CAPÍTULO 22: Patogénesis de la infección bacteriana

Las palabras citadas hacen alusión a todos los microorganismos y enfermedades infecciosas, pero son muy apropiadas para aquellas provocadas por bacterias. En el capítulo anterior, aprendimos de su impactante diversidad y adaptabilidad posibilitadas por su simplicidad, velocidad y robustos mecanismos de intercambio genético. Cuando se empezaron a utilizar los antibióticos a mediados del siglo pasado, se supuso que era el final de las bacterias. ¡Qué equivocados estábamos! A excepción de aquellos evitados por medio de la inmunización, los patógenos bacterianos ocupan una posición tan prominente como en cualquier otro momento desde la implementación generalizada de medidas de salud pública hace un siglo. Los principales responsables de esto son la emergencia de patógenos nuevos, así como la resistencia de los ya conocidos a los agentes antimicrobianos desarrollados en la “carrera armamentista” en su contra. Staphylococcus aureus, el “campeón eterno” de los patógenos, sigue siendo una causa de enfermedad igual de importante y de desconcertante en la actualidad que cuando sir Alexander Ogston lo observó en las heridas de sus pacientes quirúrgicos en el decenio de 1880-1889.

El presente capítulo explica los mecanismos básicos que utilizan las bacterias para producir enfermedades. El propósito es ofrecer una base para explicar la forma en que utilizan estos mecanismos los patógenos bacterianos que se presentan en los capítulos 24 a 41. Antes de comenzar, vale la pena especificar algunas definiciones:

• Patogenicidad. La capacidad de cualquier especie bacteriana para ocasionar enfermedades en un hospedador humano susceptible.

  Patógeno(a). Especie bacteriana capaz de ocasionar dichas enfermedades al presentarse circunstancias favorables (para el organismo).

  Virulencia. Término que presume patogenicidad pero que permite la expresión de grados de baja a extremadamente elevada, por ejemplo:

  • Baja virulencia. Streptococcus salivarius se encuentra universalmente presente en la flora bucofaríngea de los humanos. Por sí mismo, parece incapaz de producir enfermedad pero, si durante una bacteriemia transitoria llega a situarse en una válvula cardiaca dañada, puede depositarse en la misma y ocasionar una destrucción lenta pero continua.

  • Moderada virulencia. Escherichia coli se encuentra universalmente dentro del colon, pero su desplazamiento a otras localizaciones, como a tejidos adyacentes o la vejiga urinaria, regularmente ocasiona infecciones agudas.

  • Alta virulencia. Bordetella pertussis, la causa de la tos ferina, no se encuentra en la flora residente, pero si aparece es altamente infecciosa y ocasiona enfermedad en casi toda persona no inmune con la que entra en contacto.

  • Extrema virulencia. Yersinia pestis, la causa de la peste bubónica, también es altamente infecciosa, pero además conduce a la muerte después de unos cuantos días en más de 70% de los casos.

HUMANOS Y BACTERIAS

Como se discutió en el capítulo 1, los seres humanos cuentan con una rica microbiota, y la composición de dicha flora es principalmente bacteriana. De estas bacterias, la mayoría de las que se encuentran en los humanos son comensales; es decir, comen “de la misma mesa” que nosotros. Estos microbios son nuestros compañeros constantes y a menudo dependen de los humanos para su existencia. También existen las especies transitorias, que sólo van de paso, pero algunas de éstas pueden ser patógenos oportunistas. Es decir, pueden ocasionar enfermedad sólo cuando uno o más de los mecanismos de defensa diseñados para mantenerlos alejados de los tejidos internos normalmente estériles se ven superados de manera accidental, intencional (p. ej., cirugía) o a causa de algún trastorno metabólico o infeccioso (p. ej., sida) subyacente. No obstante, existe un pequeño grupo de bacterias que de manera regular provocan infección y enfermedad franca en personas que aparentan estar sanas. Se trata de los patógenos primarios como el bacilo de la tifoidea, el gonococo y el bacilo tuberculoso (de Koch), que nunca se consideran como miembros de la microbiota normal.

La sobrevivencia de un patógeno primario depende por completo de su capacidad de replicarse, sobrevivir y transmitirse a otro hospedador. A fin de lograrlo, los patógenos primarios han evolucionado la capacidad de franquear las barreras celulares y anatómicas humanas que normalmente restringen o destruyen a los microorganismos comensales o transitorios. Así, los patógenos en forma inherente pueden ocasionar daños a las células al obtener acceso, por la fuerza, a un nuevo nicho único que les proporcione menos competencia por parte de otros microorganismos, así como una nueva fuente accesible de nutrientes. Así, los patógenos no sólo han adquirido la capacidad para franquear las barreras celulares, sino que también, por necesidad, han aprendido a evitar, explotar, subvertir e, incluso, manipular nuestros propios mecanismos celulares normales para sus propios fines egoístas y para multiplicarse a nuestras expensas.

Para microorganismos patógenos no adaptados a humanos, otros animales, o insectos, la supervivencia en el ambiente es un requisito para la producción continua de enfermedad. Como las formas vivientes más adaptables sobre el planeta, no sorprende que los microorganismos patógenos sean parte de las formas de vida libre comunes entre bacterias. La supervivencia extendida aumenta por la formación de biopelículas. Estos limos de polisacáridos extracelulares actúan para unir una comunidad entera de bacterias a un sitio ambiental, por ejemplo, tuberías de agua. Las endosporas proporcionan la forma de supervivencia más extendida para bacterias grampositivas.

La emergencia de muchas enfermedades bacterianas aparentemente nuevas tiene mucho que ver tanto con la conducta humana como con la adaptabilidad de las bacterias. El brote de legionelosis de 1976 finalmente se rastreó a Legionella pneumophila, que se encuentra ampliamente en ambientes acuáticos como agente infeccioso de las amibas. Sin embargo, sin la atomización creada por los sistemas modernos (torres de enfriamiento) diseñados para la humidificación de edificios de gran tamaño, no se hubiera transmitido a los humanos. El desarrollo de los tampones extraabsorbentes tuvo la consecuencia inadvertida de proporcionar condiciones favorables para la producción de una toxina de ciertas cepas de S. aureus. El resultado fue un brote nacional de síndrome por choque tóxico en Estados Unidos. La intoxicación alimenticia por E. coli O157:H7, Campylobacter y Salmonella es igual de atribuible a la tecnología alimentaria y las redes modernas de distribución de alimentos como a cualquier cambio fundamental en las propiedades de virulencia de las bacterias en cuestión. Ninguna parte de nuestro planeta está a más de tres días de viaje por aire, un hecho conocido y temido por todos los funcionarios de salud pública.

La investigación de la patogenicidad se basa en vincular la enfermedad natural en los humanos con las infecciones experimentales producidas por el mismo organismo. Una vez que se establece la patogenicidad, se inicia una búsqueda de los determinantes de la virulencia bacteriana con la meta final de encontrar un inmunógeno para la fabricación de vacunas. Estos abordajes se han visto enormemente enriquecidos por un nuevo enfoque genético en el que la manipulación de los genes que controlan las propiedades de virulencia puede aislarse en un sistema modelo apropiado. Esto posibilita insertar, desactivar o restaurar los genes de virulencia y sus reguladores como variables aisladas en un experimento. Gracias a la secuenciación total del genoma completo de los patógenos principales, se ha llegado a una comprensión de las estructuras comunes de las secuencia de DNA de toxinas, sistemas de secreción y reguladores, de modo que se puedan buscar e incluso estudiar sin el aislamiento químico del factor de virulencia mismo. En las discusiones y capítulos que siguen, se hará el intento de explicar las conclusiones de estas investigaciones con ejemplos de los tipos principales de control genético. Aunque ya se conoce la mayor parte de esta información, una descripción detallada de los genes de la virulencia y su regulación va más allá del alcance del presente texto.

Sea que un microbio se considere un patógeno primario u oportunista, debe ser capaz de ingresar en un hospedador; encontrar un nicho único; evitar, franquear o subvertir las defensas normales del hospedador; multiplicarse, y dañar al hospedador. Para que el patógeno obtenga el éxito a largo plazo, también debe establecerse en el hospedador o en algún otro sitio el tiempo suficiente como para que se transmita a un nuevo hospedador susceptible. Esta competencia entre patógeno y hospedador puede verse como las contiendas militares o atléticas más familiares; es decir, ofensiva contra defensa. Mientras más aprendemos acerca de los patógenos bacterianos, más parece que aquellos que tienen éxito no sólo cuentan con una ofensiva excelente, sino que lucen particularmente capaces de franquear las defensas del hospedador.

INGRESO: DERRIBAR LAS DEFENSAS INNATAS DEL HOSPEDADOR

Cada uno de los portales del cuerpo que se comunica con el mundo exterior se convierte en un sitio potencial para el ingreso microbiano. Los hospedadores humanos y otros animales tienen diversos mecanismos protectores para evitar el ingreso microbiano (cuadro 22-1). Los bordes epiteliales de las superficies interna y externa del organismo proporcionan una barrera mecánica simple, aunque relativamente eficiente, para la invasión microbiana. De éstos, la piel es la más formidable con su capa superficial queratinizada resistente. Los organismos pueden obtener acceso a los tejidos subyacentes sólo a través de heridas o por medio de los folículos pilosos, las glándulas sebáceas y las glándulas sudoríparas que cruzan las capas estratificadas. La superficie de la piel se descama de manera continua y, por tanto, tiende a eliminar los organismos contaminantes. Así también, la piel inhibe el crecimiento de la mayoría de los microorganismos extraños debido a su baja humedad, bajo pH y la presencia de sustancias con actividades antibacterianas. Aparte de las formas larvarias de unos pocos gusanos parasitarios, las bacterias no cuentan con ningún otro mecanismo conocido para pasar por la piel intacta.

Para las superficies internas, una mucina viscosa secretada por células caliciformes protege el revestimiento epitelial del tracto respiratorio, el tracto gastrointestinal y el sistema urogenital. Los microorganismos quedan atrapados en esta red gruesa de proteína y polisacárido, y pueden ser barridos antes de que lleguen a la superficie de la célula epitelial. La IgA secretora (sIgA) que se secreta en la mucosa, junto con otros antimicrobianos secretados, como lisozima y lactoferrina, son de ayuda en este proceso de limpieza. Algunas bacterias excretan una enzima sIgA proteasa, que fragmenta la sIgA I humana en la región bisagra para liberar la porción Fc del fragmento Fab. Es posible que esta enzima desempeñe una importante función en el establecimiento de especies microbianas en la superficie mucosa. Las células epiteliales ciliadas constantemente alejan la mucina del tracto respiratorio inferior. En el tracto respiratorio, ésta es la forma en que se atrapa a las partículas mayores a los 5 μm. El epitelio del tracto intestinal por debajo del esófago es una barrera mecánica menos eficiente que la piel, pero existen otros mecanismos de defensa eficaces. Los niveles elevados de ácido clorhídrico y de enzimas gástricas en el estómago normal pueden matar a muchas de las bacterias que se ingieren. Otras bacterias son susceptibles a las enzimas digestivas pancreáticas o al efecto detergente de las sales biliares.

En cierto sentido, la eficiencia con la que los patógenos bacterianos sortean todas estas barreras antes del encuentro inicial con su tipo celular meta se mide por su dosis infecciosa. ¿Cuántos organismos deben dársele al hospedador para garantizar la infección en alguna proporción de sus individuos? Los cálculos de las dosis infecciosas para diversos patógenos se muestran en el cuadro 22-2. En general, los patógenos tienen reservorios ambientales o animales que pueden abrumar las defensas innatas con sus enormes números. Aquellos amplificados por su crecimiento al interior de los alimentos también pueden ofrecer números elevados con o sin un reservorio. Los patógenos sin reservorio o mecanismos de amplificación deben transmitirse de humano a humano y, por ende, requieren de las dosis infecciosas mínimas. Sin esta ventaja, los patógenos se eliminarían de la población al paso del tiempo.

ADHERENCIA: LA BÚSQUEDA DE UN NICHO ÚNICO

La primera interacción importante entre un microorganismo patogénico y su hospedador implica la adherencia a la superficie de una célula eucariota. En su forma más sencilla, la adherencia requiere de la participación de dos factores: una adhesina para el microbio invasor y un receptor sobre la célula hospedadora (figura 22-1). La adhesina debe encontrarse expuesta sobre la superficie bacteriana ya sea por sí sola o con apéndices como los pelos (pilis). En apariencia, los pelos son “pegajosos” en sí, lo que puede verse potenciado por las relaciones específicas moleculares adhesina/receptor mediadas por moléculas en los extremos. En las bacterias gramnegativas, la membrana externa es un sitio principal para adhesinas. La mayoría de las adhesinas son proteínas, pero es posible que también estén implicados hidratos de carbono y ácidos teicoicos. La naturaleza química de los receptores no se conoce con el mismo detalle debido a la mayor dificultad de aislamiento (las bacterias pueden cultivarse por galones), pero se puede pensar que son generales o específicos. Por ejemplo, dos de los receptores más comunes, la manosa y la fibronectina, se encuentran presentes ampliamente en las superficies de las células epiteliales humanas. Los pelos que se unen a ellas pueden mediar la adhesión en una variedad de sitios. Los receptores específicos son aquellos únicos a un tipo celular particular, como los enterocitos o células uroepiteliales humanas. Donde se conocen, estos receptores por lo general son residuos de azúcares que forman parte de los glucolípidos o glucoproteínas de la superficie celular hospedadora.

Muchas bacterias tienen más de un mecanismo para adherirse a las células hospedadoras. En algunos casos, los pelos median la adherencia inicial, que se sigue de una adhesión más fuerte y específica mediada por otra proteína. Es posible que esto permita la implementación de una segunda función como reacomodo o invasión del citoesqueleto. También es posible que múltiples adhesinas permitan que la bacteria utilice un conjunto en la superficie epitelial, pero otro conjunto distinto al toparse con otros tipos celulares o con el sistema inmune. Es posible que la función de los pelos sea más que la sencilla adhesión. Los pelos de Neisseria gonorrhoeae, provocador de la gonorrea, median un movimiento mediante contracciones activas sobre la superficie celular con la formación de microcolonias móviles (figura 22-2). Las biopelículas pueden actuar como un mecanismo de adherencia al unirse a catéteres, dispositivos protésicos o superficies mucosas.

Estrategias de supervivencia

Una vez que el patógeno bacteriano se adhiere, debe persistir si ha de provocar enfermedad. La sobrevivencia es menos complicada si el organismo puede provocar daños sin desplazarse de su nicho inicial. Tal es el caso de algunas enfermedades bacterianas mediadas por exotoxinas (difteria, tos ferina), pero la mayoría de los patógenos deben desplazarse, ya sea al interior de la célula o más allá de ella. Hacerlo requiere de un nuevo conjunto de estrategias de supervivencia que incluyen multiplicarse dentro del medio intracelular y evitar el ataque del complemento y de los fagocitos en la submucosa.

INVASIÓN: INGRESAR EN LAS CÉLULAS

Unas cuantas bacterias, al igual que los virus, son patógenos intracelulares obligados. Otras bacterias son patógenos intracelulares facultativos y pueden desarrollarse como células de vida independiente en el ambiente así como al interior de las células hospedadoras. En general, los microorganismos invasivos se adhieren a las células hospedadoras mediante una o más adhesinas, pero usan una clase de moléculas, llamadas invasinas, que interactúan con las integrinas o con otras familias de moléculas de adhesión celular. Las integrinas, a su vez, interactúan con elementos del citoesqueleto de la célula y estimulan modificaciones que terminan en captación de la célula bacteriana. Las bacterias invasivas parecen estar explotando mecanismos de captación celulares que están ahí para otros propósitos, como nutrición.

De manera inicial, las bacterias ingresan en las células dentro de una estructura vesicular rodeada por una membrana y creada por el hospedador, pero más adelante siguen una de dos vías diferentes (figura 22-3). Algunas bacterias (Listeria, Shigella) lisan por medio de enzimas la membrana fagosómica y escapan al refugio seguro rico en nutrientes del citosol de la célula hospedadora. Estas bacterias pueden seguir multiplicándose en dicho lugar, infectar células adyacentes o pasar a través de la célula a la submucosa. Otras especies de patógenos invasivos (Salmonella typhi, Mycobacterium tuberculosis) permanecen dentro del fagosoma y se replican aun dentro de los fagocitos profesionales. Su supervivencia en esta ubicación por lo general peligrosa se debe a alteración de patrones de tráfico de células hospedadoras normales y evitación de la acción asesina del fagolisosoma. Hay múltiples mecanismos conocidos para esto, entre ellos evitación de la fusión de fagosoma-lisosoma o, si están fusionados, bloqueo de la acidificación hasta el pH óptimo para la actividad de enzimas digestivas. Algunas bacterias son capaces de neutralizar la explosión oxidativa de fagocitos mediante la producción de enzimas neutralizantes (catalasa, superóxido dismutasa).

En las bacterias gramnegativas con sistemas de secreción por inyección (tipos III, IV, VI) existe la posibilidad de una variación de los escenarios planteados antes. Los sistemas de secreción inyectan muchas proteínas, algunas de las cuales alteran la señalización y el citoesqueleto de la célula. Los reacomodos citoesqueléticos pueden dejar a la bacteria adherida con firmeza a una superficie alterada o pueden detonar la invasión. Incluso, existe un patógeno que inyecta su propio receptor, que se procesa hacia la membrana externa, donde media la adhesión de la bacteria.

PERSISTENCIA EN UN AMBIENTE NUEVO

Las bacterias que llegan a los tejidos subepiteliales inmediatamente se ven expuestas a los líquidos del tejido extracelular, que tienen propiedades definidas que inhiben la multiplicación de muchas bacterias. Por ejemplo, la mayoría de los tejidos contienen lisozima en concentraciones suficientes para alterar la pared celular de las bacterias grampositivas. El líquido hístico en sí es un medio de crecimiento subóptimo para la mayoría de las bacterias y se encuentra carente de hierro libre. En humanos el hierro no unido a hemoglobina es quelado a una serie de proteínas de unión a hierro (lactoferrina, transferrina). Dado que casi todas las bacterias patógenas requieren hierro, han adquirido por evolución su propio conjunto de proteínas de unión a hierro llamadas sideróforos, que compiten con eficacia con las proteínas humanas por el hierro disponible.

Obstaculización del sistema inmune

En gran parte, el sistema inmune del hospedador evolucionó a causa de la presión selectiva de los ataques microbianos. A fin de tener éxito, los patógenos deben evadir este sistema al menos el tiempo suficiente como para que se les transmita a un nuevo hospedador susceptible o que puedan residir en el hospedador de una manera que sea compatible con la coexistencia mutua.

Inmunidad innata

Manipulación de PAMP

El sistema de aviso y respuesta tempranos en el cual receptores tipo toll (TLR) reconocen patrones moleculares asociados con agente patógeno (PAMP) (capítulo 2) está sujeto a evasión por microorganismos patógenos exitosos. Esto se ha estudiado respecto a LPS de bacterias gramnegativas, cuyo patrón típicamente es detectado por el TLR-4. En algunos agentes patógenos (Helicobacter, Legionella, Yersinia) el componente lípido A (tóxico) del LPS es simplemente una variable poco reconocida por TLR-4; otros agentes patógenos (Salmonella, Pseudomonas) son capaces de modular su patrón de lípido A. El resultado de ambos es un buen inicio al evadir un mecanismo inmunitario innato importante.

Alteración del complemento

Un requisito fundamental para muchas bacterias patogénicas es escapar de la fagocitosis de macrófagos y leucocitos polimorfonucleares. El medio bacteriano más común de evitar la fagocitosis es la cápsula antifagocítica, que poseen casi todos los patógenos principales que ocasionan pulmonías y meningitis. Estas cápsulas de polisacáridos de los patógenos interfieren con la deposición efectiva del complemento en la superficie de la célula bacteriana al fijar los reguladores de C3b que se encuentran presentes en el suero. Cuando uno de éstos, el factor H, se concentra sobre la superficie de la cápsula, acelera la degradación de C3b. Esto elimina el daño directo por parte del complemento y hace que los receptores reconocidos por la fagocitosis no se encuentren disponibles (figura 22-4). El mecanismo no se limita a las cápsulas de polisacáridos. Las proteínas de la superficie que pueden fijar el factor H tienen el mismo efecto biológico. Los anticuerpos que se dirigen en contra de este antígeno capsular revierten el efecto porque entonces C3b puede ligarse en asociación con IgG. Otro mecanismo para la alteración del complemento es por medio de adquisición de ácido siálico, un componente común de polisacáridos capsulares, en la superficie. Algunas bacterias son capaces de incorporar ácido siálico desde el hospedador sobre sus superficies, con un efecto similar al de cápsulas.

Inducción de apoptosis

Una de las tácticas más comunes de estos microorganismos patógenos es producir proteínas que inducen muerte celular programada (apoptosis). Esta táctica microbiana no sólo desactiva el potencial de muerte producida por el fagocito, sino que también reduce el número de defensores disponibles para inhibir otras bacterias invasoras. Las bacterias invasoras que inducen la apoptosis obtienen el beneficio adicional de que la muerte por apoptosis nulifica los procesos celulares normales de citocinas y quimiocinas que indican muerte necrótica.

Inmunidad adaptativa

Variación antigénica

Otro método mediante el cual los microorganismos evitan las respuestas inmunitarias del hospedador es la variación de antígenos superficiales. La gonorrea es una enfermedad en la que no parece haber inmunidad natural y las reinfecciones son comunes. De hecho, puede montarse una respuesta inmune en contra de los pelos de la superficie y de las proteínas de la membrana externa (OMP) de N. gonorrhoeae, pero el organismo los varía de manera continua. Esto sucede incluso durante el curso de una sola infección. Los mecanismos genéticos implicados en esta variación antigénica son diferentes para los pelos y las OMP y se ilustran en la figura 22-5. El efecto es que cuando el sistema inmunológico transporta la IgG específica al sitio de la infección, se unirá con el antígeno homólogo, pero puede multiplicarse una subpoblación con una superficie antigénicamente distinta que continúa la infección. De esta manera, el patógeno escapa de la vigilancia inmunológica. Diversas bacterias y parásitos adicionales también realizan variaciones antigénicas.

LESIÓN

El microorganismo patógeno exitoso debe sobrevivir y multiplicarse en presencia de múltiples defensas del hospedador. Si bien esto es un logro formidable, por sí mismo es insuficiente para causar enfermedad. La enfermedad requiere algo de alteración de la función del hospedador por el microorganismo. Las toxinas bacterianas son el mecanismo de lesión más obvio, y son exportadas por los sistemas de secreción descritos en el capítulo 21, a menudo junto con muchos otros factores de virulencia. En algunas enfermedades la única lesión parece deberse a la respuesta inflamatoria al invasor.

Exotoxinas

Los factores de virulencia conocidos desde hace más tiempo y mejor estudiados son las exotoxinas bacterianas. Son proteínas secretadas por las bacterias hacia los líquidos circundantes, que son tóxicas para el hospedador humano. Su acción puede ser local o sistémica si se absorben hacia el torrente sanguíneo. Estas exotoxinas por lo general poseen cierto grado de especificidad para célula hospedadora, que está dictado por la naturaleza de la unión de uno o más componentes de la toxina a un receptor específico de la célula hospedadora. La distribución de receptores de la célula hospedadora a menudo dicta el grado de toxicidad y la naturaleza de la misma.

Exotoxinas A-B

El tema de exotoxina patógena mejor conocido está representado por las exotoxinas A-B. Estas toxinas se dividen en dos dominios generales. La(s) subunidad(es) B contiene(n) la especificidad de unión de la holotoxina a la célula hospedadora. En términos generales, la región B se une a una glucoproteína o glucolípido de superficie específico de la célula hospedadora. La especificidad de esta unión determina la especificidad de la toxina para la célula hospedadora. La subunidad A (activa) cataliza una reacción enzimática característica para la toxina. Después de fijación del dominio B a la superficie de la célula hospedadora, el dominio A es transportado mediante fusión directa o por medio de endocitosis hacia la célula hospedadora. En la célula, la unidad A lleva a cabo la modificación enzimática de una proteína llamada su proteína blanco. La reacción enzimática más común se llama ADP-ribosilación, que fija la porción de ADP-ribosa desde el NAD hacia la proteína blanco. Esta proteína ADP-ribosilada es incapaz entonces de llevar a cabo su función, o se comporta anormalmente. Hay muchas otras reacciones enzimáticas llevadas a cabo por exotoxinas A-B.

El efecto neto de la toxina depende de la función de la proteína blanco y de la función de la célula. Si es esencial para el aparato de síntesis de proteínas de la célula (toxina diftérica) se interrumpe la síntesis de proteínas y la célula muere (figura 1-7). Sin embargo, la muerte celular no es el desenlace inevitable de la acción de las toxinas. Uno de los principales blancos de las toxinas A-B que ocasionan la ADP-ribosilación son las proteínas fijadoras de nucleótidos de guanina (proteínas G), que están implicadas en la transducción de señales en las células eucariotas. En este caso, la inactivación de la proteína G puede inhibir o estimular alguna actividad celular. La toxina del cólera desactiva una proteína G que se encarga de la regulación descendente de una vía secretora. Si la célula es un enterocito intestinal, el resultado final es la hipersecreción de electrolitos y la diarrea. La toxina del cólera aplicada a células provenientes de la glándula suprarrenal estimula la producción de esteroides.

Exotoxinas que afectan a la membrana

Algunas exotoxinas actúan de manera directa sobre la superficie de las células hospedadoras a fin de lisarlas o destruirlas. Muchas de ellas se observaron por vez primera a causa de su capacidad para originar la hemólisis de los eritrocitos. La acción más común es crear poros mediante su inserción directa en las membranas eucariotas de un amplio rango de células, incluyendo fagocitos (figura 22-6). Estas toxinas formadoras de poros son producto de algunos de los patógenos más agresivos (Staphylococcus aureus, estreptococos del grupo A, E. coli) y ocasionan la muerte celular mediante la pérdida de integridad y el derrame del contenido celular a través del poro. Algunas se denominan grupo RTX (repeticiones en toxina) a causa de una duplicación recurrente de aminoácidos en su estructura. Otro tipo de toxina activa en membrana actúa por medio de actividad enzimática directa que destruye la integridad de los lípidos de la membrana plasmática. La toxina α de Clostridium perfringens es una lecitinasa que causa hemólisis de eritrocitos.

Enzimas hidrolíticas

Muchas bacterias producen una o más enzimas que en sí no son tóxicas, pero que facilitan la invasión del tejido o que ayudan a proteger al organismo de los mecanismos de defensa del cuerpo. Por ejemplo, diversas bacterias producen colagenasa o hialuronidasa o convierten el plasminógeno sérico a plasmina, que tiene una actividad fibrinolítica. Aunque la evidencia no resulta concluyente, es razonable suponer que estas sustancias facilitan la propagación de la enfermedad. Algunas bacterias también producen desoxirribonucleasa, elastasa y muchas otras enzimas biológicamente activas, pero no queda clara su función en el proceso patológico o en la provisión de nutrientes para los invasores.

Exotoxinas superantigénicas

Algunas exotoxinas microbianas tienen un efecto directo sobre las células del sistema inmune y esta interacción conduce a la enfermedad. Las más extremas entre éstas son las toxinas que ocasionan los síndromes de choque tóxico de S. aureus y de los estreptococos del grupo A. Estos síndromes se evocan cuando se produce la toxina en el sitio de infección y se absorbe al torrente sanguíneo. Dichas toxinas pueden enlazarse de manera directa a las moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC) del tipo II en células presentadoras de antígenos (sin procesar) y directamente estimulan la producción de citocinas, como interleucina 1 (IL-1) y factor de necrosis tumoral (TNF) (figura 22-7). Estas moléculas se denominan superantígenos porque actúan como estimuladores policlonales de linfocitos T. Esto significa que una proporción importante de linfocitos T responden mediante su división y liberación de citocinas, lo que lleva a una liberación de citocinas lo suficientemente enorme como para causar efectos sistémicos como el choque. Cuando se ingieren ya preformadas en alimentos, algunas de estas toxinas ocasionan diarrea y vómitos. No se sabe si estos efectos se deben al superantígeno o a alguna otra acción de la toxina.

Endotoxinas

En muchas infecciones ocasionadas por organismos gramnegativos, la endotoxina lipopolisacárido (LPS) de la membrana externa es un componente significativo del proceso patológico. La LPS puede ocasionar un daño local, pero su efecto principal se observa cuando las bacterias gramnegativas ingresan en el torrente sanguíneo y circulan. La porción lípido A provoca fiebre a través de la liberación de IL-1 y TNF de los macrófagos, así como efectos fisiológicos extremos asociados con la inflamación. Éstos incluyen hipotensión, disminución en los recuentos de leucocitos polimorfonucleares y plaquetas a causa de la mayor marginación de estas células a las paredes de pequeños vasos sanguíneos, hemorragias y, en ocasiones, coagulación intravascular diseminada (DIC) provocada por la activación de factores de coagulación. El paso de la endotoxina al torrente sanguíneo puede seguirse de un choque rápido e irreversible.

El término endotoxina proviene del hecho de que el LPS es un componente estructural inherente a la pared celular de la bacteria gramnegativa, no un producto secretado de la bacteria. Un evento comparable con bacterias grampositivas puede suceder con la liberación y circulación de fragmentos de peptidoglucano de la pared celular. Esto también conduce a la liberación de citocinas y a manifestaciones sistémicas. Aunque la biología es similar, en este caso no utilizamos los términos endotoxina o endotoxemia porque desde hace tiempo se han reservado para la endotoxina LPS de las bacterias gramnegativas.

Daños ocasionados por las respuestas de inflamación e inmunitarias

Muchos patógenos exitosos producen enfermedad sin utilizar ninguno de los factores conocidos de virulencia que se acaban de describir. En estos casos, aún se pueden ocasionar daños por inflamaciones agudas o crónicas o por una respuesta inmunológica mal dirigida detonada por los componentes antigénicos del patógeno.

Inflamación persistente

La respuesta inflamatoria normal es un arma de dos filos tanto en las infecciones agudas como en las crónicas. Aunque las enzimas de los neutrófilos polimorfonucleares (PMN) matan al invasor, de todos modos ocasionan cierto daño a los tejidos del hospedador o comprometen la función de los órganos. Los alveolos pulmonares llenos de PMN y macrófagos no son eficaces en su absorción de oxígeno. En el espacio encerrado del sistema nervioso central, la hinchazón producto de la inflamación puede ocasionar daño al cerebro de manera directa. En algunas infecciones crónicas, las características patológicas y clínicas se deben, en gran medida, a reacciones de hipersensibilidad tardía (DTH) al organismo o sus productos. En el caso de la tuberculosis, si el hospedador no es capaz de detener el crecimiento de M. tuberculosis por medio de la activación de la inmunidad T_H1, el crecimiento persistente del patógeno continuará estimulando los daños mediados por DTH.

Respuestas inmunes mal dirigidas

Las reacciones entre altas concentraciones de anticuerpos, antígenos microbianos solubles y complemento pueden depositar complejos inmunes en los tejidos y provocar reacciones inflamatorias agudas y enfermedad por complejos inmunes. Por ejemplo, en la glomerulonefritis aguda posestreptocócica, estos complejos se secuestran en el interior de los glomérulos del riñón, con una grave afectación de la función renal a causa de la deposición resultante de complemento y la reacción hística. Los anticuerpos producidos en contra de antígenos bacterianos también pueden presentar una reacción cruzada con ciertos tejidos del hospedador e instituir un proceso autoinmune. Se cree que esta mímica molecular es la explicación de la fiebre reumática posestreptocócica.

Todas las herramientas genéticas descritas en el capítulo anterior se utilizan en servicio del asunto complejo que implica ser un patógeno. El despliegue múltiple y secuenciado de la adherencia, la evasión y los factores de virulencia relacionados con daños han evolucionado en formas que los hacen eficientes y persistentes. Parte de esto es el uso de los plásmidos y de los sistemas reguladores ya descritos en formas únicas como islas de patogenicidad. Nuestra comprensión de otros sigue encontrándose a un nivel más descriptivo, como la emergencia y propagación de clones con virulencia potenciada por mecanismos desconocidos.

PLÁSMIDOS

En realidad, muchos de los determinantes esenciales de la patogenicidad se replican como parte del cromosoma bacteriano, pero un número sorprendente está contenido dentro de los plásmidos. A menudo, esto incluye diversos factores de virulencia dentro de un mismo plásmido. Por ejemplo, un tipo de E. coli diarreico lleva los genes para los pelos que median la adherencia a enterocitos y para las enterotoxinas que transportan a dichos enterocitos en un mismo plásmido. El término plásmido de virulencia se ha utilizado para los plásmidos cuya pérdida o modificación ocasiona una pérdida de patogenicidad para la cepa hospedadora. Dado que los plásmidos son un hogar inherentemente menos seguro para los genes que el cromosoma, esta localización debe ofrecer alguna característica de eficiencia para el patógeno. Quizá la carga adicional que representan los plásmidos es un trueque para evitar la disrupción de la organización del cromosoma bacteriano.

REGULACIÓN DE LOS GENES DE VIRULENCIA

Además de los múltiples pasos de la patogénesis, algunos patógenos se esconden en localizaciones como el agua de mar (cólera) o pulgas (peste) hasta que se presenta su oportunidad para provocar enfermedades humanas. Dado que no es económico producir factores de virulencia cuando no se necesitan, no sorprende que las bacterias hayan adquirido por evolución mecanismos para su despliegue más oportuno. El control comprende genes reguladores y sus productos que activan genes, operones, regulones (capítulo 21) y sistemas más complejos. Uno de éstos, conocido desde hace más tiempo, son los estados de “encendido” y “apagado” de genes flagelares que explican su variación de fase. Resulta ser que la motilidad mediada por estos flagelos es un factor de virulencia en infecciones de las vías urinarias por E. coli. En muchos de estos patógenos han evolucionado sistemas reguladores que vinculan la detección de señales ambientales (temperatura, osmolaridad, concentración de hierro) con la activación de su mecanismo de virulencia. Estas señales pueden “decirle” al patógeno si se encuentra en un ambiente benigno, dentro de un vector insecto, al interior de un líquido corporal o, incluso, dentro de un fagocito. En ese momento, procede el despliegue del factor de virulencia, a menudo por pasos, sintetizando la adhesina o la toxina justo en el momento en que se necesita. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 22-8, que ilustra el sistema regulador bicompartimental que utiliza Bordetella pertussis en la tos ferina. En el estado en reposo, B. pertussis no produce factores de virulencia. Al detectar una temperatura fisiológica empieza a producir sus múltiples factores de virulencia en dos etapas. La primera son los factores necesarios en las etapas tempranas de la infección, como la proteína de adherencia Fha. Después de un retraso se producen las toxinas que median la enfermedad misma (toxina de B. pertussis, adenilato ciclasa). Esta producción justo a tiempo es eficiente en cuanto a energía, y eficaz en la producción de enfermedad.

DETECCIÓN DE QUÓRUM

Los aspectos cuantitativos de la patogenicidad sugieren que podría ser valioso cronometrar el despliegue de factores de virulencia en relación con el tamaño de la población lista para atacar. El éxito puede depender de una población celular suficientemente grande como para producir enfermedad antes de que el hospedador monte una defensa eficiente. Para las bacterias esto requeriría que la célula pudiera detectar la presencia local de otros miembros de la misma especie y responder en forma acorde a ello. Tal sistema de comunicación de célula a célula ya se ha descrito. Esta comunicación se llama detección de quórum. Se ha demostrado que regula la expresión de factores de adherencia, la producción de toxinas, sistemas de secreción y formación de biopelícula. En las especies estudiadas la comunicación ocurre por medio de secreción de moléculas autoinductoras pequeñas que pueden difundirse fácilmente y cruzar las membranas celulares de modo muy parecido a las hormonas en organismos superiores. En bacterias gramnegativas se ha mostrado que las lactonas y cetonas (α-hidroxicetona) homoserina aciladas llevan a cabo estas funciones. En bacterias grampositivas, los péptidos pequeños son más comunes. Las células que envían y que reciben tienen reguladores de la transcripción que modulan el producto del gen blanco. Cada célula en la población tiene un par de síntesis/receptor que genera la molécula autoinductora y responde a la misma. El resultado final es transcripción de las proteínas de factor de virulencia relevantes.

ISLAS DE PATOGENICIDAD

En años recientes, grandes bloques de genes encontrados en el cromosoma bacteriano se han denominado islas de patogenicidad (PAI) a fin de describir regiones únicas asociadas con la virulencia (figura 22-9). El componente “isla” del término proviene del hecho de que las regiones PAI mismas normalmente tienen características fundamentales como contenido guanina + citosina, uso de codones y genes tRNA distintos al resto del genoma del organismo hospedador actual. Esto sugiere que la transferencia de genes de una especie ajena en algún punto del pasado distante es el origen probable. Muchas PAI tienen homólogos sorprendentemente similares en bacterias patogénicas para plantas y animales. Las PAI contienen el paquete completo que se requiere para el despliegue del rasgo patogénico, incluso aquellos de máxima complejidad que implican 20 a 30 genes. En los organismos que despliegan sistemas de secreción de inyección, los genes para el aparato de inyección, para las proteínas secretadas y para los elementos reguladores están incluidos en la PAI.

CLONALIDAD

No es posible que las bacterias sean una amalgama caótica de genes producida por un intercambio genético promiscuo. De ser así, no existiría la especialización bacteriana y todos estos microorganismos poseerían una secuencia cromosómica de consenso. Así, la mayoría de las bacterias tienen cierto grado de aislamiento reproductivo, excepto por los miembros de su propia especie o de alguna especie muy cercana a la propia. De esta manera, puede maximizarse la diversidad por mutación dentro de la especie (normalmente a través de transformación o transducción), al tiempo que se conservan secuencias genéticas útiles. El resultado final de la conservación de genes importantes durante la evolución es que en cualquier momento dado a lo largo del mundo, muchas bacterias son representativas de un solo tipo clonal o, con mayor frecuencia, de relativamente pocos tipos clonales que se han generalizado por el momento (evolutivo). El estudio y definición de la clonalidad requiere de más que la presencia o ausencia de los factores de virulencia. Requieren del estudio de los alelos específicos de varios genes y de las diferencias sutiles en secuencias de aminoácidos en baterías de múltiples enzimas constitutivas.

Uno de los descubrimientos que provino de la aplicación de las herramientas moleculares de diagnóstico a las enfermedades infecciosas es la naturaleza clonal de diversas enfermedades infecciosas. Es decir, a lo largo de periodos extensos y de amplias distancias geográficas, los organismos de una especie dada aislados a partir de muestras clínicas tienden a ser tan similares en su composición genética que nos obliga a pensar que una clona de bacterias descendida de un ancestro común relativamente reciente es la responsable de toda o la mayoría de la incidencia de la enfermedad. Los resultados han sido impactantes. Por ejemplo, los aislados de B. pertussis de Estados Unidos representan a una sola clona, mientras que en Japón existe una clona ligeramente distinta. Otro estudio ha determinado que sólo 11 genotipos multilocus (clonas) de Neisseria meningitidis han sido responsables de las principales epidemias de organismos del serogrupo A en todo el mundo en los últimos 60 años. Cuando los microbios establecen un nicho único, protegen su ventaja selectiva.

Aunque los patógenos bacterianos humanos representan tan sólo un mínimo porcentaje del mundo microbiano, se encuentran entre los más ingeniosos en cuanto a las formas en que provocan enfermedad. La independencia y poder de la célula bacteriana conducen a algunas de las enfermedades más temidas. La bacteriología, mecanismos patológicos y aspectos clínicos de estas enfermedades se exploran en los siguientes capítulos.