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Las células madre se definen por dos capacidades: 1) la capacidad para regenerarse o “autorrenovarse” y 2) la capacidad para diferenciarse hacia todos los tipos de células diversos. Las células madre embrionarias tienen la capacidad para generar cada tipo de célula especializado en un organismo (en otras palabras, son pluripotentes). En contraste, las células madre adultas tienen la capacidad para dar lugar a los diversos tipos de células que especifican un tejido particular. En el adulto, múltiples órganos albergan células madre (“células madre adultas”) que pueden dar lugar a células específicas para tejido maduras. La hsc se considera la célula madre adulta paradigmática porque puede diferenciarse hacia todos los tipos de células sanguíneas.
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Las células madre hematopoyéticas tienen la capacidad para diferenciarse hacia muchos tipos de células sanguíneas
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Las hsc son raras —hay menos de una hsc por 5 × 104 células en la médula ósea— y sus números están estrictamente controlados por un equilibrio de división, muerte y diferenciación celulares.
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En circunstancias en las cuales el sistema inmunitario no está siendo desafiado por un agente patógeno (estado estable o condiciones homeostáticas), casi todas las hsc están quiescentes. Un pequeño número se divide, y genera células hijas. Algunas células hijas retienen las características de célula madre de la célula que les dio origen, es decir, se siguen autorrenovando y son capaces de dar lugar a todos los tipos de células sanguíneas. Otras células hijas se diferencian hacia células progenitoras que pierden su capacidad de autorrenovación y quedan progresivamente más comprometidas hacia una línea de células sanguíneas particular. A medida que el organismo envejece, el número de hsc disminuye, lo que demuestra que hay límites para el potencial de autorrenovación de una hsc.
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Cuando hay demanda aumentada de hematopoyesis (p. ej., durante una infección o después de quimioterapia), las hsc muestran una enorme capacidad proliferativa. Esto puede demostrarse en ratones cuyo sistema hematopoyético se ha destruido por completo mediante una dosis letal de rayos X (950 rads). Esos ratones irradiados mueren en el transcurso de 10 días a menos que se les administren células de la médula ósea normales provenientes de un ratón genéticamente idéntico. Aunque un ratón normal tiene 3 × 108 células de la médula ósea, la administración de sólo 104 a 105 células de la médula ósea de un donante basta para restituir por completo el sistema hematopoyético, lo que demuestra la enorme capacidad de las hsc para autorrenovación. La capacidad para identificar y purificar esta subpoblación pequeña ha mejorado considerablemente, y los investigadores en teoría ahora pueden rescatar animales irradiados con sólo algunas células madre purificadas, que dan lugar a progenitores que proliferan rápidamente y pueblan el sistema sanguíneo con relativa rapidez.
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Debido a la rareza de las hsc y los desafíos que plantea cultivarlas in vitro, los investigadores inicialmente encontraron muchas dificultades para identificar hsc y aislarlas. En el recuadro 2-1 de Experimento clásico se describen métodos experimentales que llevaron al enriquecimiento exitoso de hsc. En resumen, en los primeros esfuerzos exitosos se utilizaron estrategias de proceso de eliminación inteligentes. Los investigadores razonaron que las células madre hematopoyéticas indiferenciadas no expresarían marcadores de superficie específicos para células maduras provenientes de las múltiples líneas sanguíneas (marcadores “Lin”). Usaron varios métodos para eliminar células en la médula ósea que expresaron estos marcadores (células Lin+), y después examinaron la población restante (Lin–) respecto a su potencial para dar lugar continuamente a todas las células sanguíneas a largo plazo. De hecho, las células Lin– estuvieron enriquecidas en este potencial. Otros investigadores aprovecharon dos desarrollos tecnológicos que revolucionaron la investigación inmunológica —anticuerpos monoclonales y citometría de flujo (capítulo 20)— e identificaron proteínas de superficie, entre ellas CD34, Sca-1 y c-Kit, que distinguieron la rara población de células madre hematopoyéticas.
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RECUADRO 2-1
EXPERIMENTO CLÁSICO: Aislamiento de células madre hematopoyéticas
Hacia el decenio de 1960-1969, los investigadores sabían que las células madre hematopoyéticas (hsc) existían y que eran una población rara en la médula ósea. Con todo, desconocían qué las distinguía de los otros millones de células que llenaban la médula ósea. Estuvo claro que para entender por completo cómo estas notorias células dan lugar a todas las otras células sanguíneas, y para aprovechar este potencial para uso clínico, los investigadores habrían tenido que encontrar una manera de aislar hsc.
Sin embargo, ¿de qué modo puede encontrarse algo que es muy raro, cuya única característica distintiva es su función (su capacidad para dar lugar a todas las células sanguíneas)? Los investigadores idearon diversas estrategias que evolucionaron rápidamente con cada avance tecnológico, en particular con el advenimiento de los anticuerpos monoclonales y la citometría de flujo.
Independientemente del método que se usa para tratar de aislar una célula, tiene importancia crucial disponer de un análisis experimental fiable que pueda decir al investigador que las células que ha separado de hecho son las que busca. Fundamentalmente, para probar que se ha enriquecido o purificado una hsc, es necesario mostrar que puede proliferar y dar lugar a todos los tipos de células sanguíneas en un animal a largo plazo. Muchos de los análisis que originalmente se establecieron para mostrar esto aún se encuentran en uso. Comprenden análisis de formación de colonias, en los cuales la capacidad de células individuales para proliferar (y diferenciarse) se determina al buscar evidencia de división celular ya sea in vitro (sobre placas) o in vivo (en el bazo de ratones irradiados). No obstante, la mejor evidencia para el aislamiento exitoso de hsc es la demostración de que pueden restituir las células sanguíneas y el sistema inmunitario de un animal que recibió radiación letal, y evitar su muerte. Esto puede hacerse para células madre de ratón al inyectar candidatos a células madre en ratones irradiados, y determinar si confieren supervivencia y vuelven a poblar todos los tipos de células sanguíneas. El desarrollo de un modelo en ratones que acepte células madre hematopoyéticas humanas (el modelo de ratón SCID-hu [hombre]) ha aumentado mucho la capacidad de los investigadores para verificar la pluripotencialidad de poblaciones de células madre humanas candidato.
Durante el decenio de 1970-1979, los investigadores carecían de la capacidad para comparar fácilmente diferencias de proteínas y expresión génica entre células individuales, así que tuvieron que tratar de distinguir tipos de células con base en otras características físicas y estructurales. No fue sino hasta que se introdujeron los anticuerpos monoclonales al repertorio de investigación cuando los investigadores pudieron considerar seriamente la purificación de una célula madre. Pueden crearse anticuerpos monoclonales (capítulo 20) contra casi cualquier proteína, lípido o carbohidrato. Los anticuerpos monoclonales pueden, por sí mismos, modificarse de modo covalente con partículas de oro, enzimas o fluorocromos a fin de visualizar su unión mediante microscopia.
A principios del decenio de 1980-1989, los investigadores razonaron que las hsc tenían pocas probabilidades de expresar proteínas específicas para células sanguíneas maduras. Al usar anticuerpos monoclonales producidos contra múltiples células maduras, las atraparon y eliminaron de suspensiones de células de la médula ósea, primero por medio de un proceso llamado separación (panning), en el cual el fondo común heterogéneo de células se incubó con anticuerpos unidos a un plástico, y después las células que no se adhirieron fueron desalojadas y decantadas. Las células que no se adhirieron a los anticuerpos estuvieron, de hecho, enriquecidas (en algunos casos por varios miles de veces) en células con potencial de hsc. Esta estrategia de selección negativa contra líneas de células maduras aún es útil, y ahora se denomina selección de “línea o Lin”; las células enriquecidas mediante este método se denominan “Lin–”. En la figura 1 se muestra el proceso de separación, que proporcionó una de las primeras imágenes de células que incluyeron células madre hematopoyéticas humanas.
Diversos investigadores también trabajaron para identificar moléculas de superficie que eran específicas para células madre hematopoyéticas, de modo que pudieran seleccionarlas positivamente a partir de los diversos tipos de células de la médula ósea. La primera proteína que identificó hsc humanas, que ahora se conoce como CD34, se identificó con un anticuerpo monoclonal generado contra un tumor de tipos de células sanguíneas primitivas (leucemia mieloide aguda).
Aunque es posible seleccionar positivamente células a partir de una población diversa usando los procedimientos de separación (panning) antes descritos (o al usar su variante más actual, en la cual se aplican células a columnas de anticuerpos monoclonales o equivalentes unidos a resina), el citómetro de flujo proporciona la manera más eficiente de extraer una población rara desde un grupo diverso de células. Este aparato, inventado en el laboratorio Herzenberg y su equipo interdisciplinario de académicos e inventores, ha revolucionado la inmunología y la medicina clínica. En pocas palabras, es un aparato que permite identificar, separar y recuperar células individuales a partir de un fondo común diverso de células con base en los perfiles de proteínas, o de genes, o de ambos, que expresan. En el capítulo 20 se presenta una introducción pormenorizada a la notoria tecnología. En resumen, células tomadas de una suspensión heterogénea son marcadas con (“teñidas con”) anticuerpos monoclonales (o con otras moléculas) que se unen a características separadas y que están acoplados a fluorocromos separados. Estas células fluyen en una sola fila enfrente de láseres que excitan los varios fluorocromos, y se registran las intensidades de las múltiples longitudes de onda emitidas por cada célula individual. Las células que expresan antígenos específicos a cifras deseadas (p. ej., que muestran evidencia de expresión de CD34) se pueden separar físicamente de otras células y recuperar para estudios adicionales.
A finales del decenio de 1980-1989, Irv Weissman y el personal de sus laboratorios descubrieron que las diferencias en expresión de la proteína Thy (un marcador de células T), y más tarde la expresión de proteína Sca, diferenciaron entre células madre hematopoyéticas de ratón y células más maduras. En su laboratorio se combinaron técnicas de selección tanto negativa como positiva para desarrollar uno de los métodos más eficientes para el enriquecimiento de células hematopoyéticas (figura 2). A medida que se identificaron otras moléculas de superficie, el método fue perfeccionado. En la actualidad, las hsc se identifican más frecuentemente por su fenotipo Lin– Sca-1+ c-Kit+ (“LSK”). Ha quedado claro que incluso este subgrupo, que representa menos de 1% de las células de la médula ósea, es heterogéneo desde los puntos de vista fenotípico y funcional. Continúa la identificación de otros marcadores de superficie, incluso proteínas slam, que pueden distinguir entre estas subpoblaciones. La sinergia entre avances técnicos y estrategias experimentales sin duda continuará, de modo que, finalmente, será posible identificar de manera inequívoca, aislar y manipular lo que persiste como el santo grial de las investigaciones de hsc: la célula madre a largo plazo que puede tanto autorrenovarse como dar lugar a todos los tipos de células sanguíneas.
Emerson, S.G., C.A. Sieff, E.A. Wang, G.G. Wong, S.C. Clark, y D.G. Nathan. 1985. Purification of fetal hematopoietic progenitors and demonstration of recombinant multipotential colony-stimulating activity. Journal of Clinical Investigation 76:1286.
Shizuru, J.A., R.S. Negrin, e I.L. Weissman. 2005. Hematopoietic stem and progenitor cells: clinical and preclinical regeneration of the hematolymphoid system. Annual Review of Medicine 56:509.
Weissman, I.L. 2000. Translating stem and progenitor cell biology to the clinic: Barriers and opportunities. Science 287:1442.
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La hematopoyesis es el proceso mediante el cual las células madre hematopoyéticas se desarrollan hacia células sanguíneas maduras
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Una hsc que es inducida para diferenciarse (pasar por hematopoyesis) pierde su capacidad de autorrenovación, y hace una de dos elecciones amplias de compromiso hacia línea (figura 2-1). Puede convertirse en un progenitor mieloide-eritroide común (cmp), que da lugar a todos los eritrocitos (la línea eritroide), granulocitos, monocitos y macrófagos (la línea mieloide), o puede convertirse en un progenitor linfoide común (clp), que da lugar a linfocitos B, linfocitos T y células nk. Las células mieloides y las células nk son miembros del sistema inmunitario innato, y son las primeras células en responder a infección u otros fenómenos adversos. Los linfocitos son miembros de la respuesta inmunitaria adaptativa, y generan una respuesta inmunitaria específica para antígeno refinada que también da lugar a memoria inmunitaria.
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A medida que las hsc progresan a lo largo de sus líneas elegidas, pierden la capacidad para contribuir a otras líneas celulares. Despierta interés que las líneas tanto mieloide como linfoide dan lugar a células dendríticas, células presentadoras de antígeno con características y funciones diversas que desempeñan una función importante en el inicio de respuestas inmunitarias adaptativas. El cuadro 2-1 lista la concentración y la frecuencia de células inmunitarias en la sangre.
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Regulación del compromiso de línea durante la hematopoyesis
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Cada paso que da una célula madre hematopoyética hacia compromiso con una línea celular particular se acompaña de cambios genéticos. Se han identificado múltiples genes que especifican compromiso de línea. Muchos de éstos son reguladores de la transcripción. Por ejemplo, el factor de transcripción GATA-2 se requiere para el desarrollo de todas las líneas hematopoyéticas; en su ausencia los animales mueren durante la embriogénesis. Otro regulador de la transcripción, Bmi-1, se requiere para la capacidad de autorrenovación de hsc, y en su ausencia los animales mueren en el transcurso de dos meses después de nacer, debido al fracaso para repoblar sus eritrocitos y leucocitos. Tanto Ikaros como Notch son familias de reguladoras de la transcripción que tienen efectos más específicos sobre la hematopoyesis. Ikaros se requiere para el desarrollo linfoide, no así para el mieloide; los animales sobreviven en su ausencia, pero no pueden montar una respuesta inmunitaria completa (esto es, tienen alteración inmunitaria grave). Notch 1, uno de cuatro miembros de la familia Notch, regula la elección entre líneas de linfocitos T y B (capítulo 9). Se siguen identificando más reguladores maestros del compromiso de línea durante la hematopoyesis.
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La tasa de hematopoyesis, así como la producción y liberación de líneas celulares específicas, también muestran capacidad de respuesta a cambios ambientales experimentados por el organismo. Por ejemplo, la infección puede dar lugar a la liberación de citocinas que aumentan de manera notoria el desarrollo de células mieloides, incluso neutrófilos. A últimas fechas los investigadores también han mostrado que la liberación de células maduras desde la médula ósea muestra capacidad de respuesta a ciclos circadianos, y está regulada por el sistema nervioso simpático.
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Cómo se distinguen las células sanguíneas
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Los primeros investigadores originalmente clasificaron las células con base en su aspecto al microscopio, a menudo con la ayuda de colorantes. Sus observaciones fueron en especial útiles para distinguir entre líneas mieloides y linfoides, entre granulocitos y macrófagos, y entre neutrófilos, basófilos y eosinófilos. Las tinciones de hematoxilina y eosina (H & E) aún se utilizan comúnmente en combinación para distinguir tipos de células en frotis de sangre y en tejidos. Ponen de relieve diferencias intracelulares debido a su sensibilidad al pH y diferentes afinidades para macromoléculas cargadas en una célula. Así, el colorante hematoxilina básico se une a ácidos nucleicos basófilos, y los tiñe de color azul, y el colorante ácido eosina se une a proteínas eosinofílicas en gránulos y el citoplasma, y los tiñe de color rosado.
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Los microscopistas hicieron inferencias acerca de la función celular mediante el examen detallado de la estructura de células teñidas, así como la conducta de células vivas en solución. El advenimiento del citómetro de flujo durante el decenio de 1980-1989 revolucionó el entendimiento de los subtipos de células al permitir evaluar múltiples proteínas de superficie e internas expresadas de forma simultánea por células individuales. El desarrollo de métodos de microscopia fluorescente cada vez más sofisticados para observar células vivas in vitro e in vivo ha permitido a los investigadores penetrar en las complejidades de la respuesta inmunitaria en el tiempo y el espacio. Estos avances, junto con capacidades para manipular genéticamente la función celular, también han revelado una notoria diversidad de los tipos de células entre las células mieloides y linfoides, y siguen exponiendo nuevas funciones y relaciones inesperadas entre células hematopoyéticas. Por ende, si bien el entendimiento de estos subtipos de células es impresionante, de ningún modo es completo.
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Células de la línea mieloide son las primeras que responden a infección
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Las células que surgen a partir de un progenitor mieloide común (cmp) son los eritrocitos (células eritroides), así como diversos tipos de leucocitos (células mieloides, como los granulocitos, monocitos, macrófagos y algunas células dendríticas). Las células mieloides son las primeras que muestran respuesta a la invasión por un agente patógeno, y comunican la presencia de un fenómeno adverso a células de la línea linfoide (véase más adelante). También contribuyen a enfermedades inflamatorias (asma y alergia) (capítulo 15).
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Los granulocitos son las líneas de ataque frontales durante una respuesta inmunitaria, y se consideran parte del sistema inmunitario innato. Los granulocitos son leucocitos que se clasifican como neutrófilos, basófilos, mastocitos o eosinófilos con base en diferencias de las características morfológicas de la célula y la tinción de sus gránulos citoplasmáticos típicos (figura 2-2). Todos los granulocitos tienen núcleo multilobulado que los hace visualmente peculiares y fácilmente distinguibles de los linfocitos, cuyo núcleo es redondo. El citoplasma de los granulocitos está repleto de gránulos que se liberan en respuesta al contacto con agentes patógenos. Estos gránulos contienen diversas proteínas con funciones separadas: algunas dañan agentes patógenos de manera directa; otras regulan el tráfico y la actividad de otros leucocitos, incluso linfocitos, y algunas más contribuyen al remodelado de tejidos en el sitio de infección. En el cuadro 2-2 se presenta una lista parcial de proteínas de gránulos y sus funciones.
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Los neutrófilos constituyen la mayor parte (50 a 70%) de los leucocitos circulantes (figura 2-2a), y son mucho más numerosos que los eosinófilos (1 a 3%), los basófilos (< 1%) o los mastocitos (< 1%). Después de diferenciación en la médula ósea, los neutrófilos son liberados hacia la sangre periférica y circulan durante 7 a 10 h antes de migrar hacia los tejidos, donde tienen un lapso de vida de sólo algunos días. En respuesta a muchos tipos de infecciones, el número de neutrófilos circulantes aumenta de manera significativa, y un mayor número es reclutado hacia tejidos, parcialmente en respuesta a indicios que la médula ósea recibe para producir y liberar más células mieloides. El incremento transitorio resultante del número de neutrófilos circulantes, llamado leucocitosis, se usa médicamente como una indicación de infección.
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Los neutrófilos son reclutados hacia el sitio de infección en respuesta a moléculas inflamatorias (p. ej., quimiocinas) generadas por células innatas (incluso otros neutrófilos) que se han unido a un agente patógeno. Una vez en los tejidos, los neutrófilos fagocitan (rodean e introducen a su interior) bacterias con mucha eficacia, y secretan también una gama de proteínas que tienen efectos antimicrobianos y potencial de remodelado de tejido. Los neutrófilos son las células que responden primero, dominantes, a la infección, y son los principales componentes celulares del pus, donde se acumulan al final de su breve vida. Si bien alguna vez se consideró una célula efectora sencilla y “desechable”, el neutrófilo recientemente inspiró interés renovado a partir de investigaciones que indican que también puede regular la respuesta inmunitaria adaptativa.
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Los basófilos son granulocitos no fagocíticos (figura 2-2b) que contienen gránulos grandes llenos con proteínas basófilas (esto es, se tiñen de color azul en protocolos estándar de tinción con H&E). Los basófilos son relativamente raros en la circulación, pero pueden ser muy potentes. En respuesta a la unión de anticuerpos circulantes, los basófilos liberan el contenido de sus gránulos. La histamina, una de las proteínas mejor conocidas en los gránulos basófilos, aumenta la permeabilidad y la actividad del músculo liso de los vasos sanguíneos. Los basófilos (y los eosinófilos, véase más adelante) son cruciales en la respuesta a parásitos, en particular helmintos (gusanos), pero en áreas donde la infección por gusanos es menos prevaleciente, la histamina se aprecia mejor como la causa de síntomas de alergia. Al igual que los neutrófilos, los basófilos también pueden secretar citocinas que modulan la respuesta inmunitaria adaptativa.
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Los mastocitos (figura 2-2c) se liberan a partir de la médula ósea hacia la sangre como células indiferenciadas; sólo maduran después de que salen de la sangre. Los mastocitos pueden encontrarse en una amplia variedad de tejidos, incluso la piel, tejidos conjuntivos de diversos órganos, y tejido epitelial mucoso de los tractos respiratorio, genitourinario y digestivo. Al igual que los basófilos circulantes, estas células tienen grandes números de gránulos citoplasmáticos que contienen histamina y otras sustancias farmacológicamente activas. Los mastocitos también desempeñan un papel importante en la aparición de alergias.
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Los basófilos y los mastocitos comparten muchas características, y su relación no se entiende completamente. Algunos especulan que los basófilos son la versión transportada por la sangre de los mastocitos; otros creen que tienen orígenes y funciones distintos.
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Los eosinófilos, al igual que los neutrófilos, son células fagocíticas móviles (figura 2-2d) que pueden migrar desde la sangre hacia los espacios tisulares. Su papel fagocítico es mucho menos importante que el de los neutrófilos, y se cree que desempeñan su papel de mayor importancia en la defensa contra parásitos multicelulares, incluso gusanos. Pueden encontrarse agrupados alrededor de gusanos invasivos, cuyas membranas son dañadas por la actividad de proteínas liberadas desde gránulos eosinofílicos. Al igual que los neutrófilos y los basófilos, los eosinófilos también pueden secretar citocinas que regulan linfocitos B y T, lo que influye sobre la respuesta inmunitaria adaptativa. En áreas donde los parásitos constituyen un problema de salud menor, los eosinófilos se aprecian mejor como contribuidores a síntomas de asma y de alergia.
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Células presentadoras de antígeno mieloides
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Los progenitores mieloides también dan lugar a un grupo de células fagocíticas (monocitos, macrófagos y células dendríticas) que tienen función de célula presentadora de antígeno (apc) profesional (figura 2-3). Las apc mieloides se consideran puentes celulares entre los sistemas inmunitarios innato y adaptativo porque hacen contacto con un agente patógeno en el sitio de infección y comunican este encuentro a linfocitos T en el ganglio linfático (“presentación de antígeno”). Cada apc puede mostrar respuesta a agentes patógenos y secretar proteínas que atraen otras células inmunitarias y las activan. Cada una puede ingerir agentes patógenos por medio de fagocitosis, digerir proteínas patogénicas hacia péptidos, y después presentar estos antígenos peptídicos sobre sus superficies de membrana. Cada una puede ser inducida para que exprese una serie de moléculas coestimulatorias requeridas para la activación óptima de linfocitos T. Sin embargo, es probable que cada una desempeñe un papel separado durante la respuesta inmunitaria, dependiendo de su ubicación y de su capacidad para mostrar respuesta a agentes patógenos. Las células dendríticas, en particular, desempeñan un papel primario en la presentación de antígeno a —y la activación de— células T vírgenes. Los macrófagos y los neutrófilos son en especial eficientes para eliminar tanto agentes patógenos como células huésped dañadas, y pueden proporcionar una primera línea de defensa contra agentes patógenos.
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Los monocitos constituyen alrededor de 5 a 10% de los leucocitos, y son un grupo heterogéneo de células que migran hacia tejidos y se diferencian hacia una diversa gama de células fagocíticas residentes en tejido, incluso macrófagos y células dendríticas (figura 2-3a). Durante la hematopoyesis en la médula ósea, las células progenitoras de granulocitos-monocitos se diferencian hacia promonocitos, que salen de la médula ósea y entran a la sangre, donde se diferencian más hacia monocitos maduros. Recientemente se identificaron dos categorías amplias de monocitos. Los monocitos inflamatorios entran a los tejidos con rapidez en respuesta a infección. Los monocitos patrulla, un grupo de menor tamaño de células que reptan lentamente a lo largo de los vasos sanguíneos, proporcionan un reservorio para monocitos residentes en tejido en ausencia de infección, y tal vez repriman respuestas inmunitarias más que iniciarlas.
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Los monocitos que migran hacia tejidos en respuesta a infección pueden diferenciarse hacia macrófagos específicos para tejido. Al igual que los monocitos, los macrófagos pueden desempeñar varios papeles diferentes. Algunos macrófagos son residentes a largo plazo en tejidos, y desempeñan un papel importante en la regulación de su reparación y regeneración. Otros macrófagos participan en la respuesta inmunitaria innata, y pasan por varios cambios clave cuando son estimulados por encuentros con agentes patógenos o por daño tisular. Éstos se denominan macrófagos inflamatorios, y desempeñan un doble papel en el sistema inmunitario como fagocitos eficaces que pueden contribuir a la eliminación de agentes patógenos de un tejido, y como células presentadoras de antígeno que pueden activar linfocitos T. Los osteoclastos en el hueso, las células de la microglía en el sistema nervioso central y los macrófagos alveolares en los pulmones son ejemplos específicos para tejido de macrófagos con estas propiedades.
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Por varias razones, los macrófagos inflamatorios activados son más eficaces que los macrófagos en reposo en la eliminación de agentes patógenos potenciales. Muestran mayor actividad fagocítica, capacidad aumentada para matar microbios ingeridos, incremento de la secreción de mediadores inflamatorios y citotóxicos, y la capacidad para activar células T. En el capítulo 5 se proporciona más información acerca de las actividades antimicrobianas de macrófagos. Los macrófagos activados también funcionan con mayor eficacia como células presentadoras de antígeno para células T auxiliares (células TH) que, a su vez, regulan la actividad de macrófagos y la aumentan. De este modo, los macrófagos y las células TH facilitan la activación uno de otro durante la respuesta inmunitaria.
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Muchos macrófagos también expresan receptores para ciertas clases de anticuerpos. Si un antígeno (p. ej., una bacteria) es cubierto con el anticuerpo apropiado, el complejo de antígeno y anticuerpo se une a receptores de anticuerpo sobre la membrana del macrófago con mayor facilidad que el antígeno solo, y mejora la fagocitosis. Por ejemplo, en un estudio, la tasa de fagocitosis de un antígeno fue 4 000 veces más alta en presencia de anticuerpo específico contra el antígeno, que en su ausencia. De este modo, un anticuerpo es un ejemplo de una opsonina, una molécula que se une a un antígeno y lo marca para reconocimiento por células inmunitarias. La modificación de antígenos particulados con opsoninas (que tienen diversas formas) se llama opsonización, término proveniente del griego que literalmente significa “proporcionar alimento” o “hacer agradable al gusto”. La opsonización tradicionalmente se describe como un proceso que mejora la fagocitosis de un antígeno, pero sirve para múltiples propósitos que se comentarán en capítulos subsiguientes.
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Si bien la mayor parte del antígeno ingerido por macrófagos es degradada y eliminada, experimentos tempranos con antígenos radiomarcados demostraron la presencia de péptidos antigénicos sobre la membrana de macrófago. Aunque el macrófago es una célula presentadora de antígeno muy capaz, la célula dendrítica se considera el activador más eficiente de células T vírgenes.
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El descubrimiento de la célula dendrítica (dc) por Ralph Steinman a mediados del decenio de 1970-1979, lo hizo acreedor al Premio Nobel en 2011. Las células dendríticas son cruciales para el inicio de la respuesta inmunitaria, y se les dio este nombre porque están cubiertas con extensiones membranosas largas que semejan las dendritas de células nerviosas, y se extienden y retraen de manera dinámica, lo que aumenta el área de superficie disponible para explorar linfocitos. Son una población de células más diversa de lo que alguna vez se creyó, y se observa que surgen a partir de las líneas de células hematopoyéticas tanto mieloides como linfoides. Las distinciones funcionales entre estas células diversas aún se están esclareciendo, y es probable que sean un componente crucial en la adaptación de respuestas inmunitarias a distintos agentes patógenos y el direccionamiento de células que muestran respuesta hacia distintos tejidos.
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Las células dendríticas desempeñan las funciones separadas de captura de antígeno en una ubicación, y presentación de antígeno en otra. Fuera de los ganglios linfáticos, formas inmaduras de estas células vigilan el organismo para buscar signos de invasión por agentes patógenos, y captan antígenos que se han introducido al organismo o extraños. Procesan estos antígenos, y después migran hacia ganglios linfáticos, donde presentan el antígeno a las células T vírgenes, lo que inicia la respuesta inmunitaria adaptativa.
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Cuando actúan como centinelas en la periferia, las células dendríticas inmaduras captan su carga de antígeno de tres maneras. Lo introducen a su interior por medio de fagocitosis, mediante endocitosis mediada por receptor, o por medio de pinocitosis. De hecho, las células dendríticas inmaduras efectúan pinocitosis de volúmenes de líquido de 1 000 a 1 500 μm3 por hora, un volumen que rivaliza con el de la célula misma. Por medio de un proceso de maduración, cambian desde un fenotipo de captura de antígeno hacia uno que está especializado para la presentación de antígeno a células T. Al hacer la transición, algunos atributos se pierden y otros se ganan. Se pierde la capacidad de fagocitosis, y de pinocitosis a gran escala. Empero, la capacidad para presentar antígeno aumenta de manera significativa, como lo hace la expresión de moléculas coestimulatorias que son esenciales para la activación de células T vírgenes. Después de la activación, las células dendríticas abandonan la residencia en tejidos periféricos, entran a la circulación sanguínea o linfática, y migran hacia regiones de los órganos linfoides, donde residen células T, y presentan antígeno.
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Es importante notar que, si bien comparten el nombre, las células dendríticas foliculares no surgen en la médula ósea, y tienen funciones por completo diferentes de las descritas para las células dendríticas antes comentadas. Las células dendríticas foliculares no funcionan como células presentadoras de antígeno para la activación de células TH; estas células dendríticas se nombraron por su ubicación exclusiva en estructuras organizadas del ganglio linfático llamadas folículos linfoides, que son ricos en células B. La interacción de células B con células dendríticas foliculares es un paso importante en la maduración de células B y la diversificación de las mismas (capítulos 12 y 14).
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Está claro que las células mieloides no son las únicas células que pueden presentar antígeno con eficiencia. Como se mencionó, las células dendríticas derivadas de tejido linfoide son apc por completo capaces. Además, los linfocitos B activados pueden actuar como células presentadoras de antígeno profesionales. Las células B pueden internalizar antígeno con mucha eficiencia por medio de su receptor específico para antígeno, y pueden procesar péptidos antigénicos y presentarlos en la superficie celular. Las células B activadas también expresan la totalidad de moléculas coestimulatorias que se requieren para activar células T. Al presentar antígeno de manera directa a células T, las células B solicitan ayuda con eficiencia, en la forma de citocinas, que inducen su diferenciación hacia células de memoria, así como hacia células productoras de anticuerpos (células plasmáticas).
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Las células de la línea eritroide —eritrocitos— también surgen a partir de un precursor mieloide común (a veces denominado un precursor mieloide-eritroide común). Contienen concentración alta de hemoglobina, y circulan por los vasos sanguíneos y los capilares suministrando oxígeno a células y tejidos circundantes. Los eritrocitos dañados también pueden liberar señales (radicales libres) que inducen actividad inmunitaria innata. En mamíferos, los eritrocitos son anucleares; sus precursores nucleados (eritroblastos) extruden su núcleo en la médula ósea. Con todo, los eritrocitos de casi todos los vertebrados no mamíferos (aves, peces, anfibios y reptiles) retienen su núcleo. El tamaño y la forma de los eritrocitos varían considerablemente en todo el reino animal —los eritrocitos de mayor tamaño pueden encontrarse entre algunos anfibios, y los de menor tamaño, entre algunas especies de ciervos.
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Los megacariocitos son células mieloides grandes que residen en la médula ósea y dan lugar a miles de plaquetas, células muy pequeñas (o fragmentos de células) que circulan en la sangre y participan en la formación de coágulos de sangre. Aunque las plaquetas tienen algunas de las propiedades de células independientes, carecen de núcleo propio.
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Las células de la línea linfoide regulan la respuesta inmunitaria adaptativa
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Los linfocitos (figura 2-4) son las principales células que participan en la respuesta inmunitaria adaptativa. Representan 20 a 40% de los leucocitos circulantes y 99% de las células en la linfa. Los linfocitos pueden subdividirse ampliamente en tres poblaciones principales con base en diferencias funcionales y fenotípicas: linfocitos B (células B), linfocitos T (células T) y células asesinas naturales (nk). En seres humanos, alrededor de un billón (1012) linfocitos circulan continuamente por la sangre y la linfa, y migran hacia los espacios tisulares y los órganos linfoides. A continuación se describen brevemente las características generales y las funciones de cada grupo de linfocitos y sus subgrupos.
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Los linfocitos son células relativamente sin características sobresalientes, que son muy difíciles de distinguir desde el punto de vista morfológico. Las células T y B, en particular, parecen idénticas al microscopio. Por ende, se depende mucho de la impronta de proteínas de superficie que expresan para diferenciar entre subpoblaciones de linfocitos.
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Las proteínas de superficie expresadas por células inmunitarias a menudo se denominan por medio de la nomenclatura de cúmulo de diferenciación (cd o cúmulo de designación). Esta nomenclatura fue establecida en 1982 por un grupo internacional de investigadores que reconocieron que muchos de los nuevos anticuerpos producidos por laboratorios en todo el mundo (en su mayor parte en respuesta al advenimiento de la tecnología de anticuerpos monoclonales) estaban viendo las mismas proteínas. Por ende, definieron cúmulos de anticuerpos que parecieron estar viendo la misma proteína, y asignaron un nombre —un cúmulo de diferenciación o cd— a cada grupo. Aunque originalmente se diseñó para categorizar los múltiples anticuerpos, la nomenclatura cd ahora se asocia firmemente con proteínas de superficie específicas que se encuentran sobre células de muchos tipos. En el cuadro 2-3 se listan algunas moléculas de cd comunes que se encuentran en linfocitos de ser humano y del ratón. Note que el cambio desde el uso de un nombre “común” hacia el nombre “cd” más estándar puede tener lugar lentamente (por ejemplo, los investigadores a menudo aún se refieren al marcador pan-T como “Thy-1” más que como CD90, y a las moléculas coestimulatorias como “B7-1” y “B7-2”, más que como CD80 y CD86). En el apéndice 1 se listan más de 300 marcadores cd expresados por células inmunitarias.
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Además de sus improntas de superficie de cd, cada célula B o T también expresa un receptor específico para antígeno (el receptor de célula B [bcr] o el receptor de célula T [tcr], respectivamente) sobre su superficie. Si bien las poblaciones de células B y T expresan una notoria diversidad de receptores de antígeno (más de 1 000 millones), todos los receptores de una superficie de célula individual tienen estructura idéntica y, por ende, tienen especificidad idéntica para antígeno. Si un linfocito dado se divide para formar dos células hijas, ambas hijas portan receptores de antígeno con especificidades de antígeno idénticas una a otra, e idénticas a la célula a partir de la cual surgieron y así lo harán cualesquiera descendentes que produzcan. La población de linfocitos resultante, todos los cuales surgen a partir del mismo linfocito fundador, es una clona.
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En cualquier momento dado, un ser humano o un ratón contendrá decenas de miles (quizá 100 000) de clonas de células T y B maduras separadas, cada una distinguida por su propia cohorte de receptores de antígeno singular e idéntica. Las células B y T maduras están listas para encontrar el antígeno, pero se consideran vírgenes en tanto no lo hacen. El contacto con antígeno induce a los linfocitos vírgenes para que proliferen y se diferencien hacia células tanto efectoras como de memoria. Las células efectoras desempeñan funciones específicas para combatir el agente patógeno, mientras que las células de memoria persisten en el huésped, y en el momento de la repetición de la exposición al mismo antígeno median una respuesta que es más rápida y de mayor magnitud. El primer encuentro con antígeno se denomina una respuesta primaria y la repetición del encuentro es una respuesta secundaria.
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La designación de letra del linfocito B (célula B) se derivó de su sitio de maduración, en la bolsa de Fabricio en aves; casualmente, el nombre resultó ser adecuado en inglés, porque la médula ósea (bone marrow) es su principal sitio de maduración en seres humanos, ratones y muchos otros mamíferos. Las células B maduras se distinguen en definitiva de otros linfocitos y de todas las otras células por su síntesis y despliegue del receptor de célula B (bcr), una molécula de inmunoglobulina (anticuerpo) unida a la membrana que se une al antígeno. Cada célula B expresa un anticuerpo de superficie con una especificidad singular, y cada una de las aproximadamente 1.5 a 3 × 105 moléculas de anticuerpo de superficie tiene sitios de unión idénticos para antígeno. Los linfocitos B también pueden mejorar su capacidad para unir antígeno por medio de un proceso conocido como hipermutación somática, y pueden generar anticuerpos de varias clases funcionales diferentes por medio de un proceso que se conoce como cambio de clase. La hipermutación somática y el cambio de clase se cubren con detalle en el capítulo 12.
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Finalmente, las células B activadas se diferencian hacia células efectoras conocidas como células plasmáticas (figura 2-4c). Las células plasmáticas pierden expresión de inmunoglobulina de superficie y se tornan altamente especializadas para la secreción de anticuerpos. Una sola célula es capaz de secretar desde algunos cientos hasta más de 1 000 moléculas de anticuerpo por segundo. Las células plasmáticas no se dividen y, aunque pueden encontrarse algunas poblaciones de células plasmáticas de vida prolongada en la médula ósea, muchas mueren en el transcurso de una o dos semanas.
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Los linfocitos T (células T) derivan su designación de letra de su sitio de maduración en el timo. Al igual que la célula B, la célula T expresa un receptor de unión a antígeno singular llamado el receptor de célula T. Aun así, a diferencia de los anticuerpos unidos a membrana sobre células B, que pueden reconocer antígeno soluble o particulado, los receptores de célula T sólo reconocen fragmentos de antígeno procesados (típicamente péptidos) unidos a proteínas de membrana celular llamadas moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (mhc). Las moléculas del mhc son glucoproteínas genéticamente diversas que se encuentran sobre membranas celulares (su estructura y función se cubren con detalle en el capítulo 8). La capacidad de las moléculas del mhc para formar complejos con antígeno permite a las células colocar en su superficie proteínas internas (extrañas y propias), y las exponen a células T que están explorando. Hay dos versiones del mhc: moléculas del mhc clase I, que son expresadas por casi todas las células nucleadas de especies de vertebrados, y moléculas del mhc clase II, que son expresadas por células presentadoras de antígeno profesionales y por algunos otros tipos de célula durante la inflamación.
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Los linfocitos T se dividen en dos tipos principales de células —células T auxiliares (TH) y células T citotóxicas (TC)— que pueden distinguirse una de otra por la presencia de glucoproteínas de membrana CD4 o CD8 sobre su superficie. Las células T que despliegan CD4 por lo general funcionan como células TH y reconocen antígeno en complejo con mhc clase II, mientras que las que despliegan CD8 por lo general funcionan como células dc, y reconocen antígeno en complejos con mhc clase I. La proporción entre células T CD4+ y CD8+ es de alrededor de 2:1 en sangre periférica de ratón y ser humano normal. Un cambio de esta proporción a menudo es un indicador de enfermedad por inmunodeficiencia (p. ej., infección por hiv), enfermedades autoinmunitarias y otros trastornos.
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Las células T CD8+ vírgenes exploran la superficie de células presentadoras de antígeno con sus receptores de célula T. Si se unen a un complejo de MHC-péptido, y cuando lo hacen, quedan activadas, proliferan y se diferencian hacia una célula efectora llamada un linfocito T citotóxico (ctl). El ctl tiene una función vital en vigilar las células del organismo y eliminar cualesquiera células que despliegan antígeno extraño que forma complejos con mhc clase I, como células infectadas por virus, células tumorales, y células de un injerto de tejido extraño. Para que proliferen y se diferencien de manera óptima, las células T CD8+ vírgenes también necesitarán ayuda por parte de células T CD4+ maduras.
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Las células T CD4+ vírgenes también exploran la superficie de células presentadoras de antígeno con sus receptores de célula T. Si reconocen un complejo de MHC-péptido, pueden quedar activadas y proliferar y diferenciarse hacia uno de varios subgrupos de células T efectoras (figura 2-4e). Las células T auxiliares tipo 1 (TH1) regulan la respuesta inmunitaria a agentes patógenos intracelulares, y las células T auxiliares tipo 2 (TH2) regulan la respuesta a muchos agentes patógenos extracelulares. Recientemente se han identificado otros dos subgrupos de células TH. Las células T auxiliares tipo 17 (TH17), así llamadas porque secretan IL-17, desempeñan un papel importante en la inmunidad mediada por células, y pueden ayudar en la defensa contra hongos. Las células T auxiliares foliculares (TFH) desempeñan una función importante en la inmunidad humoral, y regulan el desarrollo de células B en centros germinales. El subtipo de células T auxiliares que domina una respuesta depende en su mayor parte del tipo de agente patógeno (intracelular en contraposición con extracelular, viral, bacteriano, micótico, helminto) que ha infectado un animal. Cada uno de estos tipos de células T CD4+ produce un grupo diferente de citocinas que permiten o “ayudan” a la activación de células B, células TC, macrófagos y varias otras células que participan en la respuesta inmunitaria. La red de citocinas que regulan estas células efectoras y que son producidas por las mismas se describen con detalle en el capítulo 11.
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Otro tipo de célula T CD4+, la célula T reguladora (TREG), tiene la singular capacidad de inhibir una respuesta inmunitaria. Estas células pueden surgir durante la maduración del timo a partir de células autorreactivas (TREG naturales), pero también pueden ser inducidas en el sitio de una respuesta inmunitaria de una manera dependiente de antígeno (TREG inducidas). Son identificadas por la presencia de CD4 y CD25 sobre su superficie, así como por la expresión del factor de transcripción interno FoxP3. Las células TREG son cruciales para ayudar a mitigar respuestas autorreactivas que no se han evitado por medio de otros mecanismos. De hecho, los ratones con agotamiento de células TREG están afectados por un conjunto de reacciones inflamatorias autorreactivas destructivas. De cualquier modo, las células TREG también pueden desempeñar un papel en la limitación de la respuesta de células T normal de seres humanos a un agente patógeno. Las subpoblaciones de células T CD4+ y CD8+ pueden ser aún más diversas que lo que se describe en la actualidad y el campo debe esperar identificación futura de otros subtipos funcionales.
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Células asesinas naturales
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Las células asesinas naturales (nk) son células linfoides que están estrechamente relacionadas con las células B y T. Sin embargo, no expresan receptores específicos para antígeno, y se consideran parte del sistema inmunitario innato. Se distinguen por la expresión de un marcador de superficie conocido como NK1.1, así como por la presencia de gránulos citotóxicos. Alguna vez denominadas “linfocitos granulares grandes” debido a su aspecto al microscopio, las células nk constituyen 5 a 10% de los linfocitos en la sangre periférica de seres humanos. Son asesinas eficientes de células, y atacan diversas células anormales, incluso algunas células tumorales y algunas células infectadas por virus. Distinguen entre las células que deben ser muertas y las células normales de una manera muy inteligente: al “reconocer” la ausencia de mhc clase I, que es expresado por casi todas las células normales, pero que es regulado de manera específica en dirección descendente por algunos tumores, y en respuesta a ciertas infecciones virales. ¿De qué modo las células pueden reconocer una falta? Las células nk expresan diversos receptores para mhc clase I que, cuando son ocupados, inhiben su capacidad para matar otras células. Cuando las células nk encuentran células que han perdido su mhc clase I, estos receptores ya no están ocupados, y ya no pueden inhibir las tendencias citotóxicas potentes de la célula nk, que entonces libera sus gránulos citolíticos y mata la célula blanco anormal.
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Las células nk también expresan receptores para inmunoglobulinas y, por ende, pueden cubrirse por sí mismas con anticuerpos que se unen a agentes patógenos o proteínas de agentes patógenos sobre la superficie de células infectadas. Esto permite a una célula nk hacer una conexión con diversas células blanco (independientemente de su expresión de mhc clase I). Una vez que los anticuerpos ponen en contacto la célula nk con células blanco, la célula nk libera sus gránulos e induce muerte celular. El mecanismo de citotoxicidad por células nk, el enfoque de mucho estudio experimental actual, se describe ampliamente en el capítulo 13.
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Otro tipo de célula de la línea linfoide, las células nkt, ha recibido mucha atención a últimas fechas, y comparte características tanto con los linfocitos T como con las células nk, convencionales. Tal como las células T, las células nkt tienen receptores de célula T (tcr) y algunas expresan CD4. No obstante, a diferencia de casi todas las células T, los tcr de células nkt no son muy diversos, y reconocen lípidos y glucolípidos específicos presentados por una molécula relacionada con proteínas del mhc conocida como CD1. Al igual que sus familiares inmunitarios innatos, las células nk, las células nkt tienen receptores de anticuerpos, así como otros receptores clásicamente asociados con células nk. Las células nkt activadas pueden liberar gránulos citotóxicos que matan células blanco, pero también pueden liberar grandes cantidades de citocinas que pueden tanto aumentar la respuesta inmunitaria como suprimirla. Parecen estar involucradas en el asma del ser humano, pero también pueden inhibir el desarrollo de autoinmunidad y cáncer. El entendimiento de la función exacta de las células nkt en la inmunidad es una prioridad de investigación.