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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.
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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.
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Encuentros con las células epiteliales
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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.
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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.
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Encuentros con los fagocitos
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FAGOCITOSIS E INFLAMACIÓN
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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OTRAS INTERACCIONES ENTRE MICROORGANISMOS PATÓGENOS Y FAGOCITOS
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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.
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SUPERVIVENCIA DE LOS MICROORGANISMOS EN EL INTERIOR DE LOS FAGOCITOS
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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.