Capítulo 145e: Mecanismos moleculares de la patogenia bacteriana

Durante los cuatro últimos decenios, los estudios moleculares sobre la patogenia microbiana han arrojado una cantidad considerable de información acerca de las diferentes moléculas, tanto microbianas como del hospedador, que contribuyen a los procesos de la infección y la enfermedad. Estos procesos se pueden clasificar en varias etapas: encuentro del microorganismo con el hospedador e incursión; multiplicación microbiana tras su ingreso; estrategias para evitar las defensas innatas del hospedador; invasión y tropismo hísticos; lesión de los tejidos y transmisión a nuevos hospedadores. La virulencia es la capacidad mensurable que tiene un organismo para provocar la enfermedad y depende de los factores patógenos elaborados por los microbios. Estos factores favorecen la colonización (simple presencia de microorganismos potencialmente patógenos sobre o dentro de un hospedador), la infección (unión y crecimiento de los patógenos y limitación de las defensas del hospedador) y la enfermedad (que a menudo, aunque no siempre, refleja las actividades de las toxinas o los metabolitos tóxicos secretados). Además, la reacción inflamatoria del hospedador a la infección contribuye de modo notable a la aparición de la enfermedad y de sus signos y síntomas. El reciente interés sobre la participación de la microbiota y su microbioma asociado (la colección de genomas microbianos que residen en un organismo mamífero) en la fisiología, susceptibilidad y respuesta ante las infecciones y en el desarrollo del sistema inmunitario ha tenido un enorme impacto en la comprensión de la interacción entre hospedador y patógeno.

(Véase también el cap. 86e) Ahora se comprende que los microorganismos nativos que viven en estrecha asociación con casi todos los animales se organizan en comunidades complejas que modulan fuertemente la capacidad de los microbios patógenos para establecerse en las superficies del hospedador. El número de estos microbios y su variabilidad genómica excede en gran medida los números de células del hospedador y los genes en un animal típico. Los cambios y las diferencias en los microbiomas en los individuos y entre ellos, que a la fecha se caracterizan por técnicas de secuenciación de DNA de alta productividad y análisis bioinformático afectan el desarrollo y control del sistema inmunitario así como de diversas enfermedades, como la obesidad, diabetes tipo 1, estado cognitivo, estado neurológico, enfermedades autoinmunitarias y enfermedades infecciosas de la piel, tubo digestivo, aparato respiratorio y vagina. Se ha vuelto más difícil asociar de manera directa tipos específicos de microbiomas con estados fisiopatológicos y para valorar qué tan conservadas o variables se encuentran las especies microbianas en los microbiomas humanos y animales y la forma en que han evolucionado. La definición de grupos de microorganismos relacionados con enfermedades se ha hecho más factible conforme se han obtenido más datos. Esta difícil tarea se complica aún más con los resultados del Proyecto del Microbioma Humano, que ha sugerido que existe una elevada variabilidad entre los individuos en los componentes del microbioma, aunque muchos individuos parecen mantener su microbioma más o menos conservado a lo largo de sus vidas. En el contexto de las enfermedades infecciosas, los cambios y alteraciones claras del microbioma nativo tienen un impacto fuerte y a menudo fundamental en la progresión de la infección. Tales alteraciones pueden asociarse con los efectos de los antibióticos y fármacos inmunodepresores utilizados sobre la flora normal, con cambios ambientales y con impacto en los factores de virulencia microbiana que desplazan a la flora microbiana nativa para facilitar la colonización por los patógenos. Conforme se amplía la tecnología disponible para definir los microbiomas, queda claro que los datos resultantes afectarán de manera notable los conceptos y métodos sobre la patogenia microbiana y el tratamiento de enfermedades infecciosas.

Sitios de entrada

Un microorganismo patógeno puede, en teoría, pe-netrar en el hospedador por cualquier parte. Por lo general, el tipo de enfermedad generada por determinado microbio suele ser consecuencia directa de su vía de acceso al organismo. Los sitios de entrada más comunes son las zonas del cuerpo que están en contacto con el ambiente, como las mucosas (en especial las de los aparatos respiratorio, digestivo y genitourinario) y la piel. Otras vías de acceso habituales son la ingestión, la inhalación y los contactos sexuales. Asimismo, pueden servir como puertas las lesiones de la piel (p. ej., cortes, mordeduras, quemaduras, traumatismos) y la inyección por vías naturales (es decir, transportadas por vectores) o artificiales (es decir, lesiones por agujas). Pocos microorganismos patógenos penetran a través de la piel íntegra, como ocurre con Schistosoma. La conjuntiva es la puerta de ingreso para determinados microorganismos patógenos oculares, que algunas veces se diseminan desde este sitio por vía sistémica.

El ingreso del microbio depende de la presencia de un conjunto de factores específicos que necesitan los microbios para poder persistir y proliferar en un tejido. La propagación fecal-oral a través del aparato digestivo requiere que el microorganismo posea una biología compatible con las necesidades de sobrevida en los diferentes ambientes del aparato digestivo (como el pH ácido del estómago y la concentración elevada de ácidos biliares en el intestino), así como en los alimentos y el agua contaminados fuera del hospedador. Los microorganismos que consiguen penetrar a través del aparato respiratorio son casi siempre aquellos que sobreviven bien en las pequeñas gotitas de humedad que se generan al estornudar o toser. Los agentes patógenos que ingresan a través de las vías venéreas suelen sobrevivir mejor en el ambiente húmedo y cálido de la mucosa genitourinaria y tienen una variedad limitada de hospedadores susceptibles (p. ej., Neisseria gonorrhoeae, Treponema pallidum y VIH).

Las características biológicas de los microbios que ingresan a través de la piel son muy variables. Algunos pueden sobrevivir en múltiples ambientes, como las glándulas salivales o los conductos digestivos de los artrópodos vectores, la boca de los animales grandes, el suelo y el agua. La compleja biología de algunos protozoarios, como Plasmodium, Leishmania y Trypanosoma les permite sufrir cambios morfogénicos para poder transmitirse a otros mamíferos hospedadores a través de la picadura de insectos hematófagos. Los plasmodios se inyectan en forma de esporozoítos infecciosos desde las glándulas salivales mientras se alimenta el insecto. Los parásitos Leishmania son regurgitados desde el aparato digestivo del mosquito flebótomo en forma de promastigotos y se inyectan en el hospedador susceptible al ser mordido por el mosquito. Los tripanosomas primero son ingeridos por las chinches a partir de los hospedadores infectados; más tarde se multiplican en el aparato digestivo de los insectos y son expulsados en las heces sobre la piel de un nuevo hospedador. La mayor parte de los microbios que se posa directamente sobre la piel íntegra está destinada a morir, ya que para la sobrevida sobre la piel o en los folículos pilosos es necesario que el microorganismo sea resistente a los ácidos grasos, el pH ácido y otros factores antimicrobianos de los que dispone la superficie cutánea. Una vez lesionada (y en especial si sufre necrosis), la piel se convierte en una puerta de acceso fundamental para el crecimiento y la entrada de los agentes patógenos o de sus productos tóxicos. El tétanos y las infecciones de las quemaduras son claros ejemplos. Después de la mordedura de un animal, los microorganismos patógenos que residen en la saliva de éste consiguen acceder a los tejidos de su víctima a través de la piel. La rabia es el paradigma de este proceso patógeno; el virus de la rabia prolifera en las células del músculo estriado en el lugar de su inoculación.

Adherencia microbiana

Una vez dentro del hospedador o sobre él, la mayor parte de los microbios debe fijarse a un tejido o factor hístico; las excepciones son los microorganismos que alcanzan directamente la circulación, donde se multiplican. Los ligandos microbianos específicos o adhesinas para los receptores del hospedador constituyen un campo fundamental del estudio de la patogenia microbiana. Las adhesinas abarcan un amplio abanico de estructuras superficiales, de modo que no se limitan a fijar al microbio a un tejido y a favorecer su ingreso en las células de los lugares apropiados, sino que también desencadenan una serie de reacciones en el hospedador que son esenciales para el proceso patógeno (cuadro 145e-1). La mayor parte de los microbios genera numerosas adhesinas con especificidad sobre múltiples receptores del hospedador. Estas adhesinas suelen ser redundantes y variables desde el punto de vista serológico y actúan de forma aditiva o sinérgica con otros factores del microorganismo para favorecer su adhesión a los tejidos del hospedador. Además, algunos microbios adsorben proteínas del hospedador sobre su superficie y utilizan el receptor natural de la proteína del hospedador para fijarse y entrar en las células destinatarias.

ADHESINAS VIRALES

Todos los virus patógenos necesitan unirse a las células del hospedador, penetrar en ellas y multiplicarse en su interior. Las proteínas de la cubierta del virus actúan como ligandos para la entrada en la célula y posiblemente se necesitan varias interacciones entre el ligando y el receptor; por ejemplo, el VIH utiliza la glucoproteína (gp) 120 de su cubierta para tener acceso a las células del hospedador al unirse al CD4 y a uno de dos receptores para las quimiocinas (designados CCR5 y CXCR4). Igualmente, la glucoproteína H del virus del sarampión se une al CD46 y a la moesina (proteína organizadora de la membrana) en las células hospedadoras. Las proteínas gB y gC en el virus de herpes simple se unen al sulfato de heparán, aunque esta unión no es esencial para la penetración, pero sirve para concentrar viriones cerca de la superficie celular. A continuación la proteína gD del virus se adhiere a las células de mamíferos, donde actúa como mediador con formación ulterior de un homotrímero de proteína viral gB o un heterodímero de proteínas virales gH y gL, que permiten la fusión de la cubierta viral con la membrana de la célula hospedadora. El virus de herpes simple puede utilizar diversos receptores de la superficie de las células eucarióticas para su penetración, incluido el mediador de entrada del herpesvirus (vinculado con el receptor del factor de necrosis tumoral); miembros de la superfamilia de inmunoglobulinas; dos proteínas llamadas nectina-1 y nectina-2 y sulfato de heparán modificado.

ADHESINAS BACTERIANAS

Entre las adhesinas microbianas más estudiadas se encuentran los pili y los flagelos de las bacterias (fig. 145e-1). Las bacterias gramnegativas utilizan a los pili o fimbrias para fijarse a las células y tejidos hospedadores; los estudios más recientes identificaron factores similares producidos por los microorganismos grampositivos, como el estreptococo del grupo B. Bajo el microscopio electrónico, estas proyecciones pseudopilosas (que alcanzan varios cientos por cada célula) se confinan a un extremo del microorganismo (pili polares) o bien se distribuyen de manera más uniforme sobre la superficie. Cada célula puede tener múltiples pili con funciones diferentes. La mayor parte está formado por una subunidad proteínica principal (cuyo peso molecular varía entre 17 000 y 30 000 Da) que polimeriza para formar el pilus. Muchas cepas de Escherichia coli obtenidas a partir de infecciones urinarias expresan pili tipo 1 fijadores de manosa; su unión con las glucoproteínas integrales de la membrana conocidas como uroplaquinas que revisten a las células del epitelio vesical es inhibida por la D-manosa. Otras cepas fabrican la adhesina pilosa P o Pap (vinculada con la pielonefritis), que interviene en la unión con los residuos de digalactosa (gal-gal) sobre los globósidos de los grupos sanguíneos P del ser humano. Estos pili poseen proteínas en el extremo de la unidad pilosa principal que son esenciales para la especificidad de la unión de toda la unidad del pilus. Es interesante señalar que la vacuna con la proteína fijadora de manosa (FimH) de los pili de tipo 1 evitó las infecciones vesicales experimentales por E. coli en ratones y monos, pero en un estudio clínico realizado en seres humanos esta misma vacuna fracasó. Las células de E. coli que ocasionan enfermedades diarreicas expresan unos receptores pseudopilosos para los enterocitos del intestino delgado, así como otros receptores denominados factores de establecimiento.

El pilus tipo IV, que es una variedad frecuente en especies de Neisseria, Moraxella, Vibrio cholerae, Legionella pneumophila, Salmonella enterica variedad serológica typhi, E. coli enteropatógena y Pseudomonas aeruginosa, funciona como mediador de su adherencia a las superficies destinatarias. Estos pili poseen una región amino-terminal relativamente constante y una región carboxilo-terminal más variable. Para algunos microorganismos, como N. gonorrhoeae, Neisseria meningitidis y E. coli enteropatógena, los pili son indispensables para su fijación a las células epiteliales de las mucosas. Para otros, como P. aeruginosa, las pilosidades pueden mediar sólo de manera parcial la adherencia celular a los tejidos del hospedador y en algunas circunstancias pueden inhibir la colonización. Por ejemplo, un estudio reciente de colonización de P. aeruginosa del tubo digestivo de ratón valorado en un banco de mutantes, en el cual se interrumpieron todos los genes no esenciales, los mutantes que fueron incapaces de producir las pilosidades de tipo IVa en realidad tuvieron mayor facilidad para presentar colonización de la mucosa gastrointestinal, aunque no se identificó la base para esta observación. Las células de V. cholerae parecen utilizar dos tipos diferentes de pilosidades para la colonización intestinal. Una estrategia antibacteriana eficaz sería interferir con esta fase de la colonización, pero los esfuerzos por obtener vacunas sustentadas en los pili, en el caso de determinadas enfermedades humanas, no han tenido mucho éxito hasta la fecha.

Los flagelos son unos apéndices largos que se encuentran unidos a uno o ambos extremos de la célula bacteriana (flagelos polares) o están distribuidos por toda la superficie celular (flagelos peritricos). Al igual que los pili, los flagelos están constituidos por una proteína básica polimerizada o agregada. Las subunidades proteínicas de los flagelos forman una estructura helicoidal cerrada que varía desde el punto de vista serológico en cada especie. Las espiroquetas, como T. pallidum y Borrelia burgdorferi, poseen un conjunto de filamentos axiales similares a los flagelos que discurren a lo largo del eje central de la célula y “nadan” rotando en torno a estos filamentos. Algunas bacterias son capaces de deslizarse sobre la superficie en ausencia de estructuras motoras evidentes.

Otras estructuras bacterianas que participan en el proceso de fijación a los tejidos del hospedador son las proteínas específicas de los estafilococos y los estreptococos que se unen a las proteínas de la matriz extracelular humana, como fibrina, fibronectina, fibrinógeno, laminina y colágena. Parece que muchos agentes patógenos utilizan la fibronectina como receptor; cierta secuencia de esta proteína, Arg-Gly-Asp o RGD, es esencial para la unión bacteriana. El factor “aglutinante” A (ClfA, clumping factor A) de la proteína superficial fuertemente conservada de Staphylococcus aureus se fija al fibrinógeno y, según expertos, participa en muchos aspectos de la patogenia. Los intentos por interrumpir esta interacción y prevenir la septicemia por S. aureus en recién nacidos con bajo peso al nacimiento mediante la administración intravenosa de una preparación de IgG obtenida del plasma de individuos con altos títulos del anticuerpo contra Clfa no demostraron eficacia en estudios clínicos; sin embargo este método se ha utilizado en algunas preparaciones de vacunas dirigidas contra este microorganismo. La porción externa conservada de los lipopolisacáridos (LPS) de P. aeruginosa median la unión al regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR) en las células del epitelio respiratorio, un evento que parece desempeñar una función crítica en la resistencia normal del hospedador ante la infección mediante el inicio del reclutamiento de neutrófilos polimorfonucleares (PMN) a la mucosa pulmonar para la destrucción de las células a través de la opsonización y fagocitosis. Un gran número de microorganismos patógenos abarcan a las principales bacterias grampositivas (estafilococos y estreptococos), bacterias gramnegativas (las principales especies entéricas y cocobacilos), hongos (Candida, Fusobacterium, Aspergillus) e incluso células eucariotas (Trichomonas vaginalis, Plasmodium falciparum) expresan polisacáridos de superficie compuestos por β-1-6-poli-N acetil-D-glucosamina (PNAG). Una de las funciones de PNAG para algunos de estos microorganismos es favorecer la unión a materiales utilizados en catéteres y otros tipos de dispositivos implantados. La poli-N-acetilglucosamina puede ser un factor decisivo en las infecciones de dispositivos causadas por bacterias patógenas, como estafilococo y E. coli. Las técnicas de imágenes de alto poder, como la microscopia de fuerza atómica, han revelado que las células bacterianas poseen una superficie celular no homogénea que se puede atribuir a las diferentes concentraciones de moléculas, en particular adhesinas microbianas, en sitios específicos (figs. 120-1C y 120-1D).

ADHESINAS MICÓTICAS

Se han descrito diversas adhesinas micóticas que actúan en la colonización de las superficies epiteliales y en especial en la adherencia a ciertas estructuras, como fibronectina, laminina y colágena. El producto del gen INT1 de Candida albicans, Int1p, comparte ciertas semejanzas con las integrinas de los mamíferos que se unen a las proteínas de la matriz extracelular. Las adhesinas con secuencia similar a la aglutinina son grandes glucoproteínas de la superficie celular que actúan como mediadores de la adherencia de Candida patógena a los tejidos del hospedador. Estas adhesinas poseen una estructura de tres dominios formada por un dominio N-terminal que gobierna la adherencia a los receptores de los tejidos hospedadores, otra porción central que consta de varias repeticiones de una secuencia conservada de 36 aminoácidos y un dominio C-terminal cuya longitud y secuencia varían y que contiene un anclaje de glucosilfosfatidilinositol (GPI, glycosylphosphatidylinositol) que permite la fijación de la adhesina a la pared celular del hongo. Las distintas adhesinas se caracterizan por un número variable de dominios centrales en distintas proteínas con secuencia similar a la aglutinina con especificidad para diferentes receptores hospedadores. Las adhesinas con secuencia similar a la aglutinina se expresan en determinadas situaciones (casi siempre relacionadas con estrés) y son fundamentales para la patogenia de las micosis.

Para varios hongos patógenos que desencadenan una infección al inhalar material infectado, el inóculo es engullido por los macrófagos alveolares, en cuyo interior las células se transforman en fenotipos patógenos. Al igual que C. albicans, Blastomyces dermatitidis se fija a las integrinas CD11b/CD18 y a las CD14 en los macrófagos y produce una proteína de superficie de 120 kDa llamada WI-1, que gobierna su adherencia. Hay un factor aún no identificado en Histoplasma capsulatum que también gobierna su fijación a las integrinas de la superficie.

ADHESINAS DE PATÓGENOS EUCARIÓTICOS

Los parásitos eucarióticos utilizan glucoproteínas complejas de la superficie, como adhesinas, de las cuales algunas son lectinas (proteínas que se fijan a carbohidratos específicos en las células del hospedador). Por ejemplo, Plasmodium vivax, una de las cinco especies de Plasmodium que causan paludismo, se fija (por medio de la proteína fijadora-Duff) al antígeno Fy, carbohidrato del grupo sanguíneo Duff y ubicado sobre eritrocitos. Entamoeba histolytica, la tercera causa de muerte por enfermedades parasitarias, expresa dos proteínas que se enlazan con el disacárido galactosa/N-acetilgalactosamina. Los informes publicados indican que los niños con anticuerpo IgA de las mucosas contra una de estas lectinas son resistentes a la reinfección por E. histolytica virulenta. Los promastigotos de Leishmania requieren una glucoproteína de superficie mayor (gp63) para poder ingresar en los macrófagos humanos, que son las principales células destinatarias en la infección causada por este microbio. Esta glucoproteína facilita la fijación del complemento, pero inhibe su actividad lítica; esto permite al parásito emplear los receptores del complemento para introducirse en los macrófagos; la gp63 se fija también a los receptores de fibronectina situados sobre los macrófagos. Además, este microbio expresa en ocasiones un carbohidrato que actúa como mediador de su fijación a las células del hospedador. Las pruebas con que se cuenta sugieren que, como parte de la formación de un granuloma hepático, Schistosoma mansoni expresa un epitopo constituido por carbohidrato ligado con el antígeno del grupo sanguíneo X de Lewis, que facilita la adherencia de los huevecillos de helmintos a las células endoteliales vasculares en condiciones inflamatorias.

Receptores del hospedador

Los receptores del hospedador se disponen tanto en las células destinatarias (p. ej., las células epiteliales que revisten a las mucosas) como en el interior de la capa mucosa que las cubre. Los microbios patógenos se unen a diversos tipos de receptores del hospedador para causar la infección (cuadro 145e-1). La pérdida selectiva de los receptores del hospedador para un microorganismo patógeno confiere resistencia natural a una población que de otro modo sería susceptible. Por ejemplo, en África Occidental, 70% de las personas carece del antígeno Fy y es resistente a la infección por P. vivax. S. enterica serovariedad typhi, causa de la fiebre tifoidea, produce una proteína pilosa que se une al CFTR para penetrar en la submucosa digestiva después de haber sido ingerido por los enterocitos. Las mutaciones homocigotas del CFTR son la causa de la fibrosis quística, enfermedad que acorta la vida, por lo que los portadores heterocigotos (p. ej., 4 a 5% de las personas de ascendencia europea) gozan de cierta ventaja selectiva puesto que tienen una menor predisposición a padecer fiebre tifoidea.

Se han señalado múltiples interacciones entre los virus y las células destinatarias y ahora se sabe que diferentes virus pueden utilizar los mismos receptores celulares para entrar en el hospedador. La lista de los receptores indudables y probables para los virus patógenos es larga. Algunos de los componentes de membrana del hospedador que sirven como receptores son los ácidos siálicos, gangliósidos, glucosaminoglucanos, integrinas y otros miembros de la superfamilia de las inmunoglobulinas, los antígenos de histocompatibilidad, así como los reguladores y los receptores de los componentes del complemento. Un ejemplo notable del efecto que tienen los receptores del hospedador sobre la patogenia de las infecciones es el que se obtuvo de estudios comparativos entre el subtipo H5N1 del virus A de la gripe aviar y el subtipo H1 de hemaglutinina de este mismo virus. Las cepas del subtipo H1 tienden a ser fuertemente patógenas y transmisibles de un ser humano a otro y se fijan a un receptor compuesto por dos moléculas de azúcar: ácido siálico ligado en posición α-2-6 a la galactosa. Este receptor se expresa de manera amplia en el epitelio de las vías respiratorias. Cuando se desprende un virus de esta superficie, se facilita de modo notable su transmisión a través de la tos y las gotitas de aerosol. Por el contrario, el virus H5N1 de gripe aviar se fija al ácido siálico unido en posición α-2-3 a la galactosa, receptor expresado de manera abundante en los neumocitos de los alvéolos. En apariencia, la infección de los alvéolos explica no sólo la elevada mortalidad propia de la gripe aviar sino también la frecuencia mínima de transmisión entre seres humanos de dicha cepa, que no se transporta con facilidad hacia las vías respiratorias (de las cuales puede ser expulsada por medio de la tos). Sin embargo, se demostró en fechas recientes que las hemaglutininas H5 adquieren mutaciones que incrementan en gran medida su transmisibilidad mientras que no se afecta su elevado nivel de letalidad.

Los microorganismos patógenos, una vez fijados al punto de entrada en la mucosa o la piel, deben multiplicarse antes de desencadenar la infección plena y la enfermedad. Los ácidos nucleicos de las partículas virales que son liberados en el interior de las células se traducen directamente a proteínas virales (virus RNA de cadena positiva), transcritos desde una cadena negativa de RNA al mRNA complementario (virus RNA de cadena negativa) o transcritos a una cadena complementaria de DNA (retrovirus); en los virus DNA, el mRNA se transcribe de manera directa a partir del DNA viral, ya sea en el núcleo o en el citoplasma. Para proliferar, las bacterias necesitan adquirir nutrientes específicos o sintetizarlos a partir de los precursores en los tejidos del hospedador. Muchos procesos infecciosos suelen limitarse a determinadas superficies epiteliales, como el virus de la gripe subtipo H1 a la mucosa respiratoria, la gonorrea al epitelio genito-urinario o la shigelosis al epitelio digestivo. Hay muchas razones para esta especificidad, pero una probablemente importante sea la facultad de tales agentes patógenos de obtener los nutrientes necesarios para su proliferación y su sobrevida a partir de estos ambientes concretos.

Las limitaciones de la temperatura también influyen en el confinamiento de ciertos microorganismos patógenos a determinados tejidos. Los rinovirus, una de las causas del resfriado común, crecen mejor a 33°C y se multiplican en los tejidos nasales más fríos, pero no en el pulmón. Las lesiones de la lepra originadas por Mycobacterium leprae se observan en zonas corporales concretas que son relativamente frías. Los hongos patógenos que infectan la piel, los folículos pilosos y las uñas (infecciones dermatofíticas) quedan limitados a la capa queratinosa exterior, más fría, del epitelio.

Un tema de gran interés es el potencial que tienen diversas especies de bacterias, hongos y protozoarios para crecer en aglomeraciones multicelulares conocidas como biocapas. Estas masas presentan grandes diferencias bioquímicas y morfológicas con respecto a las células individuales de existencia libre denominadas células del plancton. La proliferación en las biocapas modifica el metabolismo microbiano, favorece la producción de factores de virulencia extracelulares y disminuye la sensibilidad a los biocidas, a los antimicrobianos y a las moléculas y las células de defensa del hospedador. La proliferación de P. aeruginosa sobre la mucosa bronquial durante una infección crónica, de los estafilococos y otros agentes patógenos sobre las prótesis, así como de los microorganismos patógenos dentales sobre la superficie del diente para formar el sarro son algunos ejemplos de la proliferación microbiana en biocapas relacionada con enfermedades en el ser humano. Muchos otros agentes patógenos pueden formar biocapas durante su crecimiento in vitro, pero los datos con que se cuenta sugieren que esta propiedad guarda relación con la virulencia microbiana y la inducción de enfermedad, y que la formación de la biocapa también es un factor importante para que el microorganismo sobreviva fuera del hospedador y se facilite así su transmisión a otros individuos predispuestos.

Es probable que los microbios hayan interactuado con las superficies epiteliales y las mucosas desde la aparición de los microorganismos multicelulares, por lo cual no resulta sorprendente que estos hospedadores hayan desarrollado en su superficie un conjunto de mecanismos de defensa innatos que puedan detectar la presencia de los microorganismos patógenos y contribuir a su eliminación. La piel tiene un carácter ácido y está bañada con ácidos grasos tóxicos para muchos microorganismos. Los agentes patógenos que prosperan en la piel, como los estafilococos, deben tolerar estas condiciones adversas. Las propias mucosas presentan una barrera compuesta por una gruesa capa de moco que atrapa a los microbios y facilita su transporte fuera del cuerpo mediante mecanismos, como la depuración mucociliar, la tos o la micción. Las secreciones de las mucosas, la saliva y las lágrimas contienen factores antibacterianos, como la lisozima y los factores antivirales (p. ej., los interferones [IFN, interferon]). La acidez gástrica es un medio hostil para la sobrevida de muchos microorganismos patógenos ingeridos, y muchas mucosas, en especial la de la nasofaringe, el conducto vaginal y el tubo digestivo, contienen una flora saprófita de microbios comensales que interfiere con la capacidad de los agentes patógenos para infectar y proliferar en el hospedador. Los principales avances en el uso de la secuenciación de ácidos nucleicos ahora permite la identificación de una amplia variedad de microorganismos comensales que se han denominado como microbiota. Además de su participación para la colonización de la mucosa, la adquisición de microbiota normal es fundamental para el desarrollo propio del sistema inmunitario, para influir en la maduración y diferenciación de los componentes de la inmunidad innata y adquirida.

Los microorganismos patógenos que sobreviven a estos factores todavía deben luchar contra las respuestas endocíticas, fagocíticas e inflamatorias del hospedador, así como contra los factores genéticos de este último que determinan el grado de sobrevida y de proliferación que puede tener un microorganismo. Ha crecido con rapidez la lista de genes cuyas variantes, casi siempre por polimorfismos de un solo nucleótido, modifican la sensibilidad y la resistencia del hospedador a las infecciones. Un ejemplo clásico es la supresión de 32 bp en el gen para el correceptor de VIH-1, conocido como receptor de quimiocina 5 (CCR5, chemokine receptor 5) que, cuando existe en el homocigoto, confiere gran resistencia a la infección por el VIH-1. La proliferación de los virus patógenos que penetran a la piel o las células epiteliales de la mucosa es limitada por un conjunto de factores genéticos del hospedador, como la producción de interferones, la modulación de los receptores para la entrada de virus y los factores de predisposición propios de la edad y las hormonas; el estado de nutrición e incluso por los hábitos personales, como el tabaquismo y el ejercicio.

Encuentros con las células epiteliales

Durante el último decenio, se ha demostrado que muchas bacterias penetran en las células epiteliales (fig. 145e-2) valiéndose de estructuras de superficie especializadas que se unen a los receptores para el ingreso. No obstante, todavía no se define la participación exacta ni la importancia de este proceso en las infecciones y las enfermedades producidas por la mayor parte de estos microorganismos. La entrada de los microbios en las células epiteliales del hospedador constituye un medio para propagarse hacia los tejidos adyacentes o más profundos o como una vía hacia un refugio donde evitar la ingestión y la destrucción fagocíticas. Por ejemplo, la entrada en la célula epitelial en apariencia es indispensable en la inducción de la disentería por Shigella.

Es curioso que las cepas menos virulentas de muchas bacterias patógenas penetren con mayor facilidad a las células epiteliales que las cepas más virulentas; un ejemplo son las bacterias que carecen de la cápsula de polisacáridos de superficie necesaria para generar enfermedades graves. De este modo, los mutantes isogénicos o variantes carentes de cápsula de Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, S. agalactiae (Streptococcus del grupo B) y S. pyogenes ingresan mejor a las células epiteliales que las variantes encapsuladas y producen una enfermedad diseminada. Estas observaciones han llevado a proponer que la entrada en la célula epitelial constituye una manifestación de las defensas del hospedador que permite eliminar a las bacterias gracias a la descamación de las células epiteliales que las contienen e iniciar una reacción inflamatoria subclínica. Sin embargo, una consecuencia de este proceso sería la aparición en el epitelio de un agujero, lo cual permitiría a los microorganismos no ingeridos penetrar hasta la submucosa. Esto se ha documentado en las infecciones de ratones por S. enterica serovariedad typhimurium y en las infecciones vesicales experimentales por E. coli uropatógena. En estas últimas, los pili bacterianos ayudan en su fijación a las glucoproteínas integrales de la membrana, denominadas uroplaquinas, que revisten a las células del hospedador y el resultado es la exfoliación de las células con las bacterias unidas. Posteriormente la infección es producida por las bacterias restantes que invaden el epitelio superficial de la vejiga, donde al crecer dentro de las células forman abultamientos similares a una biocapa dentro de una matriz extracelular con abundante polisacárido y rodeada de uroplaquina. Este tipo de proliferación genera estructuras que se conocen como “conglomerados” bacterianos. Si el número de bacterias del inóculo es pequeño, quizá bastan la ingestión epitelial y la inflamación subclínica para eliminarlos; por el contrario, si la cantidad de bacterias es elevada, una parte de las bacterias que sobreviven penetra a los tejidos del hospedador a través de las soluciones de continuidad en la mucosa y se multiplican, con lo cual generan una enfermedad. Por otra parte, si la respuesta de la célula epitelial al microorganismo patógeno fracasa, éste sobrevive en la mucosa donde, si consigue evitar otras defensas del hospedador, prolifera y provoca una infección local. A lo largo de estas líneas, como se ha señalado antes, P. aeruginosa penetra a las células epiteliales por el CFTR, proteína ausente o no funcional en los casos más graves de fibrosis quística. La consecuencia clínica más importante de esta enfermedad es la infección crónica de la superficie de las vías respiratorias por P. aeruginosa en 80 a 90% de los pacientes con fibrosis quística. Uno de los mecanismos decisivos para la predisposición exagerada de estos sujetos a padecer infecciones respiratorias crónicas por P. aeruginosa es la incapacidad de las células del epitelio respiratorio de dichos individuos para ingerir los microbios y reforzar la eliminación de tal microorganismo por medio de una respuesta inflamatoria perfectamente regulada.

Encuentros con los fagocitos

FAGOCITOSIS E INFLAMACIÓN

La fagocitosis de los microbios es un mecanismo de defensa innato del hospedador que limita la proliferación y la propagación de los microorganismos patógenos. Los fagocitos acuden rápidamente al lugar de la infección y coinciden con el inicio de la inflamación. Quizá la causa por la que la mayor parte de los microorganismos tiene una habilidad limitada para generar enfermedades es la ingestión de los microbios a cargo de los macrófagos localizados en los tejidos y de los fagocitos circulantes. Las colectinas, colágenas solubles de defensa o moléculas de reconocimiento de patrón, nombres todos ellos de una familia de moléculas relacionadas, se encuentran en la sangre (lectinas fijadoras de manosa), el pulmón (proteínas A y D de la sustancia tensioactiva) y probablemente en otros tejidos y se unen a los carbonohidratos de la superficie de los microorganismos para facilitar su eliminación a cargo de los fagocitos. Al parecer, las bacterias son fagocitadas principalmente por los leucocitos polimorfonucleares (PMN), mientras que los eosinófilos participan especialmente en las infestaciones por protozoarios o por parásitos multicelulares. Los microbios patógenos que crecen y se multiplican deben, por definición, evitar ser eliminados por los fagocitos. Una de las estrategias antifagocíticas utilizada por las bacterias y por el hongo patógeno Cryptococcus neoformans consiste en elaborar polisacáridos antigénicos de superficie de alto peso molecular, a menudo formando una cápsula que recubre la superficie celular. La mayor parte de las bacterias patógenas fabrica estas cápsulas antifagocíticas. En ocasiones, las proteínas o los polipéptidos forman cubiertas similares a cápsulas en ciertos microorganismos, como Bacillus anthracis.

Uno de los pasos clave para desencadenar la inflamación y el desplazamiento de nuevos fagocitos hacia los lugares infectados es la activación local de estas células en los tejidos, por lo cual se ha prestado especial atención a los factores microbianos que inician la inflamación. Por lo general, éstos son factores conservados (entre patógenos) fundamentales para la supervivencia del microorganismo que se conocen como patrones moleculares asociados a los microorganismos patógenos (PAMP, pathogens associated molecular patterns). Las respuestas celulares a los encuentros microbianos con los fagocitos son gobernados en gran parte por la estructura de los PAMP microbianos que inducen inflamación y los conocimientos detallados sobre la estructura de las bacterias patógenas han contribuido de modo considerable a los conocimientos sobre los mecanismos moleculares de la patogenia microbiana gobernada por la activación de moléculas celulares hospedadoras, como los receptores tipo toll (TLR, toll-like receptors; fig 145e-3). Uno de los sistemas mejor estudiados es el de la interacción entre los LPS de las bacterias gramnegativas y la proteína de membrana CD14 fijada al glucosilfosfatidilinositol (GPI, glycosylphosphatidylinositol) sobre la superficie de los fagocitos, tanto macrófagos circulantes e hísticos como PMN. También se observa una variedad soluble de CD14 en el plasma y sobre las mucosas. Existe una proteína plasmática fijadora de lipopolisacárido (LPS, lipopolysaccheride) (LBP, LPS-binding protein), que transfiere al LPS al CD14 de la membrana de las células mieloides y favorece la unión entre LPS y CD14 soluble. Los complejos solubles CD14/LPS/LBP se unen a muchos tipos de células y pueden ser interiorizados para dar comienzo a las respuestas celulares a los microbios patógenos. Se ha demostrado que los peptidoglucanos y el ácido lipoteicoico de las bacterias grampositivas, así como los productos de la superficie celular de las micobacterias y las espiroquetas, pueden unirse a la molécula CD14 (fig. 145e-3). Otras moléculas, como MD-2, también participan en el “reconocimiento” de los activadores bacterianos de la inflamación.

Los receptores fijados por GPI no poseen dominios intracelulares de señales, por tanto, los TLR son los que transducen las señales para la activación celular gracias a que se fijan a los LPS. La unión de los factores microbianos a los TLR para activar la transducción de señales se lleva a cabo en el fagosoma (y no en la superficie) de las células dendríticas que fagocitaron al microorganismo. Quizás esta interacción proviene de la liberación del factor de superficie microbiano desde la célula en el ambiente del fagosoma, donde el factor liberado se fija a su receptor. Los TLR inician la activación celular a través de las moléculas transductoras (fig. 145e-3) que promueven la traslocación hasta el núcleo, del factor de transcripción nuclear κB (NF-κB, nuclear factor κB), interruptor maestro para la producción de importantes citocinas inflamatorias, como el factor de necrosis tumoral α (TNF-α, tumor necrosis factor α) e interleucina 1 (IL-1).

La inflamación comienza no sólo con el LPS o el peptidoglucano, sino también con partículas virales y otros productos microbianos, como polisacáridos, enzimas y toxinas. Los flagelos de las bacterias activan la inflamación al unir una secuencia conservada al TLR5. Algunos microorganismos patógenos, como Campylobacter jejuni, Helicobacter pylori y Bartonella bacilliformis generan flagelos que no poseen esta secuencia, por lo cual no se fijan a TLR5. El resultado es una respuesta ineficaz del hospedador a la infección. Las bacterias producen, además, una proporción elevada de moléculas de DNA con residuos CpG no metilados que activan la inflamación por medio del TLR9. El TLR3 reconoce al RNA bicatenario, molécula de reconocimiento de patrón producida por muchos virus durante su ciclo de multiplicación. Tanto TLR1 como TLR6 se asemejan a TLR2 en cuanto a que facilitan el reconocimiento de las proteínas y los péptidos microbianos acilados.

El factor 88 de diferenciación mieloide (MyD88, mieloide differentation factor 88) y la proteína adaptadora que contiene al dominio Toll/IL-1R (TIR) (TIRAP, TIR domain-cointaining adapter protein) se fijan a los dominios citoplásmicos de los TLR y a los receptores que forman parte de las familias de receptores de IL-1. En numerosos estudios, se ha demostrado que la transducción de señales gobernada por MyD88/TIRAP de los TLR y otros receptores es fundamental para la resistencia innata a las infecciones, ya que activan a las MAP-cinasas y NF-κB, con lo cual se induce la producción de citocinas y quimiocinas. Los ratones que carecen de MyD88 son más propensos a sufrir infecciones por diversos microorganismos que los ratones sanos. En un estudio, nueve niños homocigotos para genes de MyD88 padecieron infecciones recurrentes por S. penumoniae, S. aureus y P. aeruginosa (tres especies de bacterias que demostraron mayor virulencia en los ratones con deficiencia de MyD88); sin embargo, a diferencia de estos ratones, los niños con deficiencia de MyD88 no mostraron mayor predisposición a padecer infecciones por otras bacterias, virus, hongos o parásitos. Otro componente de la vía de señalización supeditada a MyD88 es una molécula conocida como cinasa 4 asociada a receptores de IL-1 (IRAK-4, IL-1 receptor associated kinase-4). Los individuos con deficiencia homocigota de los genes que codifican esta proteína tienen mayor riesgo de sufrir infecciones por S. pneumoniae y S. aureus y, hasta cierto grado, también por P. aeruginosa.

Además de su participación en las señales controladas por MyD88, algunos TLR (p. ej., TLR3 y TLR4) activan la transducción de señales por medio de vías independientes de MyD88 donde participan adaptadores que contienen el dominio TIR inductor de IFN-β (TRIF, TIR domain-containing adapter-protein inducing IFN-β) y la molécula adaptadora relacionada con TRIF (TRAM, TRIF related adapter molecule). Las señales a través de TRIF y TRAM activan la producción de citocinas y quimiocinas e interferones (IFN) tipo 1 sujetas a NF-κB. Los IFN tipo 1 se fijan al receptor de IFN-α formado por dos cadenas de proteínas, IFNAR1 e IFNAR2. El ser humano produce tres tipos de IFN tipo 1: IFN-α, IFN-β e IFN-γ. Estas moléculas activan otras clases de proteínas conocidas como complejos de transducción de señales y activador de la transcripción (STAT, signal transducer and activator of transcription). Estos factores STAT son importantes para regular los genes del sistema inmunitario e intervienen de manera fundamental en la respuesta a las infecciones microbianas.

Otro complejo intracelular de proteínas que constituye un factor importante en la respuesta de la célula hospedadora a la infección es el inflamasoma (fig. 145e-4), donde las citocinas inflamatorias IL-1 e IL-8 por la acción de la cisteína proteasa llamada caspasa-1, se transforman de su modalidad precursora a su forma activa antes de ser secretados. Los inflamasomas contienen otras proteínas que son miembros de la familia de receptores tipo dominio fijador de nucleótidos y oligomerización (NOD) (NLR, nucleotide binding and oligomerization domain like receptor). Al igual que los TLR, las proteínas NOD perciben la presencia de factores microbianos conservados liberados dentro de una célula. Una vez que los NLR reconocen a estos PAMP, se activa la caspasa-1 y, por un mecanismo desconocido, se secretan IL-1 e IL-18 activas. Los estudios realizados en ratones indican que se forman hasta cuatro inflamasomas con distintos componentes: inflamasoma IPAF, inflamasoma NALP1, inflamasoma criopirina/NALP3 e inflamasoma desencadenado por la infección con Francisella tularensis (fig. 145e-4). Los componentes dependen del tipo de estímulo durante la formación y activación de los inflamasomas.

Una adición reciente a los componentes intracelulares identificados que responden a la infección microbiana es la autofagia, que se describió al inicio como un proceso intracelular para la degradación y reciclamiento de componentes celulares para su reuso. Hoy en día es claro que la autofagia constituye un mecanismo de defensa temprano, en el cual después de la ingestión, los patógenos microbianos sean dentro de vacuolas o en el citoplasma llevados a compartimientos lisosómicos para su degradación. Evitar este proceso es fundamental para que los patógenos ocasionen la enfermedad y esto puede llevarse a cabo por diversos mecanismos, como la inhibición de las proteínas en la vacuola autofágica por Shigella, reclutamiento de proteínas del hospedador para ocultar a la Listeria monocytogenes y por la inhibición de la formación de vacuolas en el caso de L. pneumophila.

OTRAS INTERACCIONES ENTRE MICROORGANISMOS PATÓGENOS Y FAGOCITOS

Otro método de que disponen los microorganismos para evitar ser destruidos por los fagocitos es la producción de factores que son tóxicos para los fagocitos o que interfieren con sus funciones de quimiotaxis y digestión. Las hemolisinas, las leucocidinas y similares son proteínas microbianas que destruyen a los fagocitos que intentan engullirlos. Por ejemplo, S. aureus elabora una familia de leucocidinas biocomponentes que se unen a receptores del hospedador como el correceptor CCR5 de VIH (que también es empleado por la toxina LukE/D) o, en el caso de la leucocidina Panton-Valentine, el receptor del componente C5a del complemento activado (que también es utilizado por LukF/S). La estreptolisina O de S. pyogenes se une al colesterol de las membranas fagocíticas y desencadena un proceso de desgranulación interna, de manera que los componentes tóxicos normalmente secuestrados dentro de los gránulos se liberan en el citoplasma del fagocito. Entamoeba histolytica, un protozoario intestinal que causa la disentería amebiana, puede romper las membranas de los fagocitos con los que ha entrado en contacto directo a través de la liberación de fosfolipasa A y de péptidos que forman poros.

SUPERVIVENCIA DE LOS MICROORGANISMOS EN EL INTERIOR DE LOS FAGOCITOS

Muchos patógenos importantes emplean una gran variedad de estrategias para sobrevivir dentro de los fagocitos (en particular los macrófagos) después de haber sido ingeridos. Uno de ellos es inhibir la fusión de la vacuola fagocítica (fagosoma) que contiene al microbio ingerido por medio de gránulos lisosómicos que contienen las sustancias antimicrobianas (lisosoma), lo cual permite a M. tuberculosis, S. enterica serovariedad typhi y Toxoplasma gondii sobrevivir dentro de los macrófagos. Otros microorganismos, como Listeria monocytogenes, escapan hacia el citoplasma del fagocito para multiplicarse y, finalmente, propagarse hacia otras células. La resistencia a la destrucción en el interior del macrófago y la proliferación subsiguiente son esenciales para que las infecciones por herpesvirus, virus del sarampión, poxvirus, Salmonella, Yersinia, Legionella, Mycobacterium, Trypanosoma, Nocardia, Histoplasma, Toxoplasma y Rickettsia tengan éxito. Ciertas salmonelas utilizan un sistema maestro de regulación, en el cual los genes PhoP/PhoQ regulan otros genes, con el propósito de ingresar y sobrevivir en el interior de las células; la sobrevida intracelular provoca cambios estructurales en la cubierta LPS de la bacteria.

Invasión hística

La mayor parte de los virus patógenos causa enfermedad al proliferar en los sitios de entrada de la piel y las mucosas, pero algunos se propagan desde allí hasta otros tejidos más profundos. Los virus se pueden propagar a través de los nervios (virus de la rabia), el plasma (picornavirus) o dentro de las células sanguíneas que se desplazan (virus de poliomielitis, virus de Epstein-Barr y muchos otros). Existen genes virales específicos que determinan dónde y cómo se propagan las distintas cepas de virus.

Las bacterias invaden las capas más profundas del tejido mucoso al penetrar a las células epiteliales, atravesando las uniones entre las células epiteliales o a través de las superficies epiteliales desnudas. En las cepas virulentas de Shigella y E. coli invasora, las proteínas de la membrana externa son fundamentales para la invasión de las células epiteliales y la multiplicación bacteriana. Las especies de Neisseria y Haemophilus penetran a las células mucosas por mecanismos poco conocidos antes de diseminarse hacia el torrente sanguíneo. Los estafilococos y los estreptococos elaboran diversas enzimas extracelulares, como hialuronidasa, lipasas, nucleasas y hemolisinas, que probablemente son importantes para la degradación de las estructuras celulares y de la matriz, lo cual permite el acceso de las bacterias a los tejidos más profundos y la sangre. Por ejemplo, la hemolisina α del estafilococo que se une al receptor desintegrina A y la metaloproteinasa 10 (ADAM-10) causan daño endotelial y alteración de la función de barrera vascular, eventos que probablemente sean decisivos para la diseminación sistémica de S. aureus a partir del sitio inicial de infección. A menudo los microorganismos que proliferan el aparato digestivo pueden atravesar la mucosa y pasar hasta la sangre y, cuando las defensas del hospedador son insuficientes, causan bacteriemia. Yersinia enterocolitica invade la mucosa gracias a la actividad de la proteína invasina. El entorno complejo de las estructuras que contiene la membrana basal, como la laminina y colágena, que fijan las células epiteliales a las superficies mucosas con frecuencia pueden verse alteradas. Numerosos microorganismos expresan factores conocidos como MSCRAMM (componentes de la superficie microbiana que reconocen moléculas de adhesión a la matriz). Estos MSCRAMM favorecen la fijación bacteriana a factores en la matriz extracelular del hospedador, como la laminina, colágena y fibronectina. Proteasas microbianas adicionales, junto con el plasminógeno unido a la propia superficie del hospedador y las metaloproteinasas de matriz del hospedador se combinan para degradar la matriz extracelular y favorecer la diseminación bacteriana. Algunas bacterias (p. ej., Brucella) son transportadas desde una mucosa hasta un lugar distante por las células fagocíticas (p. ej., leucocitos polimorfonucleares o PMN) que ingieren a las bacterias pero no son capaces de destruirlas.

Los hongos patógenos casi siempre se aprovechan del hospedador inmunodeprimido para diseminarse por vía hematógena hacia los tejidos más profundos. El sida epidémico ha ilustrado de manera repetida este principio: la inmunodeficiencia de muchos pacientes infectados por el VIH permite la aparición de infecciones micóticas potencialmente letales en pulmón, sangre y cerebro. Aparte de la cápsula de C. neoformans, no se han caracterizado en detalle otros antígenos fúngicos específicos que participen en la invasión hística. Tanto los hongos como los protozoarios patógenos (p. ej., Plasmodium y E. histolytica) sufren cambios morfológicos para propagarse en el interior del hospedador. C. albicans sufre una transformación de levadura a hifa, en la cual las formas de hifa se encuentran donde el hongo infiltra la barrera mucosa de tejidos, mientras que la forma de levadura crece en la superficie de las células epiteliales así como en las puntas de las hifas que han infiltrado a los tejidos. Los parásitos del paludismo crecen en los hepatocitos en forma de merozoítos y se liberan en la sangre para invadir a los eritrocitos y convertirse en trofozoítos. E. histolytica permanece en la luz intestinal, que es su vía de acceso, tanto en forma de quiste como de trofozoíto, pero únicamente este último puede propagarse de forma generalizada para crear los abscesos hepáticos amebianos. Otros protozoarios patógenos, como T. gondii, Giardia lamblia y Cryptosporidium, también sufren cambios morfológicos notables tras la infección inicial para propagarse a otros tejidos.

Tropismo hístico

La tendencia de determinados microbios a causar enfermedades mediante la infección de tejidos específicos es conocida desde los albores de la bacteriología, aunque se sabe mucho menos sobre la base molecular de esta tendencia que del tropismo hístico de los virus. La capacidad que tienen ciertos virus para penetrar en las células que forman los tejidos y alterar su función normal, obedece a un conjunto de interacciones específicas entre receptor y ligando, pero la sola presencia de un receptor para el virus en el tejido destinatario no basta para el tropismo celular. El tropismo depende tanto de factores celulares como de la vía de entrada del virus, su capacidad para ingresar a la célula, sus elementos genéticos que regulan la expresión de los genes y sus vías de propagación en un tejido. Algunos genes virales se transcriben mejor en células específicas, como los genes del virus de la hepatitis B en los hepatocitos y los genes del virus de Epstein-Barr en los linfocitos B. La vía de inoculación del virus de la poliomielitis determina su neurotropismo, aunque no se conocen del todo las bases moleculares de este proceso.

Frente al tropismo tisular de los virus, el tropismo tisular de las bacterias y parásitos no se ha estudiado con tanto detalle, pero las investigaciones realizadas en Neisseria ofrecen algunos conocimientos nuevos. Tanto N. gonorrhoeae, que infecta y prolifera en el aparato genitourinario del ser humano, como N. meningitidis, que prolifera principalmente en la bucofaringe del ser humano pero en ocasiones también se disemina hacia el encéfalo, generan vellosidades tipo IV (Tfp, type pili) que gobiernan la adherencia a los tejidos del hospedador. En el caso de N. gonorrhoeae, las Tfp se fijan a una adhesina que contiene glucosamina-galactosa en la superficie de las células cervicales y uretrales; en el caso de N. meningitidis, las Tfp se fijan a las células de las meninges humanas para cruzar la barrera hematoencefálica. N. meningitidis expresa un polisacárido capsular, lo cual no sucede con N. gonorrhoeae; sin embargo, no se cuenta con pruebas de que esta propiedad influya en los diferentes tropismos hísticos mostrados por estas dos especies bacterianas. N. gonorrhoeae puede utilizar el ácido N-acetilneuramínico monofosfato de citidina del hospedador para añadir ácido N-acetilneuramínico (ácido siálico) a la cadena lateral O de los lipooligosacáridos (LOS, lipooligosaccharide), modificación que en apariencia confiere resistencia al microorganismo frente a las defensas del hospedador. El lactato, presente en concentraciones altas sobre la superficie de la mucosa genital, estimula la sialilación de los lipooligosacáridos del gonococo. Las bacterias que poseen ácido siálico en sus cápsulas, como N. meningitidis, E. coli K1 y estreptococo del grupo B, tienden a causar meningitis, si bien esta generalización tiene muchas excepciones. Por ejemplo, todos los serotipos conocidos de estreptococo del grupo B poseen ácido siálico en sus cápsulas, pero sólo uno de ellos (el tipo III) provoca la mayor parte de los casos de meningitis por estreptococo B. Además, tanto Haemophilus influenzae como S. pneumoniae pueden originar fácilmente meningitis y estos microorganismos no poseen ácido siálico en sus cápsulas.

La enfermedad es un fenómeno complejo consecuencia de la invasión y destrucción de los tejidos, la elaboración de toxinas bacterianas y la respuesta del hospedador. Gran parte del daño que generan los virus se debe al efecto citopático que tienen éstos sobre las células del hospedador y a la inhibición de las defensas del hospedador. La proliferación de las bacterias, los hongos y los protozoarios en el tejido, que puede acompañarse o no de la elaboración de toxinas, también perjudica a la función hística y origina una enfermedad. Uno de los mecanismos moleculares de la patogenia de las infecciones que se ha estudiado mejor es la elaboración de toxinas bacterianas y quizá micóticas. Por otro lado, los factores del hospedador, como la IL-1, el TNF-α, las cininas, las proteínas inflamatorias, los productos de activación del complemento y los mediadores derivados de los metabolitos del ácido araquidónico (leucotrienos) y de la desgranulación celular (histaminas) contribuyen también a la gravedad de la enfermedad.

Virosis

Se sabe que los virus patógenos inhiben las respuestas inmunitarias del hospedador a través de mecanismos diversos. Las respuestas inmunitarias se ven alteradas cuando disminuye la producción de ciertas moléculas del complejo mayor de histocompatibilidad (proteína de adenovirus E3), las células T citotóxicas no reconocen a las células infectadas por virus (virus de Epstein-Barr, antígeno EBNA1 y proteína de citomegalovirus IE), cuando se producen proteínas receptoras de complemento codificadas por virus que protegen a las células infectadas de la lisis gobernada por el complemento (virus de herpes y virus de vaccinia), cuando se elaboran proteínas que interfieren con la acción del IFN (virus de gripe y poxvirus) y cuando se generan proteínas tipo superantígenos (virus de tumor mamario de ratón y otros retrovirus similares y la nucleocápside del virus de la rabia). Los superantígenos activan poblaciones grandes de células T que expresan determinados subgrupos de proteína β receptora de células T, provocando liberación masiva de citocinas y reacciones ulteriores en el hospedador. Otro mecanismo molecular de virulencia viral es la producción de factores del crecimiento para las células hospedadoras que modifican el crecimiento, la proliferación y la diferenciación celular normal. Además, ciertos factores virales se adhieren a los receptores del hospedador para moléculas de señalización e interfieren con su función. La modulación de la producción de citocinas durante la virosis estimula el crecimiento del virus dentro de las células con receptores para citocina y homólogos de citocina codificadas por virus (p. ej., proteína BCRF1 del virus de Epstein-Barr, que es homóloga de la molécula inmunoinhibidora IL-10) e impiden de manera potencial la eliminación inmunitaria de las partículas virales. Los virus enferman a las neuronas de las maneras siguientes: interfieren con la concentración de neurotransmisores sin que sea necesario destruir las células; inducen muerte celular programada (apoptosis) para destruir los tejidos o inhiben la apoptosis para permitir una virosis prolongada en las células. Para que la infección se disemine es necesario que se liberen muchos virus de las células. En una función recién identificada, la proteína viral U (Vpu, viral protein U) del VIH, facilita la liberación del virus, proceso que es específico para determinadas células. Las células de mamífero producen un factor de restricción que participa inhibiendo la liberación de virus; para el VIH, este factor se denomina BST-2 (antígeno 2 del estroma de la médula ósea, bone marrow stromal antigen 2)/HM1.24/CD317 o teterina. La Vpu del VIH interacciona con la teterina, e induce la liberación de virus infecciosos. En general, el deterioro de las funciones celular e hística normales por una virosis con multiplicación y liberación de virus induce una enfermedad clínica.

Toxinas bacterianas

Entre las primeras enfermedades infecciosas que se conocieron, figuraban las que se deben a las bacterias que elaboran toxinas. Las toxinas de la difteria, el botulismo y el tétanos son la causa directa de las enfermedades producidas por Corynebacterium diphtheriae, Clostridium botulinum y C. tetani, respectivamente. Clostridium difficile es un microorganismo anaerobio grampositivo que produce dos toxinas, A y B, que causan alteración de la mucosa intestinal cuando el número de microorganismos se incrementa en el intestino, ocasionando una diarrea relacionada con antibióticos y la posibilidad de colitis pseudomembranosa. Las enterotoxinas generadas por E. coli, Salmonella, Shigella, Staphylococcus y V. cholerae contribuyen a la enfermedad diarreica originada por estos microorganismos. Estafilococos, estreptococos, P. aeruginosa y Bordetella elaboran diversas toxinas que desencadenan o contribuyen a desencadenar enfermedades, como la toxina 1 del síndrome del choque tóxico (TSST-1, toxic shock syndrome toxin 1), la toxina eritrógena, las exotoxinas A, S, T y U, y la toxina de la tos ferina. Muchas de estas toxinas (p. ej., las del cólera, difteria y tos ferina, la toxina termolábil de E. coli y la exotoxina de P. aeruginosa) poseen una actividad de difosfato de adenosina (adenosine diphosphate, ADP)-ribosiltransferasa mediante la cual catalizan de manera enzimática la transferencia de la porción ADP-ribosilo de la nicotinamidadifosfato de adenina a las proteínas destinatarias para inactivarlas. Las enterotoxinas estafilocócicas, la toxina 1 del síndrome de choque tóxico y las exotoxinas estreptocócicas piógenas se comportan como “superantígenos” y estimulan la proliferación de ciertas células T sin que las células presentadoras de los antígenos procesen la toxina proteínica. Parte de este proceso implica la estimulación de las células presentadoras de los antígenos para que produzcan IL-1 y TNF-α, sustancias que se han relacionado con muchas de las características clínicas de enfermedades, como el síndrome del choque tóxico y la escarlatina. Un grupo de gramnegativos patógenos (Salmonella, Yersinia y P. aeruginosa) posee la capacidad de inyectar toxinas directamente en las células destinatarias del hospedador mediante una serie compleja de proteínas denominadas “sistema de secreción de tipo III”. La desactivación de este sistema de virulencia suele reducir de manera notable la habilidad de producir enfermedad de la bacteria patógena.

Endotoxina

La porción llamada lípido A del LPS de las bacterias gramnegativas posee potentes actividades biológicas, a las que se atribuyen muchas de las manifestaciones clínicas que se observan en la septicemia por bacterias gramnegativas, como fiebre, proteálisis muscular, coagulación intravascular incontrolada y choque. Los efectos del lípido A parecen estar gobernados por la producción de citocinas potentes gracias a la unión del LPS con CD14 y la transducción de la señal a través de los TLR, en particular TLR4. Las citocinas poseen una actividad hipotérmica potente por sus efectos sobre el hipotálamo, aumentan la permeabilidad vascular, alteran la actividad de las células endoteliales y estimulan su acción procoagulante. Se están investigando varias estrategias terapéuticas destinadas a neutralizar los efectos de la endotoxina, pero hasta ahora los resultados han sido decepcionantes. Se ha sugerido que la falta de éxito puede deberse a diferencias sustanciales entre las respuestas inflamatorias del ratón y del ser humano ante factores como endotoxinas; así los fármacos desarrollados en modelos murinos de infección podrían no ser aplicables a las respuestas en el ser humano.

Invasión

Muchas enfermedades son ocasionadas de modo primario por el crecimiento de bacterias en los tejidos que por lo regular son estériles. La neumonía neumocócica se atribuye en gran parte a la multiplicación de Streptococcus pneumoniae en el pulmón y a la reacción inflamatoria correspondiente del hospedador, aunque quizás existen otros factores que favorecen este proceso (p. ej., neumolisina) y que ayudan de forma parcial al potencial patógeno de los neumococos. Al parecer, la enfermedad consecuencia de la bacteriemia y la invasión de las meninges por bacterias causantes de meningitis, como N. meningitidis, H. influenzae, E. coli K1 y estreptococos del grupo B, son ocasionadas de manera exclusiva por la capacidad que tienen estos microorganismos para alcanzar esos tejidos, multiplicarse en ellos y provocar la producción de citocinas que originan la reacción inflamatoria del hospedador.

Los mecanismos moleculares específicos que explican la invasión de los hongos y los protozoarios en los tejidos se conocen menos. Salvo los estudios que señalan ciertos factores, como la cápsula de C. neoformans y su producción de melanina, así como quizá la concentración de glucanos en la pared celular de algunos hongos, las bases moleculares del potencial invasor de los hongos no están bien definidas. Se ha demostrado que el melanismo protege a la célula fúngica de la destrucción causada por factores de los fagocitos, como óxido nítrico, superóxido e hipoclorito. La variación morfogénica y la producción de proteasas (p. ej., aspartilo proteinasa de Candida) participan en la invasión micótica de los tejidos del hospedador.

Para que los microorganismos puedan invadir de manera eficaz los tejidos del hospedador (en especial la sangre), deben evitar sus principales sistemas de defensa: el complemento y las células fagocíticas; aquéllos lo logran en gran medida gracias a la presencia de polisacáridos en la superficie celular, ya sea polisacáridos capsulares o antígenos largos O de las cadenas laterales, característicos del LPS liso de las bacterias gramnegativas. Al parecer, estos polisacáridos actúan impidiendo la activación, depósito o ambas acciones de las opsoninas del complemento, o al limitar el acceso de las células fagocíticas con receptores para las opsoninas del complemento hasta estas moléculas, cuando se depositan en la superficie bacteriana por debajo de la cápsula. Otro mecanismo potencial de virulencia microbiana es la capacidad que tienen algunos microorganismos para presentar la cápsula como autoantígeno, mediante mimetismo molecular. Por ejemplo, la cápsula de ácido polisiálico de N. meningitidis del grupo B es idéntica desde el punto de vista químico a un oligosacárido que se encuentra en las células cerebrales humanas.

Los estudios inmunoquímicos de los polisacáridos bacterianos han puesto de manifiesto la diversidad química tan importante que surge como consecuencia del enlace de unos pocos monosacáridos. Por ejemplo, tres hexosas diferentes se pueden unir en más de 300 formas diferentes y potencialmente distintas desde el punto de vista serológico, mientras que tres aminoácidos distintos sólo pueden generar seis posibles péptidos diferentes. Los polisacáridos capsulares se han utilizado como vacunas eficaces contra la meningitis meningocócica y contra las infecciones por H. influenzae, y tal vez sean valiosos como vacunas contra los microorganismos que expresan polisacáridos capsulares inmunógenos no tóxicos. Además, la mayor parte de los microorganismos patógenos encapsulados prácticamente pierden su virulencia cuando se interrumpe la producción de su cápsula mediante manipulación genética; esta observación resalta la importancia de tal estructura en la patogenia. Cabe hacer mención que el polisacárido de la superficie capsular PNAG (PNAG, Poly-N-acetylglucosamine) se ha encontrado como estructura conservada compartida por muchos microbios, pero en términos generales es un mal objetivo para la inmunidad mediada por anticuerpos, por la propensión de la mayor parte de seres humanos y animales (los seres humanos y los animales son colonizados por microbios que producen PNAG) para producir un tipo de anticuerpo no protector. Al alterar la estructura de PNAG al eliminar los monómeros de acetato de N-acetilglucosamina, se da origen a una forma inmunógena, PNAG desacetilada, que induce anticuerpos que protegen a los animales contra diversos microorganismos patógenos.

Respuesta del hospedador

La reacción inflamatoria del hospedador es crucial para interrumpir y resolver el proceso infeccioso, pero muchas veces también es la causa de los signos y los síntomas de la enfermedad. La infección desencadena una serie compleja de respuestas del hospedador, en la cual participan las vías del complemento, las cininas y la coagulación. La producción de citocinas, como IL-1, IL-18, TNF-α, IFN-γ y otros factores regulados en parte por el factor de transcripción NF-κB dan lugar a fiebre, proteálisis muscular y otros efectos, como ya se ha señalado. La incapacidad para destruir o contener a los microbios suele dar lugar a un aumento de las lesiones por el avance de la inflamación y la infección. Por ejemplo, en muchas infecciones crónicas, la desgranulación de las células inflamatorias del hospedador provoca la liberación de proteasas, elastasas, histaminas y otras sustancias tóxicas que degradan los tejidos del hospedador. La inflamación crónica de cualquier tejido termina por destruirlo originando una enfermedad clínica relacionada, resultado de la pérdida de la función del órgano, como esterilidad en el caso de la enfermedad inflamatoria pélvica por una infección crónica por N. gonorrhoeae.

La naturaleza de la respuesta del hospedador que despierta el microorganismo patógeno a menudo define la patología de la infección. La inflamación local origina una lesión hística circunscrita, mientras que la inflamación generalizada, como la que se observa durante la septicemia, provoca síntomas y signos de choque séptico cuya gravedad es directamente proporcional a la producción de efectores en el hospedador. La enfermedad causada por un parásito intracelular es consecuencia de la formación de granulomas, donde el hospedador intenta encerrar al parásito dentro de una lesión fibrosa rodeada por células epiteliales fusionadas que constituyen las denominadas células gigantes multinucleadas. Diversos microorganismos patógenos, en especial bacterias anaerobias, estafilococos y estreptococos, originan la formación de abscesos, tal vez por la presencia de polisacáridos de superficie zwitteriónicos, como el polisacárido capsular de Bacteroides fragilis. El desenlace de una infección bacteriana depende del equilibrio entre una respuesta eficaz del hospedador que elimine al agente patógeno y una reacción inflamatoria excesiva que se acompaña de incapacidad para eliminar a dicho agente, así como de la lesión hística que resulta y que es causante de la enfermedad.

Como parte del proceso patogénico, la mayor parte de los microbios se desprende del hospedador, a menudo de manera transmisible para los individuos susceptibles. Sin embargo, el índice de transmisibilidad no tiene por qué ser necesariamente alto, incluso aunque la enfermedad sea grave en la persona infectada, ya que transmisibilidad y virulencia no son rasgos ligados. La mayor parte de los microorganismos patógenos sale por la misma vía por la que entró; los agentes patógenos respiratorios a través de las gotitas de aerosol que se expulsan al estornudar o toser o al propagarse en la saliva; los microorganismos digestivos por vía fecal-oral; las enfermedades de transmisión sexual por diseminación venérea y los microorganismos transportados por vectores a través de contacto directo con el vector hematófago o por contacto indirecto al verter los microorganismos en fuentes ambientales como el agua. Los factores microbianos que favorecen de manera específica la transmisión todavía no se conocen bien. El desprendimiento del aparato respiratorio se facilita por la producción excesiva de secreciones mucosas, que a su vez favorecen los estornudos y la tos. Las toxinas diarreicas, como la del cólera, la termolábil de E. coli y las de Shigella, quizá facilitan la propagación fecal-oral de las células microbianas en la diarrea abundante que acompaña a la infección. Otro mecanismo patógeno importante para la transmisión es la capacidad de fabricar variedades que resisten en ambientes hostiles (p. ej., los quistes de E. histolytica muy resistentes vertidos en las heces). Los parásitos sanguíneos, como las especies de Plasmodium, cambian su fenotipo después de ser ingeridos por un mosquito, requisito previo para la transmisión de este agente patógeno. Los microorganismos transmitidos por vía venérea pueden sufrir variantes fenotípicas gracias a la producción de factores específicos que facilitan la transmisión, pero el vertido de estos agentes patógenos en el ambiente no da lugar a la formación de focos infecciosos.

Los mecanismos moleculares que utilizan los microbios patógenos para colonizar, invadir, infectar y alterar al hospedador son múltiples y diversos. Cada fase del proceso infeccioso abarca un conjunto de interacciones entre los factores del microbio y los del hospedador cuyo resultado final puede ser la enfermedad. El reconocimiento de que existe una regulación genética coordinada para la elaboración del factor de virulencia cuando los microorganismos se desplazan desde su medio natural hasta el hospedador mamífero, resalta lo compleja que es la interacción entre el parásito y el hospedador. Por fortuna, la diversidad de los factores necesarios para que prosperen la infección y la enfermedad conlleva la posibilidad de crear diversas estrategias terapéuticas para interrumpir este proceso e impedir y tratar de este modo las infecciones microbianas.