y facilitar su patogenia.

Requerimiento de hierro

El hierro es un nutriente esencial para la proliferación y metabolismo de casi todos los microorganismos y también es un cofactor esencial de numerosos procesos metabólicos y enzimáticos. La reserva de hierro en el ser humano para la asimilación microbiana es limitada puesto que este elemento es fijado por las proteínas altamente afines que se unen a él, llamadas transferrina en el suero y lactoferrina en las mucosas. La capacidad que tiene un microorganismo patógeno de obtener con eficiencia hierro a partir del hospedador es indispensable para causar enfermedad. En el capítulo 5 se describen los requerimientos de hierro, la manera como las bacterias lo adquieren y el metabolismo bacteriano de hierro.

La reserva de hierro repercute en la virulencia de muchos microorganismos patógenos. Por ejemplo, el hierro constituye un factor esencial de virulencia en Pseudomonas aeruginosa. El uso de modelos animales de infección por Listeria monocytogenes, han demostrado que la mayor cantidad de hierro tiene como resultado una mayor predisposición a la infección, pero el hierro reducido provoca una supervivencia prolongada; el tratamiento con complemento de hierro aumenta las infecciones mortales.

El decremento de hierro disponible es importante en la patogenia. Por ejemplo, el gen de la toxina diftérica reside en un bacteriófago lisógeno y sólo las cepas de C. diphtheriae que poseen este bacteriófago son toxígenas. Esto aumenta la producción de toxina diftérica y potencialmente la difteria se agrava. La virulencia de N. meningitidis en ratones aumenta 1 000 veces o más cuando las bacterias se cultivan en un ambiente con poco hierro.

La deficiencia de hierro en el ser humano también influye en el proceso infeccioso. Varios millones de personas en el mundo sufren de ferropenia. Este problema repercute en numerosos aparatos y sistemas como el inmunológico, provocando deficiencia de la inmunidad celular e hipofunción de los polimorfonucleares. Durante una infección activa quizá conviene retrasar el tratamiento con hierro puesto que muchos microorganismos patógenos pueden utilizar la pequeña cantidad de hierro complementario con lo que aumenta su virulencia.

Función de las biopelículas bacterianas

Una biopelícula es un conglomerado de bacterias interactivas adheridas a una superficie sólida o unas a otras y encerradas dentro de una matriz de exopolisacárido. Difiere de la bacteria del plancton o de vida libre porque las interacciones de los microorganismos no ocurren de la misma forma. Las biopelículas forman una capa viscosa sobre las superficies sólidas y existen en toda la naturaleza. Una biopelícula puede estar formada por una sola especie de bacterias o por varias especies en conjunto. Algunas veces participan los hongos, incluidas las levaduras. Una vez formada la biopelícula, se acumulan moléculas producidas por la bacteria, lo que modifica la actividad metabólica de la bacteria. En el capítulo 2 se describe la biología básica de la biopelícula de exopolisacárido (glucocáliz); la detección de moléculas se describe en el capítulo 1.

La bacteria en la matriz de exopolisacárido puede proteger de los mecanismos inmunitarios del hospedador. Esta matriz también funciona como barrera de difusión para algunos antimicrobianos, pero otros se fijan a ésta. Algunas de las bacterias en la biopelícula exhiben gran resistencia a los antimicrobianos frente a la misma cepa de bacterias cultivadas en caldo, lo que ayuda a explicar la razón por la que es tan difícil tratar infecciones ligadas a biopelículas.

Las biopelículas son importantes en las infecciones de los seres humanos, que son persistentes y difíciles de tratar. Algunos ejemplos son las infecciones del catéter venoso central por Staphylococcus epidermidis y S. aureus, las infecciones oculares como las que se producen en los lentes de contacto y en los intraoculares, la placa dental y las de prótesis articulares. Quizá el ejemplo de mayor profundidad de una biopelícula en una infección en el ser humano es la de vías respiratorias por P. aeruginosa en pacientes con fibrosis quística.

• Los animales y seres humanos están colonizados con abundante microbiota, comensales normales que no generan enfermedad y protegen al hospedador.

• Las bacterias virulentas generan enfermedades al elaborar los factores que facilitan la adherencia, persistencia, invasión y toxigenicidad.

• Los genes que codifican factores de virulencia son transportados en elementos genéticos móviles como plásmidos o bacteriófagos o bien se les encuentra en grandes islas de patogenicidad en los cromosomas bacterianos.

• Los pili y fimbrias son estructuras como bastones o pelos, respectivamente, que facilitan la adherencia a las células hospedadoras.

• La invasión de las células hospedadoras es un mecanismo complejo que comprende la elaboración de proteínas que facilitan la entrada.

• Las toxinas bacterianas pueden ser extracelulares (exotoxinas) o bien formar parte de la membrana celular bacteriana (endotoxina, LPS) y se encuentran entre las toxinas más potentes en la naturaleza (p. ej., toxina botulínica).

• Otro mecanismo importante para la supervivencia y virulencia bacteriana son las enzimas que degradan tejidos, los factores antifagocíticos, las proteasas de IgA, la heterogeneidad antigénica y la capacidad para quelar hierro.

• Existen cuando menos siete sistemas de secreción bacteriana, complejos proteínicos o canales que aseguran el transporte de las proteínas estructurales y toxigénicas a través de la célula bacteriana después de la traducción.