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El texto integra evidencia clínica y experimental con estudios de casos clínicos seleccionados, con el objetivo de explicar el trasfondo de conceptos actuales sobre el tema. A diferencia de la mayoría de otros textos relacionados, Inmunología. Conceptos y evidencias pone de relieve y analiza áreas de incertidumbre y controversia. Las figuras proporcionan un resumen conciso de puntos clave tratados en el texto, incluso técnicas importantes usadas en la investigación inmunológica. A fin de estimular el pensamiento crítico, se incluyen preguntas a lo largo de todo el libro; además, al final de cada capítulo hay preguntas de estudio adicionales. Las características pedagógicas comprenden objetivos y resultados de aprendizaje, además de recuadros e ilustraciones claras y coherentes, hechas de manera específica para este libro.

www.mhhe.com/med/macpherson_ice1e

978-607-15-0938-3

INMUNOLOGÍA

El libro se ha diseñado de modo que después de leer la introducción general, otros capítulos pueden considerarse de manera independiente.

Gordon MacPherson

Conceptos y evidencias

Características conceptuales y aspectos destacados:

Inmunología

MacPherson • Austyn

Inmunología. Conceptos y evidencias, es una introducción concisa que resulta idónea para todos aquellos que están interesados en el tema, incluso estudiantes de biología, medicina y veterinaria. En el primer capítulo se describen los componentes clave y los conceptos en inmunología para quienes se inician en el área. En el segundo capítulo, al igual que en el final, se presenta una perspectiva general de la infección y la inmunidad, así como de enfermedades mediadas por mecanismos inmunitarios y terapias. En los capítulos intermedios se abordan a mayor profundidad áreas fundamentales de la inmunología y se proporciona información especializada más detallada.

Jon Austyn


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Inmunología Conceptos y evidencias

Dr. G. Gordon MacPherson Sir Williams Dunn School of Pathology, University of Oxford and Oriel College Oxford, United Kingdom

Prof. Jonathan M. Austyn Nuffield Department of Surgical Sciences, University of Oxford, John Radcliffe Hospital Headington, Oxford and Wolfson College Oxford, United Kingdom

Ilustraciones por: Ruth Hammelehle Traducción: Bernardo Rivera Muñoz

ERRNVPHGLFRVRUJ MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director editorial: Javier de León Fraga Editor de desarrollo: Manuel Bernal Pérez Supervisor de producción: Juan José Manjarrez de la Vega

La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirán cambios de la terapéutica. El(los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificación medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicación. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparación de la obra garantizan que la información contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obtengan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habrá que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la información de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administración. Esto es de particular importancia con respecto a fármacos nuevos o de uso no frecuente. También deberá consultarse a los laboratorios para recabar información sobre los valores normales.

INMUNOLOGÍA. CONCEPTOS Y EVIDENCIAS. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2013 respecto a la primera edición en español por, McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C. V. A subsidiary of the McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C. P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Reg. No. 736 ISBN: 978-607-15-0938-3 Translated from the first English edition of: Exploring Immunology. Concepts and Evidence. Copyright © 2012 by Wiley-VCH Verlag & co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany All Rights Reserved

ISBN: 978-3-527-32412-5

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Impreso en México

Printed in Mexico

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Inmunología Conceptos y evidencias

Ilustraciones por Ruth Hammelehle

Comité asesor para la revisión científica de la edición en español Dr. Jorge Arturo Alvelais Palacios Profesor titular de la Materia de Inmunología básica CISALUD-Universidad Autónoma de Baja California Dr. Enrique Martínez Gómez Director del Departamento de Ciencias Básicas Escuela de Medicina y Ciencias de la Salud Tecnológico de Monterrey Dr. José Luis Pineda Camacho Profesor de Inmunología y Patología Facultad de Medicina y Psicología. Campus Tijuana Universidad Autónoma de Baja California Dr. Gerardo Rivera Silva Ph.D Profesor de Inmunología Básica Departamento de Ciencias Básicas Universidad de Monterrey (UDEM)

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Autores Dr. C. Gordon MacPherson Sir William Dunn School of Pathology, Univ. of Oxford South Parks Road Oxford OX1 3RE y Oriel College Oxford OX1 4EW United Kingdom Gordon MacPherson es un Reader in Experimental Pathology en la Sir William Dunn School of Pathology, University of Oxford, y Tutor in Medicine, Oriei College Oxford, recién jubilado. Ha enseñado todos los aspectos de la inmunología a estudiantes de medicina durante más de 30 años en conferencias, clases prácticas y tutoriales a niveles tanto introductorio como de honores. También cubre microbiología y patología general. Sus intereses de investigación son la regulación inmunitaria, en particular la inmunidad de las mucosas, y las propiedades y funciones de las células dendríticas. Prof. Jonathan M. Austyn Nuffield Department of Surgical Sciences, University of Oxford, John Radcliffe Hospital Headington, Oxford OX3 9DU y Wolfson College Oxford OX2 6UD United Kingdom Jon Austyn es Professor of Immunobiology en el Nuffield Department of Surgery en la University of Oxford. Ha enseñado en todas las áreas de inmunología fundamental durante muchos años; también diseñó de manera conjunta, y dirige, el curso MSc en Integrated Immunology en la University of Oxford. Jon Austyn tiene más de 30 años de experiencia en investigación de la inmunobiología de células dendríticas, en particular su aplicación al trasplante, enfermedades infecciosas y, en fecha más reciente, cáncer y vacunología.

Ilustraciones por epline Ruth Hammelehle Marktplatz 5 73230 Kirchheim/Teck Germany

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A la memoria de Ralph Steinman, 1943-2011 Un maravilloso tutor temprano de uno de nosotros; un destacado amigo y colega de ambos

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Prefacio

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Una nota para el lector Introducción 1 2 3

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Introducción 1 Respuestas inmunitarias 1 Infección e inmunidad 1 3.1 La vida en un mundo rico en microorganismos 1 3.2 Enfermedad infecciosa 2 Inmunopatología e inmunoterapia 2 4.1 Enfermedad mediada por mecanismos inmunitarios 2 4.2 El desafío de los trasplantes, el problema del cáncer 2 4.3 Intervenciones inmunológicas en presencia de enfermedad 4.4 Uso de recursos inmunológicos para el diagnóstico 3 Exploración de la inmunología 3

3

Capítulo 1 El sistema inmunitario 5 1.1 Introducción 5 1.2 Defensa del huésped contra la infección 5 1.2.1 Agentes infecciosos 6 1.2.2 Defensa del huésped 6 1.2.3 Reconocimiento inmunitario 6 1.2.3.1 Reconocimiento en la inmunidad innata: receptores de reconocimiento de patrón 7 1.2.3.2 Reconocimiento en la inmunidad adaptativa: receptores de antígeno 8 1.2.3.3 Tipos de reconocimiento en las inmunidades innata y adaptativa 8 1.2.4 Etapas de la inmunidad 8 1.3 Bases anatómicas de la inmunidad 10 1.3.1 Tejidos periféricos 10 1.3.2 Tejidos linfoides 11 1.3.3 Sitios inflamatorios 11 1.4 Base celular de la inmunidad 12 1.4.1 Origen de células inmunitarias 12 1.4.1.1 Hematopoyesis 12 1.4.1.2 Linfopoyesis 13 1.4.1.3 Inmunidad mediada por células 13 1.4.1.4 Introducción a las células del sistema inmunitario 13 1.4.1.5 Células de la inmunidad innata 14 1.4.1.6 Células de la inmunidad adaptativa 14

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VIII

Contenido

1.4.1.7

1.5

1.6

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Células que enlazan de manera directa las respuestas inmunitarias innata y adaptativa 15 1.4.2 Fagocitos 15 1.4.2.1 Macrófagos 15 1.4.2.2 Neutrófilos 17 1.4.3 Mastocitos, eosinófilos y basófilos 17 1.4.3.1 Mastocitos 18 1.4.3.2 Eosinófilos 18 1.4.3.3 Basófilos 19 1.4.4 Células asesinas naturales 19 1.4.5 Linfocitos 19 1.4.5.1 Células T CD4 auxiliares y reguladoras 19 1.4.5.2 Células T CD8 21 1.4.5.3 Linfocitos B 22 1.4.5.4 Linfocitos de memoria 22 1.4.6 Células dendríticas (DC) 22 1.4.7 Coordinación de respuestas inmunitarias 24 Base molecular de la inmunidad 24 1.5.1 Moléculas de la inmunidad asociadas a células, y solubles 24 1.5.2 Moléculas de adhesión 26 1.5.2.1 Selectinas 26 1.5.2.2 Quimiocinas y receptores de quimioquina 27 1.5.2.3 Integrinas 27 1.5.3 PRR y receptores de antígeno 27 1.5.3.1 Receptores de reconocimiento de patrón (PRR) 27 1.5.3.2 Receptores de célula B (BCR) 27 1.5.3.3 Receptores de célula T (TCR) 29 1.5.3.4 Moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC) 31 1.5.4 Citocinas y receptores de citocina 34 1.5.4.1 Citocinas en la inmunidad innata 34 1.5.4.2 Citocinas en la inmunidad adaptativa 35 1.5.4.3 Quimiocinas y receptores de quimioquinas 36 1.5.5 Moléculas efectoras de la inmunidad 36 1.5.5.1 Funciones compartidas del complemento y los anticuerpos 36 1.5.5.2 Complemento y receptores del complemento 36 1.5.5.3 Anticuerpos y receptores Fc 36 1.5.6 Componentes de emisión de señales celulares 37 Respuestas inmunitarias y enfermedad 38 1.6.1 El sistema inmunitario adaptativo necesita ser educado 38 1.6.1.1 El problema de la discriminación entre lo propio y lo extraño 38 1.6.1.2 Tolerancia inmunitaria 39 1.6.2 Las respuestas inmunitarias contra infección pueden causar daño 40 1.6.2.1 La inmunidad en general es beneficiosa 40 1.6.2.2 La inmunidad normal puede causar problemas 41 1.6.3 Los defectos de la inmunidad pueden causar infecciones graves 42 1.6.3.1 Enfermedades de inmunodeficiencia primaria 42 1.6.3.2 Enfermedades de inmunodeficiencia secundarias (adquiridas) 42 1.6.4 A veces pueden montarse respuestas inmunitarias contra los antígenos erróneos 42 1.6.4.1 Enfermedades autoinmunitarias 42 1.6.4.2 Sensibilidades relacionadas con la inmunidad (enfermedades por hipersensibilidad) 44 1.6.5 Reacciones a trasplante 44 1.6.5.1 Rechazo agudo 44

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Contenido

1.6.6 1.6.7

IX

1.6.5.2 Otros tipos de rechazo 44 1.6.5.3 Enfermedad de injerto contra huésped 45 Los tumores pueden evadir el sistema inmunitario 45 Terapias basadas en la inmunidad 45 1.6.7.1 Vacunas 45 1.6.7.2 Anticuerpos monoclonales y terapéuticos 46

Capítulo 2 Infección e inmunidad 49 2.1 Introducción 49 2.2 Agentes patógenos y enfermedad infecciosa 49 2.2.1 ¿Qué es un agente patógeno? 49 2.2.2 ¿Qué tipos de agente patógeno pueden causar enfermedad? 50 2.2.2.1 Virus 50 2.2.2.2 Bacterias 53 2.2.2.3 Hongos 53 2.2.2.4 Parásitos 53 2.2.3 Infección y enfermedad 55 2.2.4 Enfermedades de inmunodeficiencia 55 2.2.5 Exploración de la inmunidad a infección 57 2.3 Defensa del huésped contra infección 58 2.3.1 Mecanismos de inmunidad innata 59 2.3.1.1 Fagocitos y fagocitosis 59 2.3.1.2 Opsonización, complemento y anticuerpos naturales 60 2.3.1.3 Neutrófilos, bacterias extracelulares y hongos 62 2.3.1.4 Macrófagos, bacterias intracelulares y virus 62 2.3.1.5 Células asesinas naturales (NK) y virus 63 2.3.1.6 Mastocitos y basófilos, bacterias extracelulares y parásitos 65 2.3.1.7 Eosinófilos, parásitos y reparación tisular 65 2.3.2 Mecanismos de inmunidad adaptativa 65 2.3.2.1 Células T CD4 65 2.3.2.2 Células T CD8 67 2.3.2.3 Anticuerpos 67 2.4 Infección e inmunidad en acción 72 2.4.1 ¿De qué modo los agentes patógenos causan enfermedad? 72 2.4.1.1 Mecanismos de patogenicidad 72 2.4.1.2 ¿De qué modo se sabe que un agente patógeno en especial causa una enfermedad particular? 73 2.4.2 Patogenia de las infecciones bacterianas 73 2.4.2.1 Bacterias que secretan toxinas 73 2.4.2.2 Bacterias que causan inflamación aguda 73 2.4.2.3 Bacterias que causan inflamación crónica 78 2.4.2.4 Bacterias que causan inflamación intestinal 80 2.4.2.5 Bacterias que causan choque séptico 81 2.4.2.6 Bacterias que pueden causar tumores malignos 81 2.4.3 Patogenia de las infecciones virales 81 2.4.3.1 Virus que causan muerte celular directa 82 2.4.3.2 Virus que causan inflamación aguda 85 2.4.3.3 Virus que causan inflamación crónica 87 2.4.3.4 Virus que causan tumores 89 2.4.3.5 Virus que causan inmunosupresión 91 2.4.4 Patogenia de infecciones por levaduras y hongos 93 2.4.5 Patogenia de las infecciones parasitarias 93 2.5 Inmunidad y vacunas 95 2.5.1 Formas pasivas de inmunidad 96 2.5.2 Formas activas de inmunidad 96 2.5.2.1 ¿ Qué hace que una vacuna sea buena? 96 2.5.2.2 ¿Cómo es mejor vacunar? 96 2.5.2.3 Perspectivas futuras 97

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X

Contenido

Capítulo 3 Anatomía funcional del sistema inmunitario 99 3.1 Introducción 99 3.2 Barreras naturales 99 3.2.1 Piel 100 3.2.2 Mucosas 100 3.2.2.1 Vías respiratorias 101 3.2.2.2 Tracto gastrointestinal 101 3.2.2.3 Tracto urogenital 101 3.2.2.4 Flora comensal 103 3.3 Anatomía funcional de la inmunidad innata 103 3.3.1 Características de la inflamación 103 3.3.2 Inicio de inflamación local 103 3.3.2.1 Respuestas al traumatismo 105 3.3.2.2 Respuestas a la infección 105 3.3.3 Respuestas inflamatorias locales 105 3.3.3.1 Reclutamiento de moléculas efectoras solubles 106 3.3.3.2 Reclutamiento de efectores celulares 106 3.3.4 Efectos de mediadores inflamatorios sobre tejidos distantes: la respuesta de fase aguda y respuestas inflamatorias sistémicas 108 3.3.5 Inicio de la inmunidad adaptativa 109 3.3.6 Regulación de la inflamación, curación y reparación 109 3.3.6.1 Regulación de la inflamación 109 3.3.6.2 Curación y reparación en la inflamación aguda 109 3.3.6.3 Reparación en la inflamación crónica 110 3.4 Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa 112 3.4.1 ¿Por qué el ser humano necesita tejidos linfoides secundarios? 112 3.4.2 Estructura y función de los órganos linfoides secundarios 114 3.4.2.1 Estructura y función de ganglios linfáticos en el estado estable 114 3.4.2.2 Recirculación de linfocitos 116 3.4.2.3 Respuestas de células T en ganglios linfáticos 116 3.4.2.4 Destinos de células T activadas 119 3.4.2.5 Respuestas de células B en ganglios linfáticos 121 3.4.2.6 Desarrollo de respuestas de memoria 125 3.4.2.7 Placas de Peyer 125 3.4.2.8 Estructura y función del bazo 125 3.5 Desarrollo de células sanguíneas y órganos de la inmunidad 125 3.5.1 Tejidos linfoides primarios y hematopoyesis 126 3.5.1.1 Órganos hematopoyéticos y órganos linfoides primarios 126 3.5.1.2 Células madre y hematopoyesis 127 3.5.1.3 Timo 129 3.5.2 Desarrollo de órganos linfoides secundarios 129 3.5.3 Órganos linfoides terciarios 130 3.6 Terapia con células madre y terapia génica 130 Capítulo 4 Inmunidad innata 133 4.1 Introducción 133 4.2 Inducción de inmunidad innata 133 4.2.1 Los conceptos: reconocimiento de patrón, y peligro 133 4.2.2 Receptores de reconocimiento de patrón (PRR) 134 4.2.2.1 PRR asociados a célula que promueven la captación 134 4.2.2.2 PRR asociados a célula que emiten señales hacia el núcleo 134 4.2.2.3 Estructura y función de TLR 137 4.2.2.4 Inflamasomas y enfermedades autoinflamatorias 140 4.2.2.5 Distribución celular de PRR 141

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Contenido

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Citocinas en la inmunidad innata 142 4.2.3.1 Interferones (IFN) y resistencia antiviral 142 4.2.3.2 Citocinas proinflamatorias 143 4.2.3.3 Citocinas antiinflamatorias 144 Células de la inmunidad innata residentes en tejidos 145 4.3.1 Células epiteliales 145 4.3.2 Mastocitos 146 4.3.3 Macrófagos 148 4.3.3.1 Macrófagos residentes 149 4.3.3.2 Fagocitosis 149 4.3.3.3 Receptores fagocíticos sobre macrófagos 149 4.3.4 Células endoteliales e inflamación 150 4.3.4.1 Migración transendotelial de leucocitos 151 4.3.4.2 Regulación del reclutamiento de leucocitos por células endoteliales 152 Efectores de la inmunidad innata reclutados 153 4.4.1 Moléculas reclutadas 153 4.4.2 Sistema de complemento 154 4.4.2.1 Activación y funciones del complemento 155 4.4.2.2 Regulación de la activación del complemento 156 4.4.2.3 Deficiencias de complemento 156 4.4.2.4 Subversión de la activación del complemento por agentes patógenos 157 4.4.3 Neutrófilos 157 4.4.3.1 Muerte de bacterias por neutrófilos 158 4.4.3.2 Defectos de neutrófilos 160 4.4.4 Macrófagos reclutados y homeostasis inflamatoria 161 4.4.5 Células asesinas naturales (NK) 162 4.4.5.1 Subgrupos de células NK 163 4.4.5.2 Activación de la célula NK y receptores inhibitorios 164 4.4.6 Efectos sistémicos de la activación de la inmunidad innata 166 4.4.7 Inmunidad innata y la inducción de respuestas adaptativas 167 Hematopoyesis y células mieloides 168 4.5.1 Regulación de la hematopoyesis 169 4.5.2 Células madre y citocinas 169 4.5.3 Citocinas y leucocitos 169 Vacunas y adyuvantes 171 4.6.1 Adyuvantes actuales 171 4.6.2 Nuevos adyuvantes 173

4.2.3

4.3

4.4

4.5

4.6

Capítulo 5 Inmunidad mediada por células T 175 5.1 Introducción 175 5.1.1 Poblaciones de células T 175 5.1.2 ¿De qué modo las células T convencionales reconocen antígenos? 175 5.1.3 Subpoblaciones de células T convencionales 176 5.1.4 Funciones efectoras de poblaciones de células T 176 5.1.5 Inmunidad mediada por células T contra infección 178 5.2 Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno 179 5.2.1 Moléculas del MHC clásicas 179 5.2.1.1 ¿De qué modo los péptidos se unen a moléculas del MHC clásicas? 180 5.2.1.2 Distribución celular de moléculas del MHC clásicas 181 5.2.2 Moléculas del MHC no clásicas 181 5.2.3 La base celular del procesamiento y la presentación de antígeno 182

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XII

Contenido

5.2.4

5.3

5.4

5.5

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Procesamiento de antígeno y presentación por el MHC clase I 183 5.2.4.1 Proteasoma 184 5.2.4.2 Transportador TAP 184 5.2.4.3 El complejo de carga de péptido y edición de péptido 185 5.2.5 Procesamiento de antígeno, y presentación por el MHC clase II 185 5.2.5.1 Degradación endosomal de antígenos extraños 186 5.2.5.2 Carga de péptido en la vía del MHC clase II 186 5.2.6 Presentación cruzada 188 5.2.7 Subversión del procesamiento de antígeno por agentes patógenos 188 5.2.8 Presentación de antígenos lipídicos por moléculas CD1 189 5.2.8.1 Moléculas CD1 189 5.2.8.2 Células NKT invariantes (iNKT) 190 Activación de los linfocitos T 191 5.3.1 Base anatómica de las respuestas de células T 191 5.3.2 Requerimientos moleculares para la activación de células T 192 5.3.3 Anatomía molecular de la activación de célula T 192 5.3.3.1 Función del TCR y otras moléculas en la activación de célula T 192 5.3.3.2 Emisión de señales intracelulares en la activación de célula T 193 5.3.3.3 Defectos, evasión y manipulación de la emisión de señales de células T 196 Funciones efectoras y de memoria de células T en la infección 196 5.4.1 DC y activación y polarización de células T 196 5.4.1.1 DC clásicas 196 5.4.1.2 Células de Langerhans 198 5.4.1.3 DC Derivadas de monocitos 198 5.4.1.4 DC plasmacitoides 198 5.4.2 Funciones efectoras de células T CD4 198 5.4.2.1 Células T CD4 en el estado estable 198 5.4.2.2 Células T CD4 en el estado no estable 198 5.4.2.3 Células Th0 199 5.4.2.4 Células Th1 y Th2 199 5.4.2.5 Células Th17 202 5.4.3 Funciones efectoras de células T CD8 203 5.4.3.1 Activación de células T CD8 203 5.4.3.2 Citotoxicidad de células T CD8 204 5.4.3.3 Secreción de citocina por células T CD8 206 5.4.4 Memoria de células T 206 5.4.5 Células T ␥␦ (gamma-delta) 208 Desarrollo y selección de células T 208 5.5.1 Generación de diversidad de TCR ␣␤ (alfa-beta) 209 5.5.1.1 Generación de TCR 209 5.5.1.2 Generación del TCR ␣␤ 209 5.5.1.3 Mecanismos de reordenamiento de gen somático y generación adicional de diversidad de TCR 209 5.5.2 Selección positiva y restricción de MHC de células T ␣␤ 210 5.5.3 Selección negativa y tolerancia central 211 5.5.4 Generación de TCR ␥␦ 213 5.5.5 Tolerancia periférica 213 5.5.5.1 Células T reguladoras 213 5.5.5.2 DC y autotolerancia periférica 214 5.5.5.3 Tolerancias oral y nasal 214 5.5.5.4 Tejidos linfoides secundarios y AIRE 215 Terapia celular adoptiva 215 5.6.1 Vacunas de células T 215

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Contenido

5.6.2

XIII

Inmunoterapia 215 5.6.2.1 Terapia de infecciones y enfermedades inmunopatológicas 216

Capítulo 6 Inmunidad mediada por anticuerpos 217 6.1 Introducción 217 6.1.1 Poblaciones de células B 217 6.1.2 ¿De qué modo los anticuerpos reconocen antígenos? 218 6.2 Estructura y función de anticuerpos 218 6.2.1 Inmunoglobulinas y anticuerpos 218 6.2.2 Estructuras de anticuerpos 218 6.2.3 Generación de diversidad de anticuerpos 220 6.2.3.1 Reordenamiento del DNA de genes que codifican para inmunoglobulina 220 6.2.3.2 Exclusión alélica y de isotipo 222 6.2.4 Clases (isotipos) de anticuerpos y sus propiedades 224 6.2.4.1 IgM 224 6.2.4.2 IgD 226 6.2.4.3 IgG 226 6.2.4.4 IgA 227 6.2.4.5 IgE 229 6.2.5 Anticuerpos monoclonales 230 6.2.6 Funciones de los anticuerpos en la defensa contra infección 230 6.2.6.1 Neutralización 230 6.2.6.2 Opsonización de agente patógeno 231 6.2.6.3 Inducción de inflamación aguda 232 6.2.6.4 Citotoxicidad celular dependiente de anticuerpos (ADCC) 233 6.2.6.5 Modulación de la inmunidad adaptativa 234 6.3 Respuestas de células B 235 6.3.1 Base anatómica de las respuestas de células B 237 6.3.1.1 Anatomía funcional de las respuestas de anticuerpos TI-2 237 6.3.1.2 Anatomía funcional de respuestas de anticuerpos TD 237 6.3.2 Respuestas de anticuerpos independientes de T (TI) 239 6.3.2.1 Activación de células B 241 6.3.2.2 Emisión de señales de BCR 242 6.3.2.3 Regulaciones positiva y negativa de la activación de células B 243 6.3.3 Respuestas de anticuerpos dependientes de T (TD) 244 6.3.3.1 Respuestas de anticuerpos primarias y secundarias 244 6.3.3.2 Eventos moleculares en respuestas TD 244 6.3.3.3 Activación de células B 244 6.3.3.4 Síntesis de citocinas y expresión de TLR por células B 245 6.3.3.5 Diferenciación de células B activadas 245 6.3.3.6 Cambio de isotipo 245 6.3.3.7 Regulación de respuestas inmunitarias por receptores Fc 248 6.3.3.8 Maduración de afinidad 249 6.4 Memoria de células B, anticuerpos y resistencia a largo plazo a la reinfección 249 6.4.1 Células B de memoria 251 6.4.2 Células plasmáticas de vida prolongada 252 6.4.3 Infecciones subclínicas 253 6.5 Diferenciación y selección de células B 253 6.5.1 Desarrollo de poblaciones de células B 253 6.5.2 Diferenciación de células B-2 253

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Contenido

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6.5.3 Tolerancia células B 254 Anticuerpos terapéuticos 255 6.6.1 Anticuerpos para inmunoterapia 6.6.2 Ingeniería de anticuerpos 257

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Capítulo 7 Inmunidad, enfermedad y terapia 259 7.1 Introducción 259 7.1.1 Inmunidad, enfermedad y terapia 259 7.1.1.1 Inmunidad y enfermedad: inmunopatología 259 7.1.1.2 Enfermedad y terapia: inmunoterapia 261 7.2 ¿Cuáles son los mecanismos de daño de tejido causado por el sistema inmunitario? 262 7.2.1 Inicio de enfermedad, y fases efectoras de enfermedad 262 7.2.2 Clasificación de mecanismos inmunopatológicos 263 7.2.3 Enfermedades causadas por anticuerpos IgE (tipo I: hipersensibilidad alérgica) 263 7.2.4 Enfermedades causadas por modulación de la función dependiente de anticuerpos (tipo II: hipersensibilidad citotóxica) 265 7.2.5 Enfermedades mediadas por inmunocomplejos (hipersensibilidad tipo III) 266 7.2.5.1 Enfermedades causadas por inmunocomplejos transportados por la sangre 266 7.2.5.2 Enfermedad causada por depósito local de inmunocomplejos 266 7.2.6 Enfermedades causadas por respuestas inmunitarias mediadas por células (tipo IV: hipersensibilidad retardada [DTH]) 267 7.3 ¿Por qué se montan respuestas inmunitarias perjudiciales contra antígenos inocuos? 268 7.3.1 Reconocimiento de antígeno por linfocitos en estados normales y patológicos 268 7.3.1.1 Generación del repertorio antigénico de linfocitos 268 7.3.1.2 Promiscuidad de reconocimiento de antígeno por linfocitos 271 7.3.2 Activación de linfocitos en enfermedades inmunitarias 271 7.3.2.1 Señales para la activación de linfocitos 272 7.3.2.2 Activación de linfocitos en enfermedad 273 7.3.2.3 Polarización de células T CD4 en alteraciones inmunopatológicas 275 7.3.3 Base genética de la inmunopatología 276 7.3.3.1 Concordancia en estudios de gemelos 276 7.3.3.2 ¿Qué genes confieren susceptibilidad o resistencia a alteraciones inmunopatológicas? 277 7.3.3.3 Estudios en animales y susceptibilidad genética 277 7.3.3.4 La incidencia creciente de enfermedades inmunitarias 278 7.4 Inmunopatología y terapia en acción 278 7.4.1 Enfermedades alérgicas (reacciones de hipersensibilidad tipo I) 278 7.4.1.1 Anafilaxia 279 7.4.1.2 Asma 279 7.4.2 Enfermedades causadas por las acciones de anticuerpos sobre células (reacciones de hipersensibilidad tipo II) 282 7.4.2.1 Mimetismo molecular 282 7.4.2.2 Anticuerpos contra receptor 284 7.4.2.3 Sensibilidades a fármacos 285 7.4.2.4 Anticuerpos contra grupo sanguíneo, y enfermedad 285

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Contenido

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7.4.2.5 Enfermedad hemolítica del recién nacido 286 7.4.2.6 Tratamiento de sensibilidades tipo II 286 7.4.3 Enfermedades causadas por inmunocomplejos (reacciones de hipersensibilidad tipo III) 287 7.4.3.1 Enfermedades causadas por inmunocomplejos sistémicos 287 7.4.3.2 Enfermedades causadas por depósito local de inmunocomplejos (estudio de caso 7.6) 288 7.4.3.3 Patogenia de hipersensibilidades ocupacionales 288 7.4.3.4 Tratamiento de enfermedades relacionadas con inmunocomplejos 289 7.4.4 Reacciones de hipersensibilidad mediadas por células (tipo IV) 290 7.4.4.1 Diabetes tipo 1 (dependiente de insulina) 291 7.4.4.2 Esclerosis múltiple 293 7.4.4.3 Enfermedad inflamatoria intestinal 295 7.4.4.4 Artritis reumatoide 296 7.4.5 Conclusiones 298 Inmunología del trasplante 299 7.5.1 Respuestas inmunitarias a trasplantes 299 7.5.1.1 El lenguaje del trasplante 299 7.5.1.2 Antígenos principales de histocompatibilidad 299 7.5.1.3 Antígenos menores de histocompatibilidad 300 7.5.2 Rechazo de trasplante 301 7.5.2.1 Rechazo hiperagudo 301 7.5.2.2 Rechazo agudo de aloinjerto 301 7.5.2.3 Rechazo crónico 305 7.5.3 Trasplantes de médula ósea y de células madre 305 7.5.3.1 Enfermedad de injerto contra huésped (GVHD) 306 7.5.3.2 Efecto de injerto contra leucemia 306 7.5.4 El feto como un aloinjerto 306 Inmunidad de tumores 306 7.6.1 Antigenicidad tumoral 306 7.6.2 Inmunovigilancia tumoral 308 7.6.3 Inmunidad tumoral y Darwin 308 7.6.4 Evasión de la respuesta inmunitaria por tumores 308 7.6.5 Inmunoterapia para cáncer 308 Conclusiones 308

Respuestas a las preguntas

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Preguntas de estudio adicionales Siglario Índice

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El lector encontrará información adicional en el sitio www.wiley-vch.de/home/ immunology

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Introducción 1

cidos con mayor lentitud lejos del sitio de infección en órganos especializados de la inmunidad, como los ganglios linfáticos; éstos incluyen las tumefacciones dolorosas en el cuello que a veces se palpan cuando se padece una faringoamigdalitis muy intensa. Todos estos cambios son originados por células de la inmunidad especializadas, algunas de las cuales están involucradas de manera selectiva en diferentes tipos de infección y en distintos sitios del cuerpo. Estas células utilizan una vasta gama de moléculas especializadas para comunicarse con células vecinas y más distantes, y algunas de éstas también pueden causar cambios en órganos muy distantes del sitio de infección: si se padece una fiebre, es porque algunas de ellas actúan sobre parte del cerebro. Todos estos órganos, células y moléculas diferentes funcionan juntos para desencadenar una serie de eventos estrechamente coordinados y regulados, una respuesta inmunitaria, que procura desencadenar la eliminación del agente infeccioso. Las respuestas inmunitarias son una respuesta homeostática, reactiva, a cambios en los ambientes interno y externo del huésped. Es importante que en vertebrados como el ser humano, algunos tipos de respuesta inmunitaria aseguran que cuando se ha eliminado un agente infeccioso el individuo está protegido contra encuentros subsiguientes con el mismo agente; así, por ejemplo, quien tuvo sarampión durante la niñez (casi sin duda) nunca volverá a contraerlo. Este fenómeno, llamado memoria inmunitaria, asegura así que se genere un estado de inmunidad que puede durar toda la vida.

Introducción ¿Por qué explorar la inmunología? Porque es importante en clínica, es desafiante e interesante desde el punto de vista académico, y se muestra promisoria de avances importantes en la comprensión de la naturaleza de las enfermedades y de su tratamiento. El objetivo de este libro es dar al lector un entendimiento de cómo funciona el sistema inmunitario, de cómo la comprensión de su funcionamiento se ha desarrollado a partir de evidencia tanto clínica como experimental, y dónde se ubican algunas lagunas y problemas importantes en ese conocimiento. En esta breve introducción se proporcionan al lector algunas ideas de las diferentes áreas de la inmunología que se comentarán con mayor detalle en los capítulos que siguen. En la mayor parte del libro se utilizarán ejemplos clínicos y experimentales reales para ilustrar la importancia de la inmunología para todos los interesados en la biomedicina y las ciencias biomédicas.

2 Respuestas inmunitarias La recuperación luego de una gripe y la resistencia a la reinfección, las vacunas, la fiebre del heno, asma, tratamiento de artritis reumatoide, rechazo de riñones trasplantados, el diagnóstico de leucemia y una curación potencial para el cáncer…, en todos estos hechos interviene la inmunología, que es el estudio del sistema inmunitario y de sus múltiples respuestas complejas. La mayoría de los inmunólogos considera que el sistema inmunitario ha evolucionado para defender al huésped contra agentes infecciosos, algunos de los cuales tienen el potencial de causar daño real. Estos agentes, cuyos tipos varían desde virus, bacterias y hongos, hasta gusanos, reciben el nombre de agentes patógenos. Sin embargo, el sistema inmunitario puede mostrar respuesta a casi cualquier molécula extraña, incluso proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y aun moléculas como el dinitrofenol que nunca han existido en la Naturaleza. Para los propósitos de los autores, en esta etapa, estos tipos de molécula pueden denominarse en términos generales y, en conjunto, antígenos. El sistema inmunitario constantemente “patrulla” todo el organismo para buscar cualquier signo de infección. Si ocurre, se inducen cambios rápidos en el sitio local de infección, que típicamente llevan a la inflamación de todos bien conocida: si el lector ha tenido un furúnculo en la piel o un orzuelo en un ojo, recuerde el enrojecimiento, la hinchazón, la sensación de calor y dolor (y el pus) que experimentó. Al mismo tiempo, otros cambios son indu-

3 Infección e inmunidad 3.1 La vida en un mundo rico en microorganismos El cuerpo humano contiene alrededor de 1013 células, y su intestino grueso, aproximadamente 1014 bacterias. Hay una interacción constante con virus, bacterias, hongos y parásitos de menor tamaño. En el mundo en desarrollo, la interacción con parásitos más grandes, como los gusanos, es una parte continua e incesante de la vida. Casi todas estas interacciones son inocuas, de hecho, algunas son beneficiosas; así, las bacterias comensales que llenan el intestino grueso y cubren muchos otros sitios expuestos al mundo externo sirven para proteger al cuerpo contra infección por microbios perjudiciales. Todos los organismos multicelulares proporcionan un nicho potencial para ser colonizado por microorganismos, e incluso las bacterias pueden quedar infectadas por virus patógenos, los bacteriófagos. El organismo es en potencia una rica fuente de alimento para microbios y parásitos, y sin un sistema inmunitario el ser hu1

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Introducción

mano sería comido hasta morir. Si bien muchos microbios pueden coexistir pacíficamente con sus huéspedes, algunos tienen el potencial de causar daño o incluso la muerte. Se deduce que las presiones evolutivas seleccionarán mutaciones en huéspedes que aumentan su capacidad para resistir infecciones en potencia perjudiciales y para tolerar la colonización por bacterias inocuas que pueden evitar el ataque por agentes patógenos. En paralelo, los microorganismos capaces de sobrevivir dentro de un huésped multicelular mutarán para ser capaces de aumentar sus probabilidades de supervivencia y, así, de difundir sus patrimonios genéticos a otros huéspedes. Sin embargo, los microorganismos evolucionan con rapidez mucho mayor que, por ejemplo, los mamíferos y, así, otro desafío para cualquier sistema inmunitario huésped es tratar de anticipar las posibles mutaciones que podrían surgir en microorganismos en el futuro, porque el huésped en sí será incapaz de acercarse siquiera a evolucionar con tanta rapidez. Es notorio que en muchos casos el sistema inmunitario hace esto de manera muy exitosa. 3.2 Enfermedad infecciosa Por fortuna, la mayoría de los seres humanos tiene cierta capacidad para defenderse contra una infección por agentes patógenos potenciales. La mayoría de las personas es capaz de recuperarse de episodios repetidos de gripe, año tras año. Aun así, más de 14 millones de individuos en todo el mundo padece tuberculosis, de las cuales cada año alrededor de 1.6 millones morirán por esta enfermedad. Cada año, más de un millón de personas muere por paludismo; alrededor de un niño cada 30 segundos tan sólo en África. Los casos de síndrome de inmunodeficiencia adquirida siguen aumentando de manera notoria en el mundo en desarrollo. Estrechamente relacionado con lo anterior se encuentra el problema de la resistencia a fármacos, que va en aumento en todas las formas de enfermedad infecciosa. Hay algunas cepas de Mycobacterium tuberculosis (la bacteria causal de la tuberculosis) que son resistentes a todos los antibióticos actuales. Algunas cepas del parásito del paludismo se están haciendo resistentes a casi todos los fármacos. La infección por Staphylococcus aureus resistente a fármacos (meticilina) (MRSA) es un problema importante en hospitales, y el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) se está haciendo resistente a muchos de los fármacos en uso clínico. El ser humano se está quedando sin antibióticos; durante los últimos 20 años no han llegado a uso clínico nuevas clases de antibióticos (hay algunos signos esperanzadores). Los microbios siempre adquirirán por evolución nuevas maneras de defenderse contra los antibióticos, de modo que hay una necesidad urgente de entender cómo manipular el sistema inmunitario para generar respuestas protectoras aún mejores contra agentes patógenos que están evolucionando de continuo, lo cual es uno de los enfoques principales de la investigación inmunológica actual.

4 Inmunopatología e inmunoterapia 4.1 Enfermedad mediada por mecanismos inmunitarios Los agentes patógenos, por definición, pueden causar enfermedad. Las enfermedades también pueden originarse por la incapa-

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cidad para montar una respuesta eficaz contra un agente patógeno; esto se llama una enfermedad por inmunodeficiencia. Por fortuna, esas enfermedades son raras, pero todas las personas han observado imágenes de niños que tienen que permanecer encerrados en burbujas de plástico estériles debido a su inmunidad defectuosa. Además, el sistema inmunitario puede causar enfermedad al responder de manera inapropiada a un componente normal del huésped. La mayoría conoce a personas que tienen diabetes o que padecen la destrucción discapacitante de las articulaciones que se observa en algunas formas de artritis; éstas son diferentes formas de enfermedades autoinmunitarias. Asimismo, todas las personas conocen a alguien que sufre alergias, causadas por antígenos al parecer inocuos, como el polen en la fiebre del heno, o a personas que tienen reacciones (sensibilidades) a metales como el níquel en alhajas; en la presente obra se llamará a estas enfermedades sensibilidades relacionadas con mecanismos inmunitarios (a veces se llaman alergias y enfermedades por hipersensibilidad). Muchas personas habrán escuchado que estas enfermedades están aumentando en países desarrollados; el asma es un ejemplo importante. Una cantidad menor de personas sabrá que este incremento en general no se observa en el mundo en desarrollo. Aún se está tratando de entender por qué ocurren estos cambios, y cómo se podrían prevenir o explicar. Así, es esencial afrontar con eficacia los agentes patógenos, pero eso es incómodo, e incluso pone en peligro la vida, cuando el sistema inmunitario —a menudo por razones por completo desconocidas— monta una respuesta poderosa contra algo que es inherentemente inocuo, como el polen, o contra una parte del cuerpo mismo. Otro objetivo importante de la investigación inmunológica es descubrir cómo desactivar de manera selectiva estas respuestas no deseadas, más que tener que usar fármacos inespecíficos, muchos de los cuales, como los esteroides, generan efectos secundarios graves y a menudo colocan al paciente en riesgo alto de infección. 4.2 El desafío de los trasplantes, el problema del cáncer Una situación diferente en la cual los científicos y médicos en realidad desean saber cómo manipular las respuestas inmunitarias es después de trasplante de órgano. Muchas personas conocen o conocerán a otros que han recibido trasplantes renales porque sus propios órganos han fallado. La mayoría de las personas sabe que, a menudo, la única manera en que los trasplantes pueden ser aceptados es al usar agentes inmunosupresores químicos potentes, como la ciclosporina o el tacrolimo. Los trasplantes suelen provenir de alguien más, por lo general personas que difieren en mayor o menor grado del paciente desde el punto de vista genético. No sorprende que el sistema inmunitario del paciente reconozca que estos órganos extraños no son partes normales del cuerpo y trate de eliminarlos. De hecho, el notorio poder del sistema inmunitario se manifiesta por los episodios de rechazo subsiguientes que pueden sobrevenir. Si se trata de desactivarlos, al utilizar diversos agentes químicos, el paciente se hace cada vez más susceptible a infecciones, y a ciertos cánceres, algunos de los cuales en realidad pueden ser desencadenados por infecciones virales. ¿Qué hay acerca de los tumores malignos (cáncer)? Un hecho desconcertante es que probablemente están apareciendo células en potencia malignas de manera casi continua en el organismo y, aún así, dos de cada tres personas nunca presentarán un tumor

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maligno. En el decenio de 1950-1959 se sugirió por vez primera que el sistema inmunitario está vigilando de manera continua el cuerpo y tratando de erradicar células malignas conforme surgen, fenómeno que recibió el nombre de vigilancia inmunitaria. ¡Un gran desafío, dado que estas células se derivan de células que naturalmente pertenecen al cuerpo! Sin embargo, hay cierta evidencia de que esta idea es correcta, y aún así se desarrollan tumores malignos en muchas personas, en particular conforme envejecen y sobrepasan la edad de la reproducción. Aún se está tratando de entender por qué sucede esto en algunos y no en otros; si bien algunas partes del enigma parecen haberse resuelto, como los enlaces entre el tabaquismo y cáncer pulmonar, otras ciertamente no. Otra idea notoria que surgió en años bastante recientes es que con el tiempo quizá se haga posible vacunar a las personas contra cánceres. Un avance notorio reciente ha provenido del desarrollo de una vacuna contra la cepa de virus del papiloma humano (HPV) que se asocia con carcinoma cervical; al prevenir la infección por HPV esta vacuna protege a las mujeres contra la aparición de cáncer. Esta forma de vacunación se llama profiláctica porque se administra antes de que en realidad ocurra infección. Un desafío aún mayor será descubrir si es posible vacunar a personas que en realidad ya han presentado un cáncer, y a personas que ya tienen una enfermedad infecciosa (p. ej., infección por HIV), y cómo hacerlo. Dado que esta forma de vacunación está diseñada como una terapia para tratar una enfermedad ya existente, se denomina vacunación terapéutica. 4.3 Intervenciones inmunológicas en presencia de enfermedad Las vacunas son, por supuesto, los ejemplos mejor conocidos y más eficaces de intervención inmunitaria. La viruela se ha erradicado de todo el mundo, la poliomielitis sólo existe en algunas áreas de algunos países y el tétanos es 100% prevenible mediante vacunación. También se dispone de vacunas altamente exitosas contra algunas otras infecciones, como difteria, sarampión, parotiditis y rubéola. ¿Por qué no se dispone de vacunas eficaces contra HIV, tuberculosis, paludismo y muchas otras enfermedades infecciosas importantes? No es por falta de intentos. En todo el mundo se invierten vastas cantidades de dinero en el desarrollo de vacunas, pero los investigadores estiman que aún transcurrirán cinco, 10 o más años antes de que se elaboren vacunas exitosas contra estas infecciones, lo cual de hecho significa que no se tiene idea de si en realidad quedarán disponibles, o de cuándo lo harán. Se han implementado cada vez más tratamientos basados en la inmunidad. Además de la creación de algunas vacunas en verdad exitosas contra infección, la producción de anticuerpos terapéuticos probablemente es la historia de éxito más notoria de la inmunología hasta la fecha. Por ejemplo, es posible suspender la evolución de algunas formas de artritis reumatoide que son por completo resistentes a todos los tratamientos estándar al utilizar un anticuerpo sometido a procedimientos de ingeniería genética, generado contra una proteína involucrada en la estimulación de la inflamación. Métodos moleculares modernos están empezando a generar diferencias reales, y este último ejemplo demuestra cómo un entendimiento de los mecanismos básicos de la inmunología puede usarse para diseñar nuevas terapias usando recursos derivados del sistema inmunitario mismo.

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Exploración de la inmunología

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4.4 Uso de recursos inmunológicos para el diagnóstico La leucemia es un tumor maligno de células sanguíneas. En las leucemias que surgen a partir de los linfocitos —que en circunstancias normales ayudan a defender al organismo contra infección— las células leucémicas pueden originarse a partir de linfocitos T o B. El éxito del tratamiento depende de administrar los mejores fármacos, y éstos difieren para leucemias derivadas de linfocitos T y de linfocitos B. Las células T y B difieren en las proteínas que portan en su superficie, y se han creado anticuerpos monoclonales altamente específicos, generados de manera artificial, que se unen a moléculas expresadas por sólo una o la otra. Esto hace sencillo distinguir entre las leucemias y dar el tratamiento óptimo. Otro ejemplo proviene del cáncer mamario. Al evaluar el resultado probable para una paciente en quien se diagnostica un tumor de ese tipo es crucial saber si el tumor se ha diseminado hacia los ganglios linfáticos en la axila. Con las técnicas histológicas básicas puede ser muy difícil identificar números pequeños de células tumorales en el ganglio. Sin embargo, si un corte de ganglio linfático se marca con un anticuerpo contra una molécula (citoqueratina) que sólo se encuentra en las células epiteliales a partir de las cuales se origina el tumor, y se tiñe usando técnicas especiales, puede hacerse que las células tumorales destaquen como color rojo brillante sobre un trasfondo azul al microscopio. Esto permite al médico determinar si el tumor se ha diseminado hacia el ganglio, y ajustar la terapia en consecuencia.

5 Exploración de la inmunología ¿La inmunología es difícil? Bien, la inmunología es una ciencia compleja y que no se entiende por completo, que muchos consideran difícil de entender. Los autores están tentados a decir que si alguien encuentra que es fácil, no lo está haciendo de manera apropiada: hay muchas áreas que aún son un enigma para todos los inmunólogos. Los autores esperan ya haber mostrado que la inmunología es un campo de estudio que repercute de manera importante sobre todas las áreas de la medicina y la ciencia biomédica. Otra dificultad para cualquier persona que está tratando de explicar la inmunología es que es imposible, al menos en la mente de los autores, enseñar inmunología o aprenderla de una manera creciente, lineal. Para obtener respuestas inmunitarias, el entendimiento de una parte depende de comprender otras. Parece algo confuso al inicio, y sólo es después de cubrir gran parte de la inmunología cuando se empieza a formar un cuadro coherente. Si el lector encuentra que esto es desorientador al principio, en el capítulo 1 se proporciona una perspectiva general breve y sencilla del sistema inmunitario y de las respuestas inmunitarias, antes de entrar en más detalles en el resto del libro. Por último, los autores esperan que al concluir la lectura de este libro, usted se encuentre por completo equipado para continuar y desarrollar su interés en este campo importante en los aspectos clínico y científico, a veces frustrante, pero siempre interesante, al explorar más la inmunología.

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Prefacio

Esperamos que este libro sea de utilidad para lectores en diferentes niveles de desarrollo profesional. En primer lugar, está dirigido a estudiantes de pregrado que empiezan sus estudios de inmunología, como estudiantes de biomedicina, medicina y veterinaria (y quizá los de otras disciplinas con un interés en el tema). En segundo lugar, debe ser valioso para estudiantes graduados que ingresan a investigación con un contenido inmunológico. Por último, pero no menos importante, también será útil para científicos y médicos experimentados que desean aprender un poco más acerca de inmunología. Al escribir este libro hemos intentado ayudar a todos estos grupos a entender cómo funciona el sistema inmunitario, no sólo mediante comprender sus conceptos científicos y clínicos básicos, sino también al apreciar algunas de las evidencias que han aumentado el conocimiento acerca de cómo han evolucionado las respuestas inmunitarias y por qué. También es nuestra meta estimular a los lectores a apreciar la inmunología como una ciencia que apuntala gran parte de la práctica clínica y la investigación biomédica actuales. Este libro muestra cómo ha evolucionado la defensa inmunitaria ante la presión selectiva continua ejercida por virus, bacterias y otros agentes patógenos, y viceversa. Explica cómo la defensa contra diferentes tipos de agentes infecciosos requiere distintos mecanismos inmunitarios, y muestra cómo los agentes patógenos también han evolucionado para evadir estos mecanismos. Describe muchos de los diferentes componentes anatómicos, celulares y moleculares involucrados en las respuestas inmunitarias. Asimismo muestra cómo muchos mecanismos inmunitarios que han evolucionado para proteger contra infección también pueden causar enfermedad y cómo, cada vez más, podemos usar nuestro conocimiento de inmunología para prevenir las enfermedades o tratarlas. Nuestro objetivo es mostrar que el desarrollo continuo del entendimiento de inmunología se basa fundamentalmente en una combinación de análisis experimental y observación clínica. El texto introduce a los lectores en algunas de las técnicas usadas en la actualidad en investigación inmunológica, así como algunas de interés histórico. También se presentan estudios de caso clínicos seleccionados para ayudar a entender cómo y por qué se originan diferentes tipos de enfermedades infecciosas mediadas por mecanismos inmunitarios; la idea es que resulten particularmente valiosos para estudiantes de medicina de pregrado. Al adoptar este método, los lectores obtendrán una comprensión integrada de los aspectos tanto básicos como clínicos de áreas clave de la inmunología, lo que muy a menudo se aborda por separado en otros libros. El objetivo es que los lectores no sólo comprendan cómo están implicadas las respuestas inmunitarias en la infección y la enfermedad, sino también que el entendimiento actual de la inmunidad aún es deficiente en muchas áreas. Somos de la firme opinión de que la única manera de aumentar la comprensión, con el objetivo de realizar una intervención inmunitaria más eficaz, es por medio de una combinación equilibrada de métodos clínicos y experimentales. En el primer capítulo se proporciona una perspectiva general sencilla de la inmunidad y las respuestas inmunitarias, tanto beneficiosas como perjudiciales. En el segundo se cubren con mayor profundidad la naturaleza de los organismos pató-

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Prefacio

genos y sus interacciones con el sistema inmunitario, incluso los mecanismos que los agentes patógenos han adquirido por evolución para defenderse a sí mismos de las respuestas inmunitarias. Los siguientes cuatro capítulos abordan de manera colectiva con mayor detalle la inducción y regulación de respuestas inmunitarias en todo el organismo, a nivel tisular, celular y molecular. El capítulo final aborda los aspectos negativos de la inmunidad, incluso alergias y enfermedades autoinmunitarias, y se introducen también algunos principios generales de reacciones a trasplantes e inmunidad tumoral.

Agradecimientos Muchos colegas han estado involucrados en el desarrollo de este libro, tanto de manera formal como informal. Entre quienes contribuyeron mediante sugerencias y revisando los bosquejos de los capítulos se encuentran Helen Chapel, Paul Crocker, Tim Elliot, Simon Hunt, Sarah Marshall, Alan Mowat, Caetano Reis e Sousa, Adrian Smith y Tony Williams; estamos muy agradecidos a todos ellos por sus aportaciones detalladas. Asimismo, reconocemos la asesoría y asistencia del equipo de Wiley, Gregor Cicchetti, Andreas Sendtko y Anne Chassin du Gerny, en particular el extraordinario trabajo de nuestra diseñadora gráfica Ruth Hammelelhe, quien logró convertir nuestros bocetos trazados a lápiz en figuras significativas, así como a Nitin Vashisht, de Thomson Digital. Por último, cabe mencionar que no nos habría sido posible escribir esta obra sin la paciencia, ánimo y respaldo de nuestras esposas Shelley y Karen.

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Una nota para el lector

Capítulos Hemos tratado de escribir este libro de modo que pueda leerse en su totalidad de principio a fin o, si se prefiere, los capítulos pueden leerse por separado en cualquier orden. Quienes se inician en la inmunología pueden empezar por leer la introducción y el capítulo 1, que proporcionan un esbozo de “El sistema inmunitario”. Los lectores que deseen obtener una perspectiva general accesible de las principales áreas de la inmunología podrían leer el capítulo 2 sobre “Infección e inmunidad”, el capítulo 7 sobre “Inmunidad, enfermedad y terapia”, o ambos. Estos lectores, y quienes ya tengan conocimientos especializados, así como todos aquellos interesados en obtener información con mayor detalle, pueden leer a continuación los capítulos 3, “Anatomía funcional del sistema inmunitario”; 4, “Inmunidad innata”; 5, “Inmunidad mediada por células T”, o 6, “Inmunidad mediada por anticuerpos”, todos o una combinación de los anteriores.

Recuadros La información que se presenta en recuadros proporciona ejemplos de algunas técnicas clave usadas en inmunología, explica con más detalle algunos aspectos descritos en el texto y estimula al lector a considerar áreas relacionadas más amplias, como aspectos evolutivos.

Estudios de caso En los capítulos 2 y 7 hemos incluido algunos estudios de caso seleccionados para poner de relieve la presentación clínica típica de diferentes tipos de enfermedades infecciosas y mediadas por mecanismos inmunitarios, y relacionar éstas con su patogenia subyacente o con su tratamiento. También se incluyen algunos otros en los capítulos 3 a 6.

Preguntas en el texto Distribuidas en todo el libro hay preguntas relacionadas con los temas bajo consideración. Las preguntas están diseñadas para hacer que los lectores piensen de manera crítica y más profunda acerca de problemas importantes, también para que sean útiles para el autoaprendizaje y en tutoriales y seminarios. Hasta donde sabemos, muchas de esas preguntas no tienen respuestas definitivas (si las tienen, no nos excusaremos por nuestra propia falta de entendimiento, porque creemos que sólo es mediante la prueba del conocimiento propio que en realidad se empieza a aprender, ¡y ciertamente no nos avergüenza revelar nuestro propio dominio incompleto del tema!). Algunas de las preguntas pueden resultar en particular desafiantes para el

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Una nota para el lector

lector principiante, y quizá sea mejor que esos lectores aborden un capítulo en su totalidad antes de intentar responder cualesquiera de las preguntas. Resultados del aprendizaje Al final de cada capítulo hemos puesto de relieve algunas cuestiones clave que permitirán a los lectores revisar su entendimiento de cada tema. También hemos incluido algunas preguntas (“Generales” e “Integrativas”) que, esperamos, estimularán al lector a pensar acerca de las áreas más amplias cubiertas en ese capítulo, y considerar estas áreas en relación con otras que se tratan en otras partes del libro. Preguntas de estudio adicionales Al final de los capítulos 3 a 6, respectivamente, hay algunas “Preguntas de estudio adicionales” diseñadas para estimular una mayor investigación por parte del lector. Por ejemplo, podrían formar la base para ensayos extendidos, quizá para ser establecidos por tutores. Dado que muchas de estas preguntas son deliberadamente abiertas, también hemos proporcionado algunos indicios respecto a cómo podrían abordarse. Sitio web El sitio web acompañante, www.wiley-vch.de/home/immunology se basa en las figuras y las leyendas del libro; éstas se han ordenado y modificado de modo que cada juego cuenta una historia coherente que será en particular útil para propósitos de revisión. Lecturas adicionales Deliberadamente hemos evitado dar referencias bibliográficas detalladas. En nuestra experiencia, los estudiantes rara vez las usan, y la rapidez del cambio en inmunología implica que muchas estarán obsoletas para el momento en que se lee el libro. Como un punto de partida, en términos de publicaciones, el lector interesado quizá desee consultar artículos especializados en las series Annual Reviews y Advances, así como Immunological Reviews, para obtener información integral sobre muchos temas. Las revistas en las series Trends (p. ej., Immunology Today) y Nature Reviews proporcionan actualizaciones en particular oportunas en áreas clave, mientras que la serie Current Opinion también proporciona algunas sugerencias útiles para lectores que estén listos para abordar la literatura inmunológica primaria actual. Algunas de las principales revistas de investigación primaria, como Nature Immunology, Immunity y el Journal of Experimental Medicine, también contienen artículos de revisión valiosos. El lector encontrará muchos otros. Consideramos que hacerse eficiente en la navegación por la literatura inmunológica es una parte esencial del proceso de aprendizaje, ¡y esperamos que después de leer este libro el lector siga disfrutando de explorar la inmunología!

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Capítulo 1 El sistema inmunitario 1.1

funciones como la detección de infección, el reclutamiento de células hacia sitios infectados, la comunicación entre células y tejidos, la emisión de señales dentro de células y, por lo general, la eliminación del agente infeccioso (sección 1.5). Sin embargo, el sistema inmunitario que los seres humanos han adquirido por evolución es imperfecto, y al final de este capítulo se comentan algunas de estas imperfecciones (sección 1.6). El sistema inmunitario es una máquina de matar muy eficaz, y si funciona mal puede causar enfermedad grave e incluso la muerte de su huésped. Para cubrir estas últimas áreas primero se considera cómo el sistema inmunitario es capaz de distinguir entre lo que es necesario eliminar y lo que no, particularmente en el caso de la inmunidad adaptativa, que ha evolucionado para reconocer estructuras moleculares en su mayor parte al azar. A continuación se exponen las diferentes maneras en las cuales el sistema inmunitario puede causar daño si queda dirigido no hacia agentes infecciosos, sino hacia blancos por lo demás inocuos, incluso muchas sustancias inertes que rodean al ser humano y que están dentro de los tejidos del huésped mismo. Se comentan los problemas de los trasplantes (algunos de los cuales incluso pueden atacar a sus huéspedes) y por qué el sistema inmunitario no logra rechazar tumores malignos (cáncer). Por último, se pasa de los problemas a las soluciones, y se introducen dos áreas en las cuales el sistema inmunitario intacto y los componentes de la inmunidad se pueden utilizar para beneficio propio, y a partir de las cuales pueden derivarse recursos para tratar una enfermedad.

Introducción Todos los seres vivos —animales, vegetales e incluso bacterias— pueden actuar como huéspedes para organismos infecciosos y, así, han adquirido por evolución mecanismos para defenderse contra infección. La infección puede ser por otros seres vivos, por cosas no vivas (virus) y posiblemente incluso por moléculas (priones). Dado que es tan crucial para la supervivencia del ser humano, gran parte del entendimiento de la inmunidad ha provenido de estudios en seres humanos —particularmente en relación con las causas de enfermedad y la prevención de la misma—, pero información importante también ha provenido de estudios experimentales en animales, como los ratones. Por estos motivos, en este libro los autores se centran en los sistemas inmunitarios de seres humanos y de ratones. Éstos, junto con otros organismos que han evolucionado más recientemente (p. ej., aves y anfibios), tienen los sistemas inmunitarios más complejos y sofisticados, pero los orígenes de éstos en muchas instancias pueden rastrearse hasta las especies más distantes y antiguas en la historia evolutiva. En este capítulo se proporciona una perspectiva general de la inmunología, en la cual se introducen los partícipes clave en la inmunidad, con enfoque en su mayor parte en los sistemas inmunitarios de seres humanos y de ratones. Se inicia al considerar de manera breve de qué modo el organismo huésped puede detectar infección, y cómo es posible que un huésped reconozca muchos agentes infecciosos muy diferentes (sección 1.2). A continuación se introducen los tejidos y los órganos especializados en los cuales ocurren respuestas inmunitarias (sección 1.3). Para eliminar diferentes infecciones con eficacia, es necesario que las respuestas inmunitarias se individualicen para tipos particulares de infección. Esto requiere diversas células y moléculas que pueden interactuar de manera coherente a fin de generar los mecanismos que se necesitan para eliminar cada tipo de infección. Dado que estos mecanismos ayudan a desencadenar o “efectuar” la eliminación de agentes infecciosos, se denominan mecanismos efectores. La defensa contra infección se divide en dos formas principales denominadas inmunidad innata e inmunidad adaptativa. Los mecanismos de defensa innatos están presentes en diferentes formas en todos los organismos multicelulares, incluso vegetales. Los mecanismos de defensa adaptativos han evolucionado más recientemente en vertebrados. En estos últimos, la interacción de mecanismos innatos y adaptativos es esencial para la generación de inmunidad eficaz contra infección; para introducir los mecanismos de inmunidad se empezará por describir los diferentes tipos de células inmunitarias y su función en las inmunidades innata y adaptativa contra infección (sección 1.4). A continuación se presentan las principales clases de moléculas involucradas en

Hacia el final de este capítulo el lector debe tener información acerca de las propiedades y funciones básicas del sistema inmunitario, y entenderá los principios de sus papeles en la defensa contra enfermedad infecciosa. El lector empezará a tener una apreciación de por qué es esencial para la vida, la enfermedad y la muerte, y cómo es importante no sólo en la prevención de la enfermedad sino en su causa. Este capítulo lleva al lector a los capítulos siguientes, donde se comentan con mayor profundidad diferentes áreas de la inmunidad.

1.2 Defensa del huésped contra la infección El ser humano necesita respuestas inmunitarias para defenderse a sí mismo contra infección. Muchas clases de organismos tienen el potencial de infectar al ser humano y, si lo hacen, pueden causarle daño de muchas maneras. Para afrontar todas estas amenazas potenciales, el ser humano, como huésped de agentes infecciosos, necesita diversas clases de mecanismos de defensa del huésped. De hecho, esto se aplica a cualquier organismo vivo. 5

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

1.2.1 Agentes infecciosos Para entender cómo funciona el sistema inmunitario en la infección, es necesario saber cómo son los agresores. Los agentes en potencia infecciosos incluyen los que siguen: • Virus, que son entidades no vivas. Los ejemplos comunes son el virus de la gripe, el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) y el virus del herpes simple (HSV, que puede causar herpes labial o úlceras genitales). • Bacterias, que son organismos procariontes unicelulares. Los ejemplos son Staphylococcus y Streptococcus que causan infecciones agudas, como abscesos y faringoamigdalitis, y Mycobacteria, que causan infecciones crónicas como tuberculosis y lepra. • Hongos, que son unicelulares, como Candida que causa el algodoncillo, o multicelulares. • Parásitos, que son organismos eucariontes. Algunos son protozoos unicelulares que originan enfermedades como paludismo; otros son organismos grandes multicelulares (metazoos) como las tenias. En este libro, por comodidad, a veces se hará referencia a agentes infecciosos de menor tamaño, incluso virus, como microbios, porque son de tamaño microscópico. Empero, muchos parásitos, los metazoos, a menudo están lejos de ser de tamaño microscópico. 1.2.2 Defensa del huésped Todos los organismos poseen mecanismos para defenderse contra infección, y la inmunidad es una forma especializada de defensa del huésped. En los mamíferos, los mecanismos de defensa pueden ser pasivos o activos. La defensa pasiva adopta la forma de barreras naturales que obstaculizan la infección. Los ejemplos son la piel, que evita el acceso de microbios al tejido subyacente, y ácido gástrico

1.2.3 Reconocimiento inmunitario Diferentes tipos de células y moléculas están involucrados en el inicio de las respuestas inmunitarias innata y adaptativa aunque, como se mencionó, su interacción es esencial en la defensa contra casi todos los agentes infecciosos. Entonces, ¿qué hacen en términos generales los extremos innato y adaptativo de la inmunidad? En términos generales, es posible considerar que algunos componentes del sistema inmunitario innato están involucrados en la detección de cosas “perjudiciales” que representan “peligro” para el

Inmunidad innata

Barreras

Estómago

en el estómago que puede matar muchos microbios que podrían ingerirse con el alimento, lo cual no sorprende. Su existencia es bastante independiente de la presencia de infección. La defensa activa es desencadenada por respuestas inmunitarias que comprenden diversos mecanismos efectores que son inducidos por la presencia de infección, y que pueden eliminar el microbio. Así, todas las formas de inmunidad activa dependen del reconocimiento específico de moléculas presentes en el agente infeccioso. Esto, a su vez, lleva a una respuesta, que involucra la interacción de células y moléculas para producir diferentes mecanismos efectores que a menudo pueden eliminar la infección. La inmunidad se divide en dos formas: innata y adaptativa. Las respuestas innatas ocurren con rapidez y pueden generar mecanismos efectores que son eficaces en el transcurso de minutos u horas de la infección. En contraste, la inmunidad adaptativa requiere mucho más tiempo para hacerse eficaz, por lo general más de algunos días. Con todo, en la inmunidad a casi todas las formas de infección, las inmunidades tanto innata como adaptativa son esenciales. Una ventaja importante de las respuestas inmunitarias adaptativas, que no se observa con la inmunidad innata, es que generan memoria: una segunda infección por el mismo microbio desencadena una respuesta más fuerte, más rápida y por lo general más eficaz (figura 1-1).

Piel

Mecánica/química preformada Inmediatamente eficaz

Células

Moléculas

Reclutadas hacia sitios de infección Eficaz en minutos a horas

Inmunidad adaptativa

Células

Moléculas

Reclutadas hacia sitios de infección Eficaz en días a semanas

Figura 1-1 Mecanismos de defensa contra infección. Barreras naturales. Detienen la entrada de agentes infecciosos al huésped o proporcionan un ambiente hostil. Las barreras físicas para la infección comprenden los epitelios de la piel, los pulmones y las vías respiratorias, y los tractos gastrointestinal y urogenital. Las células en estas barreras también pueden secretar agentes que matan agentes infecciosos. Inmunidad innata. Es la primera forma de inmunidad inducida por agentes infecciosos. Células y moléculas como los fagocitos y el complemento pueden montar respuestas rápidas que pueden erradicar la infección. Inmunidad adaptativa. Si la inmunidad innata no mata el agente infeccioso, más tarde pueden generarse respuestas adaptativas. Células y moléculas como linfocitos y anticuerpos tardan más tiempo en hacerse eficaces, pero la inmunidad adaptativa también puede llevar a un estado de resistencia duradera a la reinfección, llamado memoria inmunitaria (que no se muestra).

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1.2

organismo, como clases generales de microbios que pueden haber infectado al huésped. Otros componentes a continuación procuran eliminar el microbio. En contraste, el sistema inmunitario adaptativo puede distinguir con mucha precisión entre microbios individuales, incluso del mismo tipo, pero por lo general sólo monta una respuesta si el sistema innato le ha informado que lo que se está reconociendo es “perjudicial”. De ser así, las respuestas adaptativas pueden ayudar entonces a eliminar el microbio, si no ha sido erradicado ya durante la respuesta innata más temprana. El reconocimiento de agentes infecciosos es esencial para cualquier forma de inmunidad y, así, para la defensa del huésped contra ellos. En general, los tipos de receptores usados para el reconocimiento difieren en las respuestas innata y adaptativa (figura 1-2).

Célula innata

Defensa del huésped contra la infección

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1.2.3.1 Reconocimiento en la inmunidad innata: receptores de reconocimiento de patrón

Los componentes clave del sistema inmunitario innato comprenden células, como los fagocitos, y moléculas solubles, como el complemento; éstos funcionan juntos para detectar la presencia de infección. El reconocimiento de microbios en potencia peligrosos por lo general lleva a la generación de inflamación, que resulta familiar a todas las personas. Una manera de ver esto es que los sistemas inmunitarios innatos de organismos pluricelulares pueden generar señales de “alarma” en respuesta a peligro, y que algunas de estas señales causan inflamación. La alarma no es un término usado convencionalmente, pero es uno que los autores consideran útil y, por ende, se usará de vez en cuando en este

PRR Reconocimiento Microbio libre

Proteína microbiana

PAMP

P. ej., carbohidrato microbiano Reconocimiento Célula B

Célula que contiene proteína microbiana Proteína microbiana

Célula T TCR Reconocimiento

Péptidos Péptido Molécula presentadora de antígeno (MHC)

Figura 1-2 Reconocimiento inmunitario. Inmunidad innata. Los PRR reconocen de manera directa o indirecta características conservadas de agentes infecciosos llamados PAMP. Los PRR son expresados ampliamente en todo el sistema inmunitario innato. Inmunidad adaptativa. Los dos tipos principales de linfocitos, células B y células T, tienen receptores altamente discriminatorios para componentes o antígenos microbianos, BCR y TCR, respectivamente; éstos reconocen antígenos de maneras por completo diferentes. Los BCR pueden ser secretados como anticuerpos solubles, y se unen a diferentes tipos de antígeno, como carbohidratos o glucoproteínas en su forma natural, no plegada. En contraste, los TCR por lo general reconocen péptidos pequeños, generados por degradación de proteínas microbianas, en asociación con moléculas presentadoras especializadas (moléculas del MHC) sobre la superficie de otras células (esto es, como complejos de péptido-MHC).

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

libro. La inflamación permite a las células y moléculas efectoras ser dirigidas hacia el sitio de infección. Como se mencionó, otras señales generadas durante respuestas innatas también pueden determinar si, y de qué manera, los linfocitos de la inmunidad adaptativa mostrarán respuesta. El reconocimiento de agentes infecciosos en la inmunidad innata está mediado por receptores codificados por la línea germinal, llamados receptores de reconocimiento de patrón (PRR). Estos receptores por lo general reconocen características conservadas de agentes infecciosos que a menudo son compartidas por diferentes clases de microbios; estas características microbianas se llaman patrones moleculares asociados con agente patógeno (PAMP). Los PAMP estimulan de manera directa o indirecta respuestas inmunitarias innatas al actuar como agonistas para PRR. Un agonista es cualquier cosa que estimula una respuesta por medio de un receptor, en contraposición con un antagonista, que la inhibe. Los PAMP pueden unirse de manera directa a PRR y, por consiguiente, actúan de manera directa como ligandos para estos receptores, pero algunos PAMP pueden desencadenar respuestas al unirse a una molécula diferente que entonces se asocia con un PRR, de modo que es útil usar el término general agonista. Esto también permite distinguir con claridad entre componentes de microbios que desencadenan respuestas innatas, y estructuras moleculares que son reconocidas en la inmunidad adaptativa y que se llaman antígenos (véase más adelante). Las células que se encargan de iniciar la activación del sistema inmunitario innato se encuentran ampliamente distribuidas en tejidos y órganos, y poseen muchas copias de tipos diferentes de PRR que desencadenan respuestas rápidas. Esto permite la activación muy rápida y la utilización de los mecanismos efectores de la inmunidad innata. En muchos casos el sistema innato puede eliminar el microbio infeccioso, a menudo sin que ocurran síntomas (esto es, de manera subclínica), y si ha habido daño de los tejidos en el sitio de infección el sistema innato iniciará reparación y curación. Es importante que la activación del sistema innato también sea esencial para el desencadenamiento de respuestas inmunitarias adaptativas. 1.2.3.2 Reconocimiento en la inmunidad adaptativa: receptores de antígeno

Los componentes clave del sistema inmunitario adaptativo son los linfocitos. En esta etapa es conveniente dividirlos en dos grupos principales (hay otros tipos). Un grupo son los linfocitos T (células T) que han evolucionado para interactuar con otras células. El otro son los linfocitos B (células B) que son los precursores de células que pueden sintetizar anticuerpos solubles. El reconocimiento de moléculas que provienen de agentes infecciosos, por los linfocitos, está mediado por sus receptores de antígeno especializados, que no están presentes en células de la inmunidad innata. Un antígeno puede definirse como una estructura molecular contra la cual puede montarse una respuesta inmunitaria adaptativa. En contraste con los agonistas de PRR en la inmunidad innata (véase antes), los antígenos que estimulan respuestas de linfocitos por lo general son singulares para agentes infecciosos particulares independientemente de qué tan estrechamente estén relacionados. En conjunto, los linfocitos expresan una gama o repertorio vasto de receptores de antígeno de diferentes especificidades, pero cada linfocito expresa múltiples copias de un receptor de sólo una especificidad dada. El término “especificidad” se relaciona con el o los antígenos particulares que cada linfocito es capaz de reconocer.

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Estos receptores son generados por reordenamiento del DNA de la línea germinal, un proceso que no se sabe que ocurra en cualquier otro tipo de molécula. Su especificidad es generada en su mayor parte al azar, y en anticipación de cualquier infección. Así, el reconocimiento de antígeno por linfocitos es anticipatorio. Los receptores de antígeno de linfocitos son altamente discriminatorios y distinguen incluso entre diferencias muy pequeñas en antígenos, como una sustitución de aminoácido en un péptido o una cadena lateral específica en una molécula orgánica. El vasto repertorio de receptores de antígeno de células T y B significa que un linfocito que expresa un receptor particular es en extremo raro. Además, en circunstancias normales los linfocitos son células pequeñas, relativamente inactivas. Así, las respuestas inmunitarias adaptativas requieren la activación y proliferación de clonas específicas de células T o B para alcanzar una masa crítica que pueda afrontar los agentes infecciosos, y esto requiere tiempo. Las respuestas adaptativas también necesitan generar los mecanismos efectores particulares que son más idóneos para eliminar la infección, y esto también toma tiempo. Por ende, el desencadenamiento de respuestas inmunitarias adaptativas por lo general es más lento que el de respuestas innatas. Aun así, después de infección, números aumentados de linfocitos específicos para antígeno permanecen en el organismo, y éstos proporcionan respuestas más fuertes y más rápidas si ocurriera reinfección. 1.2.3.3 Tipos de reconocimiento en las inmunidades innata y adaptativa

Ya se sugirió que puede considerarse que algunos componentes de la inmunidad innata reconocen peligro, y que en general son capaces de distinguir entre estímulos peligrosos e inocuos. El peligro puede ser representado por la presencia de un agente infeccioso o por signos de daño o estrés celular que pueden o no estar asociados con infección. En contraste, los receptores de antígeno de linfocitos les permiten distinguir con mucha precisión entre lo que es “propio” (cualquier componente normal del huésped) y “extraño” (como un componente de un microbio), pero no entre inocuo y peligroso. Por ende, son principalmente las señales generadas por el sistema innato las que informan a los linfocitos si los antígenos que están reconociendo se originan a partir de agentes peligrosos o inocuos y, por ende, determinan si los linfocitos quedan o no activados, y precisamente cómo necesitan ser activados en el contexto del peligro específico que se plantea. Si se le dan instrucciones de que no hay peligro (o no se le dan instrucciones de que hay peligro), los linfocitos pierden la capacidad de respuesta, o se hacen “tolerantes”, a lo que están reconociendo (sección 1.6.1). 1.2.4 Etapas de la inmunidad Las respuestas inmunitarias a agentes infecciosos involucran una secuencia de eventos que por lo general ocurren en compartimentos anatómicos separados. Los inmunólogos dividen los tejidos en tejidos linfoides, por una parte, y los tejidos no linfoides o periféricos, por la otra. Los linfocitos son producidos en tejidos linfoides primarios, pero tienden a localizarse en sitios especializados, los tejidos linfoides secundarios (véase más adelante). En contraste, las células de la inmunidad innata están distribuidas en todos los tejidos y órganos. Una vez que un agente infeccioso rompe las barreras naturales, agonistas innatos, como PAMP, de-

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1.2

Defensa del huésped contra la infección

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Infección inicial Agente patógeno Tejido periférico

Célula de “alarma“ (desencadena inflamación)

a

Célula dendrítica (capta antígeno)

Ganglio linfático Inflamación Tejido periférico

Célula dendrítica (activa linfocitos)

Agente patógeno b Célula dendrítica (migra hacia ganglios linfáticos)

c

Anticuerpo

Anticuerpos y linfocitos activados (migran hacia tejido periférico inflamado)

Linfocito activado

Figura 1-3 Etapas de la inmunidad. Las inmunidades innata y adaptativa están estrechamente interconectadas. Células locales especializadas (de alarma) de la inmunidad innata pueden detectar la presencia de agentes infecciosos. La inflamación consiguiente permite que células efectoras innatas y moléculas transportadas por la sangre entren al tejido. a) Las células dendríticas (DC) en el sitio de infección detectan la presencia de un agente infeccioso, y captan moléculas (antígenos) que provienen del mismo. b) Migran hacia tejidos linfoides secundarios y activan linfocitos que son específicos para el agente infeccioso. c) Algunos linfocitos a continuación sintetizan anticuerpos que circulan en la sangre hacia el sitio de infección y atacan el agente infeccioso; otros linfocitos entran a sitios de infección y ayudan a, o reclutan, otras células para que maten el agente infeccioso, o matan directamente células infectadas.

rivados del agente infectante, desencadenan la activación de la inmunidad innata. Las infecciones más comúnmente empiezan en tejidos periféricos, no linfoides, y son las células innatas residentes, como los macrófagos y los mastocitos (células cebadas) en estos tejidos los que reconocen por vez primera agonistas innatos. La respuesta inflamatoria subsiguiente entonces es crucial para el reclutamiento rápido de otras células y moléculas efectoras innatas, como fagocitos especializados y el complemento, hacia el sitio de infección para ayudar a eliminar los microbios que están presentes ahí. La infección también inicia la inmunidad adaptativa, y se hace evidente entre algunos días y una semana más tarde. Para que suceda esto, es necesario que el antígeno sea transportado hacia los tejidos linfoides secundarios (p. ej., hacia ganglios linfáticos o el bazo, véase más adelante) durante la fase innata de modo que pueda ser reconocido por linfocitos que tienden a congregarse en estos órganos. Las moléculas de las cuales depende el reconocimiento de antígeno son los receptores de antígeno respectivos

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de los dos grupos principales de linfocitos: receptores de células T (TCR) y receptores de células B (BCR, que más tarde pueden secretarse como anticuerpos). Los linfocitos activados se convierten entonces en células efectoras por sí mismos (p. ej., algunas células T se desarrollan hacia células citotóxicas que pueden matar células infectadas por virus, o las células B se desarrollan hacia células plasmáticas que secretan anticuerpos), o pueden reclutar y activar otras células efectoras en el sitio de infección, lo que a menudo incluye células de la inmunidad innata. Juntos, estos diferentes mecanismos efectores, que son reclutados hacia sitios de infección debido a inflamación, casi siempre controlan la infección y finalmente la eliminan. Por último, como se mencionó, en casi todas las formas de inmunidad adaptativa se generan linfocitos de memoria en los tejidos linfoides. Una vez inducidas, las células T y B de memoria se localizan a tejidos periféricos no inflamados u órganos linfoides secundarios y, en el caso de reinfección por el mismo organismo, generan respuestas adaptativas rápidas y más fuertes (figura 1-3).

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

1.3 Bases anatómicas de la inmunidad Las respuestas inmunitarias ocurren en organismos vivos complejos. La infección ha impulsado la evolución de tejidos y órganos en los cuales tienen lugar estas respuestas. Para entender las respuestas inmunitarias se requiere una comprensión de la estructura de estos tejidos y órganos en relación con sus funciones inmunitarias. En beneficio de los lectores que tienen poco conocimiento o ninguno de las características anatómicas e histológicas, primero se presentará una introducción muy general a esta área. 1.3.1 Tejidos periféricos Para los inmunólogos, tejidos periféricos se refiere a casi todos los tejidos y órganos del cuerpo. Excluyen órganos linfoides primarios y secundarios (véase más adelante). Un tejido u órgano generalizado está cubierto por un epitelio, una capa continua de células que a menudo está en contacto con el ambiente externo. Los ejemplos son las capas externas de la piel, y el revestimiento de los tractos gastrointestinal, respiratorio y urogenital. Por debajo del epitelio por lo general hay una membrana basal, y por debajo de ésta hay tejido conjuntivo laxo que contiene células como macrófagos, mastocitos y fibroblastos, y componentes estructurales como fibras de colágeno (figura 1-10). Todos los tejidos y órganos están vascularizados, es decir, tienen riego sanguíneo; esto es crucial para que el agua y los soSangre

lutos, como nutrientes y oxígeno disuelto, puedan pasar a través de los revestimientos de los vasos sanguíneos hacia los tejidos circundantes, de modo que las células en estos sitios extravasculares puedan ser nutridas y mantenidas. A continuación, es necesario que este líquido extravascular, con sus solutos, sea recolectado, como linfa, y devuelto a la sangre; por ende, todos los tejidos y órganos contienen vasos de dos tipos: vasos sanguíneos y linfáticos (figura 1-4). La sangre que sale del corazón es llevada hacia los tejidos por las arterias, que se subdividen para formar arteriolas y finalmente capilares. Estos últimos son los sitios donde las moléculas normalmente se difunden hacia y desde tejidos extravasculares. Los capilares se unen y forman vénulas, que son los vasos donde las células migran hacia tejidos en circunstancias tanto normales como de inflamación. Los capilares a continuación se unen para formar vénulas que, a su vez, se unen para formar venas, y finalmente devuelven la sangre al corazón. Los linfáticos se originan a partir de extremos ciegos en tejidos. Reúnen moléculas, así como células móviles desde los espacios extravasculares en los tejidos, y las transportan hacia ganglios linfáticos en la linfa aferente. Los ganglios linfáticos sirven como filtros y son los sitios donde puede iniciarse la inmunidad adaptativa. La linfa eferente, que abandona los ganglios linfáticos, lleva entonces células y moléculas hacia vasos de mayor calibre. El principal es el conducto torácico, que a continuación drena de regreso hacia la sangre. Durante las respuestas inmunitarias la sangre actúa como un sistema de entrega. Los vasos sanguíneos y los linfáticos están revestidos por células endoteliales aplanadas. La sangre transporta leucocitos, que son los glóbulos blancos, así como eritrocitos, que

Linfa Vaso linfático

Epitelio

Vena Arteriola

Capilar

Vénula

Agua y moléculas pequeñas Corazón

Arteria

Capilar

Agua y moléculas pequeñas

Linfa

Vaso linfático

Figura 1-4 Sangre y linfa. La sangre transporta agua, oxígeno y moléculas pequeñas que se difunden hacia tejidos extravasculares a través de las células endoteliales de vasos sanguíneos de pequeño calibre. La sangre también porta leucocitos, pero estas células, y moléculas más grandes, como anticuerpos, sólo pueden entrar a los tejidos en grandes cantidades en sitios inflamatorios (figura 1-3). El líquido extravascular se acumula hacia los vasos linfáticos y, finalmente, vuelve a entrar a la sangre. La linfa también transporta células desde sitios de infección hacia ganglios linfáticos, lo que permite que se desencadene inmunidad adaptativa (figura 1-3).

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1.3

a

Tejidos linfoides primarios: sitios de producción de linfocitos

b Tejidos linfoides secundarios: sitios de activación de linfocito

Ganglios linfáticos

Bases anatómicas de la inmunidad

c

11

Corrientes de migración: encauzamiento de linfocitos

Tejido linfoide primario

Médula ósea Linfocitos Células B

Precursores de célula T

Células T

Placa de Peyer

Tejido linfoide secundario

Bazo Recirculación de linfocito

Timo

Figura 1-5 Tejidos linfoides primarios y secundarios. a) Los tejidos linfoides primarios son sitios donde se producen linfocitos. En seres humanos y ratones adultos los principales sitios son la médula ósea y el timo, donde las células B y T, respectivamente, pasarán por casi todo su desarrollo o por todo su desarrollo. b) Los tejidos linfoides u órganos secundarios son sitios donde las respuestas adaptativas son inducidas y reguladas. Los principales tejidos son ganglios linfáticos, el bazo y MALT especializadas, como las placas de Peyer en el intestino delgado. Todos tienen áreas altamente organizadas que contienen células T y B. Los linfocitos recirculan entre la sangre y la linfa, y pueden vigilar diferentes compartimentos anatómicos respecto a infección, y montar respuestas apropiadas.

son los glóbulos rojos. Si las moléculas en la membrana plasmática de leucocitos reconocen moléculas complementarias en el endotelio, pueden adherirse a él y después pueden migrar hacia los espacios extravasculares del tejido local. Como se mencionó, en circunstancias normales algunas moléculas pequeñas pueden difundirse libremente hacia afuera de la sangre en capilares y vénulas, pero casi todas las macromoléculas son retenidas en la sangre. De cualquier modo, estas macromoléculas pueden ser llevadas de manera selectiva a sitios de inflamación porque se abren brechas entre células endoteliales de vénulas en estos sitios (p. ej., figura 1-6). Algunos tejidos se llaman “mucosas”. En general, mas no siempre, esto se debe a que sus epitelios contienen células caliciformes que secretan moco hacia la superficie epitelial; el moco actúa como un lubricante y como una barrera para la infección. Los tejidos mucosos comprenden el tracto gastrointestinal, los tractos respiratorio y urogenital, los ojos, y la glándula mamaria en lactación. Desde un punto de vista inmunológico, los tejidos mucosos tienen importancia porque se relacionan con respuestas inmunitarias que difieren en aspectos importantes de las asociadas con otros tejidos periféricos. 1.3.2 Tejidos linfoides Los tejidos linfoides son aquellos cuyas principales funciones están asociadas con respuestas inmunitarias adaptativas. Los tejidos linfoides primarios son sitios donde se producen linfocitos. En

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seres humanos adultos comprenden la médula ósea y un órgano especializado llamado timo, que es el órgano en el cual se desarrollan las células T. La médula ósea también es el sitio donde se generan otros leucocitos, como monocitos (que pueden desarrollarse hacia macrófagos) y granulocitos (que por sí mismos son de diferentes tipos). El proceso de generación de células sanguíneas se llama hematopoyesis (véase más adelante), de modo que la médula ósea también puede llamarse un órgano hematopoyético. En contraste, los tejidos linfoides secundarios son los sitios donde se inician y regulan las respuestas inmunitarias adaptativas. Estos tejidos comprenden ganglios linfáticos, que están distribuidos en todo el organismo, y el bazo. También hay tejidos linfoides secundarios especializados llamados tejidos linfoides asociados con mucosas (MALT), como placas de Peyer en el intestino delgado y las amígdalas y adenoides en la garganta y la nariz (figura 1-5). 1.3.3 Sitios inflamatorios Por lo general, el reconocimiento de infección en un sitio periférico por el sistema inmunitario innato lleva a inflamación local. Esto es evidente en clínica como enrojecimiento, aumento de la temperatura, tumefacción y dolor en el sitio de la infección. Una de las principales funciones de la inflamación es asegurar que las células y moléculas necesarias para afrontar el agente infeccioso sean llevadas al lugar correcto en el momento oportuno. Éstas

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

a Inflamación aguda (minutos a días)

b Vénula

Inflamación crónica (días a años)

Macromoléculas (defensa) Células (defensa, reparación) Agua (edema)

Células (defensa, reparación)

Figura 1-6 Inflamación aguda y crónica. a) Inflamación aguda. Agentes infecciosos, como bacterias extracelulares, desencadenan inflamación que empieza con rapidez y dura relativamente poco tiempo. Las principales características son reclutamiento de células y moléculas, como neutrófilos y complemento, y la acumulación de líquido extravascular (edema). b) Inflamación crónica. Los agentes infecciosos que no son eliminados con rapidez y que desencadenan respuestas inmunitarias adaptativas pueden llevar a inflamación crónica que puede durar mucho más tiempo. Las principales características son el reclutamiento de monocitos sanguíneos, que se convierten en macrófagos, y linfocitos activados, en especial células T, y a veces la formación de granulomas que duran mucho tiempo.

incluyen, por ejemplo, fagocitos especializados y componentes del complemento y, a menudo más tarde, linfocitos y anticuerpos. Si el agente infeccioso puede ser eliminado con rapidez (en el transcurso de días o alrededor de una semana), la respuesta se conoce como inflamación aguda, y a continuación hay reparación del tejido y curación del mismo. Los ejemplos típicos conocidos por la mayoría de las personas son abscesos (furúnculos) y faringoamigdalitis. No obstante, si el agente infeccioso persiste, la inflamación continua, llamada inflamación crónica, lleva a daño continuo de tejido; esto típicamente se observa con infecciones como tuberculosis que pueden persistir meses o años (figura 1-6). La inflamación también puede afectar sitios más distantes en lugares de infección; estos cambios se llaman los efectos sistémicos de la inflamación. Así, la médula ósea puede ser estimulada para que produzca más leucocitos, el hígado para que produzca cantidades mayores de moléculas efectoras solubles que pueden contribuir a eliminar el agente infeccioso, y el hipotálamo en el cerebro para inducir fiebre.

1.4 Base celular de la inmunidad La función primaria del sistema inmunitario es eliminar agentes infecciosos que han logrado entrar por las barreras naturales. Esto es desencadenado por las acciones integradas de diferentes células y moléculas que, de manera directa o indirecta, llevan a recuperación luego de infección. Son las células y moléculas efectoras las que en realidad desencadenan la eliminación de agentes infecciosos. Para simplificar el entendimiento, los autores se enfocan primero en la base celular de la inmunidad, antes de abordar las moléculas involucradas en la inmunidad en la sección 1.5; ésta es una distinción artificial, porque las respuestas inmunitarias por lo general comprenden tanto células como moléculas, como se observará en el resto de este libro.

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1.4.1 Origen de células inmunitarias 1.4.1.1

Hematopoyesis

La hematopoyesis es el nombre que se da al desarrollo de células sanguíneas. En el mamífero adulto esto tiene lugar principalmente en la médula ósea (que también es un tejido linfoide primario), pero en el feto esto sucede en el hígado. Las células más tempranas en la hematopoyesis son las células madre pluripotenciales, que pueden dar lugar a todos y cada uno de los tipos de células sanguíneas. Cuando las células se dividen, cada una de las células progenie por lo general es del mismo tipo. Las células madre son poco comunes por cuanto una de las células progenie es otra célula madre, lo que mantiene esta población, mientras que la otra puede empezar a diferenciarse hacia un tipo de célula diferente, lo que finalmente produce todas las células de diferentes líneas. Al principio las células madre se dividen para formar células que pueden dar lugar a diferentes tipos de células “mieloides” o “linfoides” —éstas son las progenitoras mieloides comunes (CMP) y las progenitoras linfoides comunes (CLP)—. A su vez, los precursores mieloides finalmente pueden producir monocitos y macrófagos, diferentes tipos de granulocitos, y otras células, entre ellas eritrocitos, megacariocitos (los precursores de las plaquetas sanguíneas) y algunas células dendríticas (DC). En contraste, las células linfoides dan lugar a los linfocitos (células T y B), así como células asesinas naturales (NK) y otras DC. El desarrollo de células en cada vía está regulado por factores de crecimiento que tienen actividad más o menos restringida. Así, la interleucina (IL)-3 y el factor de células madre (SCF) estimulan células madre que pueden desarrollarse hacia muchas líneas; el factor estimulante de colonias de granulocitos-macrófagos (GMCSF) estimula de preferencia el desarrollo de monocitos, granulocitos y algunas DC, y la eritropoyetina estimula el desarrollo de eritrocitos (figura 1-7).

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1.4

Base celular de la inmunidad

13

Célula madre hematopoyética Renovación

Precursor linfoide común (CLP)

Precursor mieloide común (CMP)

T

B

Célula T

Célula B

NK

Célula NK

Monocito/ macrófago

Granulocito

Otros (eritrocitos, plaquetas)

Figura 1-7 Hematopoyesis. Todas las células sanguíneas se forman a partir de células madre hematopoyéticas. En el momento de la división forman otra célula madre (autorrenovación) y un precursor más comprometido para una célula sanguínea. A su vez, el CLP da lugar a diferentes tipos de linfocito, así como a las células asesinas naturales (NK), mientras que el CMP puede generar monocitos y macrófagos, granulocitos y otros tipos de células. La producción de diferentes células sanguíneas está regulada por diferentes factores de crecimiento, y está en su mayor parte bajo control por retroacción.

1.4.1.2

Linfopoyesis

El término linfopoyesis se refiere a la generación de linfocitos, en contraste con la mielopoyesis que se refiere a la generación de células mieloides (véase antes) y, así, puede considerarse un subgrupo de la hematopoyesis. En el adulto, hay precursores linfoides comunes en la médula ósea. Las células B empiezan a diferenciarse en la médula ósea y son liberadas como células B parcialmente maduras (de transición) hacia la sangre. Sin embargo, los precursores de células T migran de manera directa hacia el timo, y las células T completan su desarrollo en este órgano (un tejido linfoide primario). Tiene importancia percatarse de que los linfocitos también pueden pasar por rondas de división y desarrollo adicionales fuera de los órganos linfoides primarios. Esto por lo normal sucede después de que han reconocido los antígenos para los cuales son específicos, como componentes moleculares de agentes infecciosos, y ocurre en órganos como ganglios linfáticos, bazo y placas de Peyer (órganos linfoides secundarios). El fenómeno de la expansión clonal es una característica esencial de las respuestas inmunitarias adaptativas porque permite que clonas de linfocitos específicos se expandan y alcancen una masa crítica que ahora puede ayudar a afrontar con eficacia la eliminación de la infección. 1.4.1.3

Inmunidad mediada por células

Los principales mecanismos mediante los cuales las células pueden ayudar a defender contra infección son: i) Muerte directa del microbio (p. ej., las bacterias a menudo son fagocitadas por fagocitos y muertas dentro de estas células).

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ii) Muerte de las células que albergan microbios (p. ej., muerte de células infectadas por virus para prevenir la liberación de nuevos virus). iii) Prevención del acceso a, o expulsión del microbio desde, el organismo, y suministro de defensa contra parásitos de mayor tamaño, como gusanos en el intestino. Estas respuestas celulares, que contribuyen a la inmunidad mediada por células en conjunto, necesitan estar estrechamente reguladas y coordinadas y, con bastante frecuencia, es necesario que diferentes células colaboren para ayudar a desencadenar una respuesta general que lleve a la eliminación de un agente infeccioso (figura 1-8). 1.4.1.4

Introducción a las células del sistema inmunitario

Las diferentes células del sistema inmunitario pueden clasificarse de acuerdo con principios que se superponen. La clasificación de mayor importancia es funcional: ¿qué hacen? Esto se relaciona con otros aspectos: sus orígenes vinculados con el desarrollo y relaciones, y su distribución anatómica en el organismo. Las células también se clasifican con base en sus características morfológicas, pero esto puede ser desorientador —las células B y T que nunca han quedado expuestas a antígeno (vírgenes o indiferenciadas) tienen aspecto más o menos igual bajo el microscopio óptico— y es más exacto combinar características morfológicas con otros métodos, como la identificación de las moléculas de superficie que expresan las células. Con base en estos criterios ahora se introducirán brevemente los principales grupos de células involucrados en las respuestas inmunitarias antes de comentar cada una

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14

a

Capítulo 1

El sistema inmunitario

Muerte directa de microbio

con mayor detalle. Las células se dividirán en las que se considera que pertenecen principalmente a la inmunidad innata, y las de la inmunidad adaptativa, mientras que se hará hincapié en que en realidad hay mucha superposición entre los dos grupos.

(P. ej., bacteria)

1.4.1.5

Células de la inmunidad innata

Macrófagos

• Los macrófagos residentes se encuentran en tejidos de estado estable (esto es, antes de que ocurra infección), y pueden detectar la presencia de microbios. A su vez, pueden ayudar a desencadenar inflamación. • Los macrófagos reclutados (o desencadenados) no son células residentes en tejido, sino que se desarrollan a partir de precursores circulantes llamados monocitos que pueden ser reclutados hacia sitios de infección. Después del desarrollo hacia macrófagos pueden actuar como células efectoras para ayudar a eliminar la infección.

Fagocito (neutrófilo, macrófago)

b Muerte de célula infectada (P. ej., virus)

Muerte

Se dividen en dos tipos principales:

Apoptosis

Los macrófagos son uno de los dos tipos principales de fagocito especializado que pueden rodear e internalizar (fagocitar) y después matar microbios como bacterias. (Células cebadas) Estas células también residen en tejidos de estado estable y pueden detectar la presencia de microbios. Los mastocitos contienen gránulos que son descargados cuando son estimulados, y el contenido del gránulo puede contribuir a desencadenar inflamación local.

Mastocitos

Células linfoides (célula NK, célula T)

Son las principales poblaciones de leucocitos circulantes en la sangre. Se llaman granulocitos porque contienen gránulos citoplasmáticos que son visibles al microscopio óptico. Tienen núcleos que poseen dos o más lóbulos y, así, también se llaman leucocitos polimorfonucleares para distinguirlos de los monocitos y los linfocitos, los leucocitos mononucleares, que no tienen núcleo lobulillado. Los granulocitos se dividen en tres grupos derivados de un precursor común: los neutrófilos, que abundan en la sangre y son un tipo muy importante de fagocito; los más raros eosinófilos, y los basófilos cuya función está relacionada de algún modo con los mastocitos. Una característica crucial de los granulocitos es que en circunstancias normales circulan en la sangre, pero pueden ser reclutados de manera selectiva hacia sitios inflamatorios en respuesta a diferentes tipos de infección. (Note que si bien los mastocitos también contienen gránulos, no circulan en la sangre en una forma madura y, por ende, por definición no están incluidos en el término granulocito; asimismo, tal vez también se originen a partir de un progenitor separado.) Granulocitos

c

Expulsión o reparación de tejido Intestino

Bloqueo de unión

(P. ej., parásito tenia)

Otro granulocito (p. ej., eosinófilo)

Figura 1-8 Mecanismos de inmunidad mediada por células. Hay tres maneras principales en las cuales las células pueden eliminar agentes infecciosos o proteger contra infección. a) Muerte directa. Fagocitos especializados, principalmente macrófagos y neutrófilos, pueden internalizar microbios como bacterias y destruirlos dentro de la célula. b) Muerte de células infectadas. Las células NK y las células T citotóxicas pueden matar células infectadas, lo que evita la replicación y la liberación de microbios como virus. c) Mantenimiento de barreras naturales. Los parásitos más grandes, como los gusanos intestinales, causan daño del epitelio, lo cual conlleva el riesgo de entrada al organismo. Las células como los eosinófilos pueden ayudar a reparar el daño, y en algunos casos pueden ayudar a expeler los organismos o matarlos al secretar sustancias tóxicas.

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Las células NK están relacionadas desde el punto de vista del desarrollo con los linfocitos, pero difieren de ellos en muchos aspectos. Las células NK están presentes en tejidos como células residentes, y pueden también ser reclutadas hacia sitios de inflamación. Pueden matar otras células, como células infectadas por virus (esto es, tienen actividad que mata células [citotóxica]) y regulan también las respuestas inmunitarias.

Células NK

1.4.1.6

Células de la inmunidad adaptativa

Linfocitos Son las células primarias involucradas en respuestas inmunitarias adaptativas. Como se mencionó, tienen receptores de antígeno altamente discriminatorios, y se dividen en dos grupos principales: células B y células T. Las células B son los pre-

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1.4

Base celular de la inmunidad

15

Figura 1-9 Mecanismos de endocitosis. Fagocitosis. Los fagocitos pueden internalizar partículas como bacterias hacia vesículas llamadas fagosomas. Pinocitosis. Todas las células rodean cantidades pequeñas de líquidos y sus solutos disueltos, los cuales son captados en vesículas rodeadas por membrana llamadas endosomas (primarios). En todos los casos, los endosomas primarios o fagosomas a continuación se fusionan con otras vesículas intracelulares llamadas lisosomas para formar endosomas secundarios o fagolisosomas, en los cuales el contenido internalizado puede ser degradado; esto puede llevar a muerte de microbios fagocitados.

Fagocitosis Fagosoma Microbio Receptor

Lisosomas Endosoma

Pinocitosis o endocitosis mediada por receptor

cursores de las células plasmáticas que secretan anticuerpos. Las células T se subdividen en dos grupos principales: células T CD4 que funcionan principalmente como células reguladoras y coordinadoras en las respuestas inmunitarias adaptativas, y células T CD8 que pueden desarrollarse hacia células citotóxicas con la capacidad para matar células infectadas por virus u otros microbios. Los linfocitos T citotóxicos (CTL) y las células NK (véase antes) son los dos tipos principales de células citotóxicas en el sistema inmunitario.

cluir fagocitosis (como se hace aquí), pero a veces se usa para todos los procesos que no son fagocitosis (figura 1-9). Los fagocitos son células especializadas que son capaces de internalizar partículas como bacterias y protozoos pequeños, y son capaces de matar microbios dentro de la célula. Las dos clases principales de fagocitos son macrófagos y neutrófilos. Otras células, como los eosinófilos, también son débilmente fagocíticas, pero no se sabe que éste sea uno de sus propósitos principales. 1.4.2.1

1.4.1.7 Células que enlazan de manera directa las respuestas inmunitarias innata y adaptativa

Las DC son otro tipo de célula, que en realidad existen como varios subgrupos. Casi todas éstas están involucradas en el inicio de respuestas inmunitarias adaptativas y la regulación de las mismas. Puede considerarse que enlazan la inmunidad innata y adaptativa porque muestran respuesta con bastante rapidez la presencia de infección, y después cambian sus propiedades de modo que pueden activar linfocitos, en particular las células T CD4. 1.4.2 Fagocitos Todas las células del cuerpo tienen la capacidad de muestrear su medio extracelular en un proceso general llamado endocitosis. Pueden hacerlo al internalizar pequeñas muestras de líquidos y solutos hacia vesículas rodeadas por membrana llamadas endosomas; éste es el proceso de endocitosis o pinocitosis de fase fluida. Es usado por las células, por ejemplo, para obtener nutrientes, y en algunos casos receptores de superficie celular extraen las moléculas de nutriente requeridas en un proceso relacionado llamado endocitosis mediada por receptor. Algunas células especializadas también tienen la capacidad de internalizar partículas por medio del proceso de fagocitosis; las partículas están contenidas en vesículas rodeadas por membrana llamadas fagosomas. En todas las formas de endocitosis, incluso la fagocitosis, vesículas rodeadas por membrana llamadas lisosomas, que contienen enzimas catabólicas, pueden fusionarse con la vesícula endocítica o el fagosoma y liberar las enzimas hacia la vesícula. En términos generales, esto lleva a la degradación del contenido vesicular. Note que el término endocitosis puede usarse en un sentido general para in-

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Macrófagos

Los macrófagos residen en casi todos los tejidos del organismo, y son componentes importantes de las respuestas inmunitarias tanto innata como adaptativa. Los precursores circulantes de macrófagos, que son producidos en la médula ósea, se llaman monocitos. Cuando un monocito entra a un tejido, puede desarrollarse hacia una forma llamada macrófago maduro. Los macrófagos en los tejidos por lo general son células de vida prolongada (los tatuajes, que duran toda la vida, representan partículas de tinta dentro de macrófagos). Los macrófagos residentes en tejidos conjuntivos y órganos sólidos desempeñan funciones cruciales en el remodelado de órganos y el crecimiento de los mismos durante el desarrollo, y en la regulación de las funciones de tejido normal (homeostasis). Los macrófagos que residen en tejido poseen receptores especializados que reconocen células que han sido programadas para que mueran por medio del proceso de apoptosis y ayudan en el remodelado de tejido sin formación de tejido cicatrizal (p. ej., durante la embriogénesis). A menudo la infección empieza en tejidos periféricos, y los macrófagos residentes desempeñan papeles muy importantes en el inicio de la respuesta inmunitaria innata. Poseen receptores (PRR) que pueden reconocer diferentes tipos de agente infeccioso, lo que les permite distinguir entre clases amplias de virus, bacterias y hongos, por ejemplo. Algunos de estos receptores permiten al macrófago fagocitar el agente infeccioso, de modo que pueda ser destruido dentro de la célula. Es importante que otros PRR emiten señales hacia el núcleo para cambiar la expresión de gen, lo que lleva, por ejemplo, a la secreción de proteínas pequeñas tipo hormona (citocinas; véase más adelante), que actúan sobre otros tipos de células. Es crucial que algunas de las citocinas que los macrófagos residentes secretan en etapas tempranas de infección (como señales de alarma; sección 1.2.3.1) a continuación

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16

Capítulo 1

El sistema inmunitario

Infección Epitelio

Tejido conjuntivo

Microbio

Macrófago residente en tejido

Monocito circulante

“Alarma”

Vénula

Inflamación

Monocito en migración

Citocinas

Vénula

Macrófago activado: defensa (reparación)

Macrófago inflamatorio: fagocitosis, secreción

Macrófago activado de manera alternativa: reparación (defensa)

Figura 1-10 Tipos de macrófagos. Los macrófagos son células plásticas que pueden desarrollar diferentes funciones especializadas. Los macrófagos residentes en el tejido son células de vida prolongada presentes en tejidos conjuntivos. En el estado estable están involucrados en la homeostasis, y ayudan a mantener la estructura del tejido, y pueden detectar también agentes infecciosos y ayudar a desencadenar inflamación (figura 1-3). Macrófagos inflamatorios. La inflamación local recluta monocitos sanguíneos hacia tejidos. En respuesta a agentes infecciosos éstos pueden convertirse en células altamente secretorias que producen muchos efectores innatos, como componentes del complemento. Macrófagos activados. Las respuestas innata y adaptativa pueden ayudar a convertir a los macrófagos en células antimicrobianas potentes. Macrófagos activados de manera alternativa. Los macrófagos también pueden desarrollar funciones involucradas en la reparación de heridas y la cicatrización de las mismas, y pueden ayudar a mitigar la inflamación.

ayudan a estimular inflamación local al modificar la estructura y la función de las células endoteliales de vasos sanguíneos. Más tarde también pueden estimular tejidos más distantes, lo que induce respuestas inflamatorias sistémicas (figura 1-10). Una vez que se ha iniciado el proceso inflamatorio, pueden reclutarse grandes números de monocitos desde la sangre hacia el sitio de infección. Estas células se desarrollan hacia macrófagos inflamatorios con un repertorio de funciones mucho mayor que las células residentes. (Dependiendo de cómo se están estudiando, estas células a veces también se llaman macrófagos desencadenados.) Por ejemplo, son mucho más fagocíticos y secretan una enorme diversidad de moléculas que ayudan a amplificar la respuesta inflamatoria, introducen otros tipos de células efectoras al área, y eliminan el agente infeccioso. Estos macrófagos y otros también pueden contribuir a la reparación y curación del tejido.

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En algunas circunstancias los macrófagos pueden adquirir nuevos y muy potentes mecanismos antimicrobianos que matan microbios. Sucede así en particular una vez que se han iniciado estas últimas respuestas inmunitarias adaptativas, aunque puede suceder en etapas más tempranas. Un agente activador de macrófago clave, producido en ese tipo de respuestas, es la citocina interferón (IFN)-␥. Los macrófagos activados carecen de la capacidad para producir la amplia variedad de mediadores diferentes típicos de macrófagos desencadenados, pero se concentran en matar los microbios que han fagocitado. Con este fin producen, por ejemplo, moléculas que agotan nutrientes, que evitan el crecimiento de los microbios y la replicación de los mismos; agentes altamente tóxicos que los envenenan, incluso intermediarios/ especies de oxígeno reactivos (ROI/ROS), y diversas enzimas que los digieren. Los macrófagos activados son muy importantes en la

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1.4

Base celular de la inmunidad

17

Bacteria Fagocitosis Fagosoma Antimicrobianos ROI Proteasas lisosomales Cromatina

Antimicrobianos Gránulos y lisosomas

NET

Gránulos

Exocitosis Proteasas neutras Antimicrobianos

Figura 1-11 Muerte por neutrófilos. Los neutrófilos pueden matar microbios dentro de la célula y quizá fuera de la célula. Muerte intracelular. Después de fagocitosis de microbios los fagosomas se fusionan con gránulos citoplasmáticos que contienen agentes antimicrobianos o que pueden producirlos. Estos últimos comprenden intermediarios de oxígeno reactivos y otros compuestos que pueden ser tóxicos para los microbios, y proteasas que pueden degradarlos. Muerte extracelular. Estas células también pueden extrudir trampas extracelulares de neutrófilo (NET) compuestas de cromatina que se cree que atrapan microbios extracelulares. Después puede haber descarga del contenido de otros gránulos para liberar agentes antimicrobianos y proteasas a fin de ayudar a matarlos, aunque esto aún no se ha probado.

defensa contra ciertas bacterias, como las micobacterias, algunas de las cuales causan tuberculosis y lepra. En otras circunstancias, pueden desencadenarse diferentes tipos de activación (p. ej., activación alternativa) o desactivación de macrófagos, quizá como etapas secuenciales, dependiendo de las condiciones ambientales locales (p. ej., cuáles citocinas están presentes). El lector puede ver que el macrófago, por ende, es un tipo de célula muy adaptable. 1.4.2.2

Neutrófilos

Los neutrófilos son los leucocitos más abundantes en la sangre del ser humano; comprenden alrededor de 70% del total de leucocitos. Los neutrófilos son cruciales en la defensa contra bacterias piógenas (formadoras de pus), como Staphylococcus y Streptococcus, que típicamente causan abscesos e infecciones similares que involucran inflamación aguda. Los neutrófilos son liberados a partir de la médula ósea como células maduras, y tienen lapsos de vida muy breves (1 a 2 días). No se encuentran en tejidos normales, pero son reclutados con rapidez hacia sitios de inflamación aguda. Los neutrófilos son altamente fagocíticos. Poseen de manera constitutiva una amplia variedad de mecanismos antimicrobianos que matan microbios (en contraste con los macrófagos, en los cuales éstos por lo general son inducidos). Muchas de las moléculas necesarias para generar mecanismos de muerte son

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preformadas y almacenadas en diferentes tipos de gránulos citoplasmáticos. Cuando un microbio ha sido fagocitado, algunos de estos gránulos se fusionan con el fagosoma, y liberan su contenido tóxico —parte del cual es similar al de macrófagos activados (p. ej., ROI)— hacia el microbio. Los neutrófilos también tienen la capacidad para matar microbios fuera de la célula. Además de sus agentes antimicrobianos, los gránulos también contienen enzimas proteolíticas que desintegran (licuan) el tejido circundante. Cuando los neutrófilos encuentran bacterias que son capaces de resistir a la muerte, mueren y, en algunas infecciones, típicamente por Staphylococcus aureus, los tejidos licuados forman el pus que descarga desde abscesos (figura 1-11). 1.4.3 Mastocitos, eosinófilos y basófilos Al igual que para los diferentes fagocitos (sección 1.4.2), las funciones de las células cebadas, los eosinófilos y los basófilos muestran superposición importante, aunque cada una, también, tiene sus propias propiedades especializadas. Puede considerarse que los mastocitos son células residentes en los tejidos, mientras que los basófilos y eosinófilos típicamente son reclutados hacia sitios de inflamación. Comúnmente se encuentran en las barreras anatómicas del cuerpo, por ejemplo, inmediatamente bajo los epitelios de mucosas o en la piel.

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1.4.3.1

Capítulo 1

El sistema inmunitario

Mastocitos

Los mastocitos son células residentes en tejidos de la mucosa y tejidos conjuntivos laxos. Funcionan, al menos en parte, al detectar infección o daño de tejido, y después desencadenar inflamación. Las células cebadas poseen gránulos citoplasmáticos que contienen histamina y citocinas. Las células cebadas pueden ser activadas por medio de sus PRR y por moléculas pequeñas, como fragmentos de complemento. Cuando están activadas, estas células liberan con mucha rapidez sus mediadores almacenados, pero también sintetizan citocinas y mediadores lípidos. Estas moléculas secretadas por lo general participan en la inducción de inflamación aguda. Los mediadores lípidos también inducen contracción de músculo liso, como en el pulmón y las vías respiratorias, y en el intestino. En este último caso, la contracción muscular puede ayudar a expeler parásitos. Empero, los mastocitos se conocen mejor por los papeles que desempeñan en respuestas alérgicas patológicas (figura 1-12). 1.4.3.2

Eosinófilos

jación de agentes infecciosos a las células epiteliales subyacentes. Los eosinófilos pueden desempeñar una función en la curación de ciertos tipos de daño tisular, como el causado por infestación intestinal de gusanos. Así, los eosinófilos pueden ser importantes en la defensa contra parásitos, como gusanos intestinales (figura 1-13).

Neutrófilo –Leucocito más abundante –Defensa contra bacterias piógenas y hongos extracelulares –Números aumentados en infección piógena –Gránulos de dos tipos principales

Eosinófilo

Estos granulocitos, que en circunstancias normales representan 1 a 3% de los leucocitos sanguíneos, por lo general poseen un núcleo bilobulado y gránulos citoplasmáticos grandes de diferentes tipos que se tiñen de color anaranjado con el colorante ácido, eosina (de ahí su nombre). Son reclutados hacia ciertos tipos de sitios inflamatorios, en particular los asociados con infecciones parasitarias y respuestas alérgicas. Al igual que para los mastocitos, el contenido de sus gránulos es liberado cuando los eosinófilos son activados por citocinas. Otros mediadores pueden sintetizarse más tarde. Varias funciones de los eosinófilos se superponen con las de los mastocitos (véase antes); éstas incluyen inducir la producción aumentada de moco, que puede ayudar a prevenir fi-

–Leucocito escaso –Defensa contra parásitos metazoos –Números aumentados en infección por parásitos (gusanos metazoos) –Números aumentados en alergias –Gránulos citoplasmáticos cristaloides

Basófilo

–Leucocito raro Residente en tejido conjuntivo

–Gránulos densos grandes –Similitudes con los mastocitos

Almacena histamina, citocinas Sintetiza mediadores inflamatorios – Metabolitos lípidos – Leucotrienos – Prostaglandinas – Citocinas

Inicia inflamación aguda

Figura 1-12 Mediadores producidos por mastocitos. Los mastocitos están presentes en todos los tejidos conjuntivos. Los mastocitos tienen gránulos citoplasmáticos grandes que almacenan mediadores inflamatorios preformados, como histamina y citocinas, y que son descargados cuando el mastocito es activado (desgranulación). Los mastocitos activados también sintetizan mediadores inflamatorios, entre ellos metabolitos lípidos y otras citocinas cuando están activados. Los mastocitos pueden ser activados por moléculas del agente patógeno o por moléculas producidas durante inflamación aguda. También pueden ser activados durante reacciones alérgicas como la fiebre del heno.

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–Papel incierto en la defensa

Figura 1-13 Tipos de granulocitos. Los granulocitos son leucocitos que contienen diferentes gránulos citoplasmáticos con propiedades de coloración características. Todos pueden reclutarse hacia diferentes sitios de inflamación. Los neutrófilos son los leucocitos más abundantes en la sangre. Pueden reclutarse con rapidez grandes números hacia sitios de inflamación aguda (figura 1-6), y su producción a partir de la médula ósea puede estar muy aumentada durante algunas infecciones bacterianas; son fagocitos altamente activos (figura 1-11). Los eosinófilos en circunstancias normales están presentes en números bajos, pero pueden ser reclutados en particular hacia tejidos de mucosas. La médula ósea puede producir números más grandes durante otros tipos de infección, en especial por parásitos grandes, contra los cuales pueden proporcionar resistencia o defensa y, en respuestas alérgicas, como el asma. Los basófilos normalmente son muy raros en la sangre. Estas células también pueden ser reclutadas hacia sitios de inflamación, donde típicamente acompañan a eosinófilos. Tienen propiedades muy similares a los mastocitos, pero se entienden poco sus funciones en la defensa del huésped.

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1.4

1.4.3.3

Basófilos

Los basófilos poseen núcleo bilobulado, y sus gránulos citoplasmáticos grandes se tiñen de color azul oscuro con colorantes básicos (de ahí su nombre). Los basófilos circulan en la sangre en números muy pequeños (normalmente menos de 1% de los leucocitos), y en circunstancias normales no se encuentran en tejidos. Con todo, pueden ser reclutados hacia sitios de inflamación, típicamente junto con eosinófilos (véase antes). Desde el punto de vista funcional son similares a los mastocitos, aunque hay algunas diferencias, y los basófilos también son estimuladores potentes de la inflamación. 1.4.4 Células asesinas naturales Todos los virus necesitan infectar células para replicarse. A fin de limitar la replicación viral y la liberación de nuevos viriones, han evolucionado células inmunitarias que pueden matar células infectadas por virus, y quizá algunas células tumorales. La capacidad de una célula inmunitaria para matar otra célula de esta manera se llama citotoxicidad celular, y la célula que lleva a cabo la muerte por lo general se denomina célula citotóxica. Esas células matan al desencadenar un proceso llamado apoptosis en las células que reconocen. Todas las células tienen el potencial de sufrir apoptosis (p. ej., durante el remodelado de tejido), y algunas células especializadas del sistema inmunitario han adquirido por evolución mecanismos para acoplarse a este proceso; por ende, matan al forzar a sus blancos a suicidarse más que al asesinarlos. La ventaja de desencadenar esta forma de muerte celular es que el contenido de la célula muerta y moribunda puede ser eliminado con rapidez, por lo general sin desencadenar inflamación. Un tipo de célula que puede hacer esto, aunque puede no ser su función principal en la defensa del huésped, es la célula asesina natural (NK). Las células NK se reconocieron por vez primera por su capacidad para matar células tumorales en cultivo, tan pronto como se aislaron de la sangre. Están presentes en la sangre y órganos normales, como el bazo y el hígado, pero otras células NK pueden ser reclutadas hacia sitios de inflamación. Debido a su capacidad citotóxica espontánea, se denominaron células asesinas naturales, en contraposición con las células T citotóxicas (CTL) que necesitan ser activadas antes de que puedan matar (sección 1.4.5.2). Las células NK semejan linfocitos, pero en su estado en reposo contienen gránulos citoplasmáticos grandes. Estos gránulos contienen moléculas especializadas, incluso una llamada perforina que puede insertarse en la membrana de la célula blanco y polimerizarse para formar poros que permiten la entrada de otras moléculas (en particular enzimas especializadas llamadas granzimas) que pueden desencadenar muerte de la célula blanco. Esto puede ser importante en la defensa contra algunas infecciones virales (p. ej., virus del herpes). Puesto que las moléculas contenidas en gránulos están preformadas, las células NK pueden matar con mucha rapidez. Además, las células NK poseen moléculas de membrana, como ligando Fas, que se une a Fas que induce la muerte sobre células blanco, y pueden desencadenar también apoptosis. (En contraste, estos componentes en circunstancias normales tienen que ser inducidos con el tiempo en CTL.) Además, las células NK secretan diversas citocinas que inducen la actividad de otras células inmunitarias o que la regulan, lo cual es crucial (figura 1-14).

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Base celular de la inmunidad

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Así que, ¿de qué modo las células NK reconocen sus células blanco y las matan? Resulta ser que las células NK poseen un grupo grande de receptores especializados que pertenecen a diferentes familias estructurales, y que difieren por completo de PRR o de receptores de antígeno de linfocitos (capítulo 4). En esencia, las células NK vigilan las concentraciones de moléculas especializadas que están presentes en otras células (en particular moléculas del complejo principal de histocompatibilidad [MHC]; véase más adelante). Si estas concentraciones son normales, la muerte por las células NK es inhibida por receptores inhibitorios; aun así, si están reducidas de manera significativa, típicamente porque un virus ha infectado una célula, pueden entrar en acción receptores activadores que vencen el estado reprimido y llevan a muerte por las células NK. La capacidad de las células NK para matar otras células que carecen de componentes normales (o que tienen cifras muy bajas de los mismos) originalmente se denominó la hipótesis del yo faltante. 1.4.5 Linfocitos Los linfocitos son las células que median la inmunidad adaptativa. En el estado en reposo son células precursoras que nunca han quedado expuestas a antígeno (vírgenes o indiferenciadas), inactivas, que necesitan ser estimuladas por un antígeno, y por lo general por otras señales antes de que queden por completo activadas. Los mecanismos de activación son complejos, pero los peligros de la activación inapropiada (p. ej., que llevan a enfermedades autoinmunitarias; capítulo 7) son tan grandes que es necesario que haya muchos puntos en los cuales pueda regularse la activación. Una vez que ha sido activado, un linfocito puede convertirse en una célula efectora, que por lo general es de vida breve, o en una célula de memoria de vida prolongada, capaz de ser reactivada si volviera a ocurrir una infección. En esta sección se introducirán dos clases importantes de linfocitos, y se describirán brevemente sus propiedades y funciones. Como se mencionó, éstos comprenden las células T —que de hecho son de dos tipos principales, células T CD4 y células T CD8— y las células B. Son los tipos de linfocito convencionales que desempeñan papeles fundamentales en la inmunidad adaptativa. Las células T convencionales también se llaman células T ␣␤. Además, hay otros tipos de linfocitos menos convencionales (o “no convencionales”), entre ellos las células T ␥␦ y las células NKT (¡que no han de confundirse con las células NK!) (capítulos 5 y 6) (figura 1-15). 1.4.5.1

Células T CD4 auxiliares y reguladoras

Las células T CD4, que cuando son activadas se convierten en células T auxiliares (Th) convencionales o en células T reguladoras (Treg), son uno de los dos tipos principales de células T. Se denominan así porque poseen una molécula llamada CD4 (en múltiples copias, por supuesto) que está involucrada en el reconocimiento de las células con las cuales interactúan. Al igual que para todos los linfocitos vírgenes, las células T CD4 circulan en el torrente sanguíneo y migran por los tejidos linfoides secundarios. Son células pequeñas, en reposo. Para funcionar, necesitan ser activadas, y en respuestas primarias esto ocurre en los tejidos linfoides secundarios. En estos últimos tejidos, las DC (véase más adelante) activan células T CD4 y regulan su diferenciación hacia células capaces de mediar diferentes funciones. Estas células

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Célula T citotóxica o célula NK

Gránulo

Célula blanco

Exocitosis de gránulo

Formación de poro

Perforina

Granzimas

Apoptosis Ligando Fas

Figura 1-14 Mecanismos de citotoxicidad celular. Las células NK y las células T citotóxicas pueden matar células infectadas al inducir apoptosis en un proceso llamado citotoxicidad celular. Mecanismos dependientes de gránulo. Los gránulos preexistentes (células NK) o recién generados (CTL) almacenan moléculas que pueden desencadenar apoptosis. Éstas incluyen perforina que puede polimerizarse para formar poros en membranas de célula blanco y que permite que moléculas como las granzimas entren al citosol, donde desencadenan apoptosis. Mecanismos independientes de gránulo. Las células T citotóxicas y las células NK también pueden expresar moléculas de superficie celular, como ligando Fas que, cuando se une a Fas sobre la célula blanco, inicia apoptosis en dicha célula.

T efectoras pueden interactuar entonces con otras células localmente dentro de los tejidos linfoides secundarios (p. ej., pueden ayudar a activar linfocitos B; véase más adelante), o migran hacia sitios de inflamación e infección periféricos, e interactúan con diferentes tipos de células. Hay al menos cuatro maneras principales en las cuales las células T CD4 pueden recibir instrucciones para funcionar, y los subgrupos de células T respectivos se denominan células Thl, Th2, Th17 y Treg. Estos subgrupos estimulan diferentes tipos de respuesta inmunitaria adaptativa, sea al reclutar o modificar las funciones de las células de la inmunidad innata, lo que inicia respuestas en otras células adaptativas, o al introducir a la respuesta nuevas células y moléculas (figura 1-16).

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Fas

En términos generales, las funciones de estas células T CD4 activadas son las siguientes:

Precursor linfoide común (CLP)

Célula NKT

Célula T 

Célula T 

Figura 1-15 Diferentes tipos de células T. Células T ␣␤. En seres humanos y ratones éstas son las células T predominantes. Expresan receptores de antígeno altamente diversificados (TCR ␣␤); pasan repetidamente por todos los tejidos linfoides secundarios (recirculación). Células T ␥␦. En fetos de ratón, diferentes ondas de células T no convencionales con receptores de antígeno mucho menos diversificados (TCR ␥␦) pueblan epitelios; son producidas antes que las células T ␣␤. Células NKT. Éstas son células T muy especializadas que representan otra vía del desarrollo. Algunas células NKT invariantes (iNKT) expresan TCR ␣␤, pero con muy poca diversidad.

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1.4

21

– Ayuda para células T citotóxicas (CTL) – Ayuda para las células B (anticuerpos opsonizantes) – Ayuda para activación de macrófago

Th 1 CD4 T

– Ayuda para células B (anticuerpos de barrera)

Th 2

Precursor de célula T 

Base celular de la inmunidad

– Ayuda para activación de macrófago “alternativa“

Th 17

– Ayuda para inflamación aguda (reclutamiento de neutrófilos)

Treg

– Supresión de respuestas en proceso

CD8 T

Desarrollo independiente de antígeno

– Citotoxicidad celular CTL

– Secreción de citocina

Respuestas dependientes de antígeno

Figura 1-16 Subgrupos de células T ␣␤ convencionales. Dos subgrupos de células T ␣␤ principales se producen en el timo: células T CD4 y CD8. Cada una puede adquirir funciones especializadas (polarizadas) durante respuestas inmunitarias. Células T CD4. Pueden desarrollarse hacia células Th1, Th2 o Th17, dependiendo del tipo de infección. Regulan las funciones de otros tipos de células o ayudan a reclutar y dirigir diferentes mecanismos efectores, algunos de los cuales se indican. Las células T CD4 también pueden desarrollarse hacia células Treg, que pueden suprimir respuestas inmunitarias. Células T CD8. Estas células pueden desarrollarse hacia células citotóxicas (CTL) y adoptar también funciones polarizadas que semejan un poco las de células T CD4, aunque éstas se entienden menos bien.

• Las células Th1 estimulan funciones efectoras de la inmunidad antimicrobicidas y citotóxicas (p. ej., activan macrófagos y reclutan células citotóxicas y las activan, tanto células NK como linfocitos T CD8). También dan instrucción a las células B para que se desarrollen hacia células plasmáticas y secreten ciertos tipos de anticuerpos (que son de diferentes clases; sección 1.5.5.3) que pueden interactuar con algunas de estas células. Las respuestas de Th1 pueden tener particular importancia para la defensa en un momento posterior contra algunos tipos de infecciones bacterianas y virales (p. ej., tuberculosis, gripe). • Las células Th2 estimulan las funciones de barrera de la inmunidad (p. ej., reclutan eosinófilos y los mantienen, hacen que los macrófagos queden activados de manera alternativa, e inducen la producción, por células plasmáticas, de otros tipos de anticuerpos que pueden interactuar con estas células; sección 1.5.5.3). Este tipo de respuesta puede tener particular importancia para la defensa del huésped o la resistencia contra infecciones parasitarias, como infestaciones por gusanos. • Las células Th17 son en particular eficientes para reclutar neutrófilos hacia el sitio de infección; por ende, los neutrófilos (al igual que otras células innatas) pueden ser reclutados en las respuestas de inmunidad tanto innata como adaptativa. Este tipo de respuesta puede ser en particular importante para la defensa contra otros tipos de bacterias, en particular bacterias que cau-

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san inflamación aguda, como Staphylococcus y Streptococcus, y quizá algunos hongos. • Las células Treg suprimen las respuestas de otras células, entre ellas DC, u otros linfocitos, o ambos. Este tipo de respuesta puede tener particular importancia en la desactivación de respuestas inmunitarias cuando se ha eliminado un agente infeccioso, y para asegurar que no se monten respuestas perjudiciales contra agentes inocuos (incluso componentes del cuerpo mismo). Son probablemente los subgrupos mejor entendidos, aunque de hecho hay otros tipos de células T CD4 con funciones especializadas (capítulo 5). 1.4.5.2

Células T CD8

Las células T CD8 representan el otro tipo principal de célula T convencional (figura 1-16). Estas células T poseen múltiples copias de una molécula llamada CD8 que está involucrada en el reconocimiento de las células con las cuales interactúan. Después de la activación, estas células T pueden convertirse en células T citotóxicas capaces de inducir apoptosis en las células que reconocen (note, en contraste, que las células NK no necesitan ser activadas antes de que puedan ser citotóxicas; véase antes). Las células T CD8, al igual que las células T CD4, circulan en el to-

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

rrente sanguíneo y migran por tejidos linfoides secundarios. Para funcionar también necesitan ser activadas, y esto ocurre en los tejidos linfoides secundarios. Cuando las células T CD8 quedan por completo activadas, se convierten en células con actividad citotóxica potente. Estas células abandonan los tejidos linfoides secundarios, y entran a sitios periféricos de inflamación e infección. Ahí pueden matar células infectadas por virus. Lo hacen de dos maneras principales: por medio de perforina y granzimas, y mediante interacciones ligando Fas-Fas (que son muy similares a las usadas por las células NK). Como células citotóxicas, las células T CD8 tienen un componente fundamental de inmunidad adaptativa contra virus, como el virus de la gripe. De cualquier modo, también pueden producir citocinas que: i) son directamente tóxicas, como el factor de necrosis tumoral (TNF)-␣, que induce apoptosis al unirse a receptores inductores de muerte sobre otras células, o ii) pueden modular o aumentar las funciones de células innatas (p. ej., IFN-␥, la principal citocina activadora de macrófago), lo que proporciona mecanismos adicionales mediante los cuales pueden ayudar a eliminar agentes infecciosos. Note que también se han postulado subgrupos polarizados de células T CD8 secretoras de citocina, y se han denominado de acuerdo con subgrupos de células T CD4 (Tc1, Tc2, etcétera). 1.4.5.3

Linfocitos B

Los linfocitos B también son células en reposo pequeñas, indistinguibles desde el punto de vista morfológico de las células T. Cuando quedan activadas de manera apropiada, su función primaria es desarrollarse hacia células plasmáticas, que pueden considerarse fábricas de anticuerpos, o convertirse en células de memoria. En muchos casos las células B necesitan ayuda por parte de células T para quedar activadas y para desarrollarse hacia células plasmáticas, y las células T también controlan el tipo de anticuerpos que sintetizan (figura 1-16). Este tipo de respuesta, que típicamente se hace en respuesta a antígenos proteínicos por células B en sitios especializados de tejidos linfoides secundarios (llamados folículos), se denomina, por ende, una respuesta dependiente de T (TD). No obstante, hay diferentes tipos de células B. Otro subgrupo de células B, situado en un lugar especializado del bazo (llamado la zona marginal), puede producir anticuerpos contra otros tipos de antígeno, como carbohidratos poliméricos, sin necesitar ayuda alguna por parte de células T, y éste es un ejemplo de una respuesta independiente de T (TI). Por último, un tipo diferente de célula B no convencional (llamadas células B-1 en el ratón) puede producir los llamados anticuerpos naturales en ausencia manifiesta de cualquier estimulación antigénica. Las funciones de diferentes tipos de anticuerpos se describen con detalle en el capítulo 6 (figura 1-17). 1.4.5.4

Linfocitos de memoria

Una característica fundamental de la inmunidad adaptativa es el fenómeno de memoria inmunitaria; ésta es una propiedad crucial de los linfocitos, y una función de las respuestas inmunitarias adaptativas en general. Como se mencionó, una vez que se ha superado una infección inicial mediante una respuesta inmunitaria adaptativa primaria, a menudo puede lograrse un estado duradero de resistencia a la reinfección por el mismo organismo (“inmunidad”). Unos buenos ejemplos son la inmunidad a infecciones de la niñez como sarampión, y la inmunidad duradera que puede inducirse mediante vacunación contra viruela y tétanos. La inmu-

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Precursor linfoide común (CLP)

Célula B B-1

Célula B folicular

Célula B de la zona marginal

Figura 1-17 Diferentes tipos de células B. Diferentes tipos de células B se desarrollan durante las vidas fetal y neonatal (compare con la figura 1-15 para las células T). Todas pueden desarrollarse hacia células plasmáticas y sintetizar anticuerpos; pueden mostrar respuesta a diferentes tipos de antígeno. Células B foliculares. Las células B predominantes, convencionales, en seres humanos y ratones tienen receptores de antígeno (BCR) altamente diversificados, y pasan repetidas veces por todos los tejidos linfoides secundarios (recirculación). Células B-1. En ratones, células B no convencionales con BCR mucho menos diversificados pueblan las cavidades peritoneal y pleural; se producen por vez primera antes que las células B convencionales. Células B de la zona marginal. Son células sésiles en la zona marginal esplénica que representan una vía alternativa de desarrollo hacia células B foliculares.

nidad en estos casos puede durar muchos años, y se debe al desarrollo, en el transcurso de la respuesta adaptativa, de poblaciones de linfocitos de memoria, células tanto T como B. Una vez que un agente infeccioso ha sido eliminado, casi todas las poblaciones expandidas de células T efectoras, o células plasmáticas, mueren. Sin embargo, persisten poblaciones de células T de memoria específicas para antígeno, tanto células T CD4, o CD8, o ambas, como células B de memoria. El número de estas clonas de linfocitos específicas para antígeno ahora es más alto que antes de que ocurriera la infección, y las células de memoria pueden ser reactivadas con mayor rapidez si se encuentra de nuevo el agente infeccioso. Por ende, las respuestas secundarias son de magnitud mucho mayor y más rápidas, y por lo general llevan a eliminación muy eficiente del agente infeccioso (figura 1-18). 1.4.6 Células dendríticas (DC) Hay diferentes tipos de DC, y su nomenclatura puede ser desorientadora. La presente exposición se centrará principalmente en DC “clásicas” cuya función primaria es desencadenar y regular casi todos los tipos de respuestas inmunitarias adaptativas, en particular las respuestas de células T CD4. Esas DC, que residen de manera transitoria en tejidos periféricos, detectan diferentes tipos de agentes infecciosos usando los PRR que también son expresados por células inmunitarias innatas. Asimismo, pueden internalizar agentes infecciosos (virus, bacterias, etc.) o antígenos de menor tamaño derivados de ellos (p. ej., toxinas bacterianas, componentes de parásitos) (figura 1-19).

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1.4

Respuesta primaria

Células efectoras

Cantidad

Células de memoria

Tiempo

Primera infección

Respuesta secundaria Células efectoras Cantidad Células de memoria

Tiempo Segunda infección

Base celular de la inmunidad

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Figura 1-18 Respuestas de linfocito efector y de memoria. Respuestas primarias. En respuesta a una nueva infección, se producen linfocitos efectores después de un retraso (cuando las células están siendo activadas y se están expandiendo), y su número disminuye con lentitud a medida que se elimina el microbio. A continuación aparece una población de linfocitos de memoria, y persiste, a menudo de por vida. Respuestas secundarias. Si la misma infección ocurre de nuevo, linfocitos de memoria pueden desarrollarse con rapidez hacia células efectoras, y ayudan a eliminar la infección con mayor eficiencia. A continuación se revierten de regreso hacia células de memoria (o quedan reemplazados por otras nuevas) y pueden mostrar respuesta de nuevo de manera similar si la infección sucede en cualquier momento en el futuro; estos principios se aplican a respuestas tanto de células T como de células B. La eficiencia de las respuestas secundarias se observa con claridad aún mayor en las respuestas de anticuerpos, porque pueden producirse tipos de anticuerpos más apropiados, de afinidad más alta, en comparación con los secretados en una respuesta primaria (que no se muestra; capítulo 6).

Periferia PRR

Complejo de péptido MHC

1

Captación y procesamiento de antígeno

Moléculas coestimuladoras

2 Activación de DC (maduración)

3 Migración de DC Ganglio linfático

(i) DC migratoria

Célula T

(ii)

DC residente en ganglio linfático 4

Presentación de antígeno (i) y coestimulación (ii)

Figura 1-19 Funciones de células dendríticas “clásicas”. Las DC clásicas se encuentran en casi todos los tejidos periféricos; en la epidermis de la piel se llaman células de Langerhans. 1) Cuando ocurre infección, estas células internalizan antígenos microbianos y los degradan hacia formas que pueden ser reconocidas por células T (complejos de péptido-MHC). 2) La detección del agente patógeno por medio de PRR también hace que aumenten la expresión de moléculas coestimuladoras especializadas que se necesitan para activar células T. 3) A continuación migran hacia tejidos linfoides secundarios (p. ej., desde la piel hacia ganglios linfáticos de drenaje por medio de la linfa aferente). 4) Estas DC migratorias ahora pueden activar células T específicas para antígeno, lo que desencadena inmunidad adaptativa. Además, los ganglios linfáticos contienen una población separada de DC residentes que desempeñan funciones que se entienden menos en la activación de células T o en la regulación de las mismas que los de las DC migratorias.

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Dependiendo del tipo de infección particular que ha ocurrido, y en respuesta a otros estímulos como las citocinas particulares que se producen en sitios de inflamación, estas DC cambian sus propiedades. Migran en números aumentados desde tejidos periféricos hacia tejidos linfoides secundarios (p. ej., desde la piel hacia los ganglios linfáticos que drenan ese sitio), y transportan los antígenos que adquirieron en sitios periféricos de infección en formas que pueden ser reconocidas por células T, es decir, complejos de péptido-MHC. En estos órganos linfoides las DC pueden interactuar con linfocitos T específicos para antígeno, en particular células T CD4 y, puesto que ahora expresan moléculas especializadas que se necesitan para activación completa de células T vírgenes (un proceso llamado coestimulación), pueden iniciar muchos tipos de respuestas inmunitarias adaptativas. Dependiendo del tipo de infección, las DC también hacen que las células T CD4 activadas adopten funciones específicas apropiadas para el tipo de microbio que necesita ser eliminado. Una vez hecho su trabajo, las DC mueren en tejidos linfoides secundarios. Las DC plasmacitoides (pDC) son un tipo de célula diferente. Se llaman plasmacitoides porque poseen gran cantidad de retículo endoplasmático rugoso y, a este respecto, semejan células plasmáticas. Son secretorias muy potentes de citocinas llamadas en conjunto IFN tipo 1, y tal vez desempeñen una función en la defensa antiviral. Cuando son estimuladas por medio de PRR, secretan con rapidez diversas citocinas proinflamatorias que probablemente también desempeñan un papel en la regulación de la activación de células T, pero sus funciones reales en las respuestas inmunitarias aún no están claras. Finalmente, hay otro tipo de célula llamado DC folicular (FDC) que se comenta en otros capítulos. A pesar de su nombre, éstos son un tipo de célula por completo diferente que no debe confundirse con DC clásicas o pDC. Las FDC están localizadas en sitios especializados de órganos linfoides secundarios (los folículos), donde desempeñan funciones fundamentales en respuestas de células B, en contraposición con los varios tipos de DC clásicas que están involucradas en respuestas de células T (véase antes). 1.4.7 Coordinación de respuestas inmunitarias Para concluir esta sección sobre la base celular de la inmunidad, se resumirán algunos principios clave. Como una primera regla general, el tipo de respuesta innata o adaptativa que ocurre después de infección está adaptado al tipo de agente infeccioso que la inició. Así, el sistema inmunitario genera una respuesta inmunitaria que es más apropiada para eliminar el agente infeccioso. Por ejemplo, ya se comentó que los fagocitos están involucrados en la muerte directa de bacterias, las células citotóxicas pueden matar células que han quedado infectadas por virus, y los eosinófilos y basófilos pueden ayudar en la resistencia a infestaciones por gusanos. Cada uno de estos tipos de células usa mecanismos muy diferentes para desempeñar sus funciones. Una segunda regla general es que las células que están involucradas en cualquier respuesta inmunitaria no actúan de manera independiente; están reguladas por, y pueden regular las funciones de otras células. La producción de células innatas a partir de la médula ósea puede estar aumentada o disminuida durante respuestas tanto innatas como adaptativas; su acumulación en sitios de infección está regulada por inflamación y, lo que es importante,

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sus funciones pueden ser moduladas. De esta manera, cada célula puede ayudar a afinar el tipo de respuesta inmunitaria que necesita inducirse en diferentes momentos después de infección. Una tercera regla general es que todas las respuestas inmunitarias necesitan ser iniciadas, particularmente en respuesta a infección, y que la respuesta general necesita estar coordinada y regulada de manera apropiada. Del mismo modo que en la inmunidad innata pueden ocurrir tipos muy diferentes de respuesta, lo mismo es cierto para las respuestas adaptativas. En la inmunidad adaptativa, se requieren células especializadas para desencadenar respuestas de linfocitos, y a continuación un grupo especializado de linfocitos controla el tipo general de respuesta que sigue. Las células controladoras más importantes son las DC, y las células T CD4 que tienen funciones auxiliares o reguladoras. Juntas, estas células se encargan, con la ayuda de otros tipos de células, de coordinar la respuesta inmunitaria adaptativa. (Para usar una analogía del mundo de los negocios, las DC podrían considerarse los ejecutivos, las células T CD4 la gerencia media, y todos los otros tipos de células que se han mencionado, las trabajadoras. En un grado importante las DC evalúan el riesgo, toman decisiones estratégicas y dicen a las células T CD4 qué hacer; a su vez, las células T CD4 dan instrucciones a los diferentes tipos de trabajadoras para que ayuden a lograr que se realice la tarea.) Por último, por supuesto, nada podría suceder sin moléculas. En la sección que sigue se consideran algunas moléculas clave de la inmunidad.

1.5 Base molecular de la inmunidad La función primaria del sistema inmunitario es eliminar agentes infecciosos que han logrado penetrar las defensas naturales. Esto es desencadenado por las acciones integradas de diferentes células y moléculas que, de manera directa o indirecta, llevan a su eliminación. Una vez esbozadas las células de la inmunidad, ahora se examinará la base molecular de la inmunidad. Se describen con un poco más de detalle algunas de las moléculas antes mencionadas, y se introducen otras que también desempeñan papeles clave en la inmunidad. 1.5.1 Moléculas de la inmunidad asociadas a células, y solubles Algunas de las clases más importantes de moléculas expresadas por las células inmunitarias son las que desempeñan las funciones que siguen: i) Controlar la posición de las células inmunitarias dentro del cuerpo; por ejemplo, permiten que estas células se localicen dentro de tejidos normales o que lleguen a los sitios de infección. ii) Permitir el reconocimiento de agentes infecciosos y otras señales, de modo que la célula pueda montar una respuesta apropiada. iii) Comunicarse con otras células en la vecindad o en tejidos más distantes, para ayudar a desencadenar una respuesta coordinada.

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1.5

iv) Actuar de manera directa o indirecta como moléculas efectoras; por ejemplo, al ayudar a matar el agente infeccioso (dentro de las células o fuera de las mismas) o matar las células que pueden albergar agentes infecciosos (citotoxicidad celular). Además, muchas moléculas asociadas a células, que incluyen receptores para moléculas solubles, están enlazadas a cascadas de emisión de señales intracelulares que a menudo llevan a cambios de la expresión de gen u otras funciones celulares que se necesitan en respuestas específicas. Muchas moléculas involucradas en la inmunidad pertenecen a diferentes superfamilias en las cuales hay una estructura subyacente común, aunque las funciones de los miembros de la familia pueden diferir ampliamente. Por ejemplo, las moléculas de la superfamilia de la inmunoglobulina contienen números diferentes de los llamados dominios de inmunoglobulina que poseen una estructura característica. Empero, para los propósitos de esta

Base molecular de la inmunidad

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introducción se usará el término confluencia para agrupar las moléculas de la inmunidad en seis tipos principales (figura 1-20): • Moléculas de adhesión que, por ejemplo, permiten a los leucocitos interactuar con células endoteliales durante migración hacia afuera de la sangre, hacia sitios específicos, componentes de tejidos conjuntivos, como la matriz extracelular, y otras células. • Receptores agonistas innatos, en particular PRR que activan el sistema inmunitario innato. • Receptores de antígeno que permiten a los linfocitos reconocer agentes infecciosos o detectar la presencia de agentes infecciosos dentro de otras células. • Citocinas que permiten a las células emitir señales a otras células inmunitarias y tisulares en la misma vecindad o a distancia; un subgrupo de éstas se llaman quimiocinas que están involucradas en dirigir la migración de células (p. ej., hacia sitios de infección). Reconocimiento de agentes infecciosos

Receptor de reconocimiento de patrón (PRR)

Receptor de antígeno Receptor de célula B (o receptor de célula T)

Receptor de adhesión (selectina)

Posicionamiento celular

Receptor de adhesión (integrina)

Receptor de quimiocina

Comunicación célula-célula

Internalización de agentes infecciosos

Cascada de emisión de señales

Receptor de citocina

Receptor endocítico (Receptor Fc) (Receptor de complemento) (Receptor recolector)

Figura 1-20 Ejemplos de moléculas involucradas en respuestas inmunitarias. Reconocimiento de agentes infecciosos. Los PRR son expresados por muchos tipos de células, en particular células innatas, y les permiten reconocer diferentes clases de agentes infecciosos. Los receptores de antígeno (TCR y BCR) sólo son expresados por linfocitos, y les permiten reconocer componentes específicos de agentes infecciosos. Receptores endocíticos. Facilitan la captación de moléculas y partículas que a veces están cubiertas con otros componentes inmunitarios (p. ej., anticuerpos o complemento). Moléculas de comunicación. Los receptores de citocina se unen a citocinas que son producidas por las mismas células o por otras células, y cambian funciones celulares. Algunas citocinas, llamadas quimiocinas, por lo general alteran la migración de células después de unirse a receptores de quimiocina. Moléculas de posicionamiento de células. Se necesitan para que las células migren hacia tejidos normales o inflamados o desde los mismos, o se adhieran a otras células y se comuniquen con ellas. Moléculas emisoras de señales. La unión de ligandos a receptores típicamente desencadena cascadas bioquímicas dentro de la célula que involucran moléculas emisoras de señales intracelulares. Forman vías que finalmente cambian la conducta de la célula (p. ej., el movimiento) o cambian la expresión génica de modo que la célula puede adquirir nuevos papeles en la inmunidad.

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26

Capítulo 1

El sistema inmunitario

• Moléculas efectoras que matan directamente el agente infeccioso o permiten que sea direccionado hacia células específicas para eliminación. • Moléculas emisoras de señales intracelulares sin las cuales las células inmunitarias (o, de hecho, cualquier otro tipo de célula) serían incapaces de funcionar. 1.5.2 Moléculas de adhesión En todos los casos, las células que entran a tejidos desde la sangre deben cruzar la barrera de células endoteliales que revisten vasos sanguíneos, y entrar a sitios extravasculares. Este proceso se llama extravasación o migración transendotelial. Está claro que toda célula necesita distinguir entre un sitio y otro (p. ej., tejidos periféricos en contraposición con tejidos linfoides secundarios, o tejidos normales en contraposición con inflamados). Las células también necesitan ser capaces de migrar dentro de tejidos y de retener sus posiciones en estos tejidos; estas funciones dependen de moléculas de adhesión. El encauzamiento selectivo de diferentes células hacia distintos sitios en diferentes momentos está controlado por un notorio sistema de reconocimiento. En parte, esto involucra moléculas de adhesión de leucocitos, que son de dos clases principales: selectinas e integrinas. Éstas se unen a contraligandos sobre células endoteliales que se denominan en conjunto adresinas porque,

Luz de la vénula

juntas, proporcionan “direcciones (addresses)” para ayudar a los leucocitos a encontrar su camino a través de, y hacia, diferentes tipos de tejidos. Un tercer grupo de moléculas involucradas en el encauzamiento de células no son moléculas de adhesión, sino que son receptores para un grupo de citocinas especializado llamadas quimiocinas (véase más adelante). En conjunto, las permutaciones y combinaciones de diferentes selectinas, integrinas, quimiocinas y receptores de quimiocina proporcionan un sistema altamente discriminatorio a fin de asegurar que las células correctas vayan a los sitios correctos en el momento correcto, sistema que podría llamarse el principio del “código postal” (o “zip code”) (figura 1-21). 1.5.2.1

Selectinas

Los leucocitos en la sangre pueden fijarse de manera transitoria al endotelio de vénulas, y rodar a lo largo del mismo. El rodamiento por lo general está mediado por selectinas (las lectinas son proteínas que se unen a ligandos carbohidrato). El rodamiento da a la célula tiempo para interactuar con moléculas expresadas sobre la superficie endotelial que definen el tipo de endotelio y, por ende, para identificar el tejido en el cual se encuentran (p. ej., piel o intestino), y el estado de ese tejido (p. ej., normal o inflamado). Estas moléculas complementarias, que se expresan de manera constitutiva o son inducibles en diferentes sitios, contienen residuos de carbohidrato que pueden actuar como ligandos para las selectinas.

Afinidad por integrina aumentada

Emisión de señales

Ligando de selectina

Receptor de quimiocina Ligando de integrina

1 Selectina (rodamiento)

2 Quimiocina (emisión de señales)

3 Integrina (adhesión fuerte)

4 Transmigración

Tejido extravascular

Figura 1-21 El principio del “código postal” para la extravasación de leucocitos. Los leucocitos provenientes de la sangre deben entrar a tejidos y órganos específicos (extravasación) para montar respuestas inmunitarias durante infección (tejidos periféricos en respuestas innatas y tejidos linfoides secundarios en respuestas adaptativas). La combinación de diferentes tipos de moléculas expresadas por células endoteliales vasculares semeja un código postal que puede ser leído por el leucocito. 1) Selectinas. Las selectinas, por medio de unión débil a sus ligandos carbohidrato, median la fijación transitoria y el rodamiento de leucocitos a lo largo del endotelio. 2) Receptores de quimiocina. Las quimiocinas producidas en sitios de inflamación son transportadas a través del endotelio hacia el lado luminal, donde son desplegadas para reconocimiento por leucocitos con receptores correspondientes. 3) Integrinas. La emisión de señales intracelulares desde receptores de quimiocina lleva a activación de integrinas, que ahora se pueden unir fuertemente a contrarreceptores sobre las células endoteliales, lo que lleva a fijación firme. 4) Moléculas involucradas en la transmigración. Otros tipos de molécula (que no se muestran) permiten al leucocito cruzar entre las células endoteliales o directamente a través de las mismas para entrar en tejidos extravasculares.

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1.5

1.5.2.2

Quimiocinas y receptores de quimiocina

Las quimiocinas son una clase especializada de citocinas (sección 1.5.4) que pueden estimular células para que migren de manera direccional a favor de un gradiente de concentración de la quimiocina. La migración celular dirigida se llama quimiotaxis. Las quimiocinas pueden producirse en tejidos por muchos tipos de células (p. ej., por macrófagos y mastocitos en respuesta a la infección). Además de promover la migración de células direccional dentro de los tejidos donde se producen, las quimiocinas pueden ser transferidas a través del endotelio hacia el lado luminal (el lado expuesto a la sangre) y quedar fijas a las células endoteliales. Diferentes tipos de leucocitos, como los neutrófilos, o más tarde en la respuesta, células T activadas, poseen diferentes tipos de receptores de quimiocina. Las quimiocinas correspondientes, que están fijas a las células endoteliales, se unen a receptores de quimiocina y, a su vez, activan algunas de las integrinas sobre el leucocito. Una vez activadas, las integrinas se unen muy fuertemente a sus ligandos (véase más adelante). 1.5.2.3

Integrinas

Cuando los leucocitos reciben señales apropiadas por medio de quimiocinas, dejan de rodar y se fijan firmemente a las células endoteliales. El rodamiento de leucocitos puede suspenderse debido a la fuerte unión que ocurre entre las integrinas y sus contraligandos sobre el endotelio. Las integrinas existen en dos estados: afinidad alta o afinidad baja. Las integrinas de leucocitos circulantes se encuentran en el estado de afinidad baja, y carecen de capacidad de unión fuerte. El cambio hacia el estado de afinidad alta ocurre en respuesta a la recepción por el leucocito de señales por medio de sus receptores de quimiocina. Una vez dentro del tejido, diferentes integrinas también pueden permitir a las células fijarse a componentes de la matriz extracelular y, más tarde, a las células con las cuales tal vez necesiten interactuar físicamente durante la respuesta inmunitaria. Dentro del tejido se establece un gradiente de moléculas quimiotácticas, incluso quimiocinas producidas en el sitio de infección; éstas permiten la migración direccional del leucocito hacia el sitio de infección mismo. Otros tipos de integrina no están involucrados en la migración, pero tienen funciones diferentes. 1.5.3 PRR y receptores de antígeno Todas las respuestas inmunitarias, tanto innatas como adaptativas, son iniciadas por reconocimiento de moléculas, y en particular componentes de agentes infecciosos. Algunos componentes pueden actuar como agonistas en la inmunidad innata, mientras que otros son reconocidos como antígenos por los linfocitos de la inmunidad adaptativa. A continuación se pondrán de relieve las funciones de cuatro tipos diferentes de sistemas de reconocimiento asociados a célula en el sistema inmunitario. • Los PRR desempeñan funciones fundamentales en el inicio de la inmunidad innata y la regulación de la misma, y regulan en parte respuestas adaptativas. • Los BCR sobre la superficie de células B pueden reconocer antígenos de manera directa; después de que una célula B se desarrolla hacia una célula plasmática, los BCR pueden ser secretados como anticuerpos. Otras moléculas están involucradas en la emisión de señales desde BCR hacia la célula B cuando

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Base molecular de la inmunidad

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ocurre el reconocimiento de antígeno, mientras que otras regulan la activación de células B y las respuestas de estas últimas. • Los TCR de células T permanecen asociados a células y no son secretados. Los TCR no pueden reconocer antígenos de manera directa. En lugar de eso, el antígeno (por lo general un péptido) debe ser unido a una molécula del MHC. Al igual que para las células B, otras moléculas están involucradas adicionalmente en la activación de células T y las respuestas de estas últimas. • Moléculas del MHC se unen a péptidos y permiten a las células T convencionales reconocer antígenos. 1.5.3.1

Receptores de reconocimiento de patrón (PRR)

Los PRR están ampliamente distribuidos sobre células inmunitarias y otras células. Existen otros tipos en formas solubles y a veces se denominan moléculas de reconocimiento de patrón (PRM). Una característica clave de los PRR es que por lo general están involucrados en respuesta a componentes de agentes infecciosos que no son sintetizadas por su huésped (p. ej., seres humanos). Algunos PRR también pueden estar involucrados en respuestas a componentes del huésped mismo, pero que por lo general sólo se producen en momentos de daño o estrés, como durante una infección. Los PRR son antiguos desde el punto de vista filogenético, y están también presentes en invertebrados. Algunos de los tipos mejor entendidos de PRR, los receptores tipo toll (TLR), se descubrieron por vez primera en insectos. Los PRR asociados a célula están presentes en diferentes compartimentos celulares, sobre la superficie celular, en endosomas o en el citosol. Como tales tienen el potencial de reconocer (de manera directa o indirecta por medio de una molécula asociada) agentes infecciosos que están presentes fuera de la célula, se han internalizado (p. ej., por medio de fagocitosis en macrófagos) o han infectado células. El resultado del reconocimiento por PRR difiere dependiendo del tipo de célula que está involucrado. Las funciones de PRR mejor entendidas son las involucradas en la inmunidad innata, la inducción de inflamación, y el inicio de la inmunidad adaptativa. Así, los PRR expresados por fagocitos pueden promover la fagocitosis o estimular la producción de citocinas que inducen inflamación (véase más adelante). Los PRR expresados por mastocitos pueden llevar a la liberación del contenido de sus gránulos, mientras que los PRR expresados por DC estimulan respuestas celulares, incluso la secreción de citocinas, que ayudan a regular las respuestas de célula T (figura 1-22). Los PRR también se expresan sobre células epiteliales, lo que lleva a secreción de agentes antimicrobianos; células endoteliales, lo que ayuda a regular el reclutamiento de diferentes tipos de leucocitos en respuestas inflamatorias, e incluso sobre linfocitos, en los cuales sus funciones no se entienden por completo. 1.5.3.2

Receptores de célula B (BCR)

Los linfocitos B han evolucionado para reconocer componentes de agentes infecciosos que se derivan de los compartimentos extracelulares del organismo, incluso los líquidos tisulares. Estos agentes infecciosos comprenden, por ejemplo, virus y bacterias libres en la sangre o en el líquido extracelular; este reconocimiento inicialmente está mediado por BCR unidos a membrana. Los BCR han evolucionado para reconocer partes complementarias de la estructura tridimensional de antígenos extraños, como parte de una molécula sobre la superficie de un virus o una bacteria —éstos se denominan epítopos conformacionales—. Lo mismo es cierto cuando los BCR son secretados como anticuerpos (véase

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28

Capítulo 1

El sistema inmunitario

TLR de la membrana plasmática Receptor recolector

Lectina tipo C (receptor de manosa)

Emisión de señales

TLR endosomal

PRR citoplasmático (tipo NOD o RIG)

más adelante). La única diferencia entre un BCR y su anticuerpo correspondiente es si contiene o no una porción molecular pequeña que lo fija a la membrana celular, y a veces un componente adicional que puede ayudar a la molécula soluble a polimerizarse hacia dímeros o pentámeros. Generación de diversidad de receptores de antígeno de linfocito Un vasto número de receptores de antígeno de diferentes

estructuras —y, por ende, de diferentes especificidades para antígeno— puede montarse durante el desarrollo temprano de células B en la médula ósea, y de células T en el timo (véase más adelante). En general, cada célula B posee múltiples copias de BCR de sólo una especificidad; se aplica lo mismo para las células T. El proceso de generar los repertorios de receptores de antígeno de linfocito ocurre por medio de un notorio proceso de diversificación que no se sabe que ocurra en algún otro tipo de célula. A diferencia de todos los otros genes en el genoma, los que codifican para receptores de antígeno de linfocito existen en DNA de la línea germinal, no como genes funcionales, sino como segmentos de gen. Para crear un gen que codifica para receptor de antígeno funcional, estos segmentos son reordenados en el ámbito de DNA en linfocitos. En seres humanos y ratones este proceso ocurre por medio de un mecanismo genético denominado recombinación somática. En su forma unida a membrana, fija a células B, los BCR están compuestos de dos pares de moléculas, llamados cadenas pesadas (H) y cadenas ligeras (L); éstas se asocian para formar una molécula en forma de “Y” (p. ej., figura 1-24). Las dos regiones superiores de la “Y” —llamadas las regiones variables— se encargan del reconocimiento de antígeno. Cada una de ellas se forma a partir de una región variable de una cadena H, combinada con la región variable de una cadena L y, juntas, éstas determinan la especificidad para antígeno de la molécula. El tallo de la “Y” —llamado la región constante— está fijo a la célula en un BCR.

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Figura 1-22 Tipos y localizaciones de receptores de reconocimiento de patrón. Los PRR están situados en diferentes compartimentos celulares. Componentes ampliamente expresados de diferentes clases de agente infeccioso actúan como agonistas para diferentes PRR y estimulan distintas respuestas celulares (p. ej., fagocitosis, desgranulación, secreción de citocina). PRR de membrana plasmática. Estos PRR comprenden algunos TLR, receptores de lectina tipo C, y receptores recolectores. Típicamente están involucrados en respuestas a bacterias, hongos o protozoos. PRR endosomales. Algunos TLR se expresan sobre membranas endosomales. En forma característica muestran respuesta a ácidos nucleicos (RNA, DNA) provenientes de virus y bacterias. PRR citoplasmáticos. Comprenden RNA helicasas, que, por ejemplo, reconocen ácidos nucleicos de virus, y receptores tipo NOD, que reconocen componentes de bacterias que pueden haber escapado hacia el citoplasma. Muchos PRR emiten señales hacia el núcleo para cambiar la expresión génica, pero otros modulan otras funciones celulares al actuar sobre componentes citoplasmáticos (como actina), lo que lleva a cambios de la forma de la célula (que no se muestran).

También controla todos los aspectos de las funciones biológicas e inmunitarias del anticuerpo correspondiente cuando es secretado. Estas moléculas son codificadas por los genes que codifican para inmunoglobulina que se forman después de reordenamiento de DNA de los segmentos correspondientes. Para hacer un dominio variable de un BCR, se recombinan diferentes segmentos de DNA; éstos se llaman segmentos V, D y J para las cadenas H, y segmentos V y J para las cadenas L. Hay múltiples segmentos V, D y J, y la unión sucede en su mayor parte al azar, pero sólo selecciona uno de cada uno. Donde se hacen las uniones, mecanismos especializados pueden introducir variaciones adicionales en el DNA, lo que cambia la estructura del gen que codifica para la región V que es producido y, por ende, la especificidad antigénica de la molécula que codifica. Procesos muy similares están involucrados en la generación de TCR (véase más adelante). Para BCR, los genes que codifican para la región variable montados a continuación son fijados a uno de algunos genes que codifican para la región constante, que codifican para parte de la región constante del anticuerpo. Dependiendo de cuál gen que codifica para región C se utiliza, se produce un tipo o clase de anticuerpo diferente. El montaje de un BCR funcional es crucial para el desarrollo de la célula B; si no se produce un BCR funcional, la célula en desarrollo muere; sucede lo mismo para las células T (véase más adelante) (figura 1-23). Funciones de los BCR Cuando se producen por vez primera, las células B son células pequeñas, en reposo; éstas maduran, pero las células B vírgenes (que no han quedado expuestas a antígeno) no son capaces de hacer mucho por sí mismas. Para desarrollarse hacia células plasmáticas que secretan anticuerpos, o para desarrollarse hacia células B de memoria, primero necesitan ser activadas. El reconocimiento de antígeno por el BCR es importante para la activación de células B. Los BCR en la superficie de células B están asociados con un complejo molecular, CD79, que

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1.5

Segmentos de la región V (muchos)

Segmentos de la región J (varios)

Base molecular de la inmunidad

Segmentos de la región D (pocos)

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Segmentos de la región C (1 o pocos)

DNA de la línea germinal Cadena pesada de Ig Cadena TCR ␤

DNA de linfocito Gen que codifica para receptor (Ig o TCR)

DNA de la línea germinal Cadena ligera de Ig Cadena TCR ␣

Segmentos de la región V (muchos)

Segmentos de la región J (varios)

Segmentos de la región C (1 o 2)

Figura 1-23 Reordenamiento de genes que codifican para receptor de antígeno. Los BCR y los TCR están compuestos de dos moléculas diferentes: cadenas pesadas (H) y ligeras (L) de inmunoglobulina (Ig), y cadenas ␣ y ␤ de TCR, respectivamente. Cada cadena consta de regiones variable y constante. Cada cadena es codificada en una región particular (locus) de un cromosoma diferente pero, en el DNA de la línea germinal, los genes que codifican para receptor no están presentes como genes funcionales. En los linfocitos, los genes que codifican para receptor de antígeno funcional son montados por medio de reordenamiento de segmentos de gen. Genes que codifican para IgH y TCR ␤. Hay tres grupos de segmentos de gen: V, D y J en el locus de la región variable. En su mayor parte al azar, un segmento D se une a un segmento J, y el segmento DJ a continuación se une a un segmento V. Esto codifica para la región variable (V) de la cadena IgH o la cadena TCR ␤, respectivamente. Genes que codifican para IgL y TCR ␣. Se aplica un principio similar, pero los segmentos D están ausentes. Un segmento V se une a un segmento J, y el segmento VJ montado codifica para la región V de la cadena de IgL o la cadena TCR ␣. Segmentos de región C (constante). Torrente abajo de los segmentos V, D o J, o todos o una combinación de los anteriores, hay uno o más segmentos de la región C. Los segmentos VDJ o VJ recién montados quedan yuxtapuestos al segmento de la región C más cercano, y se crea un gen funcional. En el caso del locus IgH hay varias regiones C diferentes que permiten que distintos tipos de BCR se monten con la misma región V; éstos pueden secretarse como anticuerpos con funciones correspondientes diferentes pero con la misma especificidad de antígeno.

libera señales hacia la célula B cuando ocurre reconocimiento de antígeno, y ayuda a activar las células B. Otra función importante de los BCR es desencadenar internalización y degradación de los antígenos que reconocen. Estos antígenos después son presentados en la superficie celular (como péptidos unidos a moléculas del MHC; véase más adelante) para permitir el reconocimiento por células T específicas que entonces pueden dar instrucciones a las células B respecto a qué hacer a continuación, particularmente en el caso de respuestas de anticuerpos contra antígenos proteínicos (figura 1-24). Con todo, la regulación de las respuestas de linfocitos es, en general, un proceso estrechamente controlado que depende en parte de qué ha sucedido (o aún está sucediendo) en la respuesta innata. Por ejemplo, si se ha activado el complemento, un componente particular del complemento (unido a un antígeno) puede unirse a un complejo receptor (CD19/CD21/CD81) sobre la superficie de células B, y emitir señales potentes para aumentar la activación de células B. Otras moléculas de célula B, como CD40 y ligando CD40, están involucradas durante la comunicación con células T CD4 activadas, que en muchas respuestas adaptativas ayudan a dar instrucciones a las células B respecto a qué tipo de anticuerpo deben secretar (figura 1-26). Durante respuestas de células B específicas para antígeno, pueden introducirse más cambios en sus genes que codifican para

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inmunoglobulina. En primer lugar, las células B pueden cambiar los dominios constantes de sus BCR y anticuerpos. Un nuevo gen que codifica para región constante (fijo a los genes que codifican para región variable premontados) puede ser seleccionado para que produzca un tipo (o clase) diferente de anticuerpo con una función diferente (sección 1.5.5.3); esto se llama cambio de clase. En segundo lugar, las células B también pueden cambiar el dominio variable de sus BCR y anticuerpos. Lo anterior se debe a que pueden introducirse mutaciones en los genes que codifican para región variable, en un proceso llamado hipermutación somática. En potencia esto puede aumentar la fuerza de reconocimiento (afinidad) del BCR y de los anticuerpos respectivos que pueden ser producidos cuando la célula B se desarrolla hacia una célula plasmática. El incremento general de la afinidad de anticuerpos que se observa después de estimulación antigénica repetida se llama maduración de afinidad, y es una consecuencia directa de la hipermutación somática. Tiene importancia recalcar que el cambio de clase y la hipermutación somática no ocurren en TCR. 1.5.3.3

Receptores de célula T (TCR)

En contraste con las células B, las células T han evolucionado para reconocer otras células que pueden contener antígenos extraños; éstas incluyen, por ejemplo, células especializadas como fagocitos que han internalizado bacterias, o células que han que-

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30

Capítulo 1

El sistema inmunitario

Antígeno Receptor de antígeno de célula B CD 79

Antígeno

Emisión de señales

Activación

Péptido Antígeno

MHC clase II Endocitosis

MHC clase II-péptido

Figura 1-24 Funciones de receptores de antígeno de célula B. Todas las células B expresan BCR unidos a membrana. Reconocimiento de antígeno. Los BCR reconocen características estructurales sobre antígenos, conocidas como determinantes conformacionales o epítopos de célula B; éstas son superficies tridimensionales de, por ejemplo, proteínas microbianas plegadas, carbohidratos o glucolípidos. Emisión de señales intracelulares. Los BCR están asociados con un complejo molecular, CD79, que desencadena emisión de señales intracelulares después del reconocimiento de antígeno. Estas señales pueden ayudar a activar una célula B virgen, después de lo cual pueden desarrollarse hacia una célula plasmática que secreta sus BCR como anticuerpos. Internalización de antígeno. Los antígenos unidos a BCR pueden ser internalizados y degradados. Los péptidos provenientes de antígenos proteínicos pueden expresarse como complejos de péptido-MHC en la superficie celular, lo que permite que las células T reconozcan las células B y cambien sus funciones (p. ej., para darles instrucciones para que sinteticen diferentes tipos de anticuerpos).

dado infectadas por virus. Tal reconocimiento está mediado por TCR unidos a membrana. Hay dos tipos diferentes de TCR, y las dos poblaciones principales de células T que los expresan por lo general tienen funciones muy diferentes. Los TCR de células T convencionales en seres humanos y ratones están compuestos de un par de moléculas llamadas cadenas ␣ y cadenas ␤, que se combinan para formar un TCR ␣␤; por ende, estas células T también se llaman células T ␣␤. (Recuerde que hay otros tipos de células T, pero éstas se comentan en el capítulo 5.) Los TCR ␣␤ convencionales han evolucionado para reconocer complejos de péptido-MHC sobre la superficie de otras células (figura 1-25). Un vasto número de TCR ␣␤ de diferentes estructuras y, por ende, distintas especificidades antigénicas, en potencia puede montarse durante el desarrollo de células T en el timo. Aun así, al igual que para los BCR, éstos sólo difieren en el dominio de reconocimiento de antígeno variable en la parte superior de la molécula, mientras que el tallo permanece en esencia constante. En general, puede considerarse que cada célula T tiene múltiples

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copias de TCR de sólo una especificidad. Los genes que codifican para TCR son generados por medio de reordenamiento de DNA de una manera altamente análoga a la descrita para los genes que codifican para BCR (véase antes), e involucra segmentos V, D y J para la cadena ␤, y segmentos V y J para la cadena ␣. De cualquier modo, la región variable de TCR reordenada se asocia efectivamente con sólo un tipo de gen que codifica para región C que no puede producir una proteína secretoria. En consecuencia, el TCR de células siempre está unido a membrana (no pueden secretarse como anticuerpos), y las células T no pueden pasar por cambio de clase (mantienen el mismo TCR durante toda su vida). Además, no pueden introducirse mutaciones en las regiones variables de TCR, de modo que las células T no pueden pasar por hipermutación somática, y durante respuestas de células T no ocurre maduración de afinidad. Como se observó, hay dos subgrupos principales de células T ␣␤ convencionales:

Funciones de correceptores sobre células T

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1.5

Base molecular de la inmunidad

31

Célula presentadora de antígeno

CD8

Célula T MHC + péptido

TCR

Emisión de señales

CD3

Figura 1-25 Estructura y función de receptores de célula T. Las células T convencionales expresan TCR ␣␤ de membrana plasmática; están relacionados desde el punto de vista estructural con moléculas de inmunoglobulina, pero son muy diferentes en el aspecto funcional. Reconocimiento de antígeno. Los TCR ␣␤ no reconocen proteínas enteras. Se producen péptidos pequeños mediante degradación de proteínas microbianas presentes en diferentes componentes celulares. A continuación estos péptidos se unen a moléculas del MHC que los transportan a la superficie celular. Los TCR ␣␤ convencionales pueden reconocer entonces estos complejos de péptido-MHC (pero no uno u otro solo). El péptido representa un determinante secuencial o (en asociación con una molécula del MHC) un epítopo de célula T. Emisión de señales intracelulares. Los TCR están asociados con un complejo molecular, CD3, que desencadena emisión de señales intracelular cuando ocurre reconocimiento por TCR. Estas señales, a las cuales también contribuyen las moléculas CD8 (o moléculas CD4, que no se muestran), representan la señal 1 que es necesaria para que ocurran respuestas de célula T, pero que sola por lo general es insuficiente para que células T vírgenes queden activadas.

células T CD4 y células T CD8. Es imposible distinguir entre los dos subgrupos de células T con base en los TCR que expresan. No obstante, estos subgrupos tienen funciones muy diferentes. Como ya se describió en la sección 1.4.5, las células T CD8 pueden desarrollarse hacia células citotóxicas que pueden matar células que contienen antígenos extraños (p. ej., células infectadas por virus). En contraste, las células T CD4 secretan diversas citocinas y actúan como células auxiliares o reguladoras al interactuar con otros tipos de células. Por ejemplo, como se mencionó, las células T CD4 pueden proporcionar ayuda a células B, en particular durante respuestas a antígenos proteínicos, y pueden también regular las funciones de otras células, como macrófagos. Es la expresión de CD4 o CD8 lo que diferencia los distintos subgrupos de células T; estas moléculas ayudan a las células T a distinguir entre células que contienen diferentes tipos y orígenes de antígeno (véase más adelante MHC) y envían también señales a las células T que ayudan a desencadenar activación de las mismas. Para desarrollarse hacia los tipos diferenciados de células Th o Treg, o hacia células citotóxicas, las células T vírgenes primero necesitan ser activadas. El reconocimiento de antígeno por el TCR es esencial para la activación de célula T. Los TCR sobre la superficie de células T se asocian con otro complejo molecular llamado CD3 (compare CD79 sobre células B; véase antes) que suministra señales Funciones de TCR y moléculas coestimuladoras

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a la célula T cuando ocurre el reconocimiento y ayuda a activar las células T; sin embargo, esto solo, es insuficiente para activar por completo una célula T virgen. Además del complejo TCRCD3, las células T también poseen moléculas que suministran a la célula señales activadoras adicionales, cruciales, cuando ocurre el reconocimiento. Cuando éstas interactúan con moléculas complementarias sobre otras células, en particular DC que han sido estimuladas por agentes infecciosos, puede ocurrir activación de célula T; estas moléculas se llaman moléculas coestimuladoras. Los ejemplos de éstas comprenden algunos miembros de la familia de moléculas B7, que interactúa con CD28 sobre células T, y CD40 y ligando CD40. Para la activación inicial de célula T se necesitan tanto reconocimiento de antígeno como coestimulación; este principio por lo general también se aplica para la activación de célula B. Un aspecto más importante por recordar es que una vez que una célula T ha sido activada, ya no necesita coestimulación y puede montar una respuesta cuando reconoce cualquier otra célula que contiene antígeno. Sucede lo mismo para algunas células T de memoria (figura 1-26). 1.5.3.4 Moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC)

El reconocimiento de antígeno por células B puede ocurrir de manera directa, porque sus BCR han evolucionado para reconocer antígenos fuera de células (p. ej., componentes derivados de virus

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Célula presentadora de antígeno Antígeno MHC-péptido Célula T

Célula B

CD79

BCR

CD3 TCR Señal 1 Señal 1 B7

Señal 2

Señal 2

Complemento

CD28

CD 19, 21, 81 Ligando CD40

CD40

CD40

Ligando CD40

Célula T CD4

Figura 1-26 Coestimulación de linfocitos. Para células T y B vírgenes, el reconocimiento de antígeno por medio de TCR y BCR, respectivamente (señal 1), en circunstancias normales es insuficiente para inducir activación completa. En lugar de eso, necesitan señales adicionales (señal 2) para proporcionar coestimulación. Para células T las más importantes son proporcionadas cuando moléculas B7 (CD80, 86), típicamente expresadas por DC activadas, se unen a CD28 sobre células T; interacciones entre CD40 y ligando CD40 pueden proporcionar señales adicionales. Para células B, la unión del ligando CD40 sobre células T CD4 activadas a CD40 en la célula B es una de las más importantes para la producción de anticuerpos contra antígenos proteínicos; otras señales que se suministran cuando un componente del complemento activado se une a un complejo que contiene CD19 aumenta mucho las respuestas de célula B. Las células que no reciben coestimulación suficiente no pasan por activación completa y pueden perder la capacidad de respuesta (presentar anergia) o morir. Esto puede dar por resultado falta de capacidad de respuesta específica para antígeno, y tolerancia.

o bacterias en los líquidos tisulares). Empero, el reconocimiento de antígeno por células T no puede ocurrir de manera directa, porque los antígenos para los cuales los TCR son específicos están dentro de otras células (p. ej., un virus en el citosol de una célula infectada, o una bacteria en el fagosoma de un macrófago). Si el reconocimiento de antígeno por células T no puede ocurrir de manera directa, es necesario que en lugar de eso cualquier célula que contenga antígeno lo “muestre”, o lo “presente”, a las células T; ésta es la función de las moléculas del MHC clásicas que son expresadas por casi todas las células del cuerpo. La función de estas moléculas del MHC es unirse a muestras representativas (por lo general péptidos) de moléculas (generalmente proteínas) que son sintetizadas dentro de una célula, o que han sido internalizadas por la célula, y transportarlos a la superficie celular. (Las llamadas moléculas del MHC no clásicas tienen funciones diferentes; véase el capítulo 5.) Una molécula de péptido

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puede unirse a una molécula del MHC clásica. Cada célula es capaz de degradar proteínas que sintetiza dentro del citoplasma, mientras que un número más limitado de células (p. ej., macrófagos) puede degradar proteínas que han sido internalizadas en fagosomas. Si sucede que estas muestras (por lo general péptidos pequeños) se derivan de agentes infecciosos “extraños”, complejos de péptidos extraños y moléculas del MHC son desplegados en la superficie celular. A su vez, los TCR ␣␤ pueden unirse a estos complejos de péptido extraño-MHC, lo que permite que las células T reconozcan antígenos que están presentes dentro de células. Hay dos tipos de moléculas del MHC clásicas: MHC clase I y MHC clase II. Durante su biosíntesis, las moléculas del MHC clases I y II son dirigidas a través de compartimentos celulares diferentes; por ende, pueden unirse a péptidos derivados de sitios diferentes. Como regla general, las moléculas del MHC clase I, que se expresan ampliamente en diferentes tipos de células, se

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1.5

Base molecular de la inmunidad

33

MHC clase II

MHC clase I Péptido

Péptido

Cadena 

Cadena 

Cadena pesada

Microglobulina 2

Membrana plasmática

Figura 1-27 Tipos de moléculas del MHC clásicas. Las moléculas del MHC clásicas se unen a péptidos, y estos complejos son reconocidos por células T ␣␤ “convencionales”. Las moléculas del MHC clase I contienen una cadena pesada, asociada de modo no covalente con una molécula invariable, la microglobulina ␤2. En contraste, las moléculas del MHC clase II son heterodímeros compuestos de cadenas ␣ y ␤ (que no deben confundirse con las moléculas que comprenden los TCR). Ambos tipos de moléculas del MHC clásicas contienen un surco de unión a antígeno que en potencia puede unirse a muchos péptidos (uno a la vez). También son muy polimorfas; difieren una de otra en su mayor parte en los residuos de aminoácido que forman el surco de unión a antígeno que, así, determina la naturaleza precisa de los péptidos que pueden ser unidos.

unen a péptidos que han sido producidos dentro del citoplasma (p. ej., donde los virus a menudo infectan y se replican). En contraste con las moléculas del MHC clase II, que se expresan sobre un número más limitado de tipos de células, se unen a péptidos que se han producido dentro de endosomas o fagosomas (p. ej., donde pueden internalizarse agentes patógenos) (figura 1-27). Moléculas del MHC y reconocimiento por células T ¿De qué modo diferentes subgrupos de células T CD4 y CD8 distinguen entre distintas moléculas del MHC y péptidos unidos? La respuesta es bastante simple y muy sofisticada. Las células T CD8 utilizan la molécula CD8 (conjuntamente con su TCR) para reconocer complejos de péptido-MHC clase I; por ende, cualquier célula que contenga antígeno extraño en el citosol en potencia puede ser muerta por células T CD8 después de que se desarrollan hacia CTL. En contraste, las células T CD4, que pueden desarrollarse hacia células Th1 o Th2, por ejemplo, usan la molécula CD4 (conjuntamente con sus TCR) para reconocer complejos de péptido-MHC clase II. Por consiguiente, cualquier célula que exprese MHC clase II, que contiene antígeno extraño en endosomas o fagosomas, puede ser reconocida, y sus funciones pueden ser moduladas por las células T CD4 (figura 1-28). Función de moléculas del MHC en la presentación de antígenos La inmunidad mediada por células T es crucial en la defen-

sa contra infección, y la capacidad de moléculas del MHC para unirse a péptidos de agentes infecciosos y presentarlos a células T es esencial para la activación de estas últimas y, así, para la defensa del huésped en general. Los agentes infecciosos normalmente se están multiplicando con mucha rapidez, generando mutantes, y cualquier mutación que modifique un péptido de modo que no pueda unirse a una molécula del MHC dará a la gente una ventaja selectiva al facilitar la evasión de la respuesta inmunitaria. Dado que el ser humano no puede mutar sus moléculas del MHC con

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rapidez suficiente para seguir el ritmo de la tasa alta de mutaciones en muchos microbios, necesita otras maneras de mantener la eficacia de las moléculas del MHC en defensa contra infección. ¿Cómo se asegura esta eficacia? En primer lugar, las moléculas del MHC son receptores de péptido altamente promiscuos: una molécula del MHC en potencia puede unirse a miles de posibles péptidos (aunque a uno a la vez). De este modo, algunas moléculas del MHC pueden cubrir un número muy grande de péptidos derivados de agentes patógenos, lo que incrementa las probabilidades de que un agente patógeno dado podría ser reconocido por las células T específicas para antígeno respectivas. Con todo, las posibilidades no son ilimitadas, de modo que cualquier molécula del MHC dada puede no ser capaz de unirse a un cierto péptido. Aun así, en segundo lugar, cualquier individuo expresa múltiples moléculas del MHC y éstas se expresan de manera codominante; esto significa que las células de cualquier individuo expresan un grupo de moléculas del MHC provenientes de cromosomas tanto maternos como paternos lo que, así, aumenta el número de moléculas del MHC que están presentes en cualquier sujeto. En tercer lugar, los genes que codifican para el MHC son muy polimórficos, lo que significa que a veces existen 100 o más alelos de una molécula del MHC dada dentro de la población (p. ej., seres humanos). Esto significa que las probabilidades de que cualquier individuo dado comparta exactamente el mismo grupo de moléculas del MHC que otro es en extremo pequeño, excepto en el caso de gemelos idénticos. Debido al grupo particular de moléculas del MHC que poseen los individuos, es inevitable que algunos sujetos puedan ser capaces de mostrar mejor respuesta a algunos agentes infecciosos que otros. Por ende, la extensa diversidad de moléculas del MHC dentro de una población tiene importancia extrema para asegurar la supervivencia de la especie en conjunto; incluso si cualesquiera agentes infecciosos dados matan a algunos individuos, es probable que otros puedan sobrevivir y reproducirse.

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34

Capítulo 1

El sistema inmunitario

Célula T CD4

Célula T CD8

TCR

TCR

CD4

CD8

MHC clase I-péptido

MHC clase II-péptido

Proteína endógena (p. ej., viral) Proteína exógena (p. ej., bacteriana) Célula presentadora de antígeno

Célula presentadora de antígeno

Figura 1-28 Reconocimiento de antígeno por células T CD4 y CD8. Las células T ␣␤ convencionales expresan CD4 o CD8. Las células T CD4 reconocen complejos de péptido-MHC clase II. Sus moléculas CD4 se unen a regiones conservadas de moléculas del MHC clase II, lo que ayuda a sus TCR a reconocer complejos de péptido-MHC clase II. Los péptidos unidos a moléculas del MHC clase II se derivan de antígenos “exógenos” que provienen del medio extracelular (p. ej., componentes microbianos que han sido objeto de endocitosis). Sólo algunos tipos de células especializadas expresan moléculas del MHC clase II de manera constitutiva. Las células T CD4 activadas a menudo se conocen como células T auxiliares. Las células T CD8 reconocen moléculas de péptido-MHC clase I. Las moléculas CD8 se unen a regiones conservadas de moléculas del MHC clase I, y desempeñan una función análoga a la de las moléculas CD4 (sección 1.5.3.4) al permitir el reconocimiento por células T. De cualquier modo, los péptidos unidos a moléculas del MHC clase I típicamente se derivan de antígenos “endógenos” que provienen del medio intracelular (p. ej., componentes de virus infecciosos en el citoplasma). Casi todos los tipos de células expresan moléculas del MHC clase I. Las células T CD8 activadas por completo por lo general se conocen como linfocitos T citotóxicos (CTL).

1.5.4 Citocinas y receptores de citocina Las citocinas son proteínas pequeñas, tipo hormona, producidas por muchos tipos de células, incluso las células de la inmunidad. Funcionan al unirse a receptores de citocina que son expresados por muchos tipos de células, que de nuevo incluyen las células de la inmunidad. En el sistema inmunitario, las citocinas ayudan a desencadenar una respuesta integrada y coordinada apropiada para el tipo de infección que ha ocurrido. Las citocinas pueden actuar localmente en la misma célula o en células diferentes, de una manera autocrina o paracrina; algunas también pueden actuar sobre células o tejidos más distantes de una manera endocrina. Los receptores de citocina, así como las citocinas mismas, pueden agruparse en diferentes familias estructurales; por ejemplo, algunos receptores de citocina comprenden múltiples subunidades, una de las cuales puede ser compartida entre todos los miembros de la familia. Algunos pares de grupos de citocinas tienden a estar involucrados en “comunicación recíproca” entre tipos de células particulares de la inmunidad, de modo que una citocina producida por una célula puede desencadenar la producción de una segunda citocina por otra célula que a continuación

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ejerce retroacción para aumentar las funciones de la primera o inhibirlas. Cualquier citocina dada puede tener múltiples funciones, dependiendo de cuáles tipos de célula expresan el receptor de citocina correspondiente. Los efectos generales de las citocinas están mediados por diferentes respuestas que montan los tipos de células respectivos. Las citocinas están involucradas en las inmunidades tanto innata como adaptativa, a menudo en ambas. A continuación, para proporcionar algunos ejemplos, se considerarán brevemente estas respuestas por separado, pero es necesario recalcar que esto es una distinción altamente artificial y sobresimplificada. También es necesario hacer hincapié en que algunas citocinas que desempeñan papeles cruciales en la inmunidad también son producidas por células “no de la inmunidad” (figura 1-29). 1.5.4.1

Citocinas en la inmunidad innata

Las citocinas son producidas por todas las células innatas, incluso macrófagos, granulocitos, mastocitos y células NK. Algunas citocinas son en particular eficientes para estimular respuestas inflamatorias y, por ende, se llaman citocinas proinflamatorias. Por ejemplo, algunas citocinas inducen respuestas de células

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1.5

Base molecular de la inmunidad

35

Célula innata Microbio

PRR

Citocinas proinflamatorias

Inflamación

Interferones

Defensa antiviral

Citocinas antiinflamatorias

Reparación y curación

Célula dendrítica Microbio

Célula T activada PRR

Citocinas se polarizan células T

Citocinas reguladoras

Respuestas efectoras (activación de célula T citotóxica, activación de macrófago, producción de anticuerpos)

Figura 1-29 Ejemplos de funciones de citocinas. Todos los tipos de células de la inmunidad (y muchas otras) pueden producir citocinas, que representan el principal método de comunicación entre células que no están en contacto directo entre sí. Las citocinas son proteínas que actúan sobre otras células para alterar sus propiedades y funciones. Pueden actuar sobre la célula que las produce (de manera autocrina), sobre células locales (de modo paracrino) o a distancia (de manera sistémica —endocrina—). Pueden estar involucradas en la activación o inhibición de funciones celulares. Se indican algunas funciones generales de las citocinas que desempeñan papeles de importancia particular en las inmunidades innata y adaptativa, o que ayudan a enlazar estos dos extremos. De cualquier modo, éstas son sobresimplificaciones. No se muestra otra clase de citocinas especializadas, las quimiocinas, que desempeñan papeles importantes en la regulación de la migración y la localización celulares, y que pueden ser producidas por todos los tipos de células indicados.

endoteliales locales, que llevan a permeabilidad aumentada y reclutamiento de leucocitos. Algunas también actúan sobre tejidos distantes, incluso la médula ósea, el hígado y el hipotálamo, y contribuyen a respuestas inflamatorias sistémicas. Otras citocinas son particularmente eficaces en la inhibición de las respuestas inflamatorias; éstas se denominan citocinas antiinflamatorias. Algunas también ayudan a estimular la reparación de heridas, la curación y el remodelado de tejido, incluso la estimulación (o inhibición) del crecimiento de nuevos vasos sanguíneos (efectos angiogénicos). Algunas de estas citocinas y otras producidas por DC, también desempeñan funciones muy importantes en la acción sobre las células de la inmunidad adaptativa y la polarización de sus respuestas (p. ej., para inducir diferentes tipos de respuestas de célula T CD4). Un grupo especializado de citocinas son los interferones (IFN), todos los cuales tienen actividad antiviral. Los IFN tipo I son agentes antivirales muy poderosos; éstos incluyen los IFN ␣ y ␤. Son secretados por células infectadas por virus y por algunos leucocitos activados, como los macrófagos y las pDC. Actúan sobre otras células para inducir un estado antiviral al inducir

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moléculas involucradas en la inhibición de la síntesis de proteína viral. Los IFN tipo I también regulan otras funciones inmunitarias. El IFN tipo II (␥) es un agente antiviral relativamente débil; de cualquier modo, y más importante, es un potente activador de macrófagos que induce fuerte actividad de muerte microbiana en las células. Es secretado por células NK y por células T activadas. 1.5.4.2

Citocinas en la inmunidad adaptativa

Muchas citocinas son producidas por linfocitos activados. Algunas de las que se entienden mejor, desde el punto de vista funcional, probablemente son las producidas por subgrupos de células T CD4 (aunque las células T CD8 e incluso las células B también secretan citocinas). Diferentes grupos de citocinas son producidos por distintos subgrupos polarizados de células T CD4; por ejemplo, una citocina distintiva secretada por las células T Th1 es el IFN-␥, y por las células Th2, la IL-4. Juntos, estos grupos de citocinas ayudan a dirigir diferentes tipos de respuestas inmunitarias adaptativas. Por ejemplo, diferentes grupos de citocinas están involucradas en la estimulación de las células B (una vez activadas) para que secreten diferentes tipos de anticuerpos que pueden

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36

Capítulo 1

El sistema inmunitario

interactuar de manera selectiva con fagocitos y células NK, o con mastocitos y eosinófilos. En general, puede considerarse a las citocinas moléculas solubles que se unen a sus receptores celulares respectivos. No obstante, ciertas moléculas de superficie celular que están involucradas en la comunicación entre células también pueden mostrar relación estructural con ciertas citocinas y sus receptores y, así, se dice que pertenecen a una familia de citocina-receptor de citocina. Un caso de este tipo es la familia de TNF-receptor de TNF. Muchas moléculas en esta familia desempeñan papeles cruciales en decisiones de vida o muerte de células. Por ejemplo, el miembro prototípico de esta familia, el TNF-␣, puede funcionar como una citocina proinflamatoria en algunos casos, pero desencadenar muerte celular apoptótica en otros. El Fas y el ligando Fas, presentados antes como moléculas que pueden ser usadas por células citotóxicas para matar otras células, también son, desde el punto de vista estructural, miembros de esta familia. 1.5.4.3

Quimiocinas y receptores de quimiocina

Como se comentó, un subgrupo especializado de citocinas está involucrado en la localización y la migración direccional (quimiotaxis) de células inmunitarias hacia, y dentro de, diferentes compartimentos anatómicos (p. ej., en sitios de inflamación o dentro de tejido linfoide secundario). Estas citocinas quimioatrayentes se denominan, por ende, quimiocinas. Algunas quimiocinas también desempeñan otras funciones (p. ej., pueden tener actividades antimicrobianas directas). Las quimiocinas se unen a receptores de quimiocina que están ampliamente expresados sobre diferentes tipos de célula. Con frecuencia, varias quimiocinas diferentes pueden unirse a cualquier receptor de quimiocina dado, y cualquier receptor de quimiocina dado puede unirse a grupos diferentes de quimiocinas —el número de permutaciones y combinaciones posibles es inmenso—. Al igual que para las citocinas en general, diferentes quimiocinas son producidas por las distintas células de las inmunidades innata y adaptativa, y ayudan a dirigir respuestas inmunitarias. Por ejemplo, las quimiocinas producidas por subgrupos polarizados de células T pueden reclutar más del mismo subgrupo de células T hacia sitios de infección, así como otras células con las cuales necesiten interactuar (p. ej., monocitos o granulocitos). 1.5.5 Moléculas efectoras de la inmunidad En secciones previas ya se mencionaron varios tipos de moléculas efectoras que ayudan a desencadenar la eliminación de agentes infecciosos. Por ejemplo, éstas incluyen perforina y granzimas que son usadas por células citotóxicas para matar células infectadas (sección 1.4.4). Otras moléculas como las defensinas tienen funciones antimicrobianas directas por cuanto son directamente tóxicas para microbios (capítulo 4); éstas también podrían incluir algunos de los ROI y otras moléculas tóxicas que pueden ser producidas por fagocitos. Sin embargo, esta sección se enfocará en otros dos grupos de moléculas efectoras muy importantes en la inmunidad: el complemento y los anticuerpos. El complemento es un sistema multimolecular de proteínas en la sangre y los líquidos tisulares; es principalmente un componente de la inmunidad innata. Los anticuerpos, secretados por células B cuando se desarrollan hacia células plasmáticas, son principalmente componentes de la inmunidad adaptativa. Empero, tanto el complemento como

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los anticuerpos están involucrados en cada tipo de inmunidad (véase más adelante). 1.5.5.1 Funciones compartidas del complemento y los anticuerpos

El complemento y los anticuerpos tienen, cada uno, características y funciones especializadas, pero algunas son compartidas entre ellos; éstas comprenden: • Reclutamiento hacia sitios de infección. Ambos son tipos de moléculas solubles que circulan en la sangre, pero que pueden ser reclutadas hacia sitios de infección porque las respuestas inflamatorias locales aumentan la permeabilidad del endotelio, lo que les permite cruzar hacia espacios tisulares extravasculares. • Formación de inmunocomplejos. Ambos pueden unirse a antígenos solubles para formar complejos que pueden inducir inflamación. • Opsonización. Es el proceso de cubrir microbios para aumentar su captación y eliminación subsiguiente por fagocitos. Los microbios cubiertos con complemento o anticuerpos son dirigidos hacia receptores especializados, llamados receptores opsónicos. Éstos son, respectivamente, los receptores de complemento y los receptores Fc (FcR); hay varios tipos de cada uno. • Aumento de la inmunidad adaptativa. Los componentes del complemento, y los anticuerpos, cuando están unidos a antígenos, pueden aumentar diferentes tipos de respuestas inmunitarias adaptativas. 1.5.5.2

Complemento y receptores del complemento

El sistema de complemento es una cascada en la cual la activación de un componente puede llevar a la activación del siguiente, y puesto que una molécula activada puede activar varias o muchas otras, hay amplificación incorporada en el sistema. El sistema de complemento puede ser activado por tres vías diferentes. Una, la vía de la lectina de unión a manosa (MLB), es iniciada por un PRR soluble, la MLB, que se une a la superficie de microbios. La segunda, la vía alternativa, es desencadenada de manera espontánea y sirve para amplificar las otras dos vías. La tercera es la vía clásica, activada por unión de complemento a anticuerpos sobre la superficie de microbios. Además de sus funciones en la opsonización de microbios y el aumento de las respuestas de células B (véase antes), la unión de complemento a algunos microbios puede llevar al montaje de otros componentes que forman un poro en la membrana, lo que lleva a lisis directa del microbio. Otros componentes del complemento se difunden hacia afuera desde el sitio de activación, y están involucrados en la estimulación de la inflamación (p. ej., al unirse a diferentes tipos de receptores de complemento sobre células endoteliales o mastocitos). El complemento también desempeña una función importante en la ayuda a solubilizar y eliminar inmunocomplejos de la sangre. Al igual que con todos los sistemas en cascada, la vía del complemento está estrechamente regulada para ayudar a limitar el daño de células del huésped; en muchos casos esta regulación está mediada por enzimas que dividen componentes activos y los desactivan (figura 1-30). 1.5.5.3

Anticuerpos y receptores Fc

Diferentes tipos o clases de anticuerpos se clasifican de acuerdo con el tipo de región constante que contienen. En seres humanos y ratones éstos se llaman IgM, IgG, IgA, IgE e IgD (hay otros tipos en especies como los peces). Todos pueden secretarse como

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1.5

Complejos de antígenoanticuerpo sobre microbios vía clásica)

Activación espontánea sobre microbios (vía alternativa)

Inducción de inflamación aguda

Opsonización de bacterias

Base molecular de la inmunidad

37

Unión a microbios (vía de la lectina)

Lisis de células bacterianas

Eliminación de inmunocomplejos

Figura 1-30 Activación y funciones del complemento. El sistema de complemento comprende muchas proteínas diferentes, algunas de las cuales forman una cascada proteolítica que queda activada durante respuestas innatas y adaptativas. El complemento puede ser activado por medio de tres rutas. Típicamente, la vía de la lectina es desencadenada de manera directa por algunas estructuras microbianas, la vía clásica es desencadenada por algunos tipos de anticuerpos, y la vía alternativa actúa como un asa de amplificación para las dos anteriores. Convergencia en C3. La activación del complemento por cualquiera de estas vías lleva a la activación del componente C3 central, después del cual las vías son idénticas. Funciones del complemento. La activación del complemento tiene cuatro resultados principales. i) La unión de componentes del complemento a la superficie de microbios puede opsonizarlos, lo que promueve la fagocitosis por medio de receptores de complemento. ii) Fragmentos de complemento pequeños ayudan a desencadenar respuestas inflamatorias locales. iii) La activación puede ayudar a solubilizar inmunocomplejos de anticuerpo-antígeno grandes, o a eliminarlos. iv) Los componentes tardíos del complemento pueden montarse para formar poros en membranas microbianas y (en algunos casos) matar los microbios.

anticuerpos solubles, aunque la IgD existe principalmente como una forma unida a célula. Además de estas clases principales de anticuerpos, también hay subclases de algunos de ellos, como las diferentes formas de IgG que tienen distintas funciones. Las diferentes funciones de distintos tipos de anticuerpo están determinadas de manera exclusiva por sus regiones constantes. Diferentes clases de anticuerpos por lo general se encuentran en distintos compartimentos del organismo. Por ejemplo, la IgM y la IgG comúnmente se encuentran en la sangre y en sitios de inflamación, y la IgG también puede cruzar la placenta hacia el feto. En contraste, la IgA típicamente es secretada hacia sitios mucosos (p. ej., el intestino) y hacia la leche materna de mamíferos, desde donde puede pasar a recién nacidos. La IgE está presente a cifras bajas en la sangre, pero se une con alta afinidad a mastocitos en tejidos. Diferentes clases de anticuerpos también tienen diversas funciones. Como se mencionó (véase antes), algunos anticuerpos pueden ayudar a opsonizar microbios, de manera directa o indirecta, al activar el complemento. La IgM, que por lo general tiene una estructura pentamérica (cinco monómeros en forma de “Y” enlazados entre sí), no puede actuar como una opsonina por sí sola, pero es en particular eficiente para activar el complemento. Algunos tipos de IgG son muy buenas opsoninas, y en algunos casos también aumentan la muerte de los microbios por fagocitos. La IgA, que en tejidos mucosos es en su mayor parte dimérica, y algunos tipos de IgG son muy eficientes en la “neutralización” —la capacidad para unirse a un virus, una bacteria o una toxina bacteriana, y evitar que infecte células o que actúe sobre las mismas—. La IgE es un muy buen “sensibilizador” de mastoci-

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tos: cuando un antígeno se une a IgE que está fija a mastocitos o eosinófilos, estimula la desgranulación, y los mediadores que son liberados ayudan a estimular la inflamación y pueden ser tóxicos para microbios o parásitos más grandes (figura 1-31). 1.5.6 Componentes de emisión de señales celulares En general, las moléculas receptoras asociadas con células están enlazadas a componentes intracelulares que pueden transducir señales. La transducción de señal es iniciada cuando un receptor reconoce su ligando; esto estimula diferentes cascadas bioquímicas intracelulares (vías de emisión de señales). Algunas de estas señales finalmente actúan sobre el citoesqueleto, de modo que la célula puede cambiar de forma, internalizar moléculas o partículas, o moverse. Otras aumentan o disminuyen la susceptibilidad de una célula a apoptosis, lo que regula la supervivencia celular. Aun otros pueden emitir señales hacia el núcleo, activar factores de transcripción y alterar la expresión de genes y, por ende, de las proteínas que son sintetizadas dentro de la célula. Cualquier receptor dado puede expresarse en más de un tipo de célula, y receptores similares a menudo pueden emitir señales de maneras similares. Con todo, el resultado puede ser muy diferente dependiendo del tipo de célula que está involucrado. Parte de la dificultad para entender la transducción de señal es que los nombres de los componentes son muy complejos. Aun así, algunos de los principios son bastante sencillos. Muchas vías de transducción de señal comprenden enzimas, como tirosina cinasas, que introducen grupos fosfato en tirosinas intracelulares en otras proteínas, y

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Capítulo 1

38

El sistema inmunitario

Fagocito

Opsonización (p. ej., IgG)

Receptor Fc

Captación y muerte

Célula epitelial Bloquea la unión (evita infección)

Neutralización (p. ej., IgA)

Activación del complemento (p. ej., IgM)

Activación del complemento

tirosina fosfatasas que contrarrestan el efecto de las cinasas al eliminar grupos fosfato. Los residuos de tirosina fosforilados pueden ser reconocidos por los llamados dominios SH2 de otros componentes emisores de señales. Un ejemplo es la vía JAK-STAT que es usada por muchos receptores de citocina (véase antes). Las JAK (cinasas Janus) son tirosina cinasas, y los STAT (transductores de señal y activadores de la transcripción) contienen un dominio SH2 que les permite unirse a las JAK. A su vez, los STAT son fosforilados, se dimerizan y translocan al núcleo donde actúan como factores de transcripción para regular la expresión de gen. Algunas moléculas de transducción de señal también usan proteínas G que actúan como conmutadores moleculares. Los ejemplos de receptores acoplados a proteína G (GPCR) son los receptores de quimiocina (véase antes). Las vías de emisión de señales también pueden contener adaptadores que ayudan a un componente a unirse a otro, y armazones en los cuales pueden fijarse varios componentes para facilitar su funcionamiento coordinado, particularmente en ubicaciones intracelulares específicas (figura 1-32).

1.6 Respuestas inmunitarias y enfermedad Como se hará evidente en otros capítulos, la necesidad absoluta de un sistema inmunitario se muestra por las infecciones que ponen en peligro la vida que pueden ocurrir cuando es defectuoso. Además, el sistema inmunitario tiene un enorme poder para atacar al cuerpo mismo o para montar respuestas perjudiciales, a veces mortales, contra agentes por lo demás inocuos. Asimismo,

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Opsonización Inflamación

Figura 1-31 Algunas funciones de anticuerpos. Los anticuerpos son de diferentes clases: IgD, IgM, IgG, IgA e IgE. Todos éstos comprenden el monómero de inmunoglobulina típico (una molécula en forma de “Y”), pero en algunos casos pueden formar multímeros, particularmente la IgA e IgM. Algunas clases, como algunos tipos de IgG, son opsoninas importantes que se unen a microbios y los direccionan hacia fagocitos por medio de FcR específicos. Varias clases, como la IgA en el intestino, pueden unirse a microbios e inhibir su fijación a células huésped; al prevenir infección de esta manera, neutralizan el microbio. Clases particulares, incluso IgM, son muy eficientes para activar el complemento, lo que lleva de manera indirecta a opsonización o respuestas inflamatorias (mediadas por componentes del complemento activados).

el sistema inmunitario es muy complejo. Esto es evidente a partir de los problemas que hay para entender y prevenir el rechazo de trasplantes o la aparición de cáncer. De cualquier modo, el sistema inmunitario tiene un enorme potencial, sólo parcialmente materializado hasta ahora, en el desarrollo de estrategias para el tratamiento de enfermedad. En esta última sección primero se esbozan algunos problemas de la inmunidad en términos de un problema particular que el sistema inmunitario ha encarado durante su evolución, y los diferentes problemas que se producen por respuestas inmunitarias defectuosas, aberrantes o no deseadas. Por último, se introducen dos métodos terapéuticos diseñados para manipular la inmunidad en el beneficio propio del ser humano. 1.6.1 El sistema inmunitario adaptativo necesita ser educado 1.6.1.1 El problema de la discriminación entre lo propio y extraño

El sistema inmunitario ha evolucionado para tener un papel defensivo contra cualquier microbio infeccioso, pero no debe causar daño al organismo. Para hacer esto, el sistema inmunitario debe ser capaz de distinguir entre componentes inocuos del cuerpo (propios), y componentes como alimentos y bacterias comensales, que no deben ser atacados, y los agentes extraños, como agentes patógenos potenciales, que es necesario atacar. Aunque esto a menudo se llama la discriminación entre lo propio y lo extraño, más exactamente podría llamarse discriminación entre lo perjudicial y lo inocuo. La no reactividad normal del sistema inmunitario hacia antígenos inocuos se llama tolerancia.

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1.6

1 En reposo

1.6.1.2

Citocina

Receptor de citocina Membrana plasmática Cinasa (JAK) 2 Unión a citocina

Dimerización de receptor

Se añade PO4 3 Reclutamiento de factor de transcripción

Factor de transcripción (STAT) 4

Activación de factor de transcripción

PO4 5 Activación de la expresión de gen Factor de transcripción

Núcleo

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Respuestas inmunitarias y enfermedad

39

Tolerancia inmunitaria

¿De qué modo el sistema inmunitario distingue entre lo perjudicial y lo inocuo? Esto ya se abordó brevemente (sección 1.2.3.3). La evolución de la inmunidad innata ha llevado al desarrollo de PRR, algunos de los cuales reconocen componentes de agentes infecciosos que no son sintetizados por el huésped. En este sentido, los PRR, por su naturaleza misma, pueden proporcionar discriminación perfecta entre lo propio inocuo y lo extraño infeccioso perjudicial. Así, la no reactividad en la inmunidad innata es en esencia pasiva. No obstante, hay un gran problema en términos de la inmunidad adaptativa. La especificidad de todos los receptores de antígeno de linfocito, los TCR y los BCR, se genera en su mayor parte al azar (sección 1.5.3.2). Esto significa que muchos de estos receptores en potencia reconocerán lo propio, y hay muy buena evidencia de que esto ocurre, como se verá más adelante (sección 1.6.4); esos receptores se llaman receptores autorreactivos. Comprenden autoanticuerpos que pueden causar mucho daño y llevar a enfermedades autoinmunitarias. Por ende, tiene que haber mecanismos de tolerancia activos para evitar que en primer lugar se produzcan linfocitos que porten estos receptores, o inhibir las respuestas de cualesquiera linfocitos que podrían desarrollarse con esos receptores, o ambas situaciones. Los dos mecanismos ocurren, pero en diferentes momentos y en distintos lugares. El primer mecanismo para inducir tolerancia ocurre durante el desarrollo temprano de células B en la médula ósea, y de células T en el timo. Si una célula B o una célula T en desarrollo expresa un receptor de antígeno que puede unirse a cualquier componente propio con suficiente fuerza (afinidad), esa célula puede ser muerta o desactivada; estos dos resultados se llaman deleción clonal y anergia, respectivamente. En el caso de las células B, a diferencia de las células T, tienen la opción adicional de cambiar sus receptores de antígeno si reconocen antígenos propios; esto se llama edición de receptor. Dado que estos procesos ocurren en tejidos linfoides centrales o primarios (en contraposición con los sitios periféricos o tejidos linfoides secundarios), estas formas de tolerancia se conocen como tolerancia central. Sin embargo, este proceso es imperfecto; por ejemplo, es imposible asegurar que todos y cada uno de los componentes propios que se producen durante toda la vida estén representados en los tejidos donde se desarrollan linfocitos; piense, por ejemplo, en las nuevas hormonas y proteínas que se producen durante la pubertad o durante el embarazo y la lactación. Por ende, pese a la eficiencia de la tolerancia central, algunas células T y células B autorreactivas maduras inevitablemente se liberan desde la médula ósea y el timo (figura 1-33).

Figura 1-32 Un ejemplo de una vía de emisión de señales intracelular. Varios receptores de citocina emiten señales por medio de la vía JAK-STAT; estos receptores están asociados con tirosina cinasas llamadas JAK. La unión de una citocina lleva a dimerización de los receptores y yuxtaposición de las JAK que se fosforilan y activan una a otra. Esto habilita los STAT para que se unan (tienen dominios SH2 que reconocen tirosinas fosforiladas). Las JAK fosforilan los STAT, que a continuación se translocan como un dímero hacia el núcleo, se unen al DNA y actúan como factores de transcripción para cambiar la expresión de gen; ésta es una vía de emisión de señales muy sencilla que no involucra otras moléculas como adaptadores o armazones para ayudar a enlazar o localizar diferentes componentes de la vía.

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Capítulo 1

40

El sistema inmunitario

Médula ósea

Tejido linfoide secundario Célula B autorreactiva Apoptosis o anergia

Precursores de célula B

Célula B madura No reconocimiento de lo propio

Célula B autorreactiva

Edición de receptor

Célula B madura

Timo Célula T autorreactiva Precursores de células T

Apoptosis o anergia

Célula T madura No reconocimiento de lo propio

Figura 1-33 Algunos mecanismos de inducción de tolerancia. A medida que las células B y las células T generan sus receptores de antígeno respectivos, en su mayor parte al azar (figura 1-23), muchas tienen un riesgo alto de reconocer componentes del huésped mismo (p. ej., componentes estructurales de tejidos u otras células del cuerpo); esos receptores se llaman autorreactivos. En términos generales, durante el desarrollo de linfocitos, las células con receptores autorreactivos son muertas por medio de la inducción de apoptosis (de lesión clonal) o se hace que pierdan su capacidad de respuesta (anergia). Ambas se aplican a las células B que se están desarrollando en la médula ósea; la deleción clonal se aplica en particular a células T que se están desarrollando en el timo. Además, las células B pueden tratar de sintetizar otro receptor que no es autorreactivo (edición de receptor). Las células restantes maduran, y expresan receptores que en general son incapaces de reconocer componentes propios —por ende, son tolerantes— pero en potencia pueden reconocer antígenos extraños si fueran encontrados en el futuro.

El segundo mecanismo de inducción de tolerancia ocurre en la periferia (tolerancia periférica). Difiere un poco para las células T y las células B. En el caso de las células T vírgenes, la activación normal necesita dos grupos de señales, incluso moléculas coestimuladoras especializadas que por lo general son expresadas por DC, pero no por casi todos los otros tipos de células. En consecuencia, si una célula T reconoce un antígeno propio en casi todos los otros tipos de células que no expresan moléculas coestimuladoras, no puede ocurrir activación; en lugar de eso, la célula pierde la capacidad de respuesta o muere. Además, pueden desarrollarse células T reguladoras, de diferentes tipos, para suprimir respuestas inmunitarias. En el caso de las células B, muchas respuestas necesitan la ayuda de células T (p. ej., en la producción de

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anticuerpos contra antígenos proteínicos). En ausencia de ese tipo de ayuda, una célula B que ha reconocido antígeno no queda activada, o en otros casos es anergizada y después muere. Esto implica que la tolerancia de células T necesita ser más completa que la tolerancia de células B, y esto es lo que en realidad se observa. 1.6.2 Las respuestas inmunitarias contra infección pueden causar daño 1.6.2.1

La inmunidad en general es beneficiosa

Tener un sistema inmunitario es, por supuesto, esencial para la defensa contra infección. La activación rápida de las inmunidades

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1.6

Respuestas inmunitarias y enfermedad

1

Individuo normal, microbio no patógeno

2

Individuo con inmunodeficiencia, microbio no patógeno

3

Individuo normal, microbio patógeno

4

Individuo normal, microbio patógeno

41

Figura 1-34 Infección, enfermedad y daño de tejido. 1) En individuos sanos (normales) con inmunidad funcional, muchos microbios no patógenos son eliminados sin causar enfermedad, de manera subclínica. 2) En individuos inmunodeficientes estos mismos microbios pueden causar enfermedad (sección 1.6.3). 3) En individuos normales infectados por algunos microbios patógenos, la secreción de moléculas tóxicas, u otros mecanismos, pueden causar enfermedad. 4) En algunos individuos normales, la respuesta inmunitaria al microbio es la causa real de enfermedad clínica —daño colateral—.

innata y adaptativa a menudo significa que incluso si una persona queda infectada, el agente infeccioso puede eliminarse sin que incluso esa persona esté consciente de que está sucediendo esto; lo anterior se denomina infección subclínica. 1.6.2.2

La inmunidad normal puede causar problemas

Empero, a veces, las respuestas inmunitarias pueden llevar a síntomas desagradables (piense cómo se siente cuando se está combatiendo un resfriado o una gripe), y pueden incluso causar daño tisular de duración prolongada, como en el pulmón de alguien que padece tuberculosis. Esto se debe a que los mecanismos muy potentes que están involucrados en el combate de infecciones pueden causar efectos secundarios y a veces daño colateral importante (“fuego amigo”). Éstos son ejemplos de cómo las respuestas inmunitarias normales a antígenos “extraños infecciosos” pueden causar problemas (figura 1-34).

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Otro problema surge porque los virus y microbios pueden evolucionar con rapidez mucho mayor que el sistema inmunitario del huésped. La eficiencia de los muchos componentes de la inmunidad para afrontar infecciones significa que el sistema inmunitario mismo ayuda a impulsar la evolución de agentes infecciosos. En otras palabras, ejerce considerable presión para seleccionar agentes infecciosos con mutaciones que les permiten evadir respuestas inmunitarias. De esta manera un agente infeccioso, que de otro modo se eliminaría, en realidad puede convertirse en patógeno. Los agentes patógenos son exitosos porque evaden, o subvierten respuestas inmunitarias, y las enfermedades que originan pueden deberse a veces a daño colateral causado por la inmunidad del huésped. Los autores comentan los beneficios de la inmunidad en relación con estos problemas, y proporcionan más ejemplos de ellos, particularmente en el capítulo 2, y los volverán a abordar

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42

Capítulo 1

El sistema inmunitario

de vez en cuando en los capítulos 3 a 6. Por ahora introducirán las maneras en las cuales los defectos de la inmunidad llevan a enfermedad, y cómo las respuestas inmunitarias mal dirigidas o no deseadas pueden causar daño; lo anterior se comenta con mayor detalle en el capítulo 7.

del HIV que, puesto que da pie a destrucción de componentes clave de la inmunidad (células T CD4), hace al individuo infectado susceptible a otros tipos de infección que pueden poner en peligro la vida conforme el individuo progresa hacia síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA).

1.6.3 Los defectos de la inmunidad pueden causar infecciones graves

1.6.4 A veces pueden montarse respuestas inmunitarias contra los antígenos erróneos

La importancia de un sistema inmunitario eficaz se muestra con mayor claridad por la frecuencia aumentada de enfermedades infecciosas que se observa en pacientes con defectos de la inmunidad.

Hay circunstancias en las cuales las respuestas inmunitarias atacan el cuerpo mismo, o se montan contra agentes por lo demás inocuos, lo que causa enfermedad y a veces lleva a padecimientos que ponen en peligro la vida. Estas afecciones son de dos tipos principales:

1.6.3.1

• Respuestas aberrantes contra antígenos propios, que causan enfermedades autoinmunitarias. • Respuestas aberrantes contra antígenos extraños al parecer inocuos, que dan lugar a alergias y otras sensibilidades relacionadas con la inmunidad (a veces llamadas enfermedades de hipersensibilidad).

Enfermedades de inmunodeficiencia primaria

Cualquier defecto genético que altere la función de un componente que en circunstancias normales está involucrado en la eliminación de un agente infeccioso puede llevar a infecciones graves causadas por ese agente; éstas se llaman enfermedades de inmunodeficiencia primaria (figura 1-34). Por lo común, las inmunodeficiencias primarias se asocian con mutaciones en los genes que codifican para componentes de la inmunidad solubles o asociados a células, aunque en otros casos pueden, por ejemplo, producirse por mutaciones en vías metabólicas. Hasta la fecha se han identificado al menos 180 mutaciones diferentes que llevan a inmunodeficiencias primarias; es probable que haya muchas más. Las inmunodeficiencias primarias pueden producirse por defectos de componentes innatos o adaptativos, o ambos, incluso los tipos generales que siguen. i) Defectos de las funciones de fagocitos. ii) Defectos de la activación, la función o la regulación del complemento. iii) Defectos de la generación de receptores de antígeno de linfocitos, que llevan al fracaso del desarrollo de células T, o de células B, o de ambas. iv) Defectos de la capacidad de las células para cooperar (p. ej., para que las células T ayuden a las células B a sintetizar anticuerpos). No sorprende que las inmunodeficiencias primarias puedan, por ende, llevar a infecciones graves, persistentes, poco comunes o recurrentes (SPUR), y el tipo de infección que ocurre refleja el funcionamiento normal del componente o la célula que está afectada. En los capítulos 2 a 6 se usa esto como evidencia para la participación de diferentes componentes de la inmunidad en la defensa contra ciertos tipos de agentes infecciosos. 1.6.3.2 Enfermedades de inmunodeficiencia secundarias (adquiridas)

Las inmunodeficiencias que no se originan por un defecto genético se llaman secundarias (o adquiridas). En general, estas inmunodeficiencias no aparecen en etapas tempranas de la niñez. El individuo nace con un sistema inmunitario normal, pero un evento posterior causa daño que lleva a inmunidad defectuosa. En algunos casos se desconoce la causa, pero en otros esto puede, por ejemplo, producirse por tratamiento enérgico para cáncer, o como una complicación de la enfermedad avanzada misma. Las inmunodeficiencias secundarias también pueden producirse por infección por agentes patógenos. Un ejemplo bien conocido es

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Todos estos padecimientos son causados principalmente por respuestas inmunitarias adaptativas aberrantes que, sin embargo, pueden reflejar activación inapropiada del sistema inmunitario innato. Con una excepción (es decir, las alergias), los diferentes tipos de mecanismo inmunitario involucrados en enfermedades autoinmunitarias y en otras sensibilidades relacionadas con la inmunidad se superponen. Una manera conveniente de distinguir entre estos dos tipos de respuestas aberrantes es considerar si el antígeno que finalmente es reconocido es “intrínseco” (es decir, un antígeno propio del huésped mismo) o “extrínseco” (o sea, un antígeno no infeccioso, extraño, que proviene del ambiente del huésped, como polen en quienes sufren fiebre del heno). En la mayor parte de los casos no se entiende por completo por qué se desencadenan esas respuestas, aunque a menudo es posible apreciar los mecanismos subyacentes que llevan a enfermedad. Estas afecciones se consideran más a fondo en el capítulo 7 (figura 1-35). 1.6.4.1

Enfermedades autoinmunitarias

A pesar de los mecanismos variados de tolerancia inmunitaria (véase antes), a veces se desencadenan respuestas inmunitarias contra componentes propios normales, lo que lleva a enfermedad autoinmunitaria. Quizá uno de los mecanismos que es más fácil entender es cuando los mecanismos normales de inducción de tolerancia son defectuosos. Esto podría deberse a un defecto de la tolerancia central, o periférica, o ambas, de células T. Un ejemplo de la primera es si hay un fracaso para expresar antígenos propios, a los cuales en circunstancias normales las células T son tolerizadas, en el timo. Un ejemplo de esto último es si no son inducidas células T reguladoras. Ambos tipos de defecto llevan a enfermedades autoinmunitarias muy graves, y a daño difundido de tejido (capítulo 5). Otros tipos de enfermedad autoinmunitaria ocurren por medio de diferentes mecanismos (capítulo 7). Para casi todas éstas se entienden los mecanismos que causa la enfermedad, pero no por qué ocurre. Pueden clasificarse como sigue, aunque en cualquier enfermedad dada puede estar involucrado más de un mecanismo:

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1.6

Respuestas inmunitarias y enfermedad

43

Enfermedad autoinmunitaria

Antígeno propio (Respuesta inmunitaria) Matan células Anticuerpos Modulan funciones celulares

Inmunocomplejos Antígeno extraño inocuo

Activan complemento (inflamación aguda)

(Respuesta inmunitaria) Inmunidad mediada por células T

Genera células T citotóxicas Genera macrófagos activados (inflamación crónica)

Sensibilidad relacionada con inmunidad

Figura 1-35 Enfermedades autoinmunitarias y sensibilidades relacionadas con inmunidad. Puede sobrevenir enfermedad por activación de respuestas inmunitarias adaptativas contra componentes por lo demás inocuos (“intrínsecos”) del cuerpo mismo, o contra agentes extraños no infecciosos (“extrínsecos”) que provienen del ambiente. Los mecanismos efectores que causan el daño de tejido pueden estar mediados por anticuerpos de diferentes tipos, inmunocomplejos grandes, células T que activan de manera aberrante macrófagos o células T citotóxicas, o una combinación de éstos. Los síntomas pueden ser leves (p. ej., exantemas) o poner en peligro la vida (p. ej., anafilaxia después de una picadura de avispa en un individuo sensibilizado). El patrón clínico de la enfermedad por lo general refleja la distribución del antígeno que se está reconociendo, y puede estar localizada a órganos particulares o hacerse difundida en todo el cuerpo (sistémica).

• La activación de células B autorreactivas y la secreción de anticuerpos contra componentes propios normales, llamados autoanticuerpos. Éstos pueden llevar a efectos citotóxicos y daño de tejido que está mediado por las células con las cuales interactúan. De manera alternativa, pueden inhibir de modo directo el funcionamiento normal de otras células del cuerpo (p. ej., porque bloquean la unión de moléculas a sus receptores). Un ejemplo de esto último es la miastenia grave, en la cual un anticuerpo bloquea la transmisión de impulsos nerviosos hacia músculos, lo que lleva a parálisis progresiva. • La producción de inmunocomplejos compuestos de antígenos unidos a anticuerpos, o a complemento o ambos, sea en teji-

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dos específicos o en la circulación. Si los inmunocomplejos circulantes no son eliminados con eficacia, pueden inducir inflamación que puede evitar el funcionamiento normal de ciertos órganos. Un ejemplo de esto último es el daño de los riñones que se observa en casos graves de lupus eritematoso sistémico. • La inducción de respuestas mediadas por células T contra antígenos propios; ésta es la causa de enfermedades autoinmunitarias como diabetes dependiente de insulina (tipo 1). Aquí las respuestas de células T comprenden la activación de células T citotóxicas o macrófagos activados que, a su vez, son los principales mediadores del daño.

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Célula T

1.6.4.2 Sensibilidades relacionadas con la inmunidad (enfermedades por hipersensibilidad)

En algunos casos, por razones que a menudo no se entienden, un antígeno al parecer inocuo, que no se relaciona con un agente infeccioso, puede desencadenar respuestas aberrantes que causan daño tisular. Quizá el ejemplo mejor conocido de esto es la alergia (para la cual no hay un mecanismo de autoinmunidad equivalente conocido). Los ejemplos son fiebre del heno y sensibilidad a alimentos. La alergia se produce cuando se sintetiza un tipo específico de anticuerpo, IgE, contra un antígeno extrínseco, como un componente del polen o de cacahuates (maní). La IgE a continuación se une a mastocitos sin efecto perjudicial. Empero, si se encuentra de nuevo el antígeno, se une a la IgE que está cubriendo los mastocitos, y desencadena desgranulación explosiva de las células. Los mediadores producidos causan entonces los síntomas y efectos secundarios de alergia que pueden, en casos graves, incluir obstrucción de las vías respiratorias, choque cardiovascular y muerte. Los mecanismos que están por detrás de otros tipos de sensibilidades relacionadas con inmunidad son compartidos con los de enfermedades autoinmunitarias. Como tales, incluyen enfermedades causadas por anticuerpos, inmunocomplejos y células T. Los ejemplos de enfermedades mediadas por anticuerpos comprenden sensibilidades a fármacos, como cuando se sintetizan anticuerpos IgG contra penicilina. Las enfermedades mediadas por inmunocomplejos comprenden una amplia variedad de sensibilidades “ocupacionales”, como la enfermedad pulmonar del granjero, en la cual esporas de hongos inhaladas en heno mohoso pueden causar la formación de inmunocomplejos, y desencadenar inflamación en los pulmones. Las enfermedades mediadas por células T comprenden sensibilidades por contacto, en las cuales las células T están involucradas en dirigir respuestas inflamatorias perjudiciales contra moléculas pequeñas, como metales en alhajas. La presencia de anticuerpos preformados contra antígenos extrínsecos por lo general da pie a respuestas rápidas llamadas hipersensibilidades de tipo inmediato. En contraste, las respuestas mediadas por células T contra antígenos extrínsecos (así como contra ciertos agentes patógenos como Mycobacterium tuberculosis) a menudo se llaman respuestas de hipersensibilidad de tipo tardío (DTH) porque se requiere alrededor de un día después de la administración de antígeno para que la respuesta se haga manifiesta. 1.6.5 Reacciones a trasplante Las respuestas inmunitarias que ocurren cuando se trasplanta un órgano extraño, y que a menudo llevan a rechazo del trasplante son respuestas inmunitarias bastante normales. Con todo, en esta situación son no deseadas. Hay diferentes tipos de rechazo que ocurren por distintas razones inmunitarias (y no inmunitarias).

TCR

X

MHC + péptido X propio

Rechazo agudo

El rechazo agudo de un trasplante típicamente ocurre en el transcurso de días o semanas luego del trasplante de un injerto que proviene de un individuo diferente desde el punto de vista genético (alogénico u homólogo) de la misma especie. Es iniciado por la activación de las células T del receptor contra moléculas extrañas presentes en el trasplante que se han denominado antígenos de trasplante. Los antígenos de trasplante de mayor importancia son las moléculas del MHC extrañas del tejido injertado. Las células

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Y

MHC + péptido Y alogénico

Figura 1-36 Alorreactividad. Los trasplantes entre miembros no idénticos de la misma especie (aloinjertos) son rechazados con vigor sorprendente porque una frecuencia muy alta de células T provenientes de cualquier individuo puede reconocer moléculas del MHC de un individuo diferente en el aspecto genético (alogénico). Esta frecuencia muy alta representa reconocimiento con reacción cruzada; una célula T que en potencia puede reconocer un péptido extraño (p. ej., microbiano) unido a un péptido propio-MHC también puede reconocer una o varias moléculas del MHC alogénicas unidas a uno o varios péptidos diferentes.

T que por lo demás reconocerían complejos de péptido-MHC durante respuestas contra agentes infecciosos, montan una respuesta contra el trasplante porque sus receptores de antígeno (TCR) pueden mostrar reacción cruzada con moléculas del MHC extrañas (y sus péptidos unidos); esta forma de reconocimiento se llama alorreactividad. Resulta ser que hay un número relativamente grande de células T alorreactivas en cualquier individuo, de modo que puede montarse una respuesta de gran magnitud de células T contra el órgano extraño. Puesto que las células T CD4 controlan las respuestas de otros tipos de células, el rechazo de aloinjerto por lo general involucra la activación de distintos componentes de las inmunidades tanto innata como adaptativa (figura 1-36). 1.6.5.2

1.6.5.1

TCR

Otros tipos de rechazo

Otros tipos de rechazo son el fenómeno mucho más rápido del rechazo hiperagudo, cuando un trasplante es rechazado en cuestión de algunos minutos u horas, y el fenómeno mucho más lento de rechazo crónico que puede suceder incluso años después del trasplante. Las bases de estos tipos de rechazo se cubren en el capítulo 7. Aun así, por ahora se notará que el rechazo hiperagudo es desencadenado por la presencia de anticuerpos preformados contra el injerto (p. ej., debido a una respuesta inmunitaria a un trasplante previo). Un mecanismo similar a menudo puede llevar

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1.6

a rechazo rápido de trasplantes entre especies (xenoinjertos), por ejemplo, si se trasplanta un riñón de cerdo a un ser humano. Aún se desconoce exactamente por qué ocurre rechazo crónico. 1.6.5.3

Enfermedad de injerto contra huésped

La capacidad para reemplazar células o tejidos defectuosos o dañados al trasplantar células madre provenientes de individuos normales tiene enorme potencial terapéutico. El trasplante de médula ósea es con mucho el ejemplo más exitoso de este método en uso actual. Puesto que las células madre en la médula ósea pueden reemplazar todos y cada uno de los tipos de células hematopoyéticas, este proceso se utiliza ampliamente para el tratamiento de muchas inmunodeficiencias primarias, en las cuales es necesario reemplazar un componente defectuoso (sección 1.6.3.1). También se usa comúnmente después de tratamiento para leucemia, porque los fármacos que se utilizan para matar las células leucémicas también matan las células madre normales, de modo que éstas pueden reemplazarse a partir de un trasplante de médula ósea. De cualquier modo, un problema con el trasplante de médula ósea es la enfermedad de injerto contra huésped (GVHD). Los receptores de un trasplante de médula ósea son incapaces de rechazar las células trasplantadas debido a su inmunodeficiencia subyacente, o a que han sido inmunosuprimidos para prevenir rechazo del trasplante. No obstante, la médula ósea contiene células T maduras que provienen del donante; éstas no pueden ser rechazadas pero pueden reconocer los antígenos MHC del receptor debido a alorreactividad (sección 1.6.5.1). Por ende, estas células T del donante pueden quedar activadas y generar una respuesta inmunitaria contra tejidos del huésped, lo que a menudo incluye la piel y el intestino. Esto es GVHD, lo opuesto de respuestas de huésped contra injerto que ocurren durante diferentes tipos de rechazo de injerto (véase antes). 1.6.6 Los tumores pueden evadir el sistema inmunitario Los tumores se originan por el crecimiento incontrolado de células. Los tumores benignos permanecen localizados, pero los malignos (cánceres) pueden diseminarse hacia otras partes del cuerpo (metástasis); ésta es la razón por la cual pueden ser mortales. Los tumores por supuesto se originan a partir de células propias; esto es seriamente problemático debido a los potentes mecanismos de tolerancia que por lo general aseguran que no se monten respuestas inmunitarias contra lo propio. Sin embargo, en muchos casos los tumores pueden expresar antígenos que en potencia pueden ser reconocidos por el sistema inmunitario. Éstos incluyen antígenos virales si un virus oncogénico ha provocado el crecimiento anormal de células, así como componentes del huésped que han quedado mutados, sobreexpresados o expresados de manera anormal (p. ej., los que normalmente sólo se expresan en el feto). Por tanto, algunos tumores en potencia pueden ser reconocidos por el sistema inmunitario. Los antígenos de tumores que pueden ser reconocidos por células T y anticuerpos se llaman antígenos tumorales. Otro problema surge porque los tumores son muy buenos para evadir la inmunidad. Así, los tumores pueden regular en dirección descendente moléculas que se necesitan para el reconocimiento inmunitario, como las moléculas del MHC que en circunstancias normales se necesitan para el reconocimiento por células T. Además, los tumores pueden secretar moléculas que

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Respuestas inmunitarias y enfermedad

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tienen efectos inhibitorios potentes sobre células del sistema inmunitario, como DC, o pueden desencadenar la producción de células que suprimen respuestas inmunitarias, como células T reguladoras. Ya se mencionó que el sistema inmunitario mismo puede seleccionar variantes de microbios que son resistentes a los mecanismos de defensa, y puede suceder exactamente lo mismo con tumores. Los tumores malignos tienen una tasa de mutación muy alta, y cualquier célula tumoral que mute de una manera que le permita resistir los mecanismos de defensa tendrá una ventaja selectiva sobre el resto del tumor. Éste es un ejemplo de la selección darviniana que ocurre dentro de un organismo único (figura 1-37). 1.6.7 Terapias basadas en la inmunidad Se concluye esta sección al introducir brevemente dos métodos terapéuticos que están permitiendo modular la inmunidad en beneficio del ser humano. Se trata de las vacunas, que son muy exitosas en la prevención de algunas enfermedades, pero que son ineficaces o no existen para otras, y anticuerpos terapéuticos que están mostrando beneficio real en el tratamiento de enfermedad. El desarrollo de las vacunas se originó a partir de observaciones empíricas hechas antes de que se conociera cualquier cosa acerca del sistema inmunitario mismo, mientras que el desarrollo de anticuerpos terapéuticos sólo se ha hecho posible a partir del entendimiento cada vez más sofisticado de la inmunidad. 1.6.7.1

Vacunas

La protección contra infección puede ser activa, que comprende la activación directa del sistema inmunitario del huésped, o pasiva, en la cual se transfieren anticuerpos o células inmunitarias al huésped. Una de las maneras más eficaces de generar resistencia activa a la infección es haberse recuperado de una infección real. Empero, infectar deliberadamente a una persona no infectada en un intento por desencadenar inmunidad es riesgoso, pero se ha hecho: la infección de niños con viruela virulenta (variolación) se practicó ampliamente hasta que Jenner desarrolló la vacunación, con lo que ahora se sabe que es el estrechamente relacionado virus de la viruela bovina. De modo alternativo, la resistencia puede adquirirse de manera pasiva. Así, el feto humano adquiere IgG materna mediante transferencia a través de la placenta, y el recién nacido obtiene IgA materna en la primera leche (calostro). También pueden administrarse anticuerpos (p. ej., generados en caballos) mediante inyección para proteger contra infección potencial, como en individuos que sufren heridas y que no han sido vacunados contra el tétanos (figura 1-38). La vacunación es un proceso activo que está diseñado para imitar, de manera tan estrecha como es posible, el agente infeccioso contra el cual se desea inducir protección, y desencadenar la forma más eficaz de inmunidad contra ese agente. El enorme potencial de la manipulación del sistema inmunitario para el tratamiento de enfermedad de esta manera es evidente a partir del notorio éxito que ha tenido la vacunación, por ejemplo, en la erradicación mundial de la viruela. Hasta la fecha, casi todas las vacunas han sido diseñadas para desencadenar inmunidad contra enfermedades infecciosas en individuos antes de que hayan quedado infectados (vacunación profiláctica). Con todo, en fecha más reciente se han hecho cada vez más intentos por diseñar vacunas para el tratamiento de individuos con enfermedad (vacunación

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Respuesta inmunitaria eficaz

Célula normal

Respuesta inmunitaria ineficaz

Célula tumoral: división incontrolada, tasa de mutación alta

Mutante resistente División incontrolada

Tumor maligno: cáncer

Figura 1-37 Evasión de la inmunidad por tumores. Los tumores malignos (cánceres) son clonas de células que tienen tasas de mutación muy altas. Esto significa que muchas de ellas expresarán proteínas mutantes que pueden dar lugar a péptidos que no están presentes en células normales, que pueden ser en potencia antigénicos. Dichos péptidos pueden inducir una respuesta adaptativa al tumor. La tasa de mutación alta también significa que continuamente se están formando nuevas variantes del tumor y, de manera inevitable, algunas de éstas serán capaces de evadir la respuesta inmunitaria o evitarla. (Por ejemplo, pueden perder un antígeno tumoral, disminuir la expresión de MHC, secretar citocinas antiinflamatorias, o inducir células T reguladoras en lugar de efectoras). Estas clonas mutantes tendrán una ventaja selectiva y crecerán más que la clona que les dio origen. Así, con el tiempo el tumor desarrollará múltiples medios de evitar la respuesta inmunitaria, y puede aparecer un cáncer; éste es un buen ejemplo de selección darviniana en acción dentro de un organismo individual.

terapéutica). Es crucial entender que una vacuna eficaz necesita dos cosas: • Uno o varios antígenos, contra los cuales se va a generar una respuesta. • Un adyuvante que desencadene una respuesta inmunitaria eficaz. En la mayor parte de los casos de vacunación profiláctica contra enfermedades infecciosas, la protección se logra al administrar vacunas que generan inmunidad activa; éstas pueden ser organismos vivos atenuados, organismos muertos o partes (subunidades) de organismos. Dichas vacunas, que contienen los antígenos requisito y que a menudo tienen actividad adyuvante intrínseca, se comentan más en el capítulo 2. Algunas vacunas también se están desarrollando para proteger contra tumores. Así, ahora se está vacunando a niñas contra el virus del papiloma humano (HPV) que causa carcinoma del cuello uterino y, al prevenir infección viral, se previene el inicio del tumor. ¿Qué hay acerca de las vacunas terapéuticas? Hay situaciones (p. ej., tumores malignos e infecciones crónicas como por

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HIV) en las cuales en teoría podrían administrarse vacunas a pacientes que sufren la enfermedad, con el objetivo de erradicar la infección o el tumor. En general, parece más difícil usar las respuestas inmunitarias para tratar enfermedad que está en proceso que para prevenirla, y si bien se están efectuando muchos estudios sobre vacunación terapéutica, hasta ahora hay relativamente pocos signos de beneficio real. Aun así, se están haciendo progresos, como se describirá en el capítulo 5 (terapia de células adoptivas). 1.6.7.2

Anticuerpos monoclonales y terapéuticos

Los anticuerpos, debido a su especificidad, tienen el potencial de ser fármacos potentes, altamente selectivos, capaces de modular células y moléculas in vivo. Hasta hace relativamente poco tiempo fue imposible materializar este potencial excepto en muy pocos casos, porque no podían sintetizarse anticuerpos de manera reproducible o en cantidades suficientes. El desarrollo de anticuerpos monoclonales revolucionó esta forma de tratamiento. Para sintetizar anticuerpos monoclonales, por lo general, células que secretan anticuerpos (B) provenientes de un ratón inmunizado son fusionadas con células tumorales de linfocitos B llamadas células de mie-

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1.6

Respuestas inmunitarias y enfermedad

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Pasiva Natural

Natural

Artificial

Inyección de inmunoglobulina Transferencia placentaria de IgG IgA en la leche materna

Activa Natural

Infección

Artificial (vacunación)

Microbio no patógeno – Atenuado – Muerto

Parte del organismo

DNA que codifica para parte del organismo

Resistencia a la reinfección

Resistencia a la infección

Figura 1-38 Resistencia a la infección. La resistencia a la infección puede adquirirse de manera pasiva o activa, mediante medios naturales o artificiales. Por ejemplo, un feto o recién nacido puede adquirir inmunidad pasiva de manera natural por la transferencia de anticuerpos maternos a través de la placenta o en la leche. También pueden suministrarse de manera artificial, como al dar inmunoglobulina humana combinada a pacientes que tienen deficiencia de anticuerpos. La inmunidad activa por lo general aparece de manera natural después de recuperación luego de una infección. También puede ser estimulada de manera artificial durante la vacunación con una vacuna diseñada para inducir una respuesta protectora.

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Capítulo 1

El sistema inmunitario

Antígeno

Anticuerpo monoclonal

Modificación genética (humanización)

Cultivo masivo

Anticuerpo terapéutico

loma. Las células fusionadas resultantes se denominan hibridomas; éstas son monoespecíficas e inmortales, y pueden hacerse crecer como clonas a escalas industriales. Así, pueden producirse grandes cantidades de un anticuerpo monoclonal. Dado que algunos anticuerpos pueden inhibir respuestas celulares o estimularlas, tienen enorme potencial como agentes terapéuticos. El uso de anticuerpos

Figura 1-39 Anticuerpos terapéuticos. El desarrollo de tecnología de anticuerpos monoclonales ha permitido la producción de grandes cantidades de anticuerpos homogéneos con una especificidad antigénica definida que pueden usarse con fines terapéuticos para tratar enfermedad en seres humanos. Un problema importante con ese tipo de anticuerpos es que son proteínas extrañas (típicamente son producidos en ratones). Las respuestas inmunitarias inducidas contra ellos (p. ej., la producción de antianticuerpos) pueden llevar a su destrucción muy rápida. Para evitar esto, se ha usado ingeniería genética para crear anticuerpos en los cuales las únicas partes no humanas son las regiones hipervariables que forman el sitio de unión a antígeno mismo y que, por ende, son mucho menos inmunogénicas. Éstos pueden usarse, por ejemplo, para bloquear la actividad de citocinas proinflamatorias, como TNF-␣ en algunas enfermedades autoinmunitarias, o para establecer como objetivo moléculas expresadas de manera selectiva por células tumorales en ciertos cánceres.

monoclonales ha revolucionado la inmunoterapia, y ahora hay más de 20 anticuerpos de ese tipo en uso clínico, y muchos más están en desarrollo. Estos anticuerpos terapéuticos se están usando cada vez más para tratar ciertas enfermedades autoinmunitarias, para ayudar a prevenir rechazo de trasplante, y para eliminar células tumorales en el tratamiento de algunos cánceres (figura 1-39).

Resultados del aprendizaje Al terminar de estudiar este capítulo, el lector debe ser capaz de entender, explicar brevemente y comentar algunos aspectos de los temas que siguen; se indican las secciones importantes del capítulo. • Defensa del huésped contra infección (sección 1.2) ~ ¿Cuáles son las principales diferencias entre respuestas innatas y adaptativas? • La base anatómica de la inmunidad (sección 1.3) ~ ¿Cuáles son las principales diferencias entre tejidos linfoides primarios y secundarios? ~ ¿Por qué la inflamación es importante en la defensa del huésped contra infección? • La base celular de la inmunidad (sección 1.4) ~ ¿Qué son los leucocitos? ~ ¿Qué son los fagocitos, y por qué son importantes? ~ ¿Qué son los granulocitos? ~ ¿Qué son los linfocitos, y cuántos tipos de linfocitos convencionales hay? ~ ¿Qué es la memoria inmunitaria? • La base molecular de la inmunidad (sección 1.5) ~ ¿Qué tipos de moléculas están involucradas en la migración de leucocitos desde la sangre hacia sitios de infección?

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¿De qué modo el reconocimiento de agentes infecciosos difiere en las respuestas innata y adaptativa? ~ ¿Qué mecanismos están involucrados en la generación de receptores usados para el reconocimiento de antígeno en la inmunidad adaptativa? ~ ¿Qué son las citocinas y qué hacen? ~ ¿Qué es el complemento? ~ ¿Qué hacen los anticuerpos? • Respuestas inmunitarias y enfermedad (sección 1.6) ~ ¿De qué modo el sistema inmunitario normalmente evita montar respuestas perjudiciales contra moléculas propias o moléculas extrañas inocuas? ~ ¿Qué es una enfermedad por inmunodeficiencia? ~ ¿Qué tipos diferentes de antígeno están involucrados en enfermedades autoinmunitarias y alergias? ~ ¿Cómo y por qué podrían rechazarse los trasplantes? ~ ¿Cómo podría el sistema inmunitario ser capaz de reconocer tumores? ~ ¿Cómo podría manipularse la inmunidad para propósitos terapéuticos? ~

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Capítulo 2 Infección e inmunidad 2.1

mensales que habitan continuamente el organismo. Los autores introducen el concepto de que los defectos en la inmunidad, las inmunodeficiencias, pueden dar lugar a infecciones oportunistas por microbios que por lo demás son eliminados con rapidez por quienes tienen sistema inmunitario funcional. Se hace hincapié en que los tipos de infección que ocurren en un huésped inmunodeficiente proporcionan evidencia del funcionamiento normal de ese componente en la inmunidad. A continuación se explica la función de cada componente importante de la inmunidad en la defensa contra la infección, usando como evidencia para estas funciones estudios de defectos en seres humanos naturales y las respuestas de ratones modificados desde el punto de vista genético (sección 2.3). Posteriormente se esboza cómo algunas de las principales clases de agentes infecciosos pueden causar enfermedad, y se explica cómo los diferentes componentes de la inmunidad, considerados antes de manera aislada, funcionan juntos para tratar de eliminarlos (sección 2.4). Para ilustrar las diferentes interacciones entre huéspedes y distintas clases de agentes patógenos, se usan estudios de casos seleccionados para describir el tipo de enfermedad que cada uno puede causar. Se comenta por qué sucede enfermedad, cómo diferentes mecanismos de inmunidad interactúan durante distintos tipos de respuesta, y cómo estas enfermedades se pueden prevenir o tratar mediante estrategias basadas en el conocimiento de la inmunidad. Finalmente, se comentan brevemente las vacunas que han erradicado exitosamente algunas de las enfermedades infecciosas, pero que no están disponibles para tantas otras, y se esbozan algunos de los métodos nuevos para el diseño de vacunas que se están desarrollando para el futuro (sección 2.5).

Introducción Se estima que el planeta Tierra tiene alrededor de 4.5 mil millones de años de edad. Se cree que la vida en este planeta surgió al menos hace 3.8 mil millones de años. El surgimiento de especies por completo nuevas, y la extinción de muchas otras, han sido impulsados por selección natural. Se cree que así ha sido impulsado el sistema inmunitario. Cada especie nueva que evoluciona representa un nuevo nicho ecológico que puede ser usado por otras especies (p. ej., como alimento o refugio, o como un vehículo para la transmisión de sus genes), y que pueden considerarse parásitos en el sentido más amplio de la palabra. El surgimiento de estas especies, tanto los huéspedes como los parásitos, ha sido impulsado por selección natural. Los parásitos y sus huéspedes están involucrados en una carrera de armas evolutiva. En la mayor parte de los casos, matar a su huésped no es una ventaja para el parásito, porque esto evitaría diseminar los genes del parásito. Sin embargo, si el huésped adquiere por evolución nuevos mecanismos de defensa para prevenir infección o limitarla, cualquier parásito que adquiera por evolución modos de vencer estos mecanismos tendrá una ventaja selectiva y se reproducirá de manera más exitosa. Recíprocamente, pero en general con mucha mayor lentitud, un huésped que muta para resistir a parásitos con mayor eficacia también tendrá una ventaja selectiva. Así, son las interacciones huésped-parásito lo que impulsa la evolución de mecanismos de defensa inmunitarios en el huésped. Los virus y organismos microscópicos, como las bacterias y protozoarios pequeños, que pueden denominarse en conjunto microbios, evolucionan mucho más rápido que sus huéspedes mamíferos. Si un microbio muta de modo que es “invisible” para el sistema inmunitario del huésped, se requerirían muchas generaciones antes de que el huésped pudiera adquirir por evolución defensa eficaz. Empero, si el huésped hubiera adquirido por evolución mecanismos anticipatorios que podrían reconocer cualquier variante que podría ocurrir en un microbio, estaría en una buena posición para afrontar muchos mutantes. Esto es precisamente lo que el sistema inmunitario adaptativo en mamíferos ha logrado por medio de generación al azar de linfocitos que expresan una vasta diversidad de receptores de antígeno. En este capítulo se examina la inmunidad a la infección en mamíferos. Se empieza por introducir los diferentes tipos de organismos que pueden infectar al ser humano, y explicar que, si bien casi ninguno de estos organismos causan enfermedad, algunos de ellos, los patógenos, pueden causar enfermedad grave y muerte en individuos normales (sección 2.2). Se nota que el ser humano tiene relaciones mutuamente beneficiosas con las bacterias co-

Al terminar de estudiar el presente capítulo el lector tendrá una apreciación de la diversidad de agentes en potencia infecciosos que existe, por qué algunos de ellos causan enfermedad y cómo los mecanismos de defensa del huésped normales protegen contra tantos (y las vacunas contra unos pocos).

2.2 Agentes patógenos y enfermedad infecciosa 2.2.1 ¿Qué es un agente patógeno? Cualquier especie dada tiene muy pocos agentes patógenos. Probablemente más de 99.9% de todos los agentes en potencia infecciosos de hecho son no patógenos en individuos normales, y sólo algunos representan agentes infecciosos oportunistas que pueden 49

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

causar enfermedad en individuos que tienen alteraciones inmunitarias (sección 2.2.4). Un agente patógeno es cualquier agente infeccioso que causa enfermedad. Con todo, ésta es una definición demasiado simple. Algunos agentes patógenos, como el virus de la rabia, casi siempre causarán enfermedad si llegan a los tejidos de un huésped mamífero (p. ej., por una mordedura), pero es muy poco probable que deglutir el virus de la rabia causaría cualquier daño en absoluto. Otros, que a menudo se consideran demasiado patógenos, como Mycobacterium tuberculosis (la bacteria que causa la tuberculosis), únicamente causarán enfermedad clínica en una minoría de las personas sanas que los inhalan. Algunos, que son considerados normalmente inocuos, pueden causar enfermedad si están en el sitio erróneo; en otras palabras, se hacen patógenos. Por ejemplo, Escherichia coli, una bacteria habitante normal del intestino grueso, puede causar inflamación aguda de la vejiga (cistitis) si entra a las vías urinarias. Otros microorganismos son relativamente inocuos o por completo inocuos para la mayoría de los seres humanos, pero pueden causar enfermedad en personas que tienen defectos genéticos de la inmunidad; en otras palabras, inmunodeficiencias primarias. Pneumocystis jirovecii es un hongo muy difundido en el ambiente. Todos los seres humanos deben estarlo inhalando a intervalos frecuentes, sin resultados perjudiciales. Aun así, es una causa importante de enfermedad en pacientes infectados por el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) que progresan hacia una inmunodeficiencia secundaria —el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA)— conforme sus células T CD4 son eliminadas. La clase de infección que Pneumocystis causa en esos casos se llama oportunista. Hay una implicación de esta observación que no parece apreciarse ampliamente. Los enfermos con inmunodeficiencia pueden quedar infectados en clínica por organismos que son inocuos para otros. De modo que esto sólo puede significar que en individuos inmunocompetentes el sistema inmunitario está trabajando continuamente, de manera subclínica, sin que la persona esté consciente en absoluto de que los mecanismos de defensa están, o han estado, en acción. Esto sugiere que debe modificarse de modo radical la perspectiva que se tiene del sistema inmunitario. No es un sistema que únicamente entre en operación cuando se encuentra un agente patógeno; es un sistema fisiológico que forma una parte muy importante de la homeostasis normal, como la regulación de la temperatura o la regulación de la ingestión de alimentos. P2.1. ¿Qué tan válido o útil es considerar al sistema inmunitario como un sexto sentido? Para ser un agente patógeno exitoso, un microbio debe haber adquirido por evolución mecanismos que le permitan evadir o evitar la defensa de un huésped (aquí se usa el término microbio para cubrir todos los agentes infecciosos, independientemente de su tamaño). Estos mecanismos le permiten infectar al huésped y causar enfermedad (sección 1.2), mientras que agentes similares pero no patógenos que carecen de esos mecanismos no pueden infectar ni causar enfermedad. Las moléculas expresadas por agentes patógenos que les permiten infectar a sus huéspedes y sobrevivir en ellos, así como causar enfermedad, se conocen como factores de virulencia. Los agentes patógenos usan muchos mecanismos diferentes para subvertir la inmunidad, y al examinar estos mecanismos es posible aprender mucho acerca de la inmunidad a la

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infección. Un experto en virus de la viruela bobina ha sugerido que se aprenderá más acerca de la inmunidad a la viruela bobina al descifrar el genoma de dicho virus y, en consecuencia, al identificar los componentes que el virus podría utilizar para subversión o evasión, que al estudiar las respuestas inmunitarias al virus en sí. De manera que ¿cuáles son los diferentes tipos de agentes patógenos a los cuales los seres humanos con inmunidad por lo demás normal son susceptibles, y cómo establecen infecciones? 2.2.2 ¿Qué tipos de agentes patógenos pueden causar enfermedad? Una notoria diversidad de organismos pueden ser causantes de enfermedad, o patógenos, aunque sólo un número relativamente pequeño de cada uno es patógeno en cualquier especie dada, como el ser humano. Quizá los más pequeños —aun cuando éstos no son organismos verdaderos— son los virus, que incluyen muchos tipos, muchos probablemente aún no descubiertos. Después están las bacterias, un vasto número de diferentes tipos de organismos procariontes unicelulares que pueden vivir fuera o dentro de las células del huésped (los procariontes carecen de un núcleo rodeado por membrana). La complejidad aumenta porque también hay levaduras y hongos eucariontes unicelulares y multicelulares (los eucariontes poseen un núcleo rodeado por membrana). Además, hay un enorme grupo de organismos que se clasifican como parásitos verdaderos, cuyo tamaño varía desde microscópicos (p. ej., protozoos, el parásito del paludismo) hasta en verdad enormes (metazoos, como los helmintos, por ejemplo, las tenias en el intestino). Tal vez incluso tengan que considerarse moléculas como agentes patógenos si es el caso que enfermedades como la encefalopatía espongiforme bovina (BSE) en seres humanos o la tembladera en ovejas se originan por moléculas de proteína que muestran plegamiento erróneo llamadas priones. Es sorprendente, pero esencial, que el sistema inmunitario ha adquirido por evolución diversos mecanismos que pueden en potencia atacar, y a menudo erradicar de modo exitoso, tantos tipos de agentes infecciosos, que difieren de manera notoria en tamaño (desde nanómetros hasta metros) y ubicaciones luego de la infección (fuera y dentro de las células, y que infectan diversos tejidos diferentes) (figura 2-1). Sin embargo, incluso si muchos de estos organismos infecciosos son erradicados de modo exitoso a su debido tiempo, muchos aún pueden causar enfermedad antes de que esto ocurra; los síntomas que se sufren cuando se padece un resfriado o una gripe son ejemplos de este tipo de enfermedad. Ahora se examinarán con más detalle las principales clases de agentes infecciosos, algunos de los cuales son patógenos. 2.2.2.1

Virus

Los virus son partículas subcelulares que contienen ácido nucleico (DNA o RNA) en una cubierta de proteína. Pueden o no tener una envoltura de lípido externa derivada de células del huésped. Dependen por completo de las células del huésped para su replicación. Al igual que para otros agentes patógenos, hay muchas maneras en las cuales pueden entrar al organismo: desde el aire, los alimentos o el agua (p. ej., la ruta orofecal para la poliomielitis), por medio de transmisión sexual, o mediante vectores vivos (p. ej., por una picadura de insecto para la fiebre amarilla, o una mordedura de mamífero para la rabia). Casi todos los agentes in-

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2.2

1

Virus Agente patógeno intracelular obligado, p. ej., gripe (20 a 800 nm)

2

Bacteria Procarionte: carecen de núcleo Múltiples estilos de vida P. ej., Staphylococcus (0.2 a 20 μm)

3

Agentes patógenos y enfermedad infecciosa

4

Hongos Eucariontes: tienen núcleo P. ej., Candida (2 μm a cm)

Parásito protozoo Generalmente dos o más huéspedes P. ej., Plasmodium (el parásito que produce el paludismo) (10 a 200 μm)

51

5

Parásito multicelular Múltiples ciclos de vida P. ej., tenia (1 cm a 3 m)

Figura 2-1 Principales clases de agentes patógenos. Muy pocos agentes en potencia infecciosos son patógenos. Un agente patógeno invade un huésped para obtener refugio o alimentación, o para reproducirse, de manera que puedan sobrevivir para infectar otros huéspedes. 1) Los agentes patógenos más pequeños son los virus, que usan la maquinaria de las células del huésped para reproducirse. 2) a 4) Les siguen en tamaño las bacterias, los hongos y los protozoos unicelulares; algunos viven fuera de las células, y otros de preferencia viven dentro de ellas. 5) Los parásitos más grandes son metazoos multicelulares que son demasiado grandes como para invadir células, pero que pueden vivir en cavidades corporales, como los gusanos intestinales. Todos éstos pueden desencadenar respuestas inmunitarias. No sorprende que se necesiten diferentes tipos de inmunidad para afrontar estos distintos agentes infecciosos.

fecciosos, incluso los virus, sobreviven al seguir un ciclo desde sus reservorios (fuentes naturales del agente), pasando por sus vectores (que les permiten ser transmitidos hacia los huéspedes por medio de diferentes rutas), hasta sus huéspedes (entre ellos el ser humano) y de nuevo de regreso (figura 2-2). Las barreras importantes para la entrada de virus son, por supuesto, los epitelios, las láminas de células que cubren superficies corporales, como la piel, y los revestimientos de las vías respiratorias y el tracto intestinal, e incluso estructuras como glándulas secretorias en la mama en lactación, y los túbulos de absorción en los riñones. Algunos virus, como el de la rabia, pueden penetrar en las capas epiteliales externas del cuerpo mediante una mordedura. (En este caso el virus incluso cambia la conducta de su huésped para incrementar las probabilidades de transmisión a otros; los hace agresivos, de modo que sea más probable que muerdan.) Empero, casi todos los virus necesitan infectar la primera capa epitelial a la que llegan (p. ej., en las vías respiratorias o el intestino). Muchos virus, como el de la gripe, únicamente infectan esta primera capa epitelial. El daño que los virus causan a epitelios puede facilitar entonces infecciones secundarias por bacterias; esto suele suceder en el resfriado común. P2.2. Si la gripe sólo infecta el epitelio respiratorio, ¿por qué la persona que tiene gripe siente malestar general? Otros virus tienen una historia de vida en la cual infectan secuencialmente distintos tipos de células. Por ejemplo, el virus de la poliomielitis primero infecta el epitelio intestinal y a continuación puede infectar células en los ganglios linfáticos que drenan el intestino, hacia los cuales viaja en la linfa. En una pequeña minoría de los casos, el virus también infecta neuronas motoras en la médula espinal, lo que conduce a parálisis muscular y, de

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este modo, evita la respiración; durante el decenio de 1950-1959, esto hacía que los pacientes pasaran el resto de su vida conectados a respiradores para establecer respiración artificial. Algunos, como el virus de la gripe, son virus de “un golpe” —causan una infección, pero el sistema inmunitario los elimina con rapidez—. Otros, una vez que han infectado, pueden permanecer en el ser humano durante periodos prolongados o de por vida. El virus del herpes simple (HSV) infecta células epiteliales en la orofaringe o el tracto genital, pero después infecta neuronas sensoriales y viaja hacia los ganglios de la raíz dorsal en la médula espinal. Si bien la persona no se percata, una vez que ha quedado infectada, el virus permanecerá ahí durante el resto de su vida, a menudo oculto del sistema inmunitario; esto se llama latencia. Quien alguna vez haya padecido herpes labial, siempre tendrá el virus. De vez en cuando el virus se reactiva y viaja de regreso por los nervios a la piel, y causa las lesiones típicas de herpes labial. Ocurre lo mismo para la varicela; una vez que una persona queda infectada siempre tendrá el virus, pero en este caso, si es reactivado, causa la enfermedad dolorosa conocida como herpes zóster. Para infectar una célula, un virus primero tiene que fijarse a esta última; por lo general lo hace al unirse a moléculas específicas sobre la superficie celular. De esta manera, para la gripe, la hemaglutinina (HA; una molécula en la envoltura viral) se une al ácido siálico (un carbohidrato que forma parte de muchas moléculas de glucoproteína sobre la superficie de células). En el caso del HIV, la proteína de envoltura gp120 puede unirse a una molécula llamada CD4 sobre células T de ser humano, así como sobre células dendríticas (DC) y macrófagos (que, en seres humanos, también expresan CD4). Esta especificidad de unión determina cuáles células puede infectar un virus particular; esto se conoce como tropismo viral. Por ejemplo, el virus de la poliomielitis únicamente puede infectar células de ser humano y de algunos primates.

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

Reservorios

El individuo mismo

Vectores

Huésped

Inhala

El individuo mismo

Ingiere Otro individuo

Sexual Inyecta

Animal

Animal

Alimento Agua Suelo Etcétera

Alimento Agua Gotitas Etcétera

Figura 2-2 Transmisión de enfermedades infecciosas. Los agentes infecciosos son transmitidos a su huésped desde reservorios, que pueden incluir el huésped mismo. Los vectores de la transmisión pueden ser físicos (p. ej., gotitas) u otras especies biológicas. Los agentes infecciosos pueden entrar al huésped por medio de diferentes rutas, generalmente por ingestión, inhalación o inyección (la transmisión sexual también es frecuente).

Fusión directa

Endocitosis

Ácido nucleico Síntesis de proteína Gemación

No obstante, si se inyecta RNA del virus de la poliomielitis hacia células de pollo, pueden formarse virus por completo infecciosos porque, una vez dentro de la célula, pueden usar la maquinaria celular para replicarse. Los virus resultantes son capaces de infectar células de ser humano, pero aún no pueden infectar otras células de pollo porque carecen del receptor apropiado. Esto muestra que el tropismo (rango de huésped) de este virus está determinado por su capacidad para unirse a moléculas expresadas por la célula huésped. De modo similar, los ratones en circunstancias normales son por completo resistentes a la poliomielitis. Sin embargo, si se construyen ratones transgénicos que expresan el receptor del virus de la poliomielitis de ser humano, el ratón puede quedar infectado, y sus células pueden liberar virus por completo infecciosos (figura 2-3). Los virus fijos pueden unirse a la membrana plasmática, después de lo cual su envoltura se fusiona de manera directa con la membrana, o pueden entrar a la célula por medio de endocitosis. En la endocitosis la membrana celular asociada con el virus unido se invagina, y se cierra para formar una vesícula endocítica que contiene el virus y algo de líquido extracelular. (En contraste, la captación de una molécula pequeña, como una bacteria, se llama fagocitosis, y las vesículas formadas se denominan fagosomas.) Las proteínas en el virus permiten a este último fusionarse con

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Montaje viral

Muerte celular Liberación desde la célula muerta

Figura 2-3 Ciclos de vida de virus patógenos. Después de la transmisión, los virus se unen a moléculas específicas expresadas por la célula huésped (esto determina las células que pueden ser infectadas, es decir, el tropismo del virus) y después son internalizados por medio de endocitosis o por fusión directa con una membrana celular. El ácido nucleico viral es liberado y se sintetizan proteínas virales. Algunas proteínas están involucradas en la replicación del ácido nucleico viral, y otras se usan para el montaje de nuevas partículas virales. Los virus a continuación pueden ser liberados desde la célula sea mediante gemación desde la membrana o por muerte de la célula.

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2.2

la membrana endosomal, y el ácido nucleico viral ahora puede entrar al citoplasma. Por ejemplo, en la gripe, el pH bajo en el endosoma induce un cambio conformacional en la HA viral, lo que le permite fusionarse con la membrana endosomal. El ácido nucleico viral secuestra la maquinaria metabólica de la célula y le da instrucciones para la síntesis de proteínas virales. En muchos casos, las llamadas proteínas tempranas están involucradas en la regulación del metabolismo y la replicación del genoma viral, lo cual va seguido por la síntesis de proteínas tardías que son montadas para formar las partículas virales. El virus es liberado desde las células sea mediante gemación, en cuyo caso parte de la membrana de la célula infectada forma la envoltura viral, o al causar la muerte de la célula y permitir la liberación de nuevos virus hacia los espacios extracelulares, desde donde pueden infectar nuevas células o nuevos huéspedes. 2.2.2.2

Bacterias

Las bacterias son organismos pequeños, autónomos, por lo general capaces de reproducirse independientemente de células huésped. Están presentes en todas partes en todo el ambiente del ser humano, pero casi todas son inocuas, y de hecho algunas son muy beneficiosas para sus huéspedes. Las bacterias se clasifican por sus características morfológicas y bioquímicas (p. ej., los cocos son redondos y los bacilos son alargados). El lector también puede ver a las bacterias descritas como grampositivas o gramnegativas. Esto se refiere a sus propiedades de tinción con colorantes particulares, y refleja las propiedades bioquímicas de sus paredes celulares. Empero, desde el punto de vista de patogénesis e inmunidad, es más útil clasificar las bacterias en términos de los mecanismos por medio de los cuales causan enfermedad; este método se usa en las secciones que siguen. A diferencia de los virus, no hay una historia de vida en general aplicable, porque las bacterias tienen patrones de conducta muy diversos. Con todo, las infecciones bacterianas se contraen en gran parte mediante los mismos mecanismos que para los virus, como se muestra en los ejemplos que siguen. Pueden adquirirse a partir de gotitas en el aire, como en bacterias que causan faringoamigdalitis (Streptococcus pyogenes) o tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis); desde alimentos y agua para beber contaminados, como en las bacterias que causan intoxicación alimentaria (Salmonella) y enfermedades diarreicas (Vibrio cholerae; cólera); por medio de contacto sexual (Treponema pallidum; sífilis), o a través de cortaduras y abrasiones (Clostridium tetani; tétanos) o mordeduras o picaduras de insectos (Yersinia pestis; peste). De hecho, a menudo se derivan de los huéspedes mismos: la infección de vías urinarias que se origina por bacterias normales del intestino grueso (Escherichia coli; cistitis) es un ejemplo que ya se mencionó. Algunas bacterias no necesitan infectar o cruzar una superficie epitelial para causar infección. Después de inhalación, Streptococcus pneumoniae, la causa de la neumonía lobar, habita los espacios respiratorios más pequeños (alvéolos) en el pulmón. Luego de la ingestión, Vibrio cholerae se fija al epitelio intestinal, pero no lo invade. Aun así, algunas bacterias invaden epitelios. Después de la ingestión, Shigella disenteriae (la causa de la disentería) invade el epitelio intestinal pero no va más allá, mientras que otros organismos, como Salmonella typhi, la causa de la tifoidea, van aún más adelante. Esta última primero invade el epitelio intestinal, pero a continuación cruza el endotelio (la capa de células que revisten los vasos sanguíneos, así como vasos linfáticos) para entrar al torrente sanguíneo e infectar otros sitios, como el

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Agentes patógenos y enfermedad infecciosa

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hígado. Como quiera que sea, muchas bacterias que han cruzado una superficie epitelial permanecen en su mayor parte fuera de la célula y, por esta razón, se denominan bacterias extracelulares. De cualquier modo, otras, en particular las micobacterias que causan tuberculosis y lepra, viven de preferencia dentro de las células del huésped, a menudo de hecho principalmente dentro de macrófagos, las células que en circunstancias normales desempeñan papeles importantes en la defensa contra este tipo de organismo; por ende, las bacterias pueden llamarse bacterias intracelulares. Ellas, y algunos parásitos protozoos, como Leishmania, también pueden denominarse parásitos intracelulares facultativos —el término parásito se usa aquí en un sentido genérico más que específico— (figura 2-4). 2.2.2.3

Hongos

Las infecciones por hongos (micosis) se adquieren principalmente a partir del ambiente local. Sus esporas se encuentran en todos los sitios, y en su mayor parte causan infecciones superficiales: el pie de atleta, la tiña inguinal y el algodoncillo (vulva y boca) son ejemplos comunes. A veces las micosis pueden diseminarse en todo el cuerpo (micosis sistémicas), pero esto es raro en individuos normales, aunque puede ser un problema importante en personas con inmunodeficiencias como el SIDA. 2.2.2.4

Parásitos

Como se mencionó, una amplia variedad de organismos diferentes se agrupan y se clasifican como parásitos, aunque el término en ocasiones se usa de manera más general para incluir también ciertas bacterias (véase antes). De hecho, todos los parásitos “verdaderos” son, por definición, eucariontes. La diversidad de esos parásitos varía desde organismos eucariontes unicelulares, como los protozoos, hasta metazoos multicelulares, como los gusanos. Parasitismo se refiere a una relación simbiótica en la cual el organismo infeccioso vive sobre su huésped o dentro del mismo, y obtiene nutrición a partir de él, a menudo en detrimento del huésped. Otra forma de simbiosis es el comensalismo, en el cual un miembro de la pareja se beneficia sin al parecer afectar al otro. Por ejemplo, las bacterias comensales pueden beneficiar al huésped al competir con otras bacterias en potencia patógenas. No obstante, está claro que las bacterias comensales también se benefician a partir de esta relación (p. ej., el huésped proporciona refugio y una fuente de nutrientes) y, como tal, esta relación en realidad refleja otra forma de simbiosis llamada mutualismo, en la cual ambas partes se benefician. Sin embargo, es difícil ver cómo los parásitos verdaderos podrían beneficiar a sus huéspedes de modo alguno. Los parásitos tienen historias de vida enormemente diversas —a veces pasan por notorios cambios morfológicos (y sexuales) distintos a diferentes etapas— y sería poco prudente tratar de generalizar cómo se adquieren o cómo causan enfermedad. Empero, algunas infecciones por protozoo se transmiten a seres humanos mediante picaduras o mordeduras de insecto. Por ejemplo, los protozoos que causan el paludismo (Plasmodium) son transmitidos por mosquitos, los que causan la enfermedad del sueño africana y la enfermedad de Chagas (Trypanosoma) por moscas tse-tse y chinches asesinas, respectivamente, y Leishmania por moscas de arena. Otros se adquieren por vía oral, como los protozoos que causan disentería amebiana (Entamoeba histolytica) y toxoplasmosis (Toxoplasma gondii). Luego de la infección de sus huéspedes, algunos protozoos viven dentro de células particulares, como Leishmania, que de preferencia infecta macrófagos (véase antes).

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

Bacteria piógena (p. ej., Streptococcus pyogenes)

Bacteria intracelular (p. ej., Mycobacterium tuberculosis)

Gotitas

Gotitas

Individuo infectado

Epitelio respiratorio superior

Alvéolo

Macrófago

Inflamación crónica (granuloma)

Gotitas Neutrófilos Inflamación aguda Erosión hacia las vías respiratorias

Individuo no infectado Fibroblasto Macrófago Linfocito T

Figura 2-4 Ciclos de vida de bacterias patógenas. Diferentes tipos de bacterias causan tipos de enfermedades muy distintos. Algunas bacterias piógenas (que forman pus), como Streptococcus, pueden vivir, y replicarse fuera de la célula, y pueden diseminar infecciones destructivas hacia diversos tejidos. Sin tratamiento, pueden causar inflamación aguda que se resuelve en el transcurso de algunos días o puede causar la muerte, de nuevo en algunos días. Otras bacterias, como Mycobacterium tuberculosis, que causa tuberculosis, sólo pueden sobrevivir y replicarse dentro de la célula. La respuesta inmunitaria contra las células infectadas suele causar inflamación crónica que típicamente dura meses o años si no se trata de modo exitoso.

Otros pueden infectar diversos tipos de células incluso a diferentes etapas de su historia de vida. Como se verá (sección 2.4.5), el parásito del paludismo (Plasmodium falciparum) después de infectar hepatocitos en el hígado pasa por repetidos ciclos de infección de eritrocitos (figura 2-5). En términos de rutas de transmisión, principios similares a los anteriores a menudo también se aplican a infecciones por gusanos. Por ejemplo, los gusanos que causan filariasis (Onchocercidae) son transmitidos por insectos que muerden o pican, mientras que los

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que causan triquinosis (Trichinella spiralis) se adquieren por vía oral a partir de los alimentos. Algunos han adquirido por evolución mecanismos para infectar de manera directa a través de la piel: luego de la liberación por caracoles hacia el agua, los parásitos que causan esquistosomiasis (Schistosome cercariae) pueden penetrar de modo directo en la piel expuesta de seres humanos que entran en contacto con ellos. En general, una vez que han infectado, algunos parásitos en etapas diferentes de su ciclo de vida pueden invadir diversos tejidos, como T. spiralis que infecta la mucosa intestinal,

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2.2

Agentes patógenos y enfermedad infecciosa

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Vena Gusano hembra maduro Vejiga urinaria

Huevos

Pulmones

Penetración en la piel

Caracol

Orina Huevos

Cercarias

Figura 2-5 Ciclos de vida generalizados de parásitos. Los parásitos despliegan una enorme variedad de ciclos de vida. En muchos casos hay un reservorio animal y un vector animal diferente. A menudo, como en la esquistosomiasis, el parásito existe en diferentes formas en el reservorio, el vector y el huésped humano. Los esquistosomas son parásitos metazoos que viven en caracoles de agua y son transmitidos por medio de sus formas cercarias que penetran en la piel de seres humanos que están en el agua. Migran hacia los pulmones, maduran, y las formas sexuales adultas viven en los vasos sanguíneos en diferentes sitios. Algunas especies viven en vasos sanguíneos alrededor de la vejiga urinaria, y los huevos pueden entrar entonces en la vejiga, y volver a entrar al agua mediante la orina, para infectar más caracoles.

el hígado y músculos esqueléticos. Otros, como las tenias, al ser mucho más grandes, permanecen en la luz del intestino. 2.2.3 Infección y enfermedad Es importante distinguir entre infección y enfermedad. Si un cuarto lleno de individuos inmunocompetentes quedara sujeto a un aerosol que contuviera una bacteria patógena (p. ej., Mycobacterium tuberculosis), todos inhalarían la bacteria, pero sólo una pequeña proporción, posiblemente alrededor de 10%, presentaría enfermedad clínica. El resto habría quedado infectado de manera activa, pero habría controlado la bacteria sin signo clínico alguno de enfermedad. En este último caso, las personas quedaron en realidad infectadas por el microorganismo, en el sentido de que este último tuvo acceso al cuerpo, pero con sistemas inmunitarios por completo funcionantes, lograron recuperarse sin signos clínicos de enfermedad; por ende, la infección no necesariamente da pie a enfermedad (figura 2-6). ¿Qué propiedades necesita poseer un microbio si tiene el potencial para causar enfermedad en individuos normales? i) Necesita ser capaz de tener acceso al huésped y sobrevivir. ii) Debe ser capaz de evadir o subvertir los mecanismos de defensa que el individuo normal posee. iii) Necesita ser capaz de causar, de modo directo o indirecto, el daño tisular asociado con enfermedad. La causa directa puede

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ser, por ejemplo, por secreción de toxina. La causa indirecta a menudo representa daño colateral, porque la respuesta inmunitaria contra el microbio es la causa real del daño de tejido. Con cierta frecuencia un individuo que se ha recuperado en clínica después de una infección y que, por tanto, está asintomático, o que nunca ha tenido síntomas clínicos, es infeccioso para otros; estos individuos se conocen como portadores. El ejemplo más famoso es Typhoid Mary —una cocinera en Nueva York a principios del siglo XX— quien, después de recuperarse de tifoidea, retuvo la bacteria viva en la vesícula biliar desde donde se excretaba hacia sus heces. Se dice que llegó a infectar a más de 40 personas, varias de las cuales murieron, probablemente debido a higiene personal inadecuada. Hay muchos otros ejemplos de estados de portador: hepatitis B, hepatitis C, HIV, Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA), sífilis, meningococo (Neisseria meningitidis) y gonorrea (Neisseria gonorrhoeae) son algunos de los mejor conocidos. 2.2.4 Enfermedades de inmunodeficiencia Algunos individuos sufren una frecuencia o patrón poco común de enfermedad infecciosa, que a menudo queda de manifiesto en etapas muy tempranas de la vida. Estas enfermedades pueden representar incapacidad para montar una respuesta inmunitaria eficaz contra una infección, y pueden ser hereditarias o adquiri-

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

Infección subclínica (sujeto normal)

Infección clínica oportunista (sujeto inmunodeficiente)

Pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii

Pulmones

Respuesta inmunitaria

Respuesta inmunitaria defectuosa

Eliminación/control

Eliminación ineficaz/replicación

Sin síntomas

Neumonía

Figura 2-6 Infección clínica y subclínica. Casi ningún microbio que entra al organismo causa síntomas: el sistema inmunitario los afronta de manera silenciosa, de modo que la infección es subclínica. Otros microbios, cuando infectan, siempre causarán síntomas: la infección es evidente en clínica. Algunos organismos, como el hongo Pneumocystis jirovecii, no causan infección clínica en seres humanos normales, pero pueden hacerlo si el sistema inmunitario es defectuoso, como en el SIDA: estas infecciones son oportunistas. Las infecciones oportunistas indican que en individuos normales el sistema inmunitario está trabajando continuamente para eliminar muchos microbios o para controlarlos.

das; éstas son las enfermedades de inmunodeficiencia. Si un niño nace con una mutación en un gen que codifica para una molécula importante en la inmunidad a infección, el defecto puede hacer que el niño quede infectado por agentes patógenos comunes con mayor frecuencia que los individuos normales. También pueden quedar infectados por microbios que no dan lugar a infecciones clínicas en individuos que tienen inmunidad normal. A menudo éstos se hacen evidentes como infecciones graves, persistentes, poco comunes o recurrentes (SPUR); tales defectos genéticos, que pueden heredarse de una manera autosómica o ligada a X, se conocen como inmunodeficiencias primarias. Difieren de las infecciones que son secundarias a otra causa, como un individuo con cáncer avanzado o que ha recibido tratamiento enérgico para cáncer o, como se mencionó, individuos que han quedado infectados por HIV y han progresado a SIDA. Estas últimas enfermedades se llaman inmunodeficiencias adquiridas o secundarias. Las inmunodeficiencias primarias pueden depender de defectos en genes involucrados en la inmunidad innata o, con mayor frecuencia, en la inmunidad adaptativa. Los defectos de la inmunidad innata comprenden mutaciones en genes que codifican para proteínas involucradas en el reclutamiento de fagocitos hacia sitios inflamatorios o en la capacidad de fagocitos para matar bacterias, por ejemplo, deficiencia de adhesión de leucocito (LAD) y enfermedad granulomatosa crónica (CGD), respectivamente, así como en componentes estructurales o reguladores del sistema de complemento (deficiencias de complemento). Los defectos de la

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inmunidad adaptativa comprenden mutaciones en genes que codifican para proteínas que son esenciales para el desarrollo normal de linfocitos, de modo que las células T, o las células B, o ambas, faltan o son defectuosas, o que se necesitan para que las células T ayuden a las células B a sintetizar diferentes tipos de anticuerpos, por ejemplo, inmunodeficiencia combinada grave (SCID) y síndrome de hiper-IgM (HIGM), respectivamente. Ahora se reconocen alrededor de 200 inmunodeficiencias primarias diferentes, y hasta la fecha se han identificado las bases genéticas de más de la mitad de ellas. Estas inmunodeficiencias son muy raras, pero son altamente informativas porque proporcionan evidencia para el papel de esos genes —y de los mecanismos que regulan— en la inmunidad normal. Más adelante en este capítulo se volverán a mencionar algunas de las antes mencionadas, y otras, y en los capítulos 3 a 6 se comentan algunas de ellas con mayor detalle, y en ocasiones se les ilustra con estudios de caso. P2.3. Si las inmunodeficiencias llevan a tanta muerte y enfermedad, ¿por qué la evolución no ha seleccionado para su eliminación? De manera similar, las inmunodeficiencias secundarias (adquiridas) son de naturaleza variada. Algunas, como el SIDA, se entienden bien, aun cuando poco se puede hacer respecto a ellas. Otras, como las que acompañan a infecciones como el sarampión, se entienden mucho menos bien.

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2.2

Agentes patógenos y enfermedad infecciosa

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Embrión Reproducción

Ratón homocigótico para el gen alterado

Ratón con gen alterado único

Transferencia hacia hembra de ratón seudopreñada

Célula madre embrionaria (ESC) Se inyecta hacia el blastocisto

Gen normal (dos copias)

Transfección de gen alterado

Recombinación homóloga

ESC con el gen alterado

Figura 2-7 Ratones dirigidos hacia gen (gene-targeted ), con deleción (knockout ). Las células madre embrionarias (ES) del blastocisto (una etapa temprana de la embriogénesis) tienen el potencial de desarrollarse hacia cualquier célula o tejido del organismo. Se han creado técnicas para mantener estas células por tiempo indefinido en cultivo. A continuación es posible insertar (efectuar transfección) hacia células ES de DNA que contiene un gen cuya secuencia se ha alterado. En cultivo de tejidos, las células madre se dividen y, en raras ocasiones, el gen insertado reemplazará el gen normal por medio del proceso de recombinación homóloga. La célula ES alterada a continuación se puede inyectar en un embrión de ratón temprano, insertar en una hembra “seudopreñada”, y puede entrar a la línea germinal. A continuación, una copia del gen defectuoso puede expresarse en la progenie del ratón resultante. Al cruzar ratones que expresan una copia del gen defectuoso, pueden seleccionarse ratones homocigóticos para el gen defectuoso. Estos ratones no expresan la proteína codificada por el gen normal porque ese gen no ha sido objeto de deleción (“knockout”).

2.2.5 Exploración de la inmunidad a infección Antes de empezar a comentar los modos en los cuales se combaten infecciones reales, es importante pensar acerca de evidencia: ¿cómo es que se sabe cuáles moléculas, células o tejidos son importantes en la defensa contra algún agente patógeno particular? Este tipo de evidencia puede obtenerse a partir de diferentes situaciones. En primer lugar, como se comentó (sección 2.2.4), se dispone de estudios de enfermedad en seres humanos. Las funciones de diferentes mecanismos de defensa en el combate de la infección a menudo son demostrados con mayor claridad por individuos que por una u otra razón no pueden generar un mecanismo particular. Es posible preguntar entonces ¿qué clase de infecciones adquieren? Esto, a su vez, proporciona evidencia para la función normal de ese mecanismo en la defensa del huésped contra el tipo particular de agente infeccioso. Así, los estudios de estos pacientes son de lo más valiosos para entender la inmunidad a la infección. Con todo, en algunos casos, la deficiencia sólo puede identificarse en uno o dos individuos en extremo raros, de manera que aún se necesita cuidado al extrapolar algunas de estas observaciones a la población entera. En segundo lugar, se dispone de estudios en animales de experimentación. Los experimentos en animales son cruciales por

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cuanto permiten el estudio de cada una de las partes de las respuestas inmunitarias, y el análisis de las mismas, de modo que nunca pueden lograrse en seres humanos. Un buen ejemplo de esto proviene del uso de ratones genéticamente modificados (p. ej., ratones en los cuales se ha efectuado deleción [“knockout”] de un gen, de manera que ya no pueda expresarse su producto). De este modo, si se encuentra que un paciente con susceptibilidad aumentada a una clase de infección particular tiene un defecto en la producción de una proteína, por ejemplo, un receptor para una citocina como el receptor del interferón (IFN)-␥, este defecto es un buen candidato para la base molecular del incremento de la susceptibilidad, pero, por supuesto, es posible que haya otros defectos que no se han identificado. Aun así, si el gen que codifica para esa proteína es inactivado en un ratón (y sólo ese gen es desactivado), y el ratón muestra susceptibilidad aumentada a una infección similar, ésta es una evidencia mucho más fuerte de que el gen candidato de hecho es crucial en el desarrollo de inmunidad a esa clase de infección. Como quiera que sea, es necesario hacer una advertencia: los mecanismos de inmunidad que han evolucionado en seres humanos a veces son diferentes de los que se encuentran en ratones, de manera que a veces las deleciones (knockouts) de gen en ratones no recapitulan por completo las enfermedades en seres humanos (figura 2-7). Un tercer método es más activo. Experimentalmente, la resistencia a la infección a menudo se puede transferir a un animal

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

Agente patógeno Vacuna

Vacuna

Agente patógeno Anticuerpo

Células T

Animales normales Enfermedad o muerte Agente patógeno

Recuperación (inmunidad)

Enfermedad o muerte

Recuperación

Figura 2-8 El principio de la transferencia adoptiva de inmunidad. Si un animal es vacunado contra un microbio patógeno (o se ha recuperado de una infección) generalmente es resistente a la reinfección por el mismo microbio. Para averiguar qué parte del sistema inmunitario está mediando esta resistencia, diferentes componentes de la inmunidad, como los anticuerpos en el suero o células T aisladas a partir de tejidos linfoides, pueden transferirse a un animal normal; este procedimiento se conoce como transferencia adoptiva. A continuación el receptor puede ser objeto de pruebas para resistencia al microbio. En el caso mostrado, se necesitan células T, pero no anticuerpos, para defensa contra este agente patógeno particular.

no inmune al transferir el mecanismo efector inmunitario apropiado; esto se conoce como transferencia adoptiva, un método de lo más importante en investigación inmunológica. De este modo, células como linfocitos o subpoblaciones de los mismos, o suero que contiene anticuerpos, pueden transferirse desde un animal inmune hacia un animal normal, y efectuar pruebas para inmunidad en el receptor. Aunque este método se utiliza más a menudo en forma experimental, en algunos casos la transferencia adoptiva se usa para tratar enfermedad en seres humanos o prevenirla; por ejemplo, anticuerpos producidos en caballos o en seres humanos se han usado para tratar tétanos, difteria y hepatitis. En consecuencia, la eficacia de estos últimos tratamientos es evidencia muy fuerte para el potencial de los anticuerpos para mediar defensa contra estos microbios causales (figura 2-8).

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2.3 Defensa del huésped contra infección En esta sección se presentará una perspectiva general de los diferentes mecanismos que se usan en la defensa contra enfermedad infecciosa. Para ilustrar cómo cada componente del sistema inmunitario puede contribuir a la defensa del huésped, se ponen de relieve tipos específicos de agentes infecciosos que pueden ser eliminados por cada una. Este método, por supuesto, es una sobresimplificación, dado que por lo general múltiples mecanismos están involucrados en las respuestas inmunitarias contra cualquier agente patógeno potencial dado, pero permite establecer principios generales, después de lo cual las excepciones se pue-

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2.3

den entender mejor. A continuación, en la sección 2.4 se conjun tan estos mecanismos, y se hace hincapié en las maneras en las cuales los mecanismos innatos y adaptativos se pueden integrar para proporcionar protección eficaz. Un principio importante que debe recalcarse es que puesto que los diferentes tipos de agente patógeno varían tanto en tamaño y en historia de vida, se necesitan mecanismos muy diferentes para afrontarlos. Otro es que puesto que los huéspedes y los agentes patógenos han coevolucionado, en general han alcanzado una relación “equilibrada” a pesar de enfermedad. Véase recuadro 2-1. 2.3.1 Mecanismos de inmunidad innata 2.3.1.1

Fagocitos y fagocitosis

La fagocitosis es la internalización de partículas por células. Los macrófagos y los neutrófilos, así como los neutrófilos polimorfonucleares (PMN), son fagocitos especializados y los más importantes en la defensa contra infección. Pueden fagocitar

Defensa del huésped contra infección

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microrganismos pequeños, como bacterias, parásitos pequeños (protozoos) y algunos hongos, y pueden también internalizar virus; éste es un mecanismo importante que conduce a la eliminación intracelular de algunos tipos de agente infeccioso. Su importancia es mostrada por pacientes en quienes la fagocitosis es defectuosa, o que no pueden reclutar fagocitos hacia sitios inflamatorios y que, por ende, sufren incidencia incrementada de infección; el LAD (capítulo 4) es un ejemplo de este último tipo de defecto (figura 2-9). En la fagocitosis, el microorganismo es reconocido por receptores de superficie celular, que a menudo incluyen ciertos receptores de reconocimiento de patrón (PRR) (sección 1.2.3.1). Posteriormente es internalizado hacia una vacuola rodeada por membrana llamada fagosoma. El fagosoma a continuación se fusiona con orgánulos citoplasmáticos, llamados lisosomas, que contienen toxinas antimicrobianas y enzimas digestivas preformadas. A menudo el microorganismo puede ser muerto y degradado de este modo. Los neutrófilos y, en menor grado pero de manera no menos importante, los macrófagos usan la fagocitosis Endocitosis mediada por receptor

Hoyuelo cubierto con clatrina

Fagocitosis

Citoesqueleto (actina)

Endocitosis de fase fluida (pinocitosis)

Endosoma

Partícula Fagosoma

Ligando

Ligando Receptor

Fusión lisosomal

Receptor ”Mecanismo de cremallera“

Macropinosoma

Macropinocitosis

Figura 2-9 Endocitosis y fagocitosis. Todas las células pueden muestrear su medio extracelular mediante el proceso de endocitosis. Todas pueden captar moléculas en la fase fluida por medio de pinocitosis o mediante endocitosis mediada por receptor, hacia endosomas. Células especializadas como los neutrófilos y macrófagos también pueden internalizar partículas por medio de fagocitosis. Durante la fagocitosis, interacciones secuenciales de receptores de superficie celular y ligandos sobre la partícula pueden dar por resultado un proceso de cremallera que comprende el citoesqueleto de actina, que lleva a que la partícula sea encerrada dentro de la célula en un fagosoma. Algunas células (en especial algunas DC) pueden extender hojas grandes de citoplasma que se fusionan para encerrar grandes volúmenes de líquido; esto es la macropinocitosis. A continuación, las vesículas internalizadas pueden fusionarse con lisosomas que contienen enzimas degradantes. A medida que los endolisosomas maduran se hacen cada vez más acidificados, lo que da lugar a activación de las enzimas degradantes (p. ej., proteasas ácidas) que degradan su contenido. A veces los receptores internalizados son reciclados de regreso a la superficie para que se vuelvan a utilizar (lo cual no se muestra).

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Capítulo 2

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Infección e inmunidad

Recuadro 2-1 Equilibrio en las relaciones huésped-agente patógeno Los huéspedes complejos, y los microbios que los infectan, han evolucionado durante periodos muy prolongados. Es en ventaja del microbio mantener una relación equilibrada con su huésped. Si predomina la defensa, el microbio desaparecerá (como sucedió con la viruela después de la vacunación). Por otra parte, si el microbio predomina, reducirá el aporte de huéspedes hasta un grado en el que no puede transmitir sus genes a otros individuos (se desconoce si esto ha contribuido a la desaparición de especies). Quizá los microbios más exitosos son aquellos que el ser humano no sabe que habiten su cuerpo; éstos incluyen muchos virus silenciosos y las bacterias comensales que el ser humano posee en números tan grandes en el intestino grueso. Por lo general se transmiten de manera directa a la progenie fetal o neonatal, y en circunstancias normales nunca causan enfermedad. Incluso dentro de una especie, la coevolución puede moldear las relaciones entre microbios y sus huéspedes. La enfermedad de seres humanos proporciona algunos buenos ejemplos. Cuando un agente patógeno es introducido de novo en una población, la gravedad de la enfermedad a menudo es mucho mayor que en la población que proporciona sus huéspedes normales. La viruela, introducida a México por los conquista-

como un mecanismo crucial de defensa del huésped. Esto asegura que muchos agentes infecciosos no son patógenos para individuos normales porque pueden ser fagocitados y eliminados con mucha rapidez en etapas tempranas después de infección. Cabe hacer hincapié en que la fagocitosis por macrófagos también es una parte esencial de la homeostasis normal, como en la eliminación de eritrocitos senescentes y de células moribundas (apoptóticas) durante el remodelado de tejido. 2.3.1.2

Opsonización, complemento y anticuerpos naturales

La fagocitosis es una primera etapa esencial en la muerte de muchos virus y otros microbios; puesto que son tan pequeños, muchos virus en realidad son internalizados por medio de endocitosis mediada por receptor. No sorprende que muchos agentes patógenos han adquirido por evolución medios de evitar la fagocitosis (p. ej., al cambiar las estructuras de sus superficies externas). A su vez, los huéspedes vertebrados han adquirido por evolución mecanismos adicionales que, de cualquier modo, aún son capaces de dirigir esos agentes patógenos hacia la vía fagocítica; éste es el proceso de opsonización. Por ejemplo, los microbios pueden ser cubiertos por moléculas del huésped especializadas, como componentes del complemento o, por lo general más tarde después de infección, con anticuerpos. Éstos después pueden ser reconocidos por receptores de superficie celular sobre fagocitos para estimular la fagocitosis (figura 2-10). El sistema de complemento consiste en un gran número de moléculas solubles que circulan en la sangre. Juntas, constituyen una cascada proteolítica en la cual la activación inicial, por tres rutas diferentes, da lugar a la amplificación del número de moléculas activadas generadas en cada etapa. El depósito de ciertos componentes del complemento activados sobre un microbio les permite actuar como opsoninas: su reconocimiento subsiguiente por

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dores españoles, causó enfermedad mucho más grave en los aborígenes que en los españoles, y contribuyó a la conquista de México por una fuerza de invasores relativamente pequeña. La fiebre amarilla causó una epidemia en Menfis en 1878, y la mortalidad entre afroamericanos fue de aproximadamente 10%; en caucásicos fue de 70%, lo que refleja la coevolución del virus y sus huéspedes en África más que en Europa. Las zoonosis (infecciones en seres humanos causadas por microbios cuyo huésped natural es otra especie) también pueden causar enfermedad muy grave. Los virus HIV, ébola, de la enfermedad del mono verde y de la fiebre de Lassa causan enfermedad mucho más grave en seres humanos que en sus huéspedes primates naturales. El nuevo huésped, al no haber tenido tiempo para coevolucionar con el agente patógeno, no puede mantener una relación equilibrada. Estas observaciones señalan que los microbios y sus huéspedes han coevolucionado de modos que maximizan la probabilidad de que el agente patógeno sea capaz de infectar otros huéspedes y que, para los agentes infecciosos más exitosos, generalmente esto es desencadenado por la infección que no causa la muerte o enfermedad grave en sus huéspedes naturales.

receptores del complemento permite la fagocitosis del microbio opsonizado. Otros componentes del complemento están involucrados en la inducción de inflamación aguda. Los componentes activados más tarde en la vía del complemento también pueden montarse hacia poros (el complejo de ataque de membrana) sobre superficies bacterianas, lo que da pie a lisis de algunos tipos de bacterias. El sistema de complemento parece tener particular importancia en la defensa contra bacterias piógenas extracelulares, porque los individuos con defectos genéticos de los llamados componentes centrales y tardíos que son comunes a las tres vías muestran incidencia aumentada de esas infecciones. “Piógeno” significa formador de pus, y las bacterias piógenas típicamente son aquellas como Staphylococcus aureus y Streptococcus pyogenes que causan inflamación aguda y la formación de pus en sitios superficiales (figura 2-11). P2.4. Otra función importante del complemento es eliminar inmunocomplejos del torrente sanguíneo. Los individuos que carecen de algunos componentes del complemento particulares a menudo presentan exantemas cutáneos y, en algunos casos, daño renal grave. ¿Por qué podría ser esto? Los anticuerpos también pueden actuar como opsoninas por sí mismos, o luego de activar complemento y después llevar a captación mediante receptores de complemento (véase antes). Incluso antes de que se monten respuestas adaptativas, se producen los llamados anticuerpos naturales que tienen afinidad débil por diversos agentes infecciosos, y que por lo general activan el complemento. El depósito de otros tipos de anticuerpos sobre un microorganismo puede permitir su reconocimiento subsiguiente por otro grupo de receptores de fagocitos, llamados receptores Fc (FcR), algunos de los cuales inducen fagocitosis.

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2.3

Figura 2-10 Opsonización. La opsonización prepara una partícula para fagocitosis al cubrirla con moléculas para las cuales los fagocitos tienen receptores que pueden mediar la internalización. Por ejemplo, algunas bacterias pueden ser fagocitadas de manera directa mediante PRR (lo cual no se muestra), y a menudo son no patógenas. Las bacterias patógenas pueden haber desarrollado cápsulas para protegerse a sí mismas contra la captación de este modo, pero pueden ser captadas después de que han sido opsonizadas. Las principales opsoninas son anticuerpos y ciertos componentes del complemento que se unen de manera directa a la superficie de microbios, o a anticuerpos que están fijos a ellos (principalmente IgM y algunas clases de IgG). Diversos receptores Fc y de complemento pueden mediar la internalización de partículas opsonizadas con anticuerpos y con complemento, respectivamente.

Defensa del huésped contra infección

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Receptor de complemento

Agente patógeno Complemento

Fagocito Receptor Fc

Agente patógeno Fagocitosis Anticuerpo (IgG)

Agente patógeno

Receptor de complemento

Anticuerpo (IgM o IgG) más complemento

Activación de complemento y producción de opsoninas Vía de la lectina

Vía clásica

Microbio

Antígeno

Carbohidrato Anticuerpo

Lectina de unión a manosa (MBL)

C1q

Vía alternativa

Microbio C3b (formado mediante hidrólisis espontánea de C3)

C3 convertasa

C3

C3b Unión a receptores de complemento CR3 y CR1

Opsoninas iC3b

Figura 2-11 Activación del complemento y producción de opsoninas. El complemento comprende un grupo grande de proteínas, algunas de las cuales pueden ser activadas de modo secuencial en una cascada. Tres vías principales están involucradas en la activación. La vía clásica típicamente empieza con la unión de C1q a anticuerpos sobre la superficie de una partícula. La vía de la lectina a menudo comprende unión de lectina de unión a manosa (MBL) a carbohidratos sobre una partícula. En la vía alternativa se utiliza la activación continua de C3 sobre superficies de partículas, y sirve para amplificar las otras vías. Todas estas vías se unen con la activación del componente C3. Sus productos C3b, y en particular iC3b, actúan como opsoninas potentes por medio de la unión a receptores de complemento, como CR3 y CR1.

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2.3.1.3

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Neutrófilos, bacterias extracelulares y hongos

Los neutrófilos son los leucocitos más comunes en la sangre, y, por consiguiente, pueden ser reclutados con rapidez hacia sitios de infección e inflamación. Una cantidad considerablemente mayor de neutrófilos puede ser movilizada desde la médula ósea a medida que progresa la infección. Las bacterias piógenas extracelulares, que pueden multiplicarse con rapidez fuera de las células del huésped, requieren una respuesta rápida de este último. Debido a sus grandes números y movilización rápida, los neutrófilos desempeñan una función esencial en la eliminación de ese tipo de bacterias, así como de algunos tipos de hongos. Los neutrófilos tienen varios mecanismos para matar bacterias. Es en particular importante la producción intracelular de intermediarios de oxígeno reactivos (ROI), entre ellos peróxido de hidrógeno (que sirve para blanquear el pelo) y ácido hipocloroso (el principal componente del blanqueador doméstico). Estos ROI son secretados hacia la vacuola fagocítica, y pueden ser altamente tóxicos para muchas bacterias. Las proteasas lisosomales, que se secretan hacia la vacuola, son importantes para digerir bacterias, pero también pueden tener un papel directo en la muerte. En neutrófilos, los ROI pueden facilitar esta muerte al ayudar en realidad a incrementar la acidez de la vacuola. Además, los neutrófilos extruden cromatina y ciertas enzimas que pueden atrapar y digerir bacterias fuera de la célula en estructuras identificadas más recientemente llamadas trampas extracelulares de neutrófilo (NET). Una vez que han desempeñado su tarea, los neutrófilos mueren. Otros mediadores que producen ayudan a digerir y licuar el tejido local (en preparación para reparación y reconstrucción), y este líquido, junto con neutrófilos muertos y moribundos, forma pus (figura 2-12). Se sabe que los neutrófilos son importantes en tipos particulares de infección porque los pacientes con números reducidos de neutrófilos o con defectos genéticos, como la incapacidad para

generar ROI, se hacen altamente susceptibles a infección por algunas bacterias piógenas y hongos extracelulares; la CGD (capítulo 4) es un ejemplo de este tipo de defecto. Algunos de los agentes infecciosos que causan enfermedad con mayor facilidad en estos pacientes no son patógenos en individuos inmunocompetentes. (El hecho de que infecten a personas con neutrófilos defectuosos indica que, en personas inmunocompetentes, los neutrófilos están trabajando todo el tiempo sin que la persona se percate de ello.) En particular, estos pacientes pueden tener incidencia aumentada de infección por bacterias piógenas, como Staphylococcus aureus. Es importante percatarse de que los pacientes con defectos de neutrófilos no muestran incremento de la susceptibilidad a otros agentes infecciosos, como bacterias intracelulares (p. ej., micobacterias) y virus; ésta es una buena evidencia de que los neutrófilos en circunstancias normales no desempeñan papeles importantes en la defensa contra estos tipos de organismo. P2.5. ¿Por qué los neutrófilos podrían desempeñar un papel menor en la defensa del huésped contra bacterias intracelulares que contra bacterias extracelulares?

2.3.1.4

Macrófagos, bacterias intracelulares y virus

En contraste con los neutrófilos, los macrófagos en circunstancias normales residen dentro de casi todos los tejidos del huésped. El reconocimiento microbiano por PRR sobre macrófagos residentes en tejido es un estímulo importante en el inicio de inflamación porque estimula la secreción de citocinas y quimiocinas. Cuando la infección causa inflamación, hay reclutamiento de monocitos hacia el sitio de infección, y se desarrollan hacia macrófagos o, bajo influencias que aún no están claras, hacia células dendríticas (DC). Bacteria

Fagocitosis Antimicrobianos, enzimas lisosomales

Fagosoma ROls NADPH oxidasa Gránulos

NET (cromatina)

Gránulos

Exocitosis

Antimicrobianos

Figura 2-12 Mecanismos microbicidas de neutrófilos. Las bacterias fagocitadas están sujetas a diversos mecanismos de muerte potenciales dentro del fagosoma. Éstos comprenden intermediarios de oxígeno reactivos, proteínas y péptidos antimicrobianos, y enzimas lisosomales. Los neutrófilos también pueden ser capaces de secretar o de liberar mecanismos antimicrobianos que actúan fuera de la célula; éstos incluyen proteínas y péptidos antimicrobianos, como defensinas, y NETS que constan de láminas extrudidas de material nuclear que pueden servir para atrapar bacterias, lo que facilita su muerte.

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2.3

A diferencia de los neutrófilos, los macrófagos residentes en tejidos normales tienen defensas antimicrobianas limitadas, probablemente porque por lo general se ocupan de antemano de otras tareas homeostáticas (remodelado de tejido y otras por el estilo). No obstante, pueden inducirse actividades antimicrobianas potentes, incluso la producción de ROI, en macrófagos (quizá principalmente en los macrófagos recién reclutados) por medio de citocinas producidas por otras células, en particular IFN-␥; esta citocina puede ser producida, a etapas tempranas de la infección, por células asesinas naturales (NK) y, más tarde, por un subgrupo de células T auxiliares (Th1) activadas. La importancia de esas señales es puesta de relieve por individuos que, por ejemplo, tienen defectos genéticos en el receptor de IFN-gamma, y que se hacen en particular susceptibles a infección por bacterias intracelulares. Se considera que muchas de estas bacterias son comensales en individuos normales, lo que muestra de nuevo la importancia de la actividad subclínica del sistema inmunitario. Sin embargo, la fagocitosis por macrófagos puede ser una espada de dos filos. Si un agente patógeno puede sobrevivir dentro de un macrófago, la longevidad de estas células puede proporcionar un refugio seguro. Esos agentes patógenos han adquirido por evolución diversos mecanismos para permitir su supervivencia dentro de macrófagos. Por ejemplo, Listeria puede escapar del

Defensa del huésped contra infección

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fagosoma hacia el citosol, lo que evita los mecanismos de muerte que se dirigen hacia el fagolisosoma, y Mycobacterium patógeno evita la fusión de fagosomas con lisosomas. Además de esto, el macrófago activado es un cliente más bien malo: es activamente secretorio, y libera moléculas como peróxido de hidrógeno que son tóxicas para muchas células vecinas, y enzimas proteolíticas, como colagenasa y elastasa que desintegran tejido conjuntivo. Así, los macrófagos activados, al mismo tiempo que son las únicas células que pueden matar agentes patógenos como Mycobacterium tuberculosis, también son las células de las cuales depende la destrucción de tejido que es tan típica de la inflamación crónica (sección 2.4.2.3) (figura 2-13). P2.6. ¿Por qué podrían los macrófagos desempeñar un papel menor en la defensa contra bacterias extracelulares?

2.3.1.5

Células asesinas naturales (NK) y virus

Otra célula involucrada en la inmunidad innata es la célula asesina natural (NK). Algunas células NK están presentes en la sangre y en órganos que filtran sangre, como el bazo, el hígado, los pulmones y la médula ósea, y otras también pueden ser reclutadas hacia sitios de inflamación. Pueden contribuir a respuestas tempranas contra

Escape hacia el citoplasma

Mycobacterium tuberculosis

Listeria

Pared celular resistente Inhibición de la fusión

Escape hacia el citoplasma

Lisosoma

Inyección de proteínas especializadas hacia el citoplasma

Formación de un endosoma especializado

Fagocitosis “con enrollamiento” Legionella

Figura 2-13 Mecanismos de evasión de macrófago microbiano. Muchos agentes patógenos han adquirido por evolución mecanismos para ayudarlos a evitar ser muertos por macrófagos. Algunos mecanismos generales usados por tres tipos de bacterias se muestran para Listeria, Mycobacterium tuberculosis y Legionella (los agentes causales de las enfermedades listeriosis, tuberculosis y enfermedad de los legionarios, respectivamente); se desconoce la importancia del mecanismo de fagocitosis con enrollamiento que es inducido por esta última. Se han descubierto muchos otros mecanismos de evasión; por ejemplo, algunas bacterias pueden interferir con las vías de emisión de señales, como la estimulada por el IFN-␥, lo que inhibe la activación de macrófago (que no se muestra). Probablemente quedan muchos otros por descubrir.

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

algunas bacterias porque pueden ser desencadenadas para que secreten citocinas. Por ejemplo, la citocina IL-12 producida por otras células, como los macrófagos o las DC, pueden desencadenar la secreción de IFN-␥ por estas células. Otra característica importante de las células NK es que pueden matar directamente otras células del huésped infectadas; a diferencia de las células T citotóxicas, que necesitan ser activadas antes de que se hagan citotóxicas (sección 2.3.2.2), las células NK muestran citotoxicidad espontánea. Los virus, una vez dentro de la célula, pueden evadir muchos mecanismos de defensa del huésped, incluso muerte de células infectadas por células T citotóxicas. Empero, en algunos casos las NK pueden reconocer estas células infectadas por virus y matarlas. Si la célula NK mata una célula infectada antes de que se hayan liberado nuevos virus, puede limitar la replicación y la diseminación virales. La muerte de células infectadas por virus, por células NK, comprende tanto el suministro de contenido de gránulos preformados como la interacción con receptores inductores de muerte, lo que lleva a apoptosis de la célula blanco. Evidencia

clínica y experimental sugiere que las células NK desempeñan funciones en particular importantes en la defensa del huésped contra algunos virus. Esto es demostrado por los muy raros individuos con números reducidos de células NK, o cuyas células NK son defectuosas para matar. Esos pacientes sufren infecciones muy graves, en potencia mortales, por virus del herpes pero, si pueden sobrevivir hasta que la respuesta inmunitaria adaptativa entra en acción, pueden hacerlo tan bien como los sujetos normales (figura 2-14). P2.7. ¿Por qué las células NK pueden desempeñar papeles menores en la defensa del huésped contra virus que no son los virus del herpes? P2.8. ¿Podría usted esperar que las células NK desempeñen un papel en la defensa del huésped contra células tumorales, así como contra virus?

Regulación inmunitaria Microbio lL-12

PRR

Muerte microbiana lFN-␥ Macrófago

Célula NK

Reconocimiento por medio de receptores ”inductores de muerte“

Macrófago activado

Citotoxicidad celular

Liberación del contenido de gránulos Célula NK

Célula infectada por virus

Apoptosis

Figura 2-14 Algunas funciones de las células asesinas naturales. Las células NK están relacionadas desde el punto de vista del desarrollo con linfocitos, pero se considera que pertenecen al extremo innato de la inmunidad. Se ponen de relieve dos tipos principales de función. Regulación inmunitaria. Las células NK pueden regular las funciones de otros tipos de células. Por ejemplo, un asa de retroacción desencadenada por la secreción de IL-12 a partir de macrófagos puede estimular la producción de IFN-␥ por células NK, lo que a su vez ayuda a la activación de macrófagos. Citotoxicidad celular. Las células NK pueden matar otras células. Diferentes sistemas de reconocimiento permiten a las células NK suministrar contenido de gránulo preformado o ligar receptores “inductores de muerte” e inducir apoptosis (p. ej., en células infectadas por ciertos tipos de virus).

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2.3

2.3.1.6 Mastocitos y basófilos, bacterias extracelulares y parásitos

Los mastocitos están presentes en todos los tejidos conjuntivos laxos. Expresan PRR y pueden producir con rapidez citocinas proinflamatorias que desencadenan respuestas inflamatorias cuando detectan infección (es decir, estas citocinas pueden considerarse señales de alarma que se producen en respuesta al peligro planteado por agentes infecciosos). Los ratones que carecen de mastocitos pueden mostrar susceptibilidad particular a infección por bacterias extracelulares, porque se necesitan mastocitos para reclutar neutrófilos (sección 2.3.1.3) que probablemente afrontan mejor este tipo de agente patógeno. Los mastocitos también almacenan mediadores de la inflamación preformados, como histamina, y más tarde pueden sintetizar metabolitos lípidos, como prostaglandinas y leucotrienos, que son importantes en la mediación de los cambios vasculares en la inflamación (vasodilatación venular y permeabilidad aumentada) (figura 2-15). Los mastocitos también están presentes en tejidos de mucosas. Ahí pueden desempeñar una función importante en la inmunidad a parásitos, en especial gusanos. Algunos de los mediadores derivados de lípido que producen incrementan la producción de moco, lo que en potencia añade una barrera más eficaz para el acceso de gusanos a la pared intestinal. También pueden causar contracción de músculo liso, lo que podría ayudar a expeler los gusanos en las heces. Ciertamente, los ratones que carecen de

Complemento C5a, C3a

Receptor de complemento

Histamina y citocinas preformadas

PAMP PRR FcR IgE

Metabolitos lípidos, citocinas y quimiocinas recién sintetizados.

Formación de enlaces covalentes entre IgE y antígeno

Figura 2-15 Activación, desgranulación y secreción de mastocitos. Los mastocitos residen en tejidos conjuntivos, y pueden ser activados de varias maneras. Expresan receptores para los componentes del complemento C3a y C5a, y una selección de PRR, como receptores tipo toll (TLR) que reconocen patrones moleculares asociados con agente patógeno (PAMP) microbianos. También pueden ser activados mediante formación de enlaces covalentes con IgE preformada unida a FcR sobre su superficie. La activación da lugar a desgranulación muy rápida con la liberación de componentes de gránulos preformados, como histamina y citocinas. A continuación los mastocitos pueden sintetizar otras moléculas proinflamatorias y secretarlas, como mediadores lípidos (leucotrienos, prostaglandinas) y más citocinas. El daño mecánico de mastocitos también puede llevar a la liberación de histamina.

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mastocitos no pueden eliminar algunos gusanos intestinales con tanta eficacia como los ratones normales en condiciones experimentales. Con todo, dado que en general el ser humano no se las arregla para desembarazarse de casi todos los gusanos, su eficacia puede ponerse en duda. Un raro leucocito, el basófilo, un poco similar al mastocito, puede ser reclutado desde la sangre hacia sitios de algunos tipos de inflamación e infección. Todavía se sabe relativamente poco acerca de qué hacen estas células. Aun así, puesto que los basófilos comparten muchas características con los mastocitos, tal vez sean reclutados para ayudar a amplificar las respuestas locales que típicamente son estimuladas por los mastocitos. Alguna investigación más reciente también sugiere que quizá desempeñen un papel en polarizar respuestas de células T CD4 hacia el tipo Th2, que típicamente suceden durante infecciones parasitarias (sección 2.3.2.1). 2.3.1.7

Eosinófilos, parásitos y reparación tisular

En circunstancias normales, los eosinófilos son raros en casi todos los tejidos conjuntivos, pero por lo general se encuentran en tejidos mucosos. Los detalles de sus funciones en la inmunidad a la infección aún no están claros. Tienen gránulos citoplasmáticos que contienen mediadores que se sabe que son tóxicos para parásitos más grandes, por lo menos in vitro. Algunas de las funciones de los eosinófilos se superponen con las de los mastocitos (véase antes). Ambos tipos de células, y los basófilos, parecen mostrar respuesta a garrapatas chupadoras de sangre mediante desgranulación en sitios de la piel donde se están alimentando garrapatas, aunque no está por completo claro si, o cómo, podrían desempeñar una función defensiva. Los eosinófilos (y, de hecho, los mastocitos) además almacenan o sintetizan moléculas que son importantes para el remodelado tisular (p. ej., factores de crecimiento para fibroblastos), y están presentes en tejidos que están siendo reparados. De hecho, los tipos Th2 de la respuesta inmunitaria adaptativa en la cual se reclutan eosinófilos (y basófilos) tal vez ayuden en la resolución de inflamación (producción de citocinas antiinflamatorias más que proinflamatorias), la reparación de tejido y la cicatrización de heridas. Como quiera que sea, en algunos casos el depósito excesivo de colágeno puede llevar a pérdida de la función en tejidos, como puede ocurrir en el asma crónica (figura 2-16). 2.3.2 Mecanismos de inmunidad adaptativa Los linfocitos son cruciales para las respuestas de la inmunidad adaptativa, y en especial las células T y células B convencionales que se presentaron en el capítulo 1. La presente exposición se enfoca en algunas funciones clave de estas poblaciones de células T CD4 y CD8, y las diferentes clases de anticuerpos que son producidos cuando las células B se desarrollan hacia células plasmáticas. 2.3.2.1

Células T CD4

La necesidad de células T CD4 se demuestra bien en pacientes con SIDA, cuyas células T CD4 finalmente son muertas por el HIV. Estos pacientes no sólo sufren aumento de la incidencia de infecciones, como la tuberculosis, sino que presentan infecciones oportunistas en potencia mortales por microbios que son inocuos para individuos sin alteraciones inmunitarias. De cualquier mane-

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

Figura 2-16 Propiedades y funciones de eosinófilos. Las funciones de los eosinófilos no se entienden por completo. Son reclutados hacia sitios inflamatorios, como los asociados con infecciones parasitarias y asma. Expresan TLR, y muestran respuesta a citocinas como la IL-4, la quimiocina eotaxina y algunos leucotrienos, por ejemplo. Cuando son activados pueden secretar varias citocinas, entre ellas IL-4 e IL-13, y proteína básica mayor que puede estar involucrada en la defensa contra parásitos. También pueden mediar citotoxicidad mediada por células dependiente de anticuerpos (ADCC) contra algunos parásitos cubiertos con IgE o IgA.

ra, en circunstancias normales, las células T CD4 son altamente adaptables y pueden adoptar grupos de funciones específicas que ayudan a afrontar mejor tipos particulares de agentes infecciosos. En otras palabras, las respuestas de célula T CD4 pueden polarizarse. En casos extremos, puede considerarse que las células polarizadas representan subgrupos separados, de los cuales las mejor conocidas son las células Th1, Th2, Th17 y reguladoras (Treg). Estos subgrupos son más claramente evidentes en estudios experimentales de células T en cultivo o ratones de laboratorio inmunizados, a partir de los cuales se ha obtenido casi toda la evidencia de su existencia. No obstante, en clínica, en casi todas las enfermedades infecciosas de seres humanos, típicamente se observa un patrón de respuestas más mixto. P2.9. ¿Por qué sería ventajoso para el huésped no polarizar por completo todas las respuestas de células T CD4? Células Th1: bacterias y virus intracelulares Las células Th1 típicamente son inducidas luego de infecciones por bacterias intracelulares y ciertos virus. Algunas de las citocinas que secretan, como el IFN-␥, pueden activar e inducir mecanismos antimicrobianos potentes en macrófagos (véase antes). Además, las células Th1 a menudo se necesitan para ayudar a desencadenar respuestas de células T citotóxicas (véase más adelante). Aparte, las células Th1 pueden activar células B y regular la producción de tipos específicos de anticuerpos. Estos últimos incluyen en particular subclases de IgG que son los anticuerpos opsonizantes más eficaces, y que establecen a agentes infecciosos como blanco para las funciones antimicrobianas de neutrófilos y macrófagos. La importancia de citocinas de Th1 es puesta de relieve por pacientes que tienen defectos genéticos (p. ej., IFN-␥ o su receptor; véase antes), y a partir de estudios en ratones en los cuales se ha practicado deleción de los genes que codifican para citocinas (o sus receptores), lo que los hace susceptibles a infección por estos microorganismos. De modo eficaz, el virus de la viruela bovina, por ejemplo, codifica para una proteína que se une al IFN-␥ e inhibe la actividad del mismo; el virus no seguiría portando esta carga genética si no le confiriera una ventaja selectiva (figura 2-17). Células Th2: protozoarios más grandes y gusanos Las células Th2 son inducidas más a menudo durante ciertas etapas de infecciones por hongos y parasitarias por gusanos, y para algunos seres humanos, en alergias (p. ej., fiebre del heno). Las células Th2 están involucradas en su mayor parte en la producción de anticuerpos de alto nivel, en particular IgE, en ratones. Sus citocinas también estimulan la producción de eosinófilos y mastocitos y/o su supervivencia y actividad. Estas células más grandes expresan

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Muerte del parásito (ADCC) Proteína básica mayor IgE o IgA Receptor Fc TLR PAMP Citocinas

Receptor de citocina ROI

Citocinas

Quimiotaxis: eotaxina y algunos leucotrienos

FcR para IgE, y se cree que desempeñan papeles importantes en la defensa contra parásitos de mayor tamaño, como gusanos helmintos. La unión de antígenos de gusanos a mastocitos cubiertos con IgE estimula la desgranulación, lo que conduce a contracción de músculo liso que puede ayudar a la expulsión del gusano desde el intestino. Además, los eosinófilos pueden ser direccionados hacia parásitos de mayor tamaño cubiertos con IgE, y liberar contenido de gránulos altamente tóxico (incluso una neurotoxina) sobre ellos. En pacientes que han recibido tratamiento con fármacos para eliminar infecciones parasitarias, la resistencia a la reinfección se correlaciona con las cifras de IgE antiparásito (figura 2-18). Las funciones de las células Th17, así nombradas porque secretan IL-17, se entienden de manera menos completa que las de las células Th1 y Th2. Originalmente se identificaron como mediadores de autoinmunidad, pero está claro que éste no es un papel para el cual se hubiera seleccionado en la evolución. Estudios en ratones con deficiencia de IL-17 sugieren que estimulan el reclutamiento de neutrófilos y la activación de los mismos y, por tanto, estas células quizá desempeñan de modo indirecto un papel importante en la defensa contra bacterias y algunos hongos extracelulares (figura 2-19). Células Th17: bacterias y hongos extracelulares

Células reguladoras (Treg): desactivación de respuestas ¿Qué detiene las respuestas inmunitarias cuando se han eliminado los agentes infecciosos? Es obvio que la ausencia del antígeno es un factor importante, pero está claro que algunas células T CD4 tienen un papel crucial en la regulación de la actividad de otras células T, o de DC. Estas células se conocen como células T reguladoras (Treg). Algunas se forman en el timo (Treg naturales), mientras que otras son inducidas durante respuestas inmunitarias adaptativas. La importancia de estas células se muestra en muchos modelos en ratones, y de manera crucial en un trastorno de seres humanos muy raro, IPEX (disregulación inmunitaria, poliendo-

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2.3

lFN-␥

Célula T Th1 activada

Defensa del huésped contra infección

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Macrófago activado

lFN-␥

Anticuerpos opsonizantes

Célula B

Defensa contra algunos virus, bacterias intracelulares y parásitos protozoos

célula plasmática

lL-2 Citotoxicidad

Secreción de IFN-␥ Célula T CD8 activada

Figura 12-17 Funciones de células T CD4 Th1. Las células Th1 secretan IFN-␥ que activa macrófagos y está involucrado en la diferenciación de células B hacia células plasmáticas que secretan anticuerpos opsonizantes (p. ej., los que pueden unirse a FcR de macrófagos activados). También secretan IL-2, que puede ser importante en la activación y la expansión clonal de células T citotóxicas CD8 en sitios de infección. Las células Th1 expresan el factor de transcripción T-bet (que no se muestra).

crinopatía, enteropatía ligada a X) en el cual los pacientes tienen una mutación en ambas copias del gen FoxP3, esencial para el desarrollo de Treg. Estos niños sufren trastornos autoinmunitarios múltiples, y generalmente mueren en el transcurso del primer año de vida, lo que sugiere que la anormalidad de Treg desempeña un papel crucial en la prevención de ataque de componentes del cuerpo mismo por células T (una forma de tolerancia periférica, capítulo 5). Dada la capacidad de Treg para suprimir respuestas inmunitarias, no sorprende que muchas infecciones crónicas se asocien con incremento de la actividad de Treg; la hipótesis es que los microbios están induciendo Treg para que aumenten su propia supervivencia. Se observa un fenómeno similar en algunos pacientes con tumores malignos (cáncer); cualquier mutante tumoral que podría inducir Treg tendría una ventaja en cuanto a supervivencia (figura 2-20). 2.3.2.2

Células T CD8

Las células T CD8 desempeñan funciones muy importantes en la defensa contra virus. Cuando son activadas, pueden hacerse citotóxicas, y matar otras células que reconocen, y con las cuales están en contacto. Si una célula T CD8 puede matar una célula infectada por virus antes de que se hayan montado nuevos virus infecciosos, puede suspenderse la diseminación de la infección. También son secretoras potentes de algunas citocinas. La secreción de IFN-␥, que en sí es una molécula antiviral, por supuesto puede activar macrófagos y hacerlos también más resistentes a la replicación viral. Las células T CD8 también desempeñan papeles importantes en la defensa contra bacterias y protozoos intracelulares. La muerte de una célula infectada puede liberar el microbio y permitir la fagocitosis por macró-

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fagos que, cuando están activados, pueden matar el organismo (figura 2-21). Hay evidencia abrumadora de que las células T CD8 son importantes en la defensa contra la infección viral. Tal vez la evidencia más persuasiva, aunque indirecta, yace en el número de modos en los cuales diferentes virus han adquirido por evolución medios para interferir con las vías de procesamiento y presentación del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) clase I requeridas para la función de células T CD8. Estos virus no portarían esta carga genética extra si no les confiriera una ventaja selectiva (sección 5.2.7). Además, durante muchas infecciones virales se observa incremento masivo del número de células T CD8. De hecho, los linfocitos T citotóxicos (CTL) específicos para antígeno quizá representen casi hasta 50% del fondo común de células T circulantes en lo más álgido de ciertas infecciones. El hecho de que las células T CD8 son importantes en otras infecciones es sugerido a partir de estudios de ratones con deficiencia de perforina, un componente de gránulo esencial para la muerte de células. Estos ratones, si quedan infectados por la bacteria Listeria, que es capaz de entrar al citoplasma de las células que infecta, no pueden recuperarse de la infección. 2.3.2.3

Anticuerpos

Los linfocitos B tienen importancia crucial en la inmunidad normal porque pueden desarrollarse hacia células plasmáticas que sintetizan diferentes tipos de anticuerpos, dependiendo del tipo de infección que ha sucedido. Los diferentes tipos de células B, y los distintos tipos de anticuerpos que pueden producir como células plasmáticas, se introdujeron en el capítulo 1. Aun cuando son similares en forma general, la estructura de cada clase (y subclase)

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

IgE

Célula B

célula plasmática

IL-4

IL-4, IL-13 Macrófago activado de modo alternativo Célula T Th2 activada

IL-4, IL-5

Figura 2-18 Funciones de células T CD4 Th2. Las células Th2 secretan IL-4, IL-5 e IL-13, que están involucradas en la ayuda a células B para que se desarrollen hacia células plasmáticas que secretan IgE (y algunas subclases de IgG). También están involucradas en la activación de mastocitos, y en la producción o el reclutamiento de eosinófilos y basófilos (todos los cuales tienen FcR para IgE). Estas citocinas también están involucradas en la activación alternativa de macrófagos que pueden ser importantes para ayudar a la reparación de tejido. Las células Th2 expresan el factor de transcripción GATA-3.

Mastocito o basófilo IL-4, IL-5

Defensa contra algunas bacterias y algunos parásitos metazoos extracelulares

Eosinófilo

Célula del estroma

IL-17

IL-6 Vénula

Célula T CD4 Th17 activada

Defensa contra algunas bacterias piógenas (p. ej., Streptococcus, Staphylococcus) y algunos hongos Reclutamiento de neutrófilos

Figura 2-19 Funciones de células T CD4 Th17. Las células Th2 secretan IL-17 que actúa sobre células del estroma para estimular la secreción de IL-6, que está involucrada en el reclutamiento de neutrófilos hacia sitios de inflamación aguda, particularmente en infecciones por bacterias piógenas y por algunos hongos. Las células Th17 expresan el factor de transcripción RORyt.

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2.3

Célula T reguladora

Natural (derivada del timo)

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de anticuerpo es singular. Son estas estructuras las que determinan sus distintas propiedades, como en cuáles compartimentos están distribuidos en todo el cuerpo. Aquí se revisan brevemente algunas de las principales funciones efectoras de las principales clases de anticuerpos; éstas se describen más a fondo en el capítulo 6.

IL-10 TGF-␤

Inducida (periférica)

Defensa del huésped contra infección

Contacto

Célula T

La IgM unida a membrana es un monómero en forma de “Y” típica de dos cadenas pesadas (H) más dos cadenas ligeras (L) ancladas a la membrana. Sin embargo, la IgM secretada está compuesta de cinco unidades de inmunoglobulina que forman un pentámero. Esto aumenta mucho la fuerza de unión de toda la molécula (avidez). ¿La IgM es importante en la defensa? Es el primer anticuerpo que se sintetiza después de infecciones piógenas y, de este modo, puede actuar antes de que se haya producido IgG. Dado que no se han identificado FcR específicos para IgM, tal vez ayuden en la defensa contra bacterias piógenas principalmente al activar el complemento, lo que da por resultado, por ejemplo, opsonización. Además, muchas bacterias están cubiertas con cápsulas de polisacárido (p. ej., Streptococcus pneumoniae), y la recuperación luego de estas infecciones depende de opsonización. Las células B de la zona marginal especializada en el bazo sintetizan IgM contra estos polisacáridos, y si se ha extirpado el bazo de un individuo, éste se hace susceptible a infección por este tipo de bacterias. Empero, si un sujeto tiene concentración normal o aumentada de IgM, pero es incapaz de sintetizar IgG, es altamente susceptible a infección por algunas bacterias piógenas; los síndromes de HIGM (capítulo 6) son un ejemplo de este tipo de defecto. Esto muestra que la IgM por sí sola no es suficiente para la eliminación de muchas bacterias extracelulares, aun cuando es una opsonina muy eficaz porque puede activar el complemento (figura 2-22). IgM

?

Célula dendrítica

Inhibición de respuestas perjudiciales o en proceso

Figura 2-20 Funciones de células T reguladoras CD4. Algunas células T reguladoras (Treg) CD4 “naturales” se forman en el timo; por lo general expresan CD25 sobre una de las cadenas del receptor de IL-2 de alta afinidad. Las células T CD4 vírgenes activadas con coestimulación insuficiente, y tal vez también en presencia del factor de crecimiento transformante (TGF)-␤, pueden convertirse en Treg en tejidos periféricos. También hay otras poblaciones de Treg, pero en general todas parecen regular respuestas inmunitarias al actuar sobre otras células T o sobre diferentes células, como DC. Las Treg naturales expresan el factor de transcripción FoxP3 (que no se muestra).

Apoptosis Ligando Fas Fas Célula T CD8 activada

Secreción de citocinas (IFN-␥)

Defensa contra virus y algunas infecciones bacterianas y por protozoarios intracelulares Perforina Granzimas

Poro

Apoptosis

Figura 2-21 Funciones de células T CD8. Las células T CD8 activadas pueden expresar ligando Fas sobre su superficie; el ligando Fas puede unirse a Fas sobre otra célula, y esto puede iniciar apoptosis. Las células T CD8 activadas también son potentes secretores de IFN-␥. Es posible que las células T CD8 vírgenes sean activadas de una manera análoga a la diferenciación Th2 en células T CD4, pero las funciones de estas células no están claras. Las células T CD8 activadas también pueden adquirir gránulos citoplasmáticos notorios; éstos contienen moléculas involucradas en la muerte celular (citotoxicidad celular), como la perforina y las granzimas. Cuando ese tipo de CTL se une a su blanco, el contenido del gránulo es secretado hacia la sinapsis inmunitaria entre las dos células. Los monómeros de perforina se polimerizan en membranas de la otra célula y forman un poro a través del cual entran granzimas al citoplasma e inician también la secuencia apoptótica.

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

IgG La IgG es la clase de anticuerpo más abundante, y es secretada como un monómero. La IgG en sí comprende varias subclases (cuatro en seres humanos y ratones) con diferentes regiones Fc. Éstas tienen algunas diferencias importantes en cuanto a función, como las capacidades relativas para activar complemento y desencadenar inflamación, o para opsonizar de manera directa microbios (por medio de FcR). ¿La IgG es importante en la defensa? La deficiencia de IgG puede existir como una deficiencia única o como parte de una deficiencia más general de inmunoglobulinas (capítulo 6). Las características de presentación más comunes son infecciones bacterianas de las vías respiratorias. El hecho de que el tratamiento de estas deficiencias mediante transferencia pasiva de IgG desde individuos normales es muy eficaz, proporciona fuerte evidencia adicional de su importancia en ciertos tipos de infección bacteriana (figura 2-23).

La IgA es “el” anticuerpo de mucosas. Es secretada por células plasmáticas en tejidos mucosos, y es transportada a través del epitelio mucoso hacia la superficie luminal como un dímero, donde actúa al bloquear (neutralizar) la unión de agentes patógenos y toxinas a células epiteliales. ¿La IgA es importante? Los niños en países en desarrollo que no son amamantados son mucho más susceptibles a enfermedad diarreica infecciosa. Esto se debe a que la IgA en la leche materna confiere protección contra estas infecciones. Las personas con deficiencia de IgA (ésta es una de las inmunodeficiencias primarias más comunes, aproximadamente 1:300 a 400 en países desarrollados) pueden mostrar susceptibilidad aumentada a infecciones de las vías respiratorias e intestinales. Los vacunólogos están esforzándose por crear vacunas que pueden administrarse por vía oral para estimular la IgA contra infecciones de la mucosa, como cólera y fiebre tifoidea (figura 2-24).

IgA

Neutralización

Agente patógeno

Receptor

Unión bloqueada

IgM

Toxina

Vénula

IgM (no egresa)

Endotelio normal

Sangre

Endotelio inflamado Opsonización IgM

Complemento Receptor de complemento

Bacteria

Fagocitosis

Neutrófilo

Figura 2-22 Funciones de la IgM. La IgM pentamérica es reclutada hacia sitios de inflamación. La IgM por lo general es de baja afinidad, pero sus múltiples sitios de unión a antígeno le confieren avidez alta por microbios que expresan múltiples copias de un epítopo; por consiguiente, es un potente anticuerpo neutralizante para bacterias y virus. No puede opsonizar microbios de modo directo, pero es un potente activador del complemento, y esto le permite actuar de manera indirecta como una opsonina y desencadenar inflamación aguda.

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2.3

Opsonización

Bacteria

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Inflamación aguda

Neutralización Agente patógeno

Defensa del huésped contra infección

Receptor de agente patógeno Complemento

Complemento Receptor de complemento

Activación de complemento

Receptor de toxina

Fagocitosis Toxina

Inflamación aguda

Receptor Fc

Figura 2-23 Funciones de la IgG. La IgG se sintetiza más tarde que la IgM y en pequeñas cantidades en respuestas inmunitarias primarias, pero se sintetiza rápidamente y en grandes cantidades en respuestas secundarias. La IgG puede entrar en tejidos extravasculares no inflamados. También puede cruzar la placenta del ser humano, y confiere resistencia a infección al feto y al recién nacido temprano. La IgG puede neutralizar agentes patógenos y opsonizarlos de modo directo o indirecto después de activar el complemento; al activar el complemento también puede iniciar inflamación aguda. Asimismo, la IgG puede mediar citotoxicidad mediada por células, dependiente de anticuerpos (ADCC p. ej., por monocitos; que no se muestra).

Tejido mucoso Célula plasmática

IgA

Epitelio normal

Intestino Tracto urogenital Vías respiratorias Conjuntiva ocular Leche IgA

Agente patógeno o toxina

Neutralización

Células epiteliales

Figura 2-24 Funciones de la IgA. Las células plasmáticas en tejidos mucosos típicamente secretan IgA dimérica; ésta se une a un receptor específico que la transporta a través de células epiteliales de la mucosa. En las superficies luminales de tejidos de mucosa actúa como un anticuerpo neutralizante; bloquea la fijación de agentes patógenos y toxinas a las células epiteliales.

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

La IgE es secretada en respuestas con sesgo de Th2. En infecciones parasitarias, en particular por gusanos intestinales, se observa incremento de la concentración de IgE sérica. Si bien se ha mostrado que la IgE desempeña una función en la inmunidad a parásitos intestinales en ratones, en seres humanos no se ha identificado deficiencia selectiva de IgE, y el papel de la IgE en infecciones parasitarias en seres humanos es incierto. Mucho más importante en la enfermedad de seres humanos, al menos en países desarrollados, es el papel clave de la IgE en trastornos alérgicos (figura 2-25).

IgD

IgE

2.4

IgE

De algún modo, la IgD aún es una molécula misteriosa. Difiere de todas las otras inmunoglobulinas en que casi siempre se expresa sobre la superficie celular de células B vírgenes, pero en circunstancias normales no es secretada en cantidades importantes, y sólo se encuentra en cantidades muy pequeñas en el plasma. Durante decenios se ha creído que desempeña principalmente una función de emisión de señales en las respuestas de células B. Ahora está empezando a surgir la primera evidencia de que la IgD también podría desempeñar un papel directo en la defensa contra infección (capítulo 6).

Receptor Fc de IgE

Infección e inmunidad en acción

Formación de enlace covalente por antígeno

Ahora debe estar claro que los agentes patógenos causan enfermedad, pero que casi todos los agentes infecciosos potenciales no son patógenos en cualquier especie dada sea porque no infectan o, si lo hacen, porque son eliminados con rapidez por medio de los mecanismos de inmunidad. En esta sección se proporciona una perspectiva general de las diferentes maneras en las cuales los agentes patógenos (introducidos en la sección 2.2) pueden causar enfermedad, y de los modos en los cuales los mecanismos individuales de las inmunidades innata y adaptativa (introducidos en la sección 2.3) funcionan juntos, e intentan de manera colectiva combatir diferentes clases de agente infeccioso.

Mastocito

2.4.1 ¿De qué modo los agentes patógenos causan enfermedad?

Desgranulación (liberación de mediador inflamatorio)

Defensa contra helmintos

Alergia

Figura 2-25 Funciones de la IgE. La IgE, secretada por células plasmáticas en tejidos conjuntivos, se une a FRC de alta afinidad sobre mastocitos en ausencia de un antígeno. Está presente a cifras muy bajas en la sangre de individuos normales, pero su concentración aumenta en presencia de infecciones parasitarias, en particular por helmintos. La IgE quizá está invoulcrada en la defensa contra estas infecciones parasitarias al ayudar a mantener barreras epiteliales, contribuir a la expulsión de gusanos (p. ej., porque la histamina desencadena contracción del músculo liso en el intestino) y en algunos casos puede matar larvas de parásitos por medio de ADCC. La IgE también es la causa de respuestas alérgicas: la formación de enlaces covalentes de IgE sobre mastocitos conduce a la liberación de muchos mediadores inflamatorios.

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Los mecanismos de defensa inmunitarios han sido seleccionados durante la evolución para defenderse contra diferentes clases de agentes infecciosos. Aunque un número relativamente pequeño pero importante de microorganismos patógenos puede causar enfermedad, el número de maneras en las cuales en realidad hacen esto es más bien limitado. En consecuencia, es posible definir un número relativamente pequeño de diferentes mecanismos de patogenicidad. No sorprende que los mecanismos de defensa que actúan en respuesta a infección por estos diferentes grupos de agentes patógenos tiendan a ser más bien similares y puedan agruparse por sí mismos, lo que hace que sea relativamente sencillo entender los principios involucrados. Por supuesto, dentro de cada grupo de mecanismos de defensa hay mucha variedad, pero esto no debe distraer la apreciación de los principios subyacentes que se aplican a cada uno. 2.4.1.1

Mecanismos de patogenicidad

Inicialmente, es útil considerar dos modos generales en los cuales los agentes patógenos pueden causar enfermedad: i) pueden matar la célula o interferir de manera directa con la función de la misma (p. ej., infecciones virales de células huésped o producción de toxinas bacterianas) y ii) la respuesta inmunitaria innata o adaptativa contra el agente patógeno puede dañar sus propias células, tejidos u órganos (en otras palabras, daño colateral o fuego amigo). En todos los casos es importante recordar que los agentes patógenos son tales porque han adquirido por evolución mecanismos para evadir las respuestas inmunitarias del huésped o redirigirlas para su propio beneficio.

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2.4

2.4.1.2 ¿De qué modo se sabe que un agente patógeno en especial causa una enfermedad particular?

Una asociación entre dos eventos no identifica una relación causal entre ellos. El hecho de que un microorganismo particular está asociado con una enfermedad particular puede ser coincidencia, y hay varios ejemplos en los cuales la identificación de una asociación se ha interpretado de manera errónea como muestra de que el organismo causó la enfermedad. En 1918, una epidemia de una enfermedad infecciosa, la gripe, se diseminó en casi todo el mundo. Se desconocía el organismo causal, pero un microbiólogo estadounidense eminente quedó convencido de que la infección se debía a una bacteria, ahora conocida como Haemophilus influenzae, porque pudo aislarla a partir del esputo de muchos casos de gripe. De hecho, la bacteria probablemente estuvo ahí como resultado de infección secundaria (un resultado del daño causado al epitelio de las vías respiratorias por el agente primario de la enfermedad). Esta teoría puede haber obstaculizado de modo importante la identificación del organismo causal real, el virus de la gripe. En 1878, el gran bacteriólogo alemán, Robert Koch, estableció las condiciones que tenían que satisfacerse para que se identificara a una bacteria como la causa de una enfermedad. Las condiciones, conocidas como los postulados de Koch (figura 2-26), aún son válidas en la actualidad, y se aplican no sólo a infecciones bacterianas, sino también a infecciones por virus y otros tipos de agentes patógenos. • Debe ser posible aislar el organismo a partir de todos los casos de la enfermedad. • Debe ser posible hacer crecer el organismo in vitro en cultivo puro. • La infección de un huésped idóneo por el organismo debe dar lugar a una enfermedad con las características de la enfermedad original. Por supuesto, hay algunas dificultades para aplicar estos postulados a todas las enfermedades infecciosas. De esta manera, la bacteria de la lepra, Mycobacterium leprae, está presente en todos los casos de lepra, pero nunca se ha cultivado exitosamente in vitro (hay un gran premio esperando a la primera persona que cultive el organismo), y el único otro animal conocido que puede ser infectado por M. leprae es el armadillo centroamericano. De modo similar, la espiroqueta Treponema pallidum nunca ha sido cultivada in vitro, y no se sabe que infecte a algún animal excepto a seres humanos, pero se acepta universalmente como la causa de la enfermedad venérea sífilis. Incluso para el SIDA, aunque hay buena evidencia de que los primates no humanos pueden quedar infectados por el pariente del HIV, el virus de la inmunodeficiencia de los simios (SIV), lo cual da pie a una enfermedad parecida al SIDA, está claro que es no ético infectar deliberadamente a cualquier ser humano con un cultivo puro de HIV. De hecho, en algunas partes del mundo, hasta hace poco, ciertos gobiernos sostuvieron que el HIV no era el agente causal del SIDA, y era imposible realizar el experimento para probar en definitiva lo contrario. Los accidentes con pinchadura con aguja, en los cuales trabajadores sanos sin factores de riesgo para infección por HIV presentaron SIDA después de lesionarse a sí mismos con una aguja contaminada con material proveniente de un paciente con SIDA, son lo más cerca que se ha llegado al experimento definitivo. Por otro lado, sólo fue cuando Barry Marshall ingirió un cultivo puro de Helicobacter pylori y presentó inflamación del estómago, que se aceptó en general que las úlceras pépticas se originan por esta

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Infección e inmunidad en acción

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bacteria. Él y Robin Warren después recibieron un premio Nobel por su investigación sobre la patogenia de la úlcera péptica, pero este método no debe recomendarse en general (figura 2-27). El resto de esta sección se enfocará primero en los mecanismos respectivos de patogenicidad de los principales grupos de bacterias y virus, y en la defensa del huésped contra ellos. A continuación se comentan brevemente hongos antes de abordar un ejemplo particular de un parásito protozoo. Aquí no se considerarán parásitos metazoos más grandes, como los gusanos, muchos de los cuales no causan enfermedad manifiesta en sus huéspedes porque son contenidos con eficacia en compartimentos externos en el aspecto topológico, como la luz del intestino (aunque pueden competir con sus huéspedes por nutrientes). 2.4.2 Patogenia de las infecciones bacterianas 2.4.2.1

Bacterias que secretan toxinas

En estas infecciones, la enfermedad se origina únicamente, o en su mayor parte, por toxinas proteínicas secretadas por la bacteria infectante; éstas se conocen como exotoxinas, en contraste con las endotoxinas que forman parte de la pared celular bacteriana y que no se secretan (sección 2.4.2.5). Esta clase de infección es una causa importante de enfermedad y muerte en el mundo en desarrollo, en forma de enfermedades diarreicas, como el cólera (causado por Vibrio cholerae). El tétanos y el botulismo tienen una patogenia similar, y los síntomas de la tos ferina (infección por Corynebacterium pertussis) y difteria también se deben principalmente a toxinas. Estas toxinas funcionan al unirse a moléculas receptoras sobre células huésped (p. ej., la toxina del cólera se une a células epiteliales intestinales) y mata las células o perturba su metabolismo. En estas infecciones, los anticuerpos son el principal mecanismo de defensa, si no es que el único. Los anticuerpos, al unirse a la toxina, pueden evitar que se fije a la célula huésped, lo que la neutraliza y evita por completo la enfermedad (figura 2-28). P2.10. ¿Cuál podría ser la ventaja selectiva para Salmonella de inducir inflamación intestinal? La inmunización contra el tétanos consta de administración de una forma modificada de la toxina (toxoide) que es no tóxica, pero que retiene su antigenicidad. Esto induce una respuesta de anticuerpos IgG contra toxina tetánica. Los anticuerpos se unen a la toxina y bloquean su sitio de unión para los receptores sobre nervios. La inmunidad dura al menos 10 años, pero depende de tener anticuerpos preformados; después de la reinfección no hay suficiente tiempo para que ocurra una respuesta de anticuerpos secundaria eficaz entre la liberación de la toxina y su llegada a un nervio (figura 2-29 y estudio de caso 2-1). P2.11. En contraste con casi todas las infecciones, los pacientes que se recuperan después de tétanos por lo general no son inmunes a reinfección y necesitan recibir inmunización activa. ¿Por qué podría ser esto?

2.4.2.2

Bacterias que causan inflamación aguda

La inflamación aguda es una afección de inicio rápido, que se caracteriza por dolor local, dilatación aumentada de los vasos sanguíneos (vasodilatación) y escape de líquido que conduce a

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74

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Esputo

Mycobacterium tuberculosis (MTB) aislado a partir de todos los casos

El MTB induce enfermedad parecida a TB en cobayos

Crecimiento de MTB en cultivo puro

Tuberculosis (TB) clínica

Figura 2-26 Postulados de Koch. Koch definió las condiciones que es necesario satisfacer para mostrar que un microbio particular es la causa de una enfermedad particular. Debe ser posible aislar el microbio a partir de todos los casos de la enfermedad, y hacerlo crecer como un cultivo puro in vitro. El microbio aislado debe causar una enfermedad similar en un modelo experimental idóneo. También debe ser capaz de volver a aislarse y cultivarse a partir del animal infectado. Se muestra la tuberculosis como un ejemplo.

tumefacción de tejido (edema). También suele acompañarse de síntomas sistémicos, como fiebre y pérdida del apetito, que en circunstancias normales duran algunas horas o días. Un absceso (furúnculo, orzuelo), una infección aguda del oído medio, la meningitis y la neumonía son ejemplos de inflamación aguda. Las bacterias que causan inflamación aguda son tipificadas por Staphylococcus aureus, que causa abscesos o furúnculos, incluso orzuelos en el párpado; Streptococcus pyogenes, que causa algunas faringoamigdalitis y es una de las bacterias “comedoras de carne”, y Neisseria meningitidis, una de las causas de meningitis.

Estas bacterias pueden existir y multiplicarse en tejidos extracelulares, y lógicamente se llaman bacterias extracelulares. Este tipo de infección a menudo se tipifica por la presencia de pus en el sitio de infección. Como se mencionó, este tipo de infección se denomina piógena, que no debe confundirse con el término pirógeno que significa “inductor de fiebre” (estudio de caso 2-2). En el estudio de caso 2-2 ocurrió una respuesta inmunitaria innata en los pulmones, que dio pie al reclutamiento de neutrófilos. En el caso de una bacteria relacionada,

Patogenia y recuperación

No se dispone de modelo en animal H. pylori crecido en cultivo puro Barry Marshall H. pylori aislado a partir del estómago

Inflamación gástrica Úlcera gástrica Curado con antibióticos

Figura 2-27 Helicobacter pylori y úlceras pépticas. No se creía que las úlceras en el estómago (pépticas) tuvieran un origen infeccioso; sin embargo, investigadores australianos aislaron una nueva bacteria, H. pylori, a partir del estómago de pacientes con úlcera. Pudieron hacerla crecer en cultivo puro, pero no tuvieron un animal en el cual crecería y causaría enfermedad. Para convencer a los escépticos, uno de los investigadores deglutió un cultivo puro de la bacteria y presentó inflamación del estómago, gastritis. Él, y después otros pacientes con úlceras pépticas, fueron curados por medio de antibioticoterapia.

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2.4

Toxina del cólera

Infección e inmunidad en acción

75

CTA CTB Gangliósido

Vibrio cholerae Individuo no inmune

CTA Agua Electrólitos

Adhesión bacteriana Células epiteliales

Diarrea

Célula epitelial

IgA

IgA

Individuo inmune

Bloquea la unión de toxina

Bloquea la unión bacteriana Adhesión nula Células epiteliales

Célula epitelial

Figura 2-28 Patogenia del cólera. Si se bebe agua contaminada con Vibrio cholerae, la causa del cólera, es probable que la bacteria se adhiera a células epiteliales intestinales. La bacteria secreta toxina compuesta de dos partes. La CTB se une a un gangliósido sobre la superficie celular, lo que facilita la internalización de CTA. Esta última induce la síntesis intracelular de grandes cantidades de AMP cíclico, lo que da por resultado secreción masiva de cloruro hacia la luz intestinal. Agua y otros electrólitos siguen a los iones cloruro, lo que causa diarrea profusa. En individuos inmunes, anticuerpos IgA bloquean la unión tanto de la toxina como de la bacteria a las células intestinales.

Individuo inmune

Individuo no inmune Herida anaeróbica

Vacunación con toxoide tetánico

Toxina tetánica

Clostridium tetani

Unión de toxina a nervio

Nervio periférico Anticuerpo contra toxina Nervio Toxina

SNC

Inhibición de la unión de toxina a nervio

Parálisis espástica

Figura 2-29 Patogenia e inmunidad en el tétanos. Las esporas del tétanos germinan en el ambiente anaeróbico de tejido muerto. Las bacterias secretan una toxina que, en individuos no inmunes, se difunde hacia un nervio periférico cercano, se une a receptores, y es internalizada. Viaja por medio de transporte axonal retrógrado hacia el cuerpo celular del nervio en el SNC, donde bloquea la secreción de neurotransmisores inhibitorios, lo que da pie a activación descontrolada y parálisis espástica. Los individuos que han sido vacunados contra tétanos tienen anticuerpos preformados que pueden unirse a la toxina y evitar que se una al nervio.

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76

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Estudio de caso 2-1: tétanos Datos clínicos: una mujer inglesa de 57 años de edad estaba cavando en su jardín de rosas bien fertilizado con estiércol. Se cortó la bota con el rastrillo y se lesionó levemente el pie. Lavó la herida, la cubrió con un apósito, y se olvidó de ella. Algunos días más tarde presentó rigidez notoria de las extremidades y se le hospitalizó. Cuando el médico la interrogó, la paciente no pudo recordar cuándo había recibido la última inmunización contra el tétanos. Se le curarizó a fin de inducir parálisis muscular completa, se le colocó en un respirador y se le trató con antibióticos. Luego de 14 días la paciente tuvo una recuperación completa y se le permitió ir a su hogar. Explicación: el estiércol de caballo contiene muchas esporas de Clostridium tetani; estas esporas son altamente resistentes a desactivación, y pueden permanecer en el estiércol durante periodos prolongados. La herida de la mujer contenía tejido muerto, que es anaeróbico. Algunas esporas habían entrado a

pero no patógena, los neutrófilos podrían haber sido capaces de eliminar la infección. Con todo, en este caso las bacterias evitan la destrucción al evadir los neutrófilos. Aun así, al mismo tiempo estaba empezando una respuesta inmunitaria adaptativa. El polisacárido capsular fue transportado hacia órganos linfoides secundarios. Luego de seis a siete días las células B específicas para antígeno habían empezado a secretar anticuerpos anticapsulares. Al principio esto es en forma de IgM, porque es una respuesta

este tejido muerto y germinado en las condiciones anaeróbicas. Estas bacterias en realidad son saprófitas: usan los tejidos muertos como alimento. Las bacterias empezaron a secretar toxina tetánica que se difundió hacia nervios cercanos, se unió a los receptores sobre estos nervios, y se internalizó. La toxina fue conducida mediante transporte axonal retrógrado hacia la médula espinal, donde bloqueó la liberación de neurotransmisores inhibitorios en sinapsis de neurona motora. Esto llevó a hiperactividad de neuronas motoras y la parálisis espástica resultante. Al paralizar a la mujer y darle respiración artificial se le pudo mantener viva hasta que se metabolizó la toxina y se restituyó la inhibición. Nota: éste no es un evento tan raro incluso en el Reino Unido. Esto en realidad sucedió a una mujer conocida de uno de los autores.

de anticuerpos primaria; la IgG se sintetiza en cantidades importantes sólo en una respuesta secundaria dependiente de T (TD) (figura 2-30). P2.12. Los individuos normales poseen anticuerpos IgM e IgG contra polisacáridos capsulares de Streptococcus pneumoniae. Dado que esos polisacáridos son antígenos independientes de T (TI) (sección 1.4.5.3), ¿cómo podría sintetizarse la IgG?

Estudio de caso 2-2: neumonía lobar Datos clínicos: un varón de 23 años de edad forma parte de una expedición en el Himalaya. Una noche presenta tos seca y se queja de que siente frío. Se está estremeciendo violentamente. A la mañana siguiente se siente muy mal, ha perdido el apetito, y la temperatura ha aumentado a 39.5 °C. La frecuencia del pulso es de 95 latidos/min. Expulsa esputo teñido con sangre; sigue estando mal, y el siguiente día, cuando tose, tiene un dolor agudo, que le impide toser libremente en el lado derecho del tórax. Un estudiante de medicina que está en la expedición le percute el tórax (coloca un dedo sobre el tórax y da golpecitos sobre ese dedo con otro dedo), y encuentra que el sonido sobre el lado inferior derecho es muy sordo en comparación con el resto del tórax. El trineo donde iba el surtido de antibióticos se perdió en una grieta. Durante los tres días siguientes el paciente se torna soñoliento, permanece afiebrado, el esputo sigue estando teñido con sangre, y los miembros de la expedición se preocupan respecto a la posibilidad de que muera. A la séptima mañana después de que empezó a sentirse mal, el sujeto se despierta, dice que se siente mucho mejor, comienza a sudar profusamente, y pide el desayuno. Empieza a toser mucho esputo de color rojo-pardusco. Tiene una recuperación rápida y completa el resto de la expedición con buena salud.

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Explicación: el paciente había inhalado Streptococcus pneumoniae, posiblemente transmitido por otro miembro de la expedición que era un portador asintomático, y presentó neumonía lobar debido a las propiedades de las bacterias. Las bacterias inhaladas pasaron hacia los alvéolos pulmonares y empezaron a multiplicarse fuera de las células. Las toxinas liberadas por las bacterias iniciaron una respuesta inflamatoria aguda. El incremento de la permeabilidad venular permitió el paso de plasma sanguíneo y eritrocitos hacia los alvéolos, lo que explica el esputo teñido con sangre. Las citocinas liberadas a partir de células residentes y reclutadas (principalmente macrófagos) actuaron sobre el sistema nervioso central (SNC) y causaron la fiebre y otros síntomas. Se reclutaron grandes números de neutrófilos hacia los alvéolos. Comoquiera que sea, Streptococcus pneumoniae tiene una cápsula de polisacáridos gruesa —éste es su principal determinante de virulencia— y los neutrófilos carecen de receptores para el polisacárido, de modo que las bacterias pueden multiplicarse sin restricción. Su tasa de multiplicación y el exudado inflamatorio permiten a las bacterias colonizar todo un lóbulo del pulmón; por esta razón, este tipo de neumonía se llama “lobar”. El lóbulo afectado ahora está lleno de líquido, razón por la cual hay matidez a la percusión. Tras varios días la bacteria indujo una respuesta de anticuerpos eficaz de la cual dependió la recuperación.

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2.4

2

1

Infección e inmunidad en acción

3

Alvéolo

Streptococcus pneumoniae

77

Vénula

Alvéolos Reclutamiento de neutrófilo Pulmones

Multiplicación y diseminación bacterianas en alvéolos

6

5

Recuperación

Alvéolo

Neutrófilo

Anticuerpos contra polisacárido capsular (IgM)

La cápsula bacteriana evita la fagocitosis

Antígenos bacterianos

4

Tejido linfoide secundario Respuesta de anticuerpos primaria

Fagocitosis y muerte de bacterias

Anticuerpo Complemento

Figura 2-30 Neumonía lobar. 1) La bacteria Streptococcus pneumoniae es inhalada y viaja a los alvéolos pulmonares. 2) Se multiplica en los espacios aéreos alveolares y libera toxinas que causan inflamación aguda. 3) La inflamación recluta neutrófilos hacia los espacios alveolares, pero no puede fagocitar las bacterias porque éstas tienen una cápsula de polisacárido. 4) Antígenos bacterianos son transportados hacia órganos linfoides secundarios donde inician una respuesta inmunitaria adaptativa al polisacárido capsular. 5) Se sintetiza IgM y viaja en la sangre hacia el área inflamada. Ahí puede entrar a los alvéolos debido a incremento de la permeabilidad venular como consecuencia de la inflamación. 6) La IgM se une a la bacteria, pero no puede actuar de manera directa como una opsonina porque los neutrófilos no expresan FcR para IgM. De cualquier modo, también entra complemento a los alvéolos y es activado y se une a la IgM sobre las bacterias. Los neutrófilos tienen receptores para los componentes del complemento C3b e iC3b, lo que permite la fagocitosis y muerte de la bacteria. El exudado inflamatorio que contiene bacterias, neutrófilos y otras moléculas, es expectorado, lo que a menudo lleva a recuperación completa de la función pulmonar.

La IgM se secretó hacia la sangre y, en los pulmones, el incremento de la permeabilidad venular permitió que los anticuerpos entraran a los alvéolos y se unieran a las cápsulas bacterianas. Los neutrófilos no expresan FcR para IgM, pero la IgM es un activador muy eficiente del complemento. Por ende, los componentes del complemento C3b y su forma desactivada iC3b se depositaron sobre las cápsulas celulares bacterianas, cerca del lugar donde estaba unida la IgM. El reconocimiento por receptores de complemento sobre los neutrófilos ahora permitió que las células fagocitaran las bacterias y después las mataran. Ésta es una de las maneras en las cuales el sistema inmunitario ha evolucionado en el intento por superar los mecanismos de evasión que las bacterias han adquirido por evolución. Los neutrófilos muertos y moribundos, y los tejidos dañados y licuados, formaron mucho exudado en los pulmones. También estuvieron entrando grandes números de monocitos a los alvéo-

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los, y se diferenciaron hacia macrófagos inflamatorios que fagocitaron los restos. Los pulmones son singulares por cuanto todos estos restos pueden ser eliminados al toser; esto explica el esputo profuso del paciente anterior, y el color rojo-pardusco representa productos de desintegración de la hemoglobina. Este sistema de eliminación de desechos muy rápido y eficiente significa que la estructura y función de los pulmones pueden restituirse por completo hacia lo normal con poco depósito de colágeno o ninguno y, así, sin formación de tejido cicatrizal. Esto se conoce como resolución, que es poco común en la inflamación aguda, porque en casi todos los sitios dicho tipo de inflamación lleva a formación importante de tejido cicatrizal. La vacunación contra Streptococcus pneumoniae ha resultado difícil porque hay muchas formas de polisacárido capsular (al menos 23). Una vacuna que contenga hasta 23 variantes confiere protección parcial pero, como se mencionó, éstas desencadenan

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Capítulo 2

78

Infección e inmunidad

Estudio de caso 2-3: tuberculosis Datos clínicos: una niña de 15 años de edad presenta tos y fiebre, que no desaparecen luego de dos semanas. Se obtiene una radiografía de tórax que muestra áreas de consolidación (llenado de los espacios alveolares). Una prueba de Mantoux resulta positiva (ésta es una prueba para una respuesta de células T contra antígenos de las micobacterias; véase más adelante). El examen del esputo muestra la presencia de bacterias típicas de tuberculosis. Se da tratamiento con antibióticos y la recuperación es completa.

respuestas TI. Recientemente se ha intentado fabricar vacunas conjugadas que contienen proteínas como toxoide tetánico como transportadores para estimular la ayuda de células T (sección 2.5.2.2). 2.4.2.3

Bacterias que causan inflamación crónica

La inflamación crónica es un proceso que dura mucho más tiempo que la inflamación aguda. Típicamente se caracteriza por un infiltrado mononuclear de células inmunitarias, en particular macrófagos y linfocitos activados; estas células se denominan mononucleares porque tienen un núcleo redondo u oval, o en forma de riñón, no lobulado, en contraste con los leucocitos polimorfonucleares, como los neutrófilos. Las bacterias que estimulan la inflamación crónica, como Mycobacterium tuberculosis (la causa de la tuberculosis), y protozoos como Leishmania, viven dentro de las células huésped, principalmente macrófagos (sección 2.3.1.4). Pueden replicarse en estas células y matarlas. Las moléculas liberadas por los macrófagos que están muriendo inducen inflamación local, pero ésta no es la principal causa de la enfermedad clínica en la tuberculosis, en la cual las cosas son un poco más complejas. La enfermedad, en este caso daño de tejido, depende principalmente de la respuesta inmunitaria propia del huésped contra las bacterias (estudio de caso 2-3). Patogenia y recuperación Infección inicial. Algún tiempo antes de que esta niña presentara síntomas (estudio de caso 2-3) había inhalado algunas bacterias de la tuberculosis (M. tuberculosis), las cuales fueron fagocitadas por macrófagos en los alvéolos y los tejidos conjuntivos pulmonares. Si bien las diferencias entre micobacterias patógenas y no patógenas no se entienden por completo, está claro que las bacterias patógenas pueden interferir con los mecanismos de muerte en macrófagos. M. tuberculosis evade la respuesta inmunitaria de varias maneras: prevención de la maduración del fagosoma y de la fusión lisosomal subsiguiente, e interferencia con la síntesis de intermediarios de nitrógeno reactivos. Además, M. tuberculosis, pero no las micobacterias no patógenas, como el bacilo de Calmette-Guérin (BCG) (una vacuna contra la tuberculosis que se prepara a partir de una cepa del bacilo de la tuberculosis bovina Mycobacterium bovis vivo atenuado), puede escapar desde el fagosoma hacia el citoplasma y, de este modo, evade la ruta normal de presentación del MHC clase II a células T CD4 (que se introdujeron en el capítulo 1 y que se comentan en el capítulo 5) (figura 2-31). En el estudio de caso 2-3, las bacterias se multiplican en los macrófagos y los matan. Las moléculas liberadas por los macrófagos que están muriendo (p. ej., proteasas) causan daño de

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Explicación: la niña había inhalado Mycobacterium tuberculosis a partir de un individuo infectado. La infección estimuló la aparición de inflamación crónica en los pulmones como un efecto secundario (daño colateral) de una respuesta inmunitaria mediada por células T contra la infección. Esta inflamación crónica causó daño de tejido que apareció como áreas de consolidación en la radiografía. Se usaron antibióticos para matar las bacterias.

tejido local (inflamación). Otras moléculas causan cambios de la expresión de moléculas de adhesión sobre la superficie luminal del endotelio venular local, que permiten que monocitos de la sangre se adhieran y crucen hacia los tejidos, y se desarrollen hacia macrófagos inflamatorios, los cuales de nuevo fagocitan las bacterias, pero no pueden matarlas y son muertos ellos mismos, lo que aumenta el grado de inflamación. Dado que este proceso toma días, semanas o meses, se conoce como inflamación crónica. Al mismo tiempo que los macrófagos no están logrando matar las bacterias, bacterias y antígenos bacterianos están siendo transportados por medio de la linfa hacia ganglios linfáticos que drenan el pulmón. Estas bacterias podrían ser transportadas libres dentro de la linfa, o dentro de células migratorias (DC y quizá algunos monocitos o macrófagos). En el ganglio linfático están ocurriendo dos procesos. Las bacterias siguen multiplicándose en macrófagos, lo que establece inflamación crónica en el ganglio. De cualquier manera, empieza además una respuesta inmunitaria adaptativa a las bacterias. Las DC degradan proteínas expresadas por las bacterias que fagocitaron en la periferia, y péptidos pequeños provenientes de estas proteínas, unidos a moléculas del MHC, son reconocidos por receptores de células T (TCR) sobre linfocitos T CD4 y CD8 presentes en el ganglio linfático. Estas células T quedan activadas y empiezan a dividirse, y forman clonas de células T que expresan la misma especificidad de TCR (expansión clonal). Las células T CD4 también empiezan a polarizar sus respuestas y se desarrollan hacia células Th1 como consecuencia de las señales que reciben, incluso las producidas por las DC en respuesta a reconocimiento de antígenos bacterianos mediante sus PRR. Las células T activadas a continuación son liberadas desde el ganglio linfático hacia la sangre, y migran de regreso al sitio de infección en el pulmón. Pueden hacer esto porque ahora expresan moléculas de adhesión que se unen a moléculas complementarias sobre células endoteliales en el área inflamada. Las células T activadas secretan citocinas que tienen múltiples efectos. No obstante, es crucial el IFN-␥ que se une a receptores sobre los macrófagos e induce activación y la expresión de diversos genes nuevos, incluso los involucrados en la producción de ROI. Estos macrófagos activados ahora pueden matar las bacterias que han fagocitado, y se controla la infección. Sin embargo, sorprendentemente no todas las bacterias son muertas; algunas permanecen latentes en los tejidos durante muchos años, y no causan enfermedad clínica a menos que el individuo quede inmunosuprimido (p. ej., después de infección por HIV y SIDA, o tratamiento antiinflamatorio para enfermedades como artritis reumatoide).

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2.4

Infección e inmunidad en acción

79

Tejido inflamado 1

5

Mycobacterium tuberculosis (MTB)

6

7 Macrófago activado (muerte bacteriana)

Vénula Macrófago Pulmones

Monocito

Célula T CD4 activada

2

Célula T CD8 activada

Fagocitosis de bacterias Macrófago alveolar

IFN-␥

IFN-␥

8

Secreción de moléculas que dañan tejido (elastasa, colagenasa)

9

Inflamación crónica

Célula dendrítica

3

4

Ganglio linfático

Célula T CD4

Célula T CD8

Muerte de macrófago

Células T activadas

Inflamación

Sangre

Figura 2-31 Patogenia de la tuberculosis. 1) Mycobacterium tuberculosis entra al organismo mediante inhalación. 2) En los alvéolos pulmonares infecta macrófagos alveolares y los mata, lo que conduce a inflamación local. 3) Antígenos de Mycobacterium son transportados hacia los ganglios linfáticos de drenaje, probablemente por DC que han sido activadas en los pulmones por medio de PRR. 4) Las DC activan células T CD4 y CD8, que migran hacia los tejidos pulmonares inflamados 5). 6) La inflamación local también recluta monocitos sanguíneos, y el IFN-␥ activa estos macrófagos, lo que aumenta su capacidad para matar las bacterias, más probablemente por peróxido de hidrógeno e intermediarios de nitrógeno reactivos. 7) No obstante, las bacterias poseen muchos mecanismos que las ayudan a evitar ser muertas, y la infección se hace crónica. 8) Los macrófagos también están secretando enzimas que dañan tejidos, lo que da lugar a la desintegración de tejidos conjuntivos, y da pie a inflamación crónica (daño colateral). 9) Cuando se controla la infección es probable que la reparación resultante cause mucha fibrosis y formación de tejido cicatrizal. Sin embargo, es probable que algunas bacterias permanezcan en los tejidos en un estado latente.

P2.13. Si, por alguna razón, el antígeno que estimula una respuesta inmunitaria de ese tipo no se deriva de un agente patógeno, sino que es un antígeno propio (p. ej., una molécula en células ␤ de los islotes de Langerhans en el páncreas que producen insulina), ¿cuál podría ser el resultado? Empero, los macrófagos activados no son algo por completo bueno. Además de ser capaces de matar bacterias, se convierten

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en células secretorias activas, y producen enzimas y otras moléculas que matan células y desintegran tejido conjuntivo, de modo que en el área de infección hay mucho daño tisular. Con todo, en contraste con la inflamación aguda nunca se forma pus. En lugar de eso, puesto que el proceso inflamatorio es relativamente lento, la respuesta de curación tiene más tiempo para aparecer; se deposita mucho colágeno (fibrosis), lo que da lugar a estructuras llamadas granulomas. En la tuberculosis y en otras formas de in-

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Capítulo 2

80

Infección e inmunidad

flamación crónica mediada por inmunidad, los granulomas contienen muchas células T; éstas son células que están impulsando la inflamación. La solidificación de las áreas del pulmón causada por los granulomas da lugar a las opacidades que se observan en radiografías. P2.14. ¿Puede usted sugerir una hipótesis para explicar cómo, después de una infección primaria, las bacterias que producen la tuberculosis son mantenidas en un estado latente? La prueba de Mantoux consiste en inyectar algunas proteínas de Mycobacterium tuberculosis en la piel. En una prueba con resultados positivos aparece un área de inflamación en el sitio de inyección en el transcurso de 24 a 48 h. ¿Por qué sucede esto? Durante la respuesta adaptativa se genera por medio de expansión clonal gran incremento del número de células T activadas y de memoria específicas para las proteínas bacterianas. Grandes números de estas células T migran hacia el sitio de inyección, reclutan más macrófagos y los activan, y estimulan la inflamación crónica. Esta clase de respuesta se conoce como una reacción de hipersensibilidad de tipo tardío (DTH) tipo IV (capítulo 7). Si una persona no ha tenido previamente tuberculosis, o no ha sido inmunizada contra la misma, no hay suficientes células T específicas para antígeno presentes para montar una respuesta de DTH, de manera que no mostrarán respuesta a una prueba de Mantoux. De este modo, en la tuberculosis, la inflamación no se debe a los efectos directos de las bacterias. Se debe a mediadores liberados por las células huésped, principalmente macrófagos, que han sido activados por células T.

invasoras a la pared del intestino. En otras palabras, la IgA neutraliza la infección bacteriana. Aun así, algunas bacterias, como la que causa fiebre tifoidea (Salmonella typhi), invaden a través de la pared intestinal, y pueden diseminarse hacia otros órganos, como el hígado, y causar daño en estos sitios. Los mecanismos involucrados en la recuperación inicial después de estas infecciones probablemente comprenden neutrófilos y macrófagos activados y, más tarde, anticuerpos. Comoquiera que sea, la resistencia a la infección por bacterias como las que comúnmente causan intoxicación alimentaria bacteriana (Salmonella typhimurium), y la resistencia a la reinfección, están mediadas principalmente por anticuerpos (generalmente IgA). Los neutrófilos pueden ser una parte importante de la defensa temprana contra Salmonella; de

Bacteria gramnegativa (p. ej., Salmonella) Inyección

Proteínas bacterianas (6 a 20) Célula epitelial intestinal

Modulación de la función celular (p. ej., inducción de fagocitosis)

P2.15. Robert Koch —famoso por los postulados que emitió (sección 2.4.1.2)— reconoció la importancia de las respuestas de DTH en la tuberculosis, e intentó desarrollar una cura para la tuberculosis al inocular a pacientes micobacterias muertas. Por desgracia, un número importante enfermó gravemente con rapidez y murió. ¿Por qué podría haber ocurrido esto?

2.4.2.4

Bacterias que causan inflamación intestinal

Las bacterias como Salmonella causan en su mayor parte daño directo de células del epitelio intestinal, lo que en algunos casos da lugar a inflamación local. Los efectos clínicos casi siempre son diarrea y vómitos. Muchas de estas bacterias son capaces de alterar las propiedades de células epiteliales del huésped para su propia ventaja. Así, una bacteria Salmonella, una vez que se ha unido a las células, inserta un tubo parecido a aguja hueca (llamado un sistema secretorio tipo 3) en el citoplasma de la célula. A continuación inyecta proteínas bacterianas en la célula epitelial, y éstas pueden cambiar de manera radical las propiedades de las células, por ejemplo, al hacerlas fagocíticas, inducir apoptosis e interferir con la emisión de señales intracelulares (figura 2-32). P2.16. ¿Cuál podría ser la ventaja selectiva para Salmonella de inducir inflamación intestinal? En circunstancias normales el intestino está protegido contra infección debida a muchos agentes patógenos por anticuerpos (en particular IgA) que son secretados de modo directo hacia el intestino grueso, y que actúan para prevenir la fijación de bacterias

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Fagocitosis de bacterias y multiplicación

Figura 2-32 Sistemas secretorios tipo III bacterianos. Después de unirse a una célula epitelial intestinal, bacterias gramnegativas, como Salmonella, construyen agujas huecas que insertan en el citoplasma de la célula huésped. Se inyectan proteínas bacterianas hacia la célula huésped, lo que induce cambios que ayudan a la bacteria a infectar al huésped, y a mantenerse por sí misma en este último. Un ejemplo es que la célula intestinal puede hacerse fagocítica, lo que ahora permite a la bacteria entrar a la célula donde es capaz de sobrevivir al interferir con la función del fagolisosoma.

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2.4

cualquier manera, a diferencia de las infecciones por bacterias piógenas, no son suficientes para la defensa. P2.17. Aunque la diarrea y los vómitos pueden llevar a deshidratación grave, estas respuestas a menudo también se consideran beneficiosas para el huésped. ¿Por qué?

2.4.2.5

Bacterias que causan choque séptico

Las bacterias tanto gramnegativas como grampositivas contienen moléculas en su pared celular que pueden inducir activación fuerte del sistema inmunitario innato al actuar como agonistas para receptores tipo toll (TLR, un subgrupo de PRR). En el caso de bacterias gramnegativas, una molécula de ese tipo es el lipopolisacárido (LPS) o endotoxina. Para organismos grampositivos la molécula correspondiente es el ácido lipoteicoico. Estas moléculas son componentes estructurales de la pared de la célula bacteriana, y no son secretadas ni liberadas a partir de bacterias vivas. No obstante, son liberadas a partir de organismos muertos o moribundos, y si entran al torrente sanguíneo pueden inducir choque cardiovascular en potencia mortal, comúnmente conocido como choque séptico o endotóxico (estudio de caso 2-4). El choque séptico puede tener otras consecuencias; por ejemplo, el decremento de la perfusión de órgano puede llevar a insuficiencia de órgano (p. ej., insuficiencia renal). El principal problema es que la presión arterial baja (hipotensión) es resistente a tratamiento, y que todos los medicamentos que suelen usarse para aumentar la presión arterial son ineficaces. En modelos en animales, si se administra un anticuerpo monoclonal antagonista del TNF-␣ en etapas tempranas (antes de que se haya establecido hipotensión), es posible prevenir la hipotensión. Sin embargo, ese tratamiento es ineficaz en el choque séptico en seres humanos, probablemente porque para cuando se administra, el TNF-␣ ya ha hecho su trabajo. El choque séptico casi siempre se origina por LPS proveniente de bacterias gramnegativas, pero también puede producirse por ácido lipoteicoico proveniente de bacterias grampositivas.

2.4.2.6

Infección e inmunidad en acción

81

Bacterias que pueden causar tumores malignos

A diferencia de los virus, hay relativamente poca evidencia directa que enlace infección bacteriana con incremento del riesgo de aparición de tumores malignos. Empero, un enlace de ese tipo es el de Helicobacter pylori con carcinoma del estómago. Las úlceras del estómago (gástricas) son una enfermedad común en el mundo desarrollado. Con todo, sólo a últimas fechas es que se ha mostrado que estas úlceras se originan por una bacteria, H. pylori (figura 2-27). Muchos carcinomas gástricos se asocian con úlceras gástricas, y hay una fuerte correlación entre la presencia de H. pylori en el estómago y la aparición de carcinoma gástrico. Aun así, la infección bacteriana es una complicación importante de muchos tumores malignos, y es una causa frecuente de muerte en pacientes con metástasis diseminadas. P2.18. ¿Cómo podría usted tratar de mostrar que H. pylori es la causa de cáncer gástrico, más que sólo estar asociado con él?

2.4.3 Patogenia de las infecciones virales Los virus son agentes patógenos intracelulares obligados —sólo pueden replicarse dentro de células—. Los mecanismos mediante los cuales causan enfermedad se superponen de muchas maneras con los que utilizan las bacterias. Los virus pueden dividirse a grandes rasgos en dos grupos principales de acuerdo con su historia de vida general. Algunos virus sólo infectan localmente, en los sitios donde entran primero al organismo. Los ejemplos comprenden los virus del resfriado común y de la gripe en las vías respiratorias, y norovirus en el intestino. Otros se diseminan desde el sitio de infección inicial hacia diferentes regiones del cuerpo y pueden causar enfermedad en órganos distantes (infección sistémica). Los ejemplos de éstos son los virus que causan hepatitis, sarampión y viruela.

Estudio de caso 2-4: choque séptico Datos clínicos: un muchacho de 15 años de edad que está en un viaje de campamento presenta dolor abdominal intenso, que empieza en el centro del abdomen pero que más tarde se localiza en la parte inferior derecha del mismo. Tiene fiebre leve. Ha nevado mucho toda la noche y transcurren muchas horas antes de que llegue al hospital. En el examen tiene abdomen rígido e hipersensible, y fiebre de 39.5 °C. Las pruebas sanguíneas muestran un recuento alto de neutrófilos. La presión arterial está un poco aumentada; se le diagnostica apendicitis aguda. Mientras se le está preparando para intervención quirúrgica presenta palidez y letargo. La presión arterial ha disminuido de modo notorio, y el paciente tiene dificultad para respirar. Pese a todos los intentos de reanimación, el muchacho muere. En el examen post mortem se encuentra que la cavidad peritoneal contiene líquido turbio, y el apéndice está hinchado, enrojecido, y muestra una rotura. Se efectuó un hemocultivo para bacterias, y mostró la presencia de bacterias tipo bastón gramnegativas.

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Explicación: el niño había presentado apendicitis aguda. La inflamación aguda había debilitado la pared del apéndice y este último se había roto, lo que permitió la entrada del exudado inflamatorio a la cavidad peritoneal y causó peritonitis aguda (esto explica el abdomen rígido). Algunas bacterias habían entrado al torrente sanguíneo (septicemia). Las bacterias muertas o que estaban muriendo liberaron LPS. Éste fue reconocido por TLR4 (sección 4.2.2.2) sobre monocitos circulantes. La emisión de señales por TLR4 dio lugar a la activación de secreción de citocinas, incluso factor de necrosis tumoral (TNF)-␣. El TNF-␣ actúa sobre venas para inducir la síntesis de óxido nítrico por células endoteliales. El óxido nítrico actuó sobre las venas para causar relajación de músculo liso, lo que condujo a vasodilatación y acumulación de sangre en la circulación venosa. La disminución de la entrada de sangre al corazón dio pie a decremento del gasto cardiaco y muerte.

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82

Capítulo 2

Infección e inmunidad

PRR

Macrófago Célula huésped no infectada

Virus PRR

Célula dendrítica plasmacitoide

IFN-␣, IFN-␤ Receptor de IFN tipo I

PRR en el citoplasma

Célula epitelial infectada Incremento de la resistencia a la replicación viral

Figura 2-33 Resistencia inicial a la infección viral. Para establecer una infección, los virus necesitan evadir o subvertir una serie de mecanismos de defensa. Las barreras naturales, como el ácido gástrico, pueden desactivar muchos virus. Si pasan estas barreras, los virus activan el sistema inmunitario innato mediante PRR expresados por células de alarma, como macrófagos, pDC y otros tipos de células. El efecto más importante de su activación es la síntesis de IFN tipo I, p. ej., IFN-␣ e IFN-␤, que actúan sobre otras células para hacerlas resistentes a la replicación viral. Las células infectadas también pueden producir IFN tipo I para ayudar a proteger otras células en la vecindad.

En contraste con los mecanismos de defensa que operan durante infecciones bacterianas, los que operan en infecciones virales son más homogéneos. La resistencia inicial en un individuo no inmune sucede en su mayor parte por medio de mecanismos innatos, como IFN que inducen resistencia en células vecinas (capítulo 4). Los IFN tipo I, en contraposición con el IFN-␥, son citocinas que son secretadas en respuesta a infección viral por células infectadas, así como por macrófagos y células NK, y a cifras en especial altas por un subgrupo especializado de DC plasmacitoides (pDC) (figura 2-33). Comoquiera que sea, la recuperación luego de casi todas las infecciones virales depende de la actividad de células T CD8, que a menudo necesitan ayuda de células T CD4 para ser activadas. Las células T CD8 citotóxicas (CTL) activadas pueden matar células infectadas por virus. Si esto ocurre antes de que el virus infeccioso se haya montado en la célula, la diseminación de la infección puede suspenderse. Los anticuerpos probablemente participan poco en la recuperación después de infección. De cualquier modo, en individuos que son inmunes a un virus como resultado de vacunación o recuperación luego de una infección previa, casi siempre son anticuerpos los que median la resistencia, por lo general al evitar la unión a células huésped (neutralización) o cubrirlos para permitir su fagocitosis (opsonización) (figura 2-34). 2.4.3.1

Virus que causan muerte celular directa

En algunas enfermedades, los efectos clínicos se deben únicamente a muerte celular causada por el virus. Por ejemplo, en la poliomielitis el virus mata las neuronas motoras en la médula espinal que inician la contracción muscular. En otras infecciones, como por HIV, la pérdida de un subgrupo particular de linfocitos T (células T CD4) puede ser originada por muerte directa de las células T por el virus (pero también podría reflejar muerte de células T CD4 infectadas, por otros tipos de células) (estudio de caso 2-5).

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La fuente del virus en el estudio de caso 2-5 podría haber sido un niño que recientemente había sido inmunizado con la vacuna contra la poliomielitis de virus vivos pero atenuados (debilitados), llamada vacuna Sabin. Los niños inmunizados con el virus Sabin excretan virus vivos en las heces y, muy rara vez, algunos de los virus pueden revertirse hacia ser virulentos. El paciente descrito en el caso puede haber deglutido algunos virus virulentos que pasaron por el estómago y se unieron al receptor del virus de la poliomielitis (PVR) humano en las células epiteliales intestinales. Las placas de Peyer pueden ser sitios de infección inicial importantes. El virus de la poliomielitis carece de envoltura, y entra directamente a la célula epitelial o es objeto de endocitosis por esta última (hay dudas respecto a cuál de estas dos cosas sucede en realidad). Se replica en estas células y después de montaje viral la célula sufre lisis, lo que permite la liberación de virus infecciosos. A continuación, el virus probablemente entra a la linfa y es transportado hacia los ganglios mesentéricos, donde puede pasar por otra ronda de replicación, antes de ser liberado hacia el torrente sanguíneo. Finalmente llega al SNC e infecta neuronas motoras del asta anterior, las mata y, de esta manera, causa la parálisis fláccida característica. No obstante, este ciclo de eventos es muy raro. En la mayor parte de los casos de infección por virus de la poliomielitis no hay afección del SNC, y la infección lleva a diarrea transitoria o es asintomática. Algunos estudios más recientes también sugieren una patogenia adicional o alternativa. Los ratones en circunstancias normales no pueden quedar infectados por virus de la poliomielitis porque no expresan el PVR necesario. Se han hecho ratones transgénicos que expresan el PVR ampliamente en el organismo, y estos ratones ahora pueden quedar infectados por el virus de la poliomielitis. Luego de infección de un ratón transgénico mediante inyección del virus en una extremidad, el virus se disemina hacia el SNC y causa parálisis. Sin embargo, la primera extremidad que muestra parálisis es la que fue infectada. Si se cortan los nervios

Patogenia

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2.4

Células T CD8 citotóxicas activadas

Célula infectada

Infección e inmunidad en acción

83

Apoptosis

Péptido viral

MHC I

IFN-␥ Perforina, granzimas

Célula NK

Célula infectada

Apoptosis

Reconocimiento no MHC de clase I

Señal de activación

Perforina, granzimas

Figura 2-34 Recuperación luego de infección viral. En la mayor parte de los casos de infección viral se necesita una respuesta adaptativa para desencadenar recuperación; esta respuesta comprende células T tanto CD4 como CD8. Las células T CD8 a menudo son esenciales, y generan dos mecanismos efectores principales. Las células T CD8 activadas pueden matar células infectadas, y si esto ocurre antes de que se hayan sintetizado nuevos virus infecciosos, puede suspenderse la diseminación de la infección (sección 1.4.5.2). Las células T CD8 activadas también pueden secretar IFN-gamma, que es un agente antiviral débil pero, lo que es más importante, activan macrófagos que son secretores potentes de IFN tipo I. Las células T CD4 pueden proporcionar ayuda en la activación de células T CD8, y pueden ayudar a células B a sintetizar anticuerpos —éstos tal vez desempeñen cierta función en la recuperación, pero son cruciales en la resistencia a la reinfección—. En algunos casos, las células NK también pueden matar células infectadas por virus, lo que ayuda a la recuperación después de infección (sección 1.4.4).

que conectan esa extremidad al SNC, a pesar de que el virus tenga acceso a la sangre, no ocurre parálisis. Esto sugiere fuertemente que, en este modelo, el virus en realidad asciende por los nervios hasta el SNC, de modo similar al virus de la rabia. Empero, se desconoce si esto sucede en las infecciones del ser humano. Lo que queda de manifiesto a partir de este estudio de caso es que queda mucho por aprender acerca de la patogenia de la

infección por virus de la poliomielitis, y que el descubrimiento de la patogenia de una enfermedad infecciosa puede ser muy difícil si no hay modelos idóneos en animales. Prevención No hay tratamiento para la poliomielitis paralítica una vez que ha aparecido. Con todo, la poliomielitis se puede prevenir con mucha eficacia con vacunación. Se usan dos clases de

Estudio de caso 2-5: poliomielitis Datos clínicos: un niño de 12 años de edad de una familia estadounidense que no cree en la inmunización va a nadar a una piscina usada por muchos otros niños. Algunos días más tarde presenta cefalea y rigidez leve de nuca. Días después de esto nota debilidad en el brazo derecho, y en el transcurso de los días siguientes la debilidad se incrementa hasta que no puede mover el brazo en absoluto.

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Explicación: la piscina estaba contaminada con materia fecal de otros niños, uno de los cuales estaba excretando virus de la poliomielitis virulento. El paciente ingirió el virus que, después de infectar el epitelio intestinal, viajó al SNC, donde indujo la muerte de neuronas motoras del asta anterior, lo que condujo a parálisis fláccida. Las neuronas motoras no pueden regenerarse, y la parálisis es permanente.

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84

Capítulo 2

Infección e inmunidad

vacuna: la vacuna de virus vivos atenuados (vacuna Sabin, véase antes), que ahora se utiliza menos comúnmente, y una vacuna de virus muertos, desactivados (vacuna Salk). La inmunización con ambas vacunas da pie a la síntesis de anticuerpos que evitan que el virus se una a células epiteliales. Las ventajas de la vacuna Sabin son que puede administrarse por vía oral (a menudo en un terrón de azúcar), y que es muy similar a la infección natural, lo que lleva a secreción de IgA intestinal de vida prolongada contra virus de la poliomielitis. La desventaja es que, al ser un virus vivo, está sujeto a mutación que puede llevar a la recuperación de la virulencia, y los receptores inmunizados pueden excretar virus virulento en las heces, como en el estudio de caso anterior. Esto también ocurrió hace poco tiempo en Haití y la República Dominicana, y condujo a un pequeño brote de poliomielitis paralítica. La vacuna Salk no conlleva este riesgo. Aun así, la desventaja de dicha

vacuna es que tiene que administrarse por medio de inyecciones repetidas, y que la respuesta de anticuerpos es principalmente de IgG más que de IgA. No obstante, ambas vacunas son muy eficaces para prevenir la infección. La vacunación contra la poliomielitis es una de las inmunizaciones más exitosas, y la erradicación mundial de la poliomielitis es un objetivo alcanzable. Una de las principales razones para esto es que no hay huéspedes no humanos naturales que podrían actuar como vectores para el virus de la poliomielitis (figura 2-35). P2.19. El virus de la poliomielitis infecta a seres humanos por la ruta oral. Sin embargo, la mayoría de los seres humanos infectados por dicho virus no presenta parálisis. ¿Qué podría determinar si un individuo infectado presenta parálisis?

Exposición a virus infecciosos

Vacuna Sabin (virus vivos atenuados)

IgA

Virus de la poliomielitis virulento

Oral La neutralización da protección No hay replicación viral No hay excreción fecal de virus Intestino

Vacuna Salk (virus desactivados)

Intestino

Exposición a virus infecciosos Virus de la poliomielitis virulento

Inyección Sangre IgG

Sangre

Opsonización, o neutralización, o ambas

Replicación viral sólo en células epiteliales intestinales Excreción de virus virulentos

Figura 2-35 Inmunidad a la infección por virus de la poliomielitis. Las vacunas contra la poliomielitis consisten en virus vivos atenuados (debilitados) (Sabin) o virus desactivados (Salk). La vacuna Sabin, de virus vivos, se administra por vía oral (a menudo sobre un terrón de azúcar). El virus infecta células epiteliales intestinales, lo que imita la infección natural, e induce una respuesta de IgA local; esto evita que virus virulentos se fijen a las células epiteliales y se repliquen, y no se excretan virus virulentos. Empero, hay un pequeño riesgo de que el virus de la vacuna se revierta hacia virulencia. La vacuna Salk se administra por medio de inyección e induce una respuesta de anticuerpos que consta principalmente de IgG. Esto evita la diseminación del virus más allá del intestino mediante opsonización y neutralización, pero no evita infección de células epiteliales intestinales ni la excreción subsiguiente de virus virulentos vivos. En la práctica ambas vacunas son muy eficaces en los ámbitos tanto individual como de población.

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2.4

2.4.3.2

Virus que causan inflamación aguda

Muchos virus, que infectan localmente o de modo sistémico, causan enfermedad clínica en la cual los principales síntomas son de inflamación. Esto se aplica a casi todas las infecciones de las vías respiratorias (p. ej., el resfriado común y la gripe) y a infecciones sistémicas (p. ej., sarampión y viruela). Empero, las características anatomopatológicas de la inflamación no son las de la inflamación aguda típica que se observa con bacterias piógenas. Se caracteriza por acumulación de linfocitos y macrófagos. Esto significa la participación de una respuesta inmunitaria adaptativa mediada por células T, y la inflamación en realidad es un subproducto de la respuesta inmunitaria que se encarga de eliminar el virus. P2.20. ¿Por qué los resfriados y la gripe son más comunes durante los meses de invierno?

P2.21. ¿Cuáles podrían ser las consecuencias de que las etapas tempranas de la gripe sean asintomáticas? Infección y replicación viral. En el estudio de caso 2-6, el individuo infectado por gripe con el que usted estuvo en contacto le transmitió el virus. Típicamente esto podría suceder mediante gotitas cuando el individuo infectado estornuda cerca de usted, o tal vez por contacto directo (p. ej., al saludarlo de mano después de que el individuo se sonó la nariz). El virus se adhirió a células epiteliales en las vías respiratorias superiores; la adhesión está mediada por HA viral que se une a ácido siálico sobre moléculas de superficie celular. El virus fue objeto de endocitosis, y el pH bajo en las vesículas endocíticas causó un cambio conformacional en la HA, lo que le permitió fusionarse con proteínas en la membrana de la vesícula. El contenido viral ahora pudo entrar al citoplasma de la célula, y el RNA viral (en ocho segmentos separados) fue transportado hacia el núcleo. El RNA viral se copió como mRNA que codifica para diversas proteínas. Algunas de éstas se relacionan con replicación del RNA, y otras con síntesis directa de proteínas que quedarán incorporadas hacia nuevas partículas de virus. Las nuevas partículas de virus se montaron bajo la membrana plasmática, y hubo gemación de virus hacia afuera de la célula, con incorporación de parte de la

Patogenia

Infección e inmunidad en acción

85

membrana plasmática como su envoltura. Las células epiteliales no fueron muertas (por lo menos inicialmente), y las etapas tempranas de la infección —cuando el virus se está liberando— son asintomáticas (figura 2-36). Sintomatología. Sin embargo, no todo está tranquilo. Las células infectadas liberan citocinas como IFN tipo I, que alteran la expresión de moléculas de adhesión sobre células endoteliales locales, lo que permite el reclutamiento de monocitos y la acumulación de macrófagos inflamatorios. Estas células son estimuladas para que secreten más citocinas (p. ej., IL-1 y TNF-␣), y otras moléculas, como prostaglandinas. Localmente estas moléculas inician una respuesta inflamatoria que, por medio de estimulación neuronal, causa el dolor de garganta y la tos. Algunas moléculas también entran al torrente sanguíneo, y originan los síntomas generalizados (sistémicos), como fiebre, pérdida del apetito y cefalea. (Es importante que cuando los pacientes que portan cáncer se trataron por vez primera con IFN tipo I, uno de los principales efectos secundarios reportados fue la aparición de síntomas sistémicos parecidos a gripe.) P2.22. ¿Por qué se siente frío y hay estremecimiento mientras está apareciendo fiebre?

P2.23. ¿Cuál podría ser la función evolutiva de la fiebre en la defensa contra infección? Recuperación luego de infección primaria. La secreción local de IFN puede servir para lentificar la infección, pero la recuperación depende de una respuesta inmunitaria adaptativa. Los antígenos del virus de la gripe (o quizá células infectadas que pueden hacerse apoptóticas) son objeto de endocitosis por DC y transportados hacia ganglios linfáticos locales, donde activan células T CD4 y células T CD8. Estas células T activadas migran de regreso al sitio de infección porque pueden reconocer moléculas de adhesión que se expresan sobre el endotelio inflamado. A partir de estudios de transferencia adoptiva en ratones se sabe que las células T CD8 son esenciales para la recuperación después de gripe. ¿Cómo median la recuperación? Las células T CD8 activadas pueden desarrollarse hacia CTL que reconocen péptidos virales expresados sobre moléculas del

Estudio de caso 2-6: gripe Datos clínicos: en un invierno frío en el hemisferio norte usted está en contacto con un individuo que sufre gripe. Durante un par de días usted permanece libre de síntomas. A continuación empieza a sentirse mal, y presenta tos y faringoamigdalitis. Siente frío y se estremece violentamente. Le duelen los músculos. Se mide la temperatura y encuentra que tiene fiebre notoria. Pierde el apetito y se siente soñoliento. Los síntomas aumentan de gravedad durante algunos días, pero usted empieza a recuperarse, y con el tiempo vuelve a lo normal. Pese a que el brote de gripe aún está causando estragos, usted no queda infectado de nuevo, y cuando la misma cepa de virus de la gripe aparece el siguiente año, usted no contrae infección sintomática. Sin embargo, el año siguiente, en otra epidemia

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de gripe, usted de nuevo queda infectado, y presenta síntomas similares. ¿Cómo puede explicar estos fenómenos? Explicación: usted quedó infectado por un virus de la gripe virulento, que si bien sólo infecta células epiteliales respiratorias, causó síntomas sistémicos. Usted generó una respuesta inmunitaria mediada por células que eliminó la infección viral, y que dio lugar a memoria para la cepa particular de virus que le había infectado a usted, y evitó que usted quedara infectado por la misma cepa de virus el año siguiente. No obstante, debido a la especificidad de la inmunidad adaptativa, esta memoria inmunológica no le pudo proteger a usted cuando apareció una nueva cepa.

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86

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Neuraminidasa (NA) Unión RNA segmentado Cápside

Ácido siálico

Envoltura

Cambio conformacional en la HA

HA Hemaglutinina (HA)

Endocitosis PH Fusión de membrana

RNA viral

Proteínas virales

NA involucrada en la liberación Montaje viral

Envoltura derivada de la membrana de la célula huésped, con HA y NA

Gemación

Figura 2-36 Ciclo de vida del virus de la gripe. La HA en la envoltura viral se une al ácido siálico sobre la célula huésped. El virus es internalizado por medio de endocitosis, y el pH endosomal bajo (acidez aumentada) altera la HA, de manera que puede mediar la fusión de la envoltura con la membrana endosomal. Se libera el RNA viral (8 segmentos separados), e induce síntesis de proteínas tempranas, involucradas en la replicación de RNA, y de proteínas tardías que son montadas hacia nuevas partículas virales. Hay gemación de virus desde la membrana plasmática de la célula infectada, e incorpora parte de la membrana como su envoltura. La NA viral está involucrada en la liberación del virus desde la célula. Diferentes formas de HA y NA dan a diferentes cepas de virus de la influenza sus nombres característicos (H1N1, H5N1, etcétera).

MHC clase I de células infectadas, e inducen apoptosis en estas células (p. ej., figura 2-34). Cuando el virus de la gripe (y otros virus) infecta una célula, desmonta su estructura, y hay un periodo, que se conoce como la fase de eclipse, durante el cual no hay virus infeccioso en la célula infectada. Si ésta puede ser muerta durante la fase de eclipse, no pueden montarse virus infecciosos, y se suspende la diseminación de la infección. En otras palabras, la célula es sacrificada para prevenir la infección de otras células. De esta manera, el paciente se recupera, y los síntomas locales y sistémicos desaparecen. Las células T CD8 activadas también secretan IFN-␥, que puede incrementar la expresión de moléculas del MHC clase I sobre células, lo que aumenta más su susceptibilidad a muerte (figura 2-37). Resistencia a la reinfección. Pese a estar en contacto repetido con individuos infectados, usted no queda infectado de nuevo en la misma temporada de gripe. Esta resistencia se debe principalmente a que usted ha sintetizado anticuerpos antes. Durante la infección inicial, células T CD4 activadas ayudaron a la activación de células B, que entonces se desarrollaron hacia células plasmáticas que secretaron anticuerpos específicos para moléculas expresadas sobre la superficie viral, principalmente HA y neuraminidasa (NA). Usted es resistente a la reinfección porque estos anticuerpos evitan la unión del virus a células epiteliales

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(la IgA puede ser en particular importante en la prevención de la unión). Se sabe esto debido a una propiedad poco común pero de importancia crucial de los virus de la gripe. Diferentes cepas de virus expresan distintas formas de HA y NA, lo que da lugar a la terminología para las famosas cepas H5N1 (gripe aviar) y H1N1 (gripe porcina). Si alguien es infectado por una cepa H1N1, y luego entra en contacto con una cepa diferente que expresa H1 o N1, está protegido. Con todo, si encuentra, por ejemplo, H2N2, queda infectado (figura 2-38). Epidemias y pandemias. Las epidemias son brotes de una enfermedad infecciosa que infecta a muchos individuos en un área limitada (p. ej., país o región). Las pandemias son epidemias en el ámbito mundial. • Epidemias de gripe: casi todos los virus están sujetos a mutación (el HIV de modo masivo, el virus de la poliomielitis muy poco). El virus de la gripe muestra mutaciones puntuales frecuentes en los genes que codifican para HA y NA. Esto se conoce como cambio antigénico; los cambios son pequeños, pero algunas de estas mutaciones hacen ineficaces a anticuerpos preexistentes. Los individuos inmunes al virus original son susceptibles a la cepa mutante. Estos virus mutantes son la causa de las epidemias que ocurren cada algunos años.

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2.4

Epitelio respiratorio

Infección e inmunidad en acción

87

Ganglio linfático de drenaje

1

Respuesta innata

Protección

3

IFN tipo I 2

DC plasmacitoide 4 5 Respuesta adaptativa

DC clásica

Célula T CD4

Ayuda Linfa 6

7

Sangre

Célula T CD8

Célula T CD8 activada (desencadena apoptosis)

Figura 2-37 Inmunidad a la gripe I: recuperación. 1) El virus de la gripe infecta células epiteliales respiratorias y se replica en las mismas, y es liberado mediante gemación. 2) PAMP, o citocinas, o ambas, virales, liberadas por las células epiteliales, estimulan pDC, que sintetizan grandes cantidades de IFN tipo I. 3) Los IFN tipo I, que también pueden ser producidos por las células epiteliales infectadas, inducen resistencia a la infección viral en otras células. 4) Los PAMP también activan DC clásicas que adquieren antígenos virales, sea a partir de restos virales o al captar células infectadas apoptóticas. 5) Estas DC migran hacia ganglios linfáticos, donde activan células T CD4 y CD8. 6) Las células T CD8 activadas migran hacia el epitelio inflamado 7) y son capaces de matar células infectadas, en circunstancias ideales antes de que se monten nuevos virus. También pueden secretar IFN-␥, que es débilmente antiviral, pero que también activa macrófagos que entonces pueden secretar IFN tipo I.

• Pandemias de gripe: el genoma del virus de la gripe es poco común por cuanto consta de ocho segmentos de RNA separados. Es posible que una célula única quede infectada por dos virus de la gripe diferentes al mismo tiempo. Suponga que un cerdo en China queda infectado por un virus de la gripe de mamífero y un virus de la gripe aviar al mismo tiempo. Puede montarse un nuevo virus en el cual casi todos los segmentos del gen provienen de virus de mamífero, pero el segmento HA proviene del virus aviar; esto se conoce como cambio antigénico. Ningún ser humano habrá quedado expuesto a este virus, y ninguno tendrá anticuerpos contra HA. Nada habrá para limitar la diseminación del virus en la población humana; es así como suceden pandemias. Esto es suficientemente malo pero, para adultos sanos, la gripe no es un problema que ponga en peligro la vida; casi todas las muertes sobrevienen en individuos de edades extremas. No obstante, la gripe española de 1918 y la gripe aviar H5N1 son excepciones; la mortalidad en seres humanos infectados por H5N1 es de alrededor de 50%, pero son los adultos sanos los que tienen mayor riesgo. Una hipótesis para explicar la mortalidad muy alta por el virus H5N1 es que es extraordinariamente eficiente para estimular el sistema inmunitario innato; el resultado es liberación de grandes cantidades de citocinas, y pueden ser éstas las que causan la mortalidad.

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P2.24. Si se probara que una producción masiva de citocinas en respuesta a infección por virus H5N1 causa mortalidad, ¿qué métodos terapéuticos nuevos podrían crearse? 2.4.3.3

Virus que causan inflamación crónica

En algunos casos de infección viral, la inflamación que se produce se debe de manera directa a daño de las células infectadas que, a su vez, liberan moléculas que activan la respuesta inflamatoria. En otros es más complejo; la inflamación refleja una respuesta inmunitaria contra células infectadas por virus, por ejemplo, en la hepatitis viral. En la hepatitis B, la infección viral de células hepáticas estimula una fuerte respuesta mediada por células T CD8 (CTL). Las células T matan células infectadas y abortan la infección; de cualquier modo, si muchas células hepáticas están infectadas, el grado de muerte puede ser tan grande que el hígado no puede funcionar, y sobreviene insuficiencia hepática. Si el virus no es eliminado exitosamente, la respuesta inmunitaria puede continuar a una cifra baja durante meses o años. Cada respuesta inflamatoria se acompaña de una respuesta de curación que comprende el depósito de colágeno por fibroblastos, y con el tiempo esta fibrosis puede alterar la función del órgano. Así, en la hepatitis C, los pacientes pueden estar infectados durante años sin

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88

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Epitelio respiratorio

Ganglio linfático de drenaje

IgA Célula plasmática

Neutralización

DC clásica

Linfa

Activación de célula T CD8 de memoria

Sangre Célula T CD8 activada (desencadena apoptosis)

Figura 2-38 Inmunidad a la gripe II: resistencia a reinfección. Los anticuerpos, en particular de la clase IgA y específicos para HA, evitan que el virus se una a células epiteliales. Además, pero más tarde, las DC pueden adquirir antígenos virales, viajar hacia ganglios linfáticos, y activar células T de memoria CD8. Estas últimas pueden convertirse en células efectoras activadas que pueden matar células epiteliales que están infectadas por cualesquiera virus que escapen a la neutralización, lo que evita la liberación adicional de virus vivos.

saberlo, y sólo es cuando el grado de fibrosis es tan grave que inhibe la función del hígado que la infección se hace manifiesta en clínica. Esto se conoce como cirrosis, y la hepatitis C es una de las principales causas de esta afección (estudio de caso 2-7). Patogenia Una característica notoria de la infección por virus de la hepatitis C es que en más de 95% de los casos el virus no

es eliminado, sino que persiste como una infección crónica. Esta infección crónica da pie a una respuesta inmunitaria continua, que inevitablemente lleva a inflamación crónica del hígado y daño colateral. En algunos casos esto no parece causar enfermedad clínica, pero en otros la enfermedad puede manifestarse por sí misma después de muchos años. En algunos pacientes se forma carcinoma del hígado, mientras que en otros, como en el estudio de caso

Estudio de caso 2-7: hepatitis C Datos clínicos: un varón de 67 años de edad visita a su médico porque ha notado una coloración amarilla en la parte blanca de los ojos. Su consumo de alcohol es muy bajo, no es un usuario de drogas por vía intravenosa, y no tiene factores de riesgo para infección por virus de la hepatitis B. Las pruebas de función hepática sugieren daño hepático moderado a grave. Se le practicó intervención quirúrgica por carcinoma del colon hace 17 años, pero no hay evidencia de recurrencia o metástasis del tumor. El examen ecográfico del hígado muestra nodularidad notoria, y en la biopsia hepática se encuentra cirrosis avanzada. Un análisis de sangre revela la presencia de anticuerpos contra virus de la hepatitis C, y se detecta RNA del virus de

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la hepatitis C en la sangre; se procede a trasplante hepático, y cinco años más tarde el paciente permanece bien. Explicación: la intervención quirúrgica para tratar el carcinoma comprendió transfusión de sangre, y esto ocurrió antes de que se instituyeran pruebas de detección sistemáticas para virus de la hepatitis C. El virus en la sangre transfundida infectó los hepatocitos e indujo una respuesta inmunitaria antiviral. Esto incluyó la activación de células T CD8 específicas para el virus que mataron algunos de los hepatocitos, pero esto fue insuficiente para eliminar la infección. Una respuesta inmunitaria continua contra el virus indujo la cirrosis.

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2.4

Inyección de sangre infectada por virus de la hepatitis C

Hepatocitos infectados

Infección e inmunidad en acción

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Infección no eliminada Célula T CD4 activada

Célula T CD8 activada Hígado

Inflamación crónica

Curación/reparación

Antígenos

Depósito de colágeno

Tejido linfoide secundario CD4

CD8 DC

Cirrosis

Figura 2-39 Hepatitis C. La hepatitis C por lo general se transmite por medio de sangre infectada. El virus infecta hepatocitos e induce una respuesta inmunitaria adaptativa. En muchos casos esta respuesta no elimina la infección, y el virus persiste en el hígado. El virus sigue estimulando la respuesta inmunitaria, que por sí misma estimula, como parte de inflamación crónica, una respuesta de curación y reparación. Esto lleva a depósito excesivo de colágeno (cirrosis), y al cabo de un periodo prolongado puede llevar a insuficiencia hepática.

2-7, aparece insuficiencia hepática como resultado de cirrosis. En la cirrosis hay depósito excesivo de tejido conjuntivo en el hígado. Esto sucede porque una respuesta de curación/reparación es una parte integral de un proceso inflamatorio crónico. En muchos sitios esto no causaría enfermedad, pero en el hígado el colágeno se deposita alrededor de pequeños grupos de hepatocitos en regeneración, en todo el órgano, lo que en esencia los aísla y evita que funcionen normalmente, lo cual conduce a insuficiencia hepática. El proceso cirrótico se puede lentificar mediante fármacos, pero una vez que ha ocurrido insuficiencia hepática, el único tratamiento disponible es un trasplante (figura 2-39).

pero no la misma cepa que causa verrugas). Fue imposible mostrar que ésta es más que una asociación fuerte, pero la asociación fue tan fuerte que se consideró justificable crear vacunas contra el virus. Estas vacunas se están usando ampliamente para inmunizar a niñas antes de que inicien actividad sexual, y se ha mostrado en estudios que las vacunas evitan la infección por el virus y la aparición de los estadios tempranos de cáncer (figura 2-41).

2.4.3.4

Durante mucho tiempo se ha sabido que los receptores de trasplante renal tienen incidencia alta de tumores malignos —un incremento de alrededor de 100 veces—. Todos estos pacientes están recibiendo tratamiento inmunosupresor, y se ha sugerido que el aumento de la incidencia de tumores se debe a la falta de vigilancia inmunitaria, lo que permite que células mutantes recién formadas se desarrollen hacia tumores (capítulo 7). Si así fuera, podría predecirse que las frecuencias con las cuales aparecieron diferentes tumores en receptores de trasplante reflejarían sus frecuencias en individuos normales. De hecho, se observa que casi todos los tumores surgen a partir de células linfoides, pero los cánceres cutáneos son una excepción; algunos estudios revelan incremento de 250 veces del riesgo de aparición de cáncer cutáneo. No obstante, en esos casos a menudo es posible aislar ácido nucleico viral a partir del tumor, en particular de virus del herpes y del papiloma. De modo similar, los pacientes con infección por HIV (véase más adelante) tienen riesgo muy aumentado de presentar sarcoma de Kaposi, y es posible aislar también ácido nucleico de HPV a partir de estos tumores. Estas observaciones

Virus que causan tumores

En animales se ha mostrado experimentalmente que muchos virus causan tumores. En seres humanos hay una asociación muy estrecha entre muchos tumores y virus como el de Epstein-Barr en el linfoma de Burkitt, un tumor de linfocitos B y carcinoma nasofaríngeo; virus de la hepatitis B y cáncer del hígado, y un virus del herpes humano en el sarcoma de Kaposi, una complicación del SIDA. Sólo en un caso se ha mostrado de manera directa que un virus causa un tumor en seres humanos (esto es, satisfechos los postulados de Koch): la inyección del virus del papiloma en la piel de voluntarios indujo la formación de papiloma en el sitio de inyección (los papilomas cutáneos son tumores benignos, verrugas) (figura 2-40). El carcinoma del cuello uterino es un importante asesino de mujeres. Durante mucho tiempo se ha sabido que hay una fuerte correlación entre el número de parejas sexuales que una mujer tiene y el riesgo de aparición de cáncer cervical. Después se encontró que en la mayor parte de los casos de cáncer cervical hubo evidencia de infección previa por virus del papiloma humano (HPV,

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P2.25. ¿Haber hallado que la vacunación contra el virus del papiloma evita el desarrollo de carcinoma cervical prueba una relación causal entre ambos?

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90

Capítulo 2

Infección e inmunidad

Figura 2-40 Tumores inducidos por virus. Si un virus que causa tumor (un virus oncogénico) infecta una célula, puede insertar sus propios genes o inducir activación o supresión anormal de genes del huésped que regulan el crecimiento de las células (oncogenes y genes supresores tumorales, respectivamente). Esto da lugar a una clona de células que adquiere la capacidad para dividirse de modo indefinido (inmortalidad) e independiente de factores de crecimiento externos, y que carece de control de la proliferación mediante contacto célula-célula. Un tumor que está empezando a desarrollarse también puede inducir angiogénesis, lo que ayuda a apoyar su crecimiento. Las células tumorales pueden invadir tejidos normales, y escapar hacia la sangre o la linfa para sembrar sitios más distantes, lo que conduce a metástasis.

Virus tumoral Epitelio normal Transformación (crecimiento descontrolado, inmortalidad) Membrana basal Invasión (membrana basal, linfáticos, vasos sanguíneos)

Metástasis (p. ej., hígado)

Vacuna contra el HPV Infección por virus del papiloma humano (HPV)

Epitelio cervical

Anticuerpos contra HPV Unión bloqueada Epitelio cervical

Transformación maligna

Carcinoma cervical

No hay infección, transformación, ni carcinoma

Figura 2-41 Prevención de carcinoma cervical por medio de vacunación. El carcinoma del cuello uterino está asociado de manera muy estrecha con infección genital por cepas de HPV transmitidas por contacto sexual. Las mujeres jóvenes son inmunizadas (de manera profiláctica, antes de que queden infectadas) con una vacuna contra HPV que induce una respuesta inmunitaria, principalmente de anticuerpos, que evita que el virus infecte células epiteliales cervicales. Lo anterior está resultando muy eficaz para prevenir desarrollo subsiguiente de tumor. Cabe hacer hincapié en que la inmunización evita la infección: no es una inmunización contra el tumor en sí. Puesto que el virus típicamente se transmite por coito, quizá sea hasta cierto punto útil vacunar también a varones jóvenes.

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2.4

sugieren que el incremento de la incidencia de tumores que se observa en pacientes inmunosuprimidos podría representar un fracaso para eliminar infecciones virales, más que un fracaso primario de la inmunovigilancia contra células tumorales recién formadas, aunque esto aún es un poco controvertido. 2.4.3.5

Virus que causan inmunosupresión

Como parte de sus estrategias de evasión, muchos virus pueden inducir inmunosupresión más o menos grave. Esto puede llevar no sólo a supervivencia aumentada del virus infeccioso, sino también a infección por otros virus (estudio de caso 2-8). El HIV-1, el virus causal del SIDA, es un retrovirus. Infecta células de ser humano que expresan CD4 y un receptor de quimiocina particular, CCR5 o CXCR4. Diferentes cepas de virus por lo general usan uno u otro de estos últimos para infectar, y se conocen como cepas R5 y X4, respectivamente. Macrófagos de seres humanos, DC y células T CD4 activadas expresan CD4 y CCR5, mientras que muchos tipos de células, incluso las células T CD4, expresan CXCR4. La importancia de CCR5 para la infección por HIV es mostrada por individuos que tienen una mutación en el gen que codifica para este receptor: si son homocigóticos para esta mutación, no pueden expresar CCR5 y, por consiguiente, son resistentes a infección por cepas R5 de HIV. Después de unión a la célula, el contenido del virus, incluso el RNA monocatenario viral, entra a la célula. La enzima transcriptasa inversa copia el RNA hacia DNA bicatenario que entra al núcleo y queda integrado en el genoma de la célula. El DNA puede permanecer latente durante periodos prolongados, pero finalmente queda activado y se replica, y se sintetiza RNA, se exporta hacia el citoplasma, y se empaca hacia nuevos viriones, los cuales a continuación son liberados desde la célula por medio de gemación, y pueden infectar otras células huésped, o transmitirse a otros individuos (figura 2-42).

Patogenia

Infección e inmunidad en acción

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Mecanismos de evasión ¿Por qué el sistema inmunitario no elimina el HIV? Al igual que con muchos virus, el HIV ha adquirido por evolución varios mecanismos para evadir la respuesta inmunitaria. El individuo infectado de hecho monta respuestas vigorosas mediadas por células T CD4 y CD8, y citotóxicas, contra el virus, así como respuestas de anticuerpos, y éstas persisten durante periodos muy prolongados, pero finalmente son ineficaces. Es crucial recordar que la presencia y naturaleza de mecanismos de evasión, algunos de los cuales se consideran más adelante, es muy buena evidencia de la importancia de esos mecanismos de evasión en la resistencia al virus. Esto también es una buena manera de empezar a pensar acerca de cómo diseñar vacunas y terapias que podrían vencer estos mecanismos de evasión. Eliminación de células T CD4. A largo plazo, la destrucción de células T CD4 puede considerarse la estrategia de evasión más importante del HIV, porque esto evita la inducción de respuestas de CTL y de anticuerpos eficaces. La eliminación de células T CD4 también es crucial en clínica: es lo que permite el inicio de infecciones oportunistas, y son estas infecciones, no el HIV en sí, las que matan al paciente. Varios mecanismos contribuyen a la pérdida de células T CD4; la vida media de éstas, cuando están recién infectadas, es de sólo uno a dos días. Las células T CD4 infectadas muestran incremento de la expresión de moléculas como Fas (un receptor de muerte) y ligando Fas, así como TRAIL (ligando inductor de apoptosis relacionado con el TNF; otro receptor de muerte). La expresión de moléculas antiapoptóticas como Bcl-2 está disminuida, de modo que se hacen más susceptibles a apoptosis. Las células T CD4 infectadas también se convierten en blancos para células T citotóxicas específicas para HIV. Es importante percatarse de que casi todas las células T CD4 que mueren no están infectadas por HIV. Los mecanismos que causan la muerte de células no infectadas se entienden poco, pero incluyen muerte por células T CD4 que expresan ligando Fas, que están ellas mismas infectadas. Si una célula de CD4 in-

Estudio de caso 2-8: HIV Datos clínicos: un varón de 35 años de edad tiene coito vaginal no protegido con una prostituta. Aproximadamente dos semanas más tarde se siente mal, y tiene fiebre leve y dolores articulares. Acude con su médico, pero no menciona el coito sin protección. El médico sugiere que tome paracetamol y el paciente se recupera en el transcurso de los días siguientes. Permanece bien durante alrededor de siete años, pero entonces presenta fiebre y falta de aliento. Su esposa nota que el individuo tiene una tumefacción de color púrpura en la espalda. Entonces el sujeto regresa con su médico, quien encuentra que tiene signos de una neumonía leve e hinchazón generalizada de los ganglios linfáticos. La tumefacción de color púrpura tiene el aspecto de un tumor vascular. Análisis de sangre revelan que los números de células T CD4 circulantes son muy bajos, y que hay anticuerpos contra HIV. El esputo resulta positivo para Pneumocystis jirovecii. Se persuade al paciente de que comunique esto a su esposa, y aunque ella está por completo asintomática, se encuentra que tiene anticuerpos contra HIV. Se coloca a ambos en HAART (terapia antirretroviral altamente activa), en la cual se administran juntos 3 o 4 medicamentos contra HIV a fin de reducir las probabilidades de que el virus

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se haga resistente; para hacerlo, requeriría tres o cuatro mutaciones simultáneas. Tres años más tarde la esposa permanece infectada por HIV, pero está bien, mientras que el esposo presenta metástasis del tumor, y muere. Explicación: el sujeto adquirió HIV durante el episodio único de coito sin protección (esto es poco común, porque las probabilidades de infección en estas circunstancias son de menos de 1:100). El virus infectó los macrófagos y las células T CD4, y proliferó en estas células; esta infección causó la fiebre. Si se hubieran efectuado análisis de sangre en ese momento, habrían mostrado concentración muy alta de HIV libre. Con el tiempo el número de células T CD4 empezó a declinar, y el paciente quedó infectado por Pneumocystis jirovecii, un hongo tipo levadura, que es inocuo para individuos normales. Sin embargo, en este caso el paciente no pudo activar los mecanismos inmunitarios adaptativos necesarios para controlar el organismo y, de esta manera, presentó neumonía. La tumefacción de color púrpura en la espalda es sarcoma de Kaposi. Este tumor muestra muy fuerte relación con un virus del herpes (HHV8). Los sarcomas son tumores malignos de células de tejido conjuntivo.

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Capítulo 2

92

Infección e inmunidad

Ganglio linfático de drenaje

Epitelio

Sangre

Célula T CD4 de memoria

Tejidos linfoides secundarios

Viremia

Célula T CD4

Célula T CD4 Célula T CD4

Célula dendrítica 1

Apoptosis de espectador

2

3

0

4

5

10

25

Tiempo (días)

Figura 2-42 Eventos virales en la infección por virus de la inmunodeficiencia humana. 1) La infección viral por lo general sucede por medio de mucosas. 2) A menudo una partícula viral única cruza el epitelio e infecta células T CD4 (CCR5) de memoria, y DC, submucosas. 3) Hay una fase de eclipse de 5 a 10 días de duración luego de la infección, cuando es imposible detectar virus en la sangre. Durante esta fase el virus ha entrado a los ganglios linfáticos de drenaje como partículas libres o transportado por células T CD4 o DC. El virus se replica en el ganglio linfático, y mata muchas células T CD4, lo que forma reservorios virales y destruye la estructura del ganglio linfático. 4) El virus ahora se disemina ampliamente por medio de la sangre (puede detectarse viremia) hacia órganos linfoides secundarios. 5) Se sigue replicando ahí, y destruye muchas células T CD4 de modo directo, e induce apoptosis de espectador en muchas otras células T CD4 no infectadas. Por último, los números de células T CD4 declinan hasta una cifra a la cual pueden ocurrir infecciones oportunistas. Respuesta de fase aguda, citocinas

Viremia plasmática

Mutantes de escape de CD8

0 5 Tiempo (días)

10

15

20

25 Respuesta de células T CD8

Activación de la inmunidad innata

30

35

40

Anticuerpos contra mutantes de escape 80 Anticuerpos neutralizantes

Anticuerpos no neutralizantes

Figura 2-43 Eventos inmunitarios en la infección por virus de la inmunodeficiencia humana. En etapas tempranas después de la infección, la activación de la inmunidad innata da pie a la aparición de reactivos de fase aguda y citocinas proinflamatorias en la sangre. La primera respuesta inmunitaria adaptativa lleva a la aparición de anticuerpos no neutralizantes que no seleccionan para virus mutantes de escape. Poco después, empieza una respuesta de células T CD8, que selecciona para mutantes de escape. Suceden ciclos repetidos de activación de CD8 en respuesta a la aparición de muchos mutantes de escape diferentes. Sólo es después de alrededor de 70 a 80 días cuando aparecen anticuerpos neutralizantes, que de nuevo seleccionan para mutantes de escape. Los procesos de selección inmunitaria de mutantes de escape continúan durante años, hasta que los números de células T CD4 han declinado lo suficiente como para permitir que ocurran infecciones oportunistas, con el inicio de SIDA. En este punto la viremia se incrementa considerablemente (lo que no se muestra).

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2.4

fectada sobrevive, puede vivir durante periodos prolongados, pero una vez que es activada, se inicia la replicación de HIV y la célula muere rápidamente. Si la célula T activada es específica para un microbio infeccioso, la resistencia a ese organismo desaparecerá. La eliminación de células T CD4 es una estrategia a largo plazo (años) para la evasión viral de la inmunidad, y el HIV sobrevive con eficacia incluso cuando hay grandes números de células T CD4 disponibles. Las estrategias a corto plazo usadas por el HIV comprenden, entre muchas otras, las que siguen. Variación antigénica. El procedimiento de copia de RNA a DNA mediante la transcriptasa inversa está muy propenso a error. Esto da pie a la introducción de muchas mutaciones en el virus, que aparecen a una escala de tiempo diaria o semanal. Desde el principio hay una respuesta de células T CD8 vigorosa contra el virus, que es eficaz para matar células infectadas por virus. Con todo, si el virus muta de manera que el péptido blanco para células T CD8 ya no es reconocido, la variante tendrá una ventaja selectiva y llegará a predominar. Por supuesto, esto inducirá una nueva población de células T CD8 capaz de reconocer el péptido mutante, pero mutaciones frescas harán a estas células T ineficaces. Estos viriones de HIV variantes se conocen como mutantes de escape. Es posible identificar ondas sucesivas de células T citotóxicas CD8 específicas para estos mutantes en el transcurso de una infección. La variación antigénica también puede permitir al HIV evadir la destrucción dependiente de anticuerpos; puesto que los anticuerpos también son generados en respuestas contra HIV, seleccionarán para variantes de HIV que escapan a la neutralización. Esto puede demostrarse al hacer crecer HIV in vitro en presencia de un anticuerpo neutralizante; surgen variantes que son resistentes al anticuerpo. Además, pueden sintetizarse anticuerpos de HIV, contra epítopos que no están accesibles en el virus infeccioso, lo que refleja diferencias conformacionales en las proteínas de superficie viral a una etapa diferente del ciclo de vida. Otros mecanismos. El HIV usa muchas otras estrategias para evadir la inmunidad. Por ejemplo, la proteína viral Nef causa expresión disminuida de moléculas del MHC clase I, pero no de moléculas del MHC no clásicas (HLA-C y E) que inhiben la función de células NK. Otra proteína viral, Vif, desactiva un mecanismo de defensa genérico contra retrovirus al desactivar una enzima de edición de RNA clave (APOBEC-3G) que por lo demás introduce mutaciones letales en el genoma viral. Otros mecanismos virales interfieren con la actividad del complemento y reclutan también proteínas inhibitorias del complemento a la envoltura viral; las respuestas de anticuerpos secundarias quedan alteradas debido a destrucción de folículos de células B, y así

Infección e inmunidad en acción

93

sucesivamente. El HIV tal vez no es poco común en el número de diferentes mecanismos que posee para evadir respuestas inmunitarias, porque muchos otros virus poseen una gama similar. De nuevo, se hace hincapié en que el mantenimiento de genes importantes en diferentes mecanismos que subyacen a la evasión inmunitaria pone de relieve la importancia de estos mecanismos en la defensa (figura 2-43). P2.26. ¿De qué modo el descubrimiento de esos mecanismos de evasión inmunitaria virales afectan el pensamiento acerca del diseño de vacuna?

2.4.4 Patogenia de infecciones por levaduras y hongos Los hongos se dividen en los que crecen como células únicas (levaduras) y los que crecen como organismos multicelulares (mohos). Las infecciones micóticas (micosis) son muy comunes, y por lo general son una molestia más que una causa de enfermedad grave. De esta manera, la levadura Candida albicans comúnmente causa infecciones superficiales (p. ej., vulvovaginitis o algodoncillo) y los hongos de la tiña causan infecciones cutáneas (tiña del cuerpo). Aun así, en pacientes con inmunosupresión, las micosis son una causa importante de enfermedad y muerte. Muchos de quienes padecen SIDA mueren por infección sistémica por hongos; Pneumocystis, Candida, Aspergillus y Cryptococcus son ejemplos importantes. De nuevo, el riesgo aumentado de infección micótica en pacientes inmunosuprimidos es una fuerte evidencia de que la respuesta inmunitaria adaptativa está continuamente activa en individuos normales, de modo que estas infecciones normalmente son subclínicas y no causan enfermedad (estudio de caso 2-9). 2.4.5 Patogenia de las infecciones parasitarias Los parásitos comprenden una gama de organismos enormemente diversa, que varían desde protozoos unicelulares (p. ej., Plasmodium, el parásito que causa el paludismo) hasta gusanos metazoos muy grandes que habitan en el intestino (sección 2.2.2.4). Algunos parásitos (raro) dan lugar a infecciones breves, pero casi todos tienen relaciones muy prolongadas o permanentes con sus huéspedes. Muchos parásitos han adquirido por evolución la capacidad para existir en una relación equilibrada con sus huéspedes, de manera que las respuestas inmunitarias generadas por el huésped no elimi-

Estudio de caso 2-9: infección micótica luego de trasplante de médula ósea Datos clínicos: se diagnosticó leucemia aguda en un niño de seis años de edad. Se administró quimioterapia para matar las células leucémicas y, dado que esto también mata células madre de la médula ósea, se procedió a un trasplante de médula ósea proveniente de su hermana. Se colocó al paciente en terapia inmunosupresora a fin de evitar rechazo de las células trasplantadas. Seis semanas después del trasplante presentó fiebre. Los hemocultivos mostraron la presencia del hongo Candida.

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Pese a quimioterapia antimicótica activa, el niño falleció dos semanas más tarde. Explicación: Candida está difundida en el ambiente, de modo que probablemente todas las personas tienen contacto con Candida a diario. Para la mayoría de las personas éste no es un problema, aunque en algunas puede causar infecciones como vulvovaginitis (algodoncillo). Empero, en pacientes inmunosuprimidos el hongo puede entrar al cuerpo y diseminarse ampliamente.

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

nan el parásito; también sucede así para muchas bacterias y virus. Así, los seres humanos han coevolucionado con gusanos intestinales, y en países en desarrollo una proporción grande de la población aún porta esos gusanos. P2.27. Hasta hace muy poco tiempo, en esencia todos los seres humanos coexistían desde las etapas neonatales con parásitos intestinales. Estos parásitos generan respuestas inmunitarias con sesgo Th2 en sus huéspedes. En el mundo desarrollado el ser humano ya no coexiste con estos parásitos. ¿De qué manera este cambio podría haber afectado la capacidad de respuesta inmunitaria general del ser humano? En este libro es imposible explorar la enorme diversidad de interacciones de parásitos con el sistema inmunitario. Sólo se usará un ejemplo clínico que pone de relieve la complejidad de las interacciones y la dificultad de generar vacunas eficaces contra parasitosis (estudio de caso 2-10). Patogenia En el estudio de caso 2-10, un mosquito había adquirido Plasmodium falciparum, el agente patógeno que causa la forma más grave de paludismo, a partir de un individuo infectado (no hay huésped animal para Plasmodium falciparum). El parásito se reprodujo en el mosquito y migró hacia las glándulas salivales. La niña fue picada por este mosquito, y los parásitos entraron a su torrente sanguíneo. El agente patógeno invadió hepatocitos, se reprodujo en estas células y luego fue liberado hacia el torrente sanguíneo, donde invadió eritrocitos. Se dividió de modo asexual en los eritrocitos, y finalmente hizo que estallaran, lo cual liberó grandes números de parásitos hacia la sangre, y estos parásitos invadieron nuevos eritrocitos. La liberación de moléculas, en su mayor parte no identificadas, a partir de eritrocitos infectados cuando estallan, estimuló la fiebre, probablemente al estimular macrófagos o monocitos para liberar citocinas como el TNF-␣ y la IL-1. Se iniciaron respuestas inmunitarias contra antígenos expresados por las formas tanto hepática como eritrocítica del parásito. Las respuestas a la forma hepática ocurrieron con demasiada lentitud como para evitar la liberación de parásitos hacia la sangre; sin embargo, pueden sintetizarse anticuerpos contra moléculas expresadas por la forma eritrocítica del parásito. ¿Por qué estos anticuerpos no evitan la infección adicional de eritrocitos? La

respuesta revela una estrategia muy importante usada por varios parásitos para evadir respuestas inmunitarias: la variación antigénica. Las proteínas expresadas por la forma sanguínea están codificadas por un gran número de genes diferentes en el genoma del parásito, pero cualquier parásito individual sólo expresa un pequeño número de estos genes. Durante la reproducción asexual, diferentes miembros del fondo común de genes o patrimonio genético son seleccionados para expresión. Esto significa que si bien un eritrocito puede haber quedado infectado por un parásito único, muchos de los parásitos liberados desde el eritrocito son diferentes desde el punto de vista antigénico del parásito que produjo la infección y, de este modo, no son susceptibles a establecimiento como objetivos por el anticuerpo, y pueden invadir nuevos eritrocitos. No obstante, con el tiempo se sintetizan anticuerpos contra todos los antígenos que pueden ser expresados por los parásitos que originalmente invadieron el cuerpo, y la infección desaparece. Sin embargo, si el paciente es picado por un mosquito que porta parásitos que contienen genes que codifican para variantes de antígeno no presentes en los parásitos originales, no estará protegido, y empieza una nueva ronda de infecciones. Empero, el número de variantes antigénicas que porta la cepa del parásito no es ilimitado y, después de cierto tiempo, si el paciente sobrevive, habrá sintetizado anticuerpos contra todas las variantes que existen en esa cepa y, de esta manera, será por completo inmune. Una observación clínica en seres humanos, y una observación experimental en animales, es que la inmunidad al paludismo depende de tener un bazo intacto. Se desconoce por qué debe ser así. Puede observarse que todo esto de hecho hace muy difícil el diseño de vacunas para prevenir paludismo. Un método sencillo para prevenir la transmisión es evitar picaduras de mosquito en primer lugar; los mosquiteros son muy eficaces. Con todo, ¿qué estrategias potenciales para la vacunación podrían considerarse, al menos en principio? Éstas comprenden las que siguen (figura 2-44): • Una vacuna contra la etapa del parásito en el mosquito podría inducir anticuerpos que serían ingeridos por el mosquito cuando pica a un individuo vacunado y que, por tanto, podría evitar la multiplicación del parásito en el mosquito. • Una vacuna que indujera anticuerpos contra la o las moléculas que el parásito usa para unirse a hepatocitos podría evitar la invasión de células del hígado.

Estudio de caso 2-10: paludismo Datos clínicos: una niña de corta edad en Gambia se enferma. Presenta fiebre alta que alcanza máximos a intervalos irregulares de alrededor de 48 a 72 h. Luego de aproximadamente una semana su estado mejora, pero entonces presenta otro brote de episodios de fiebre; este patrón se repite durante varios meses. Después la paciente está libre de enfermedad durante varios meses, pero a continuación se pone mal de nuevo, y la enfermedad, que otra vez consiste en brotes de fiebre repetidos, vuelve a aparecer. Este patrón evoluciona durante varios años, pero la frecuencia de los brotes tiende a disminuir. Para el momento en que llega al principio de la adultez sólo presenta fiebre a intervalos muy poco frecuentes. Sin embargo, queda

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involucrada en un accidente automovilístico, y presenta rotura del bazo, que exige su extirpación. Cuando vuelve a la comunidad encuentra que de nuevo presenta episodios repetidos de fiebre, y que no disminuyen. Explicación: la niña estaba infectada por Plasmodium, y montó una respuesta inmunitaria adaptativa que le permitió finalmente recuperarse de la primera infección (véase más adelante), pero no quedó inmune a infecciones adicionales por diferentes variantes del mismo parásito. Con el tiempo su inmunidad se incrementó de modo que a la postre se hizo inmune a casi todas las variantes. Esta inmunidad requería que la paciente tuviera un bazo intacto.

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2.5

Inmunidad y vacunas

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Mosquitero Anticuerpo 1 Hígado

Sangre

Mosquito infectado

Picadura 2 RBC

Hepatocito

3

Muerte celular

Glándula salival Célula T CD8 activada

Lisis Anticuerpo

Intestino

4 Formas sexuales

Mosquito no infectado Picadura Etapas en el mosquito

Anticuerpo contra formas sexuales

Etapas sanguíneas

Etapas hepáticas

Figura 2-44 Ciclo de vida del parásito del paludismo. El protozoario Plasmodium es adquirido por un mosquito anofelino desde una persona infectada. Se reproduce en el intestino del mosquito y migra hacia las glándulas salivales. 1) Cuando un nuevo sujeto es picado, el parásito entra en la sangre e infecta hepatocitos y se reproduce en los mismos. 2) Es liberado desde los hepatocitos y 3) infecta eritrocitos, donde de nuevo se reproduce y es liberado para infectar otros eritrocitos cuando los eritrocitos infectados sufren lisis. Este ciclo puede recurrir muchas veces y, si un mosquito picara al individuo infectado, el parásito empieza el ciclo de nuevo. 4) El parásito cambia de forma y se divide de manera asexual o sexual a diferentes etapas de su ciclo de vida. Se indican algunos puntos en los cuales podrían introducirse medidas preventivas potenciales, para controlar la transmisión o inducir inmunidad mediante vacunación (texto de color verde).

• Una vacuna que estimulara la producción de células T CD8 que reconocieran péptidos de Plasmodium (expresados sobre moléculas del MHC clase I) podría desencadenar la muerte de las células hepáticas infectadas antes de que se produjeran parásitos infecciosos. • Por último (aunque tal vez haya aún otras opciones por considerar), una vacuna contra una región invariable de la molécula usada por el parásito para unirse a eritrocitos podría evitar la infección de estas células e inhibir una etapa importante del ciclo de vida del parásito. P2.28. ¿Puede pensar en algunos ejemplos en los cuales matar a su huésped podría ser un beneficio para el agente patógeno?

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2.5 Inmunidad y vacunas En esta sección se comentan diferentes modos en los cuales es posible proporcionar inmunidad contra enfermedades infecciosas, con enfoque particular en la vacunación. Para empezar, es importante apreciar que la inmunidad contra agentes infecciosos puede ser pasiva, generalmente por medio de transferencia de anticuerpos, o activa, mediante exposición a un agente infeccioso o uno o varios de sus antígenos, para estimular una respuesta inmunitaria protectora. También puede ser natural, como por medio de transferencia materna de anticuerpos hacia el feto y el recién

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

nacido, o generados luego de recuperación después de infección, o artificial, como luego de inmunización intencional con uno o varios antígenos sintéticos. Vacunación se refiere a la inducción de inmunidad activa mediante la administración artificial de uno o varios antígenos. Más adelante la exposición se centra en la vacunación profiláctica, que está diseñada para inducir un estado de inmunidad en individuos antes de que hayan quedado infectados (en contraposición con la vacunación terapéutica para individuos con enfermedad). A continuación se consideran brevemente formas de inmunidad pasiva antes de centrarse en formas activas de inmunidad y vacunas. 2.5.1 Formas pasivas de inmunidad La inmunidad pasiva puede transferirse de manera natural desde la madre hacia el feto o el recién nacido. Como ejemplo, la IgG puede cruzar la placenta del ser humano. Así, el feto recibe anticuerpos provenientes de la madre, y esto da protección hasta que puede activarse el sistema inmunitario propio del lactante. Otro ejemplo es la concentración alta de IgA en el calostro, la primera leche, que protege al lactante contra infecciones intestinales. Muchos estudios muestran que los niños alimentados al seno materno tienen una incidencia mucho más baja de enfermedad diarreica que los que reciben leche artificial a partir de un biberón. Por supuesto, este tipo de inmunidad no es duradera porque desaparecerá conforme se catabolizan los anticuerpos. (Por ende, muchas inmunodeficiencias primarias, que llevan a infección, no se hacen evidentes sino hasta varios meses después del nacimiento a medida que se eliminan los anticuerpos maternos.) La inmunidad pasiva también puede transferirse de modo artificial. Por ejemplo, si un paciente tiene riesgo de infección —como en presencia de una herida que contiene mucho tejido muerto en un sujeto que no ha sido vacunado contra el tétanos—, pueden inyectarse anticuerpos contra la toxina tetánica que se han producido en caballos. La administración intravenosa de anticuerpos combinados provenientes de donantes humanos normales (inmunoglobulina intravenosa, terapia con IVIG) para tratar pacientes con deficiencias de anticuerpos primarias es otro ejemplo. 2.5.2 Formas activas de inmunidad Una observación clínica firme es que los individuos que se han recuperado de una infección natural por lo general son muy resistentes a la reinfección, y que este tipo de resistencia a menudo es más fuerte que la que se logra con vacunación. Ésta es la forma de inmunidad activa que sucede de manera natural en individuos inmunocompetentes, y es el enfoque de gran parte de este libro (aun así, en el capítulo 7 se consideran situaciones patológicas). La inducción artificial de inmunidad activa es lo que en general se entiende por vacunación. Desde su desarrollo por Jenner en el siglo XVIII, esta medida ha evitado, por sí sola, muchos millones de casos de enfermedad infecciosa y muerte. Esta forma de inmunización es activa porque comprende activación del sistema inmunitario adaptativo. Primero se consideran algunas de las propiedades deseables de una vacuna, antes de considerar los diferentes modos de inducir inmunidad activa por medio de vacunación.

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2.5.2.1

¿Qué hace que una vacuna sea buena?

Entonces ¿cuáles son las propiedades que debe tener una buena vacuna? Algunas de éstas son científicas, mientras que otras reflejan consideraciones económicas o sociales, e incluyen lo siguiente: i) Debe ser eficaz para generar inmunidad protectora. Esto, por supuesto, siempre es la preocupación primaria. Algunas vacunas son en esencia 100% protectoras en individuos normales. Buenos ejemplos son el virus vacuna (vaccinia) para la viruela, y el toxoide tetánico para el tétanos. Otras vacunas, como las bacterias muertas que se usaron para inmunizar contra tifoidea, o bacterias vivas, como el BCG usado contra la tuberculosis, sólo proporcionan protección parcial por razones que no están por completo claras. ii) Debe ser segura. Las vacunas que constan de organismos enteros desactivados, como las que se usan en la gripe, o en las cuales sólo se usan partes de organismos, como el toxoide tetánico o la vacuna contra el virus de la hepatitis B, en general son seguras. Las vacunas que consisten en organismos vivos atenuados (debilitados) por lo general son seguras en individuos normales, pero pueden dar lugar a infecciones desastrosas si individuos con alteraciones inmunitarias reciben accidentalmente la vacuna. Por ejemplo, los sujetos con deficiencia de células T que han sido vacunados con virus vacuna (vaccinia) o BCG antes de que se hayan diagnosticado, tienen probabilidades de presentar infecciones diseminadas, en potencia mortales. Además, siempre existe la posibilidad de que un organismo vivo atenuado pueda revertirse hacia virulencia, como se describió en relación con la vacuna Sabin antipoliomielítica. Todas las vacunas tienen efectos secundarios potenciales. Muchos de éstos son bastante menores, típicamente dolor local en el sitio de inyección o fiebre y malestar general breves. De hecho, dado lo que se sabe acerca de la necesidad de activar el sistema inmunitario innato para estimular una respuesta adaptativa fuerte, el lector no se sorprendería si todas las vacunas necesitaran iniciar daño o inflamación local para ser exitosas. De esta manera, muchas vacunas no se administran solas, sino en asociación con un adyuvante (capítulo 4). iii) Una buena vacuna debe ser eficaz en términos de salud pública. Esto significa que necesita ser costo-eficaz (el mundo en desarrollo no puede costear vacunas caras). También necesita ser distribuible. Muchas vacunas necesitan mantenerse frías para que conserven su eficacia, y este suministro de una red fría es problemático en muchos países en desarrollo. La vacuna también debe ser aceptable, las vacunas orales causan menos sufrimiento que las que se administran mediante inyección. En circunstancias ideales, la vacuna también debe requerir una sola inyección: resulta problemático hacer que los padres lleven a sus hijos de nuevo para que se les administren refuerzos, en particular si, como suele ocurrir en países en desarrollo, los padres tienen que viajar largas distancias. 2.5.2.2

¿Cómo es mejor vacunar?

Infección con organismos virulentos Antes de la vacunación, la variolación —la infección de un individuo con viruela proveniente de un caso leve— fue eficaz para prevenir infección posterior. El lado negativo es que en algunos casos la variolación dio lugar a viruela manifiesta, con sus consecuencias de formación de tejido cicatrizal y posible muerte. Por razones que no están claras, muchas

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2.5

infecciones virales son menos graves en niños de corta edad que en adultos. La varicela es un ejemplo, y con cierta frecuencia los padres colocan a sus niños de corta edad en contacto con un niño infectado para que les transmita la infección (fiestas de varicela). De este modo, la recuperación de una enfermedad propia de la niñez relativamente leve que puede ser mucho más grave en adultos puede conferir protección de por vida contra el agente que causa la enfermedad, siempre y cuando no cambie de forma o mute. Infección con organismos atenuados El organismo atenuado original fue el virus de la viruela bovina usado por Jenner (por supuesto, él desconocía que era un virus). Este miembro de la familia poxvirus comparte algunos antígenos con el virus de la viruela, lo que permite que haya protección cruzada. (Por cierto, el virus de la vacuna [vaccinia] que se usa en la actualidad no es el virus de la viruela bovina; nadie sabe dónde se originó el virus de la vacuna.) En general, esos familiares de baja virulencia de agentes patógenos son raros. Como quiera que sea, Pasteur encontró que las bacterias y virus patogénicos pueden alterarse para generar cepas que retienen inmunogenicidad, pero que son mucho menos virulentas que el microbio original. Esto se denomina atenuación, y puede efectuarse de diversas maneras, por ejemplo, al subcultivar el microorganismo repetidas veces in vitro. Cuando esto se llevó a cabo por vez primera no se entendía la base de la virulencia reducida observada, y siempre hubo preocupación respecto a que el microbio podría revertirse hacia virulencia completa. En fecha más reciente, conforme se ha identificado la base molecular de la virulencia, ha sido posible generar microbios en los cuales los genes de los que depende la virulencia están alterados de modo que hacen muy poco probable que sean capaces de reversión. Un buen ejemplo es el virus Ankara modificado (MVA), que es una variante del virus de la vacuna (vaccinia) que fue desarrollado por medio de múltiples pasos en fibroblastos de pollo. Ha perdido aproximadamente 10% del genoma viral, y sólo puede pasar por replicación muy limitada en células de mamífero. De cualquier manera, aún genera una fuerte respuesta antiviral en seres humanos. Esos microbios tienen otra importante ventaja potencial en vacunología. Es posible insertar genes por completo no relacionados en el microbio, y estos genes se expresarán cuando el sujeto sea vacunado. Por ende, es posible introducir antígenos que provienen de otro agente infeccioso hacia un virus modificado desde el punto de vista genético. De este modo, si (y éste es un “si” muy importante) se han identificado las proteínas en un agente patógeno que pueden estimular una respuesta inmunitaria protectora, la fuerte inmunogenicidad inherente del vector (p. ej., MVA) asegura una fuerte respuesta a los genes insertados. El uso de esos vectores es el tema de investigación intensa en la actualidad, pero hasta la fecha ninguno está en uso clínico general. Vacunas de subunidad No siempre es necesario usar un organismo entero para vacunación. Un ejemplo es la vacuna que se utiliza para protección contra hepatitis B. Es muy difícil hacer crecer este virus en cultivo, lo que impide su producción en cantidades suficientes para vacunación. No obstante, dado que se han descrito la estructura y el genoma completos del virus, es posible sintetizar proteínas virales recombinantes en grandes cantidades. Una de éstas, una proteína de la envoltura viral, estimula una fuerte respuesta de anticuerpos protectores luego de tres inyecciones. Sin embargo, la proteína no se administra sola: es adsorbida al

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Inmunidad y vacunas

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alumbre adyuvante que estimula la inmunidad al activar el sistema inmunitario innato (capítulo 4). P2.29. ¿Cuál sería el resultado si la proteína se inyectara sin un adyuvante? Vacunas conjugadas Muchas bacterias patógenas (p. ej., Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae y Neisseria meningitidis) tienen cápsulas de carbohidrato; éstas evitan la fagocitosis y son factores de virulencia importantes. Los anticuerpos contra la cápsula actúan como opsoninas y facilitan la recuperación después de infección. La dificultad estriba en que los anticuerpos contra carbohidrato son independientes de célula T, y la inmunización con polisacárido capsular induce principalmente sólo una respuesta de IgM independiente de T con muy poca memoria (sección 2.4.2.2). Para superar esto, se han desarrollado vacunas en las cuales el carbohidrato está enlazado de manera covalente a una proteína transportadora. La proteína es procesada y presentada a células T CD4, y puesto que la proteína está enlazada al carbohidrato, las células B específicas para epítopos en el carbohidrato ahora pueden recibir señales auxiliares provenientes de las células T, sintetizan grandes cantidades de IgG, y se generan respuestas de memoria de larga duración. Estas vacunas están resultando muy eficaces contra la meningitis causada por Haemophilus influenzae tipo B, una causa importante de meningitis en niños de corta edad, y se están desarrollando otras vacunas.

La inmunidad al virus de la gripe depende en su mayor parte de anticuerpos preformados contra la HA viral. En el virus, el gen que codifica para HA existe como RNA, pero puede sintetizarse DNA complementario que codifica para HA, e incorporarlo en un plásmido. Si este DNA se inyecta en un ratón, se expresa HA, el ratón sintetiza anticuerpos contra HA y, de este modo, es protegido contra infección por el virus. ¿Por qué la expresión de una proteína inocua debe llevar a la síntesis de anticuerpos? La respuesta probablemente yace en la naturaleza del DNA inyectado. Además del DNA que codifica para HA, el plásmido contiene otras secuencias derivadas de DNA bacteriano. Algunas de éstas expresan el motivo CpG no metilado que es un fuerte agonista para TLR9 (capítulo 4). De esta manera, el DNA es capaz de estimular con eficacia el sistema innato: tiene un adyuvante integrado. Las vacunas de DNA plantean varias ventajas potenciales sobre las vacunas convencionales. El DNA es una molécula muy estable. Piense en el DNA recuperado a partir de organismos antiguos. Los investigadores comúnmente secan el DNA sobre un papel filtro y lo envían por correo; en el lugar de destino es disuelto en amortiguador y permanece intacto. Así, es innecesario contar con una red fría. Además, en comparación con los costos de sintetizar proteínas, sintetizar DNA es muy barato. De hecho, han empezado estudios clínicos de vacunas de DNA: los US National Institutes of Health han empezado un estudio a pequeña escala de una vacuna contra gripe H5N1, usando el gen que codifica para H5. Empero, hay algunas preocupaciones respecto a que el DNA pueda integrarse en el genoma del huésped, pero hasta la fecha no hay evidencia de que esto suceda.

Vacunas de DNA

2.5.2.3

Perspectivas futuras

Es aleccionador percatarse de que en esencia todas las vacunas exitosas disponibles en la actualidad funcionan al estimular la síntesis de anticuerpos, y que ninguna es por completo exitosa

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Capítulo 2

Infección e inmunidad

para enfermedades infecciosas en las cuales los mediadores de la defensa son las células T, en lugar de anticuerpos. También es aleccionador percatarse de que, en general, la recuperación luego de una infección real confiere mucha mejor protección contra reinfección que las vacunas disponibles en la actualidad. La infección por HIV, la tuberculosis, la lepra, cólera, tifoidea y paludismo son ejemplos de enfermedades infecciosas en las cuales, a pesar de investigación intensiva, en la actualidad no se dispone de vacunas o sólo son parcialmente eficaces. En el caso de la tuberculosis, por ejemplo, el BCG es eficaz para prevenir la tuberculosis en el mundo desarrollado, pero es casi por completo ineficaz en el mundo en desarrollo, y se entiende poco por qué ocurre así. P2.30. ¿Por qué el HIV y el paludismo son de algún modo similares, en términos del desafío que representan para diseñar una vacuna contra ellos? Las vacunas conjugadas representan los únicos desarrollos en realidad nuevos en el diseño de vacunas eficaces en años recientes. ¿Por qué debe ser esto? Bien, desde un punto de vista evolutivo, durante miles de años los agentes patógenos han seleccionado al sistema inmunitario, para ser capaces de evadir o evitar desde su punto de vista los efectos perjudiciales de las respuestas inmunitarias contra ellos. El ser humano, al fabricar vacunas, está luchando por superar esta enorme desventaja evolutiva. Los investigadores están probando todas las vertientes disponibles, pero hasta la fecha los resultados son, por decir lo menos, desalentadores.

Una cuestión fundamental al diseñar una vacuna es entender qué se requiere para que haya una respuesta inmunitaria protectora. ¿Son anticuerpos, células T citotóxicas o células T auxiliares que pueden activar macrófagos, por ejemplo? En muchos casos, como en el tétanos, la respuesta es muy clara; anticuerpos en este caso. Con todo, para otros agentes patógenos el cuadro no está claro; ¿para el HIV la mejor apuesta son los anticuerpos o las células T citotóxicas? Aún no se sabe. En algunos casos los modelos en animales proporcionan información, pero para infecciones como el HIV y el paludismo, que son difíciles de modelar en animales, aún hay dudas. Es importante percatarse de que en algunas infecciones, la generación de la respuesta errónea en realidad puede ser perjudicial. En el dengue y la fiebre amarilla, los pacientes con anticuerpos contra el virus pueden sufrir enfermedad más grave; dado que el virus vive de preferencia en macrófagos, los anticuerpos pueden simplemente dirigir el virus con eficiencia hacia sus células huésped preferidas. También hay mucho que no se entiende acerca del diseño de vacuna eficaz. Tómese el HIV como ejemplo. Investigadores han ideado varias vacunas candidato diferentes, y para algunas de ellas estudios en voluntarios en el mundo desarrollado han dado resultados alentadores en términos de síntesis de anticuerpos, o generación de células T citotóxicas, o ambos. Aun así, cuando los estudios se extendieron al mundo en desarrollo, las respuestas generadas fueron mucho más débiles, lo que dio por resultado que varios estudios se suspendieran. Las razones de estas diferencias son muy poco claras. En tanto no se entienda cómo están reguladas las respuestas inmunitarias en seres humanos en distintos ambientes, y de diferentes edades, el diseño de vacuna seguirá siendo en su mayor parte una cuestión de conjetura.

Resultados del aprendizaje Al terminar de estudiar este capítulo, el lector debe ser capaz de entender, explicar y comentar los temas que siguen (se indican las secciones pertinentes del capítulo). El lector debe entender parte de la evidencia que proviene de estudios en seres humanos y en animales que apoyan lo que se sabe acerca de estos temas. El lector debe tener cierta idea de las áreas donde el entendimiento es incompleto. El lector tal vez sea capaz de sugerir maneras en las cuales podría mejorarse el entendimiento. • Agentes patógenos y enfermedad infecciosa (sección 2.1) ~ ¿Qué es un agente patógeno, y cuáles son los principales tipos de agente patógeno? ~ ¿Qué hace un patógeno, patógeno y por qué los no patógenos son no patógenos? ~ ¿Qué son los organismos comensales, y por qué son importantes? ~ ¿Qué es una infección oportunista, y qué es una infección subclínica? ¿Por qué las infecciones subclínicas pueden ser importantes? ~ ¿Cuál es la diferencia entre una infección y una enfermedad infecciosa? • ¿Qué tipos de célula están involucrados en la eliminación inmunitaria de diferentes tipos de agente infeccioso (sección 2.2)? ~ ¿Cuáles células de la inmunidad innata están involucradas en los principales tipos de infección, y cuáles son sus papeles?

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¿De qué modo diferentes tipos de células T y distintos tipos de anticuerpos ayudan en la defensa contra diferentes tipos de agentes infecciosos? • ¿De qué manera diferentes células y moléculas integran sus actividades en la defensa contra distintos tipos de agente infeccioso (sección 2.3)? ~ ¿Cómo, en general, diferentes tipos de agente patógeno causan enfermedad? ~ Mencione algunos ejemplos de diferentes tipos de virus, y los mecanismos de defensa del huésped usados contra ellos ~ Dé algunos ejemplos de diferentes tipos de bacterias, y los mecanismos de defensa del huésped usados contra ellas ~ Proporcione algunos ejemplos de diferentes tipos de levaduras y parásitos, y los mecanismos de defensa del huésped usados contra ellos • ¿Qué es una vacuna y cómo diferentes tipos de vacunas inducen inmunidad protectora contra infección (sección 2.4)? ~ Dé ejemplos de las vacunas exitosas actuales. ¿Cómo funcionan? ~ Dé algunos ejemplos de enfermedades infecciosas en las cuales se necesitan vacunas con urgencia. ¿Por qué no se dispone de vacunas para estas infecciones? ~ ¿Cuáles son los peligros potenciales asociados con diferentes tipos de vacuna? • INTEGRATIVO: ¿de qué modo los aspectos biológicos de una infección se relacionan con los tipos de defensa necesarios para su eliminación, y cómo debe informar esto el diseño de vacunas? ~

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Capítulo 3 Anatomía funcional del sistema inmunitario 3.1

continua por estos órganos, cómo los tejidos linfoides quedan modificados cuando ocurre infección, y cómo los linfocitos muestran respuesta en estos sitios a agentes infecciosos. Los linfocitos a continuación generan nuevos mecanismos efectores que pueden ayudar a eliminar infección y más tarde proporcionan “memoria”, una característica singular de la inmunidad adaptativa que proporciona protección aumentada si se encuentra el mismo agente patógeno en el futuro. Posteriormente se describe dónde se producen estas células inmunitarias, y se examinan los tejidos y órganos especializados que contienen las células madre hematopoyéticas (HSC), y más tarde progenitoras que se diferencian hacia las células de la inmunidad innata y los linfocitos (sección 3.5). Se comentan algunos de los factores que controlan el desarrollo de estos tejidos, y su inducción patológica en otros sitios en presencia de enfermedad. Por último, se comenta cómo las células madre de la médula ósea pueden usarse para tratar inmunodeficiencias y cómo, en potencia, pueden ser modificadas desde el punto de vista genético para desarrollar tratamientos para defectos inmunitarios y de otros tipos (sección 3.6).

Introducción Todas las células vegetales y animales están rodeadas por barreras que proporcionan protección contra el mundo externo y, así, ayudan a evitar infección. En el caso de organismos multicelulares hay un nuevo problema: en potencia pueden ser infectados en cualquier lugar del organismo, de modo que ¿cómo pueden asegurar que los mecanismos necesarios para la defensa contra infección estén disponibles donde quiera que ocurra? Una manera es tener los mecanismos de defensa ubicados en todo el cuerpo en todo momento, pero esto sería inherentemente ineficiente. La evolución ha proporcionado otra solución. Casi todos los animales multicelulares —ciertamente los que son más complejos— poseen mecanismos para mover células y moléculas en todo el cuerpo. Así, éstos pueden usarse para llevar células y moléculas relacionadas con la defensa a los sitios de infección y daño, de modo que los agentes infecciosos puedan eliminarse y los tejidos se puedan reparar. Estos mecanismos reclutados se encuentran en una u otra forma en todos los organismos complejos. Esto se conoce como defensas innatas o inmunidad innata; sin embargo, los organismos complejos surgieron por vez primera hace alrededor de 500 millones de años, durante la explosión cámbrica y, empezando con el pez más temprano, es posible rastrear la evolución de tejidos y órganos especializados que reflejan el surgimiento de una forma por completo nueva de inmunidad; se trata de una inmunidad adaptativa, que está mediada por linfocitos. En este capítulo se examinan las bases anatómica y fisiológica de las inmunidades innata y adaptativa, y se muestra cómo esto se relaciona funcionalmente con la defensa contra infección. Primero se consideran las barreras anatómicas, fisiológicas y químicas que proporcionan la primera línea de defensa contra infección, y que deben ser superadas antes de que pueda ocurrir infección (sección 3.2). La infección puede ocurrir en cualquier sitio del cuerpo, y a continuación se comentan los cambios inducidos localmente por la infección que dan lugar a inflamación. La inflamación permite a las células y moléculas de la inmunidad innata ser dirigidas hacia sitios infectados, lo que permite el reclutamiento inmediato y posterior de mecanismos efectores que pueden ayudar a eliminar el agente infeccioso y, después, a reparar el daño que ha ocurrido. Los autores muestran cómo esta respuesta local también impulsa la producción de mensajes moleculares que inducen respuestas fisiológicas en otros tejidos y órganos en sitios más distantes (sección 3.3). A continuación se describen los tejidos y órganos involucrados en la inmunidad adaptativa: los tejidos linfoides (sección 3.4). Se describe cómo los linfocitos y otras células trafican de manera

Al final de este capítulo el lector apreciará que un entendimiento completo de la inmunidad a la infección requiere un entendimiento tanto de los aspectos fisiopatológicos de la infección, como de las características anatómicas y fisiológicas de los tejidos involucrados en respuestas a infección. El lector tendrá un entendimiento básico de los cambios que ocurren en estos tejidos durante infección, que permiten la eliminación de los microbios infecciosos.

3.2 Barreras naturales La primera línea de defensa contra infección consta de barreras, que pueden ser estructurales, químicas o biológicas. Los ejemplos son la queratina en la capa más externa de la piel, ácido en el estómago, y bacterias comensales en el intestino, respectivamente. Estas defensas naturales (en contraposición con inducidas) están presentes en todos los individuos normales antes de que ocurra cualquier infección y, normalmente, para que cualquier microbio cause enfermedad, tiene que superarlas. Su importancia se muestra en sitios donde cualquiera de estas barreras es defectuosa, lo que lleva a un riesgo muy aumentado de infección en estos lugares y más allá. La piel es la barrera más obvia pero, de hecho, es la más pequeña de las superficies en contacto con el ambiente externo; en contraste, las áreas de superficie de los pulmones y del trac99

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

to gastrointestinal son 50 y 150 veces mayores, respectivamente, que el área de superficie de la piel. El hecho de que estas enormes áreas de tejidos puedan monitorearse con eficacia por si hubiera infección quizá es sorprendente, y explica por qué la inflamación es necesaria para dirigir mecanismos de defensa hacia áreas específicas cuando se requiere (véase más adelante) (figura 3-1).

bianas. La escasez relativa de glándulas sebáceas en algunas áreas de la piel, como los pies, quizá se relacione con la incidencia aumentada de infecciones por hongos en estas áreas (p. ej., pie de atleta) (figura 3-2). P3.1. ¿Puede pensar en algunos otros ejemplos que ilustren la función de barrera de la piel?

3.2.1 Piel La piel tiene una importante función protectora, no sólo contra infección, sino también contra traumatismo mecánico. De este modo, las capas externas son duras y difíciles de penetrar para los microbios debido a la presencia de mucha queratina, y esto proporciona una barrera para la infección. La importancia de esto es mostrada por enfermedades como el eccema, en el cual hay daño de la piel: las infecciones bacterianas (p. ej., estafilocócica) y micóticas son comunes en las áreas dañadas. De modo similar, donde hay solución de continuidad de la piel por una herida o una quemadura, las bacterias pueden entrar en tejidos subcutáneos que pueden ser terrenos fértiles para que medren. Los pacientes con quemaduras graves tienen riesgo alto de morir por infección masiva, y por los efectos secundarios de los mediadores inflamatorios que el sistema inmunitario produce para tratar de contrarrestar la infección. Además de esta función de barrera mecánica, las secreciones cutáneas, como el sebo producido por las glándulas sebáceas, contienen sustancias químicas antimicro-

3.2.2 Mucosas Las mucosas son tejidos epiteliales que en general contienen células caliciformes, la fuente del moco. Las principales mucosas son el tracto gastrointestinal, las vías respiratorias y el tracto urogenital, pero el ojo también está incluido. Dado que las principales funciones de las mucosas son el transporte (absorción y secreción), podrían no funcionar si estuvieran queratinizadas. Asimismo, a menudo sólo tienen una célula de grosor. De este modo, los agentes patógenos tienen una tarea mucho más fácil si van a penetrar en mucosas. Empero, las mucosas tienen sus propios mecanismos de defensa. Algunos mecanismos son comunes a casi todas las mucosas. Todas las mucosas necesitan lubricación, y en la mayor parte de los casos esto está mediado por moco o, en el caso del ojo, por lágrimas. Se cree que el moco en sí proporciona una barrera mecánica a la infección, y puede portar moléculas antimicrobianas (p. ej., defensinas: capítulo 4). Con todo, los ni-

Pulmones: 100 m2

Piel: 2 m2

Tracto gastrointestinal: 300 m2

Figura 3-1 Áreas de superficie de la piel y tejidos mucosos. Los tejidos mucosos tienen un área de superficie muchas veces mayor que la de la piel. En seres humanos adultos las vías respiratorias tienen un área de superficie de aproximadamente el tamaño de una cancha de tenis, y el tracto gastrointestinal (GI), el de una cancha de fútbol americano. Estas superficies también son mucho más delgadas, a menudo de sólo una célula de grosor. No sorprende que casi todas las infecciones empiecen en mucosas.

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3.2

Célula de Langerhans

Pelo

Barreras naturales

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Sebo (antimicrobianos) Capa queratinizada

Epidermis

Queratinocitos Membrana basal Glándula sebácea

Dermis

Macrófago

Célula dendrítica

Mastocito

Capilar

Folículo piloso

Arteria

Linfático

Vena

Figura 3-2 Estructura de la piel que muestra las barreras de defensa. La epidermis varía de grosor en diferentes partes del cuerpo, pero siempre tiene varias células de grosor, y las capas más externas siempre están queratinizadas, lo que forma una barrera mecánica para la infección. Las glándulas sebáceas descargan su contenido, incluso moléculas antimicrobianas, hacia el folículo piloso y, desde ahí, hacia la superficie de la piel. Tanto la epidermis como la dermis contienen células dendríticas (DC) clásicas, células de Langerhans y células dendríticas dérmicas, involucradas respectivamente en el inicio de la inmunidad adaptativa. La dermis también contiene macrófagos y mastocitos que pueden detectar agentes infecciosos que han superado las barreras más externas.

ños que sufren fibrosis quística, en la cual el moco en las vías respiratorias es anormalmente espeso, tienen incidencia aumentada de infecciones pulmonares bacterianas porque los microbios no pueden ser expelidos con eficiencia de los pulmones mediante la tos. Las lágrimas eliminan por lavado agentes patógenos, pero también contienen lisozima, una molécula capaz de desintegrar algunas paredes celulares bacterianas. 3.2.2.1

Vías respiratorias

Las células epiteliales de gran parte de las vías respiratorias son ciliadas, y estos cilios baten de manera coherente para mover secreciones y partículas hacia el mundo externo. En fumadores crónicos de cigarrillos, los cilios han desaparecido, y las células epiteliales están aplanadas (metaplasia escamosa). Así, secreciones que contienen bacterias se acumulan en las partes inferiores de las vías respiratorias y proporcionan ambientes de crecimiento de primera clase para las bacterias. En partes más bajas de las vías respiratorias, en los alvéolos, hay grandes números de macrófagos, capaces de fagocitar y matar una gama de microbios. Algunas de las proteínas surfactantes lubricantes secretadas hacia los pulmones también pueden ayudar a eliminar microbios (figura 3-3).

hídrico hacia el estómago, y su principal función es ayudar a la digestión, pero también puede matar muchos microbios. Por ende, los pacientes que sufren un déficit de ácido gástrico pueden ser más susceptibles a infecciones intestinales por bacterias, como Salmonella. La bilis es secretada desde la vesícula biliar hacia la parte alta del intestino delgado. La principal función de la bilis también es ayudar a la digestión, pero las sales biliares también son capaces de matar muchas bacterias. Así, medios de cultivo diseñados para aislar bacterias entéricas desde mezclas complejas se formulan para que contengan sales biliares, porque sólo las bacterias intestinales resistentes pueden crecer en estas condiciones. Las sales biliares también pueden destruir las envolturas de virus, lo que tal vez explica por qué los virus que infectan el intestino carecen de una envoltura de lípido. El peristaltismo sirve para expulsar agentes patógenos en las heces (aun así, esto puede ser una ventaja para el agente patógeno en la diseminación de la infección), pero muchas bacterias son capaces de unirse a células epiteliales intestinales, lo que evita su expulsión (figura 3-4). P3.3. El virus H5N1 aviar es un virus con envoltura. En aves, la transmisión viral ocurre por medio de la ruta orofecal. ¿Cómo podría el virus ser capaz de sobrevivir en el intestino del ave?

P3.2. ¿Qué otros mecanismos podrían proteger las vías respiratorias contra infección? 3.2.2.3 3.2.2.2

Tracto gastrointestinal

El tracto gastrointestinal posee varias clases de barreras. Muchos microbios pueden ser matados por ácido. Se secreta ácido clor-

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Tracto urogenital

La cistitis bacteriana, la inflamación de la vejiga urinaria, es muy común en mujeres, pero muy rara en varones. ¿Podría esto relacionarse con la longitud relativa de la uretra en ambos géneros —mucho más larga en varones— y con la yuxtaposición anató-

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Capítulo 3

102

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Superiores (bronquios)

IgA

Inferiores (alvéolos)

Células epiteliales

Epitelio escamoso

Aire

Defensinas

Arteriola

Cilios (propulsión)

Vénula

Macrófago alveolar

Capilar Célula dendrítica

Tejido conjuntivo

Linfático IgA

Célula plasmática PRR solubles (p. ej., surfactantes)

Macrófago

Mastocito

Arteria

Vena

Linfático

Figura 3-3 Tejidos mucosos I: vías respiratorias. Las vías respiratorias superiores (tráquea y bronquios) están revestidas por células epiteliales ciliadas: los cilios baten de manera coherente para mover secreciones hacia la boca. Los alvéolos, donde ocurre el intercambio de gases, están revestidos por epitelio escamoso plano. Contienen macrófagos alveolares y pueden tener una función de defensa, pero también eliminan partículas inhaladas. Otras células en los alvéolos secretan moléculas, como surfactantes, que son lubricantes pero que también pueden tener efectos antimicrobianos, al actuar como receptores de reconocimiento de patrón (PRR) (capítulo 1). Algunas IgA pueden ser producidas como anticuerpos naturales antes de que se desencadene inmunidad adaptativa, y pueden ayudar a proporcionar una capa de defensa extra contra infección de los epitelios.

Luz

Peristaltismo

Epitelio Lámina propia

IgA

Moco Péptidos antimicrobianos Célula caliciforme

Macrófago

Célula plasmática

Vellosidad

Mastocito de la mucosa Célula dendrítica Cripta Célula de Paneth Linfático Arteriola

Vénula

Figura 3-4 Tejidos mucosos II: intestino. El intestino está revestido por una capa única de células epiteliales. En el intestino delgado hay vellosidades y criptas. El intestino grueso tiene una superficie lisa, pero contiene muchas glándulas tubulares profundas. Dentro del epitelio, las células caliciformes secretan moco que es un lubricante, pero que también tiene funciones de barrera mecánica. En las criptas del intestino delgado, células de Paneth especializadas secretan diversos péptidos antimicrobianos, como las defensinas. La lámina propia del intestino contiene macrófagos, y mastocitos de la mucosa, DC clásicas, por lo general eosinófilos (que no se muestran), y células plasmáticas que típicamente secretan IgA que es transportada hacia la luz. El peristaltismo sirve para propulsar el contenido intestinal hacia el ano.

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3.3

mica de la uretra y el ano en mujeres? En un estudio de varones y mujeres que se trasladaban al trabajo se obtuvieron muestras de las manos para buscar bacterias fecales: más de 20% de las personas en quienes se obtuvieron muestras portaba bacterias fecales, y la incidencia fue más alta en mujeres que en varones. Las bacterias móviles, como Escherichia coli, también tienen que nadar una distancia mucho mayor en varones, y el flujo de orina tidal tiene más probabilidades de eliminarlas por lavado. No sorprende que las enfermedades que llevan a obstrucción urinaria a menudo dan lugar a infecciones, lo que ilustra la importancia de este efecto de lavado de la orina para la defensa básica. 3.2.2.4

Flora comensal

Otra barrera importante para la infección por agentes patógenos son las bacterias comensales que cubren muchas mucosas. Las bacterias comensales están presentes en enormes números en el intestino grueso. Como se mencionó en la Introducción, es posible que haya alrededor de 10 veces más bacterias en el colon del ser humano que todas las células que constituyen un cuerpo humano adulto promedio. Las bacterias comensales también cubren muchas otras superficies epiteliales, incluso la piel, las vías respiratorias y el tracto urogenital de mujeres. En la mayoría de las personas estas bacterias no causan daño, y probablemente actúan para evitar que las bacterias patógenas causen enfermedad: forman una barrera eficaz contra la colonización por agentes patógenos. En algunos casos de intervención quirúrgica del intestino grueso, solían administrarse a los pacientes dosis grandes de antibióticos por vía oral para eliminar casi todas las bacterias intestinales, de modo que se redujera la probabilidad de que hubiera infección de la cavidad peritoneal por bacterias. En esos casos la ingestión de la bacteria Staphylococcus aureus a veces conducía a una enfermedad grave conocida como enterocolitis, en la cual partes de la pared del intestino grueso quedaban destruidas (necrosis), lo que a menudo conducía a perforación y peritonitis que podía ser mortal. Las bacterias comensales también pueden ayudar a hacer que el ambiente local sea más resistente a la infección. Por ejemplo, los lactobacilos en la vagina producen ácido que se cree que disminuye el riesgo de infección bacteriana o micótica. De hecho, hay evidencia para sugerir que la práctica de duchas vaginales, al eliminar los lactobacilos, da pie a un aumento del pH, lo que crea condiciones en las cuales pueden medrar otros agentes patógenos. P3.4. Un técnico que está trabajando en un laboratorio de bacteriología presentó una infección grave de las vías respiratorias superiores, y recibió tratamiento con antibióticos de amplio espectro. Cuando regresó a trabajar preparó algunos cultivos a gran escala de una bacteria normalmente inocua, Haemophilus influenzae. Presentó una infección muy grave de las vías respiratorias por dicha bacteria, y casi murió. ¿Por qué? ¿Qué podría haber hecho para prevenir la infección?

3.3 Anatomía funcional de la inmunidad innata Las barreras naturales, antes esbozadas, son absolutamente cruciales como las primeras líneas de defensa del huésped contra infección. De cualquier modo, es casi una característica definitoria

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Anatomía funcional de la inmunidad innata

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de un agente patógeno que puede evitar estas barreras o evadirlas. La siguiente línea de defensa importante es el sistema inmunitario innato, y un fenómeno que es absolutamente fundamental para el funcionamiento eficaz de la inmunidad innata (así como de la inmunidad adaptativa) es la inflamación aguda. Aquí se comentarán los principios importantes de la inflamación en relación con la estructura y la función de los tejidos en los cuales ocurre. También se introducen brevemente algunas de las células y moléculas que están involucradas, y que se comentan con mayor detalle en el capítulo 4. 3.3.1 Características de la inflamación ¿Qué es la inflamación aguda? Durante el decenio de 1950-1959 Menkin definió la inflamación como “la reacción vascular, linfática y de tejido local compleja desencadenada en animales superiores por la presencia de microorganismos o de irritantes no viables”. La inflamación es un proceso, no un estado, y los tejidos inflamados están pasando por cambio continuo. Las características fundamentales fueron reconocidas por los griegos: rubor y aumento de la temperatura, que reflejan dilatación de vasos sanguíneos de pequeño calibre y flujo sanguíneo aumentado; hinchazón, que refleja la acumulación aumentada de líquido extravascular excesivo, y que se llama edema; dolor local, causado por tensión tisular aumentada y la liberación de sustancias químicas que estimulan fibras nerviosas que transmiten dolor y, a veces, pérdida de la función. En general se considera que la inflamación aguda es la inflamación que ocurre rápidamente en el transcurso de minutos, horas o algunos días luego del estímulo inicial, y que después se resuelve. En contraste, la inflamación crónica tiene una evolución temporal de semanas, meses o años. La inflamación crónica por lo general se produce por la persistencia del estímulo inflamatorio iniciador. Tiene importancia percatarse de que la inflamación aguda en un tejido puede no ser manifiesta en clínica. Al afrontar microbios no patógenos pueden operar exactamente los mismos mecanismos de defensa que se utilizan para afrontar agentes patógenos, pero los cambios locales en tejidos infectados pueden ser tan leves que pasan inadvertidos; éstas se llaman infecciones subclínicas (figura 3-5). 3.3.2 Inicio de inflamación local La inflamación tiene dos funciones separadas pero que se superponen y están estrechamente relacionadas en la defensa contra infección. i) Al aumentar la permeabilidad de los vasos sanguíneos, la inflamación permite que macromoléculas involucradas en la defensa y en la curación entren a tejidos extravasculares. ii) Al incrementar la adhesividad del endotelio de vasos sanguíneos, permite que leucocitos sean reclutados desde la sangre hacia el área inflamada. De este modo, los mecanismos efectores moleculares y celulares que constituyen requisitos pueden ser dirigidos con rapidez hacia el sitio de infección. No obstante, para que se inicie inflamación tiene que reconocerse la presencia de daño tisular. Dado el número de maneras en las cuales puede producirse daño de tejido, por traumatismo, así como por infección, no sorprende que los mecanismos que reconocen el daño sean complejos, y hasta ahora sólo se entienden parcialmente (figura 3-6).

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Capítulo 3

104

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Normal

Inflamación Edema

Epidermis Mastocito

Dilatación de arteriola (enrojecimiento, B temperatura)

Macrófago residente Capilar

Dilatación y permeabilidad aumentada de vénula

Infiltración de leucocitos

Célula dendrítica Arteriola

Vénula Líquido

Dermis

Nervio

Linfático

Exudación de líquido (hinchazón)

Nervio (dolor)

Célula dendrítica Linfático

Figura 3-5 Inflamación aguda en la piel. La inflamación aguda induce cambios vasculares: dilatación de arteriolas y vénulas, y permeabilidad aumentada de vénulas. Esto incrementa el flujo sanguíneo general hacia el área, pero también lentifica el flujo en vénulas, lo que aumenta la probabilidad de que los leucocitos se fijen al endotelio. Los cambios de la expresión de moléculas de adhesión de vénulas permiten el reclutamiento de neutrófilos y monocitos hacia el tejido inflamado. La permeabilidad aumentada, debido a brechas que se forman entre células endoteliales, permite la exudación de agua y solutos, incluso macromoléculas, como anticuerpos y complemento. El agua causa hinchazón-edema, una de las principales características de la inflamación aguda; otra a menudo es el dolor.

Infección

Traumatismo Piel

Intestino

Bisturí estéril

Agente patógeno Células epiteliales

PRR

Epidermis Dermis Mastocito

Vaso sanguíneo

Mediadores proinflamatorios PRR

PRR Plaquetas Histamina, citocinas y metabolitos lípidos

Macrófago inflamatorio

Macrófago inflamatorio Exudación de líquido Emigración de neutrófilo Emigración de monocito

Mastocito

Factores de la coagulación de la sangre y 5-HT

Vénula

Macrófago residente

Mediadores proinflamatorios Exudación de líquido

Emigración de neutrófilo Emigración de monocito

Vénula

Figura 3-6 Inicio de inflamación aguda. La inflamación aguda puede ser inducida por traumatismo estéril o por infección. El traumatismo estéril que involucra daño de vasos sanguíneos activa plaquetas de la sangre y la cascada de la coagulación. También puede dañar mastocitos. Todos éstos pueden liberar mediadores (se muestran algunos ejemplos) que inducen los cambios vasculares típicos de la inflamación aguda. En infecciones, las células de alarma, como los epitelios, los macrófagos y los mastocitos, pueden reconocer agentes patógenos por medio de receptores de reconocimiento de patrón (PRR) que estimulan la liberación de mediadores inflamatorios. Se ilustran la piel y el intestino, pero estos principios se aplican a los tejidos epiteliales en general.

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3.3

3.3.2.1

Respuestas al traumatismo

En el caso de traumatismo mecánico hay varias vías involucradas en el reconocimiento de daño de tejido. Por ejemplo, el traumatismo induce daño mecánico en mastocitos que residen en tejidos conjuntivos. A su vez, se desgranulan, con liberación de histamina y otros mediadores de la inflamación. El traumatismo casi siempre también induce hemorragia (sangrado hacia los tejidos). Esto finalmente da lugar a la estimulación de la reacción de curación (sección 3.3.6). Las células que han muerto por necrosis desintegran su membrana plasmática, y se sugiere que pueden liberar moléculas llamadas patrones moleculares asociados con daño (DAMP). Los DAMP, que se comentan un poco más en el capítulo 4, se entienden poco, pero pueden incluir una gama muy amplia de moléculas que emiten señales hacia el sistema inmunitario para informarle que ha ocurrido daño celular o de tejido. 3.3.2.2

Respuestas a la infección

El traumatismo mecánico puede llevar a la entrada de agentes patógenos, por ejemplo, en una herida infectada; sin embargo, muchos agentes patógenos pueden romper las barreras naturales en ausencia de traumatismo, y la capacidad de hacer esto es una propiedad necesaria de muchos agentes patógenos (p. ej., después de inhalación o ingestión). Por ejemplo, el virus de la gripe puede infectar los epitelios que revisten las vías respiratorias, y dañarlos, pese a la presencia de moco. De hecho, esto suele llevar a infección bacteriana secundaria de los tejidos dañados porque estas barreras ahora se han alterado. De modo similar, Salmonella puede evadir el ácido gástrico, la bilis y el moco, e invadir el epitelio intestinal (en contraste con las bacterias comensales que no invaden). Por otro lado, algunos virus y otros agentes patógenos pueden ser inyectados de manera directa en el torrente sanguíneo mediante la picadura o mordedura de un insecto o mamífero, como las de los que causan el paludismo, la peste y la rabia. Además, las formas larvarias de esquistosomas incluso pueden cavar a través de la piel desde agua infectada, y finalmente diseminarse por el torrente sanguíneo e infectar otros órganos como el hígado (capítulo 2). Dada la capacidad de los agentes patógenos para evadir barreras o evitarlas, el lector entenderá que es esencial que en todas las partes del cuerpo, en todos los tejidos y órganos, haya mecanismos capaces de detectar cualquier rotura de las defensas naturales que represente peligro, y responder a la misma, y emitir señales de alarma a otros componentes del sistema inmunitario. El reconocimiento de que ha ocurrido infección en tejidos requiere la presencia de células que pueden detectar que esto ha ocurrido. Estas células incluyen las células epiteliales que revisten barreras anatómicas que por lo general son el primer punto de ataque de un agente patógeno. Por debajo de estas superficies, y en esencia en todos los tejidos, hay células inmunitarias que residen en los tejidos (o al menos de vida muy prolongada) que pueden estar especializadas en detectar peligro; éstas comprenden en particular macrófagos y mastocitos residentes. La característica general compartida por estas células en tejidos periféricos es que tienen receptores llamados receptores de reconocimiento de patrón (PRR) que son capaces de reconocer moléculas, que sólo están presentes en agentes patógenos o sobre los mismos, llamadas patrones moleculares asociados con agente patógeno (PAMP) (sección 1.2.3.1). Los PAMP actúan como agonistas para diferentes tipos de PRR, y estimulan células residentes para que secreten moléculas que actúan sobre vasos sanguíneos y causan inflamación local (mediadores inflamatorios).

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Anatomía funcional de la inmunidad innata

105

De manera crucial en la defensa temprana, los macrófagos residentes pueden detectar con rapidez la presencia de agentes patógenos, e iniciar rápidamente respuestas inflamatorias e inmunidad innata. Por ejemplo, pueden ser desencadenados para que sinteticen y secreten citocinas proinflamatorias como interleucina (IL)-1, IL-6 y factor de necrosis tumoral (TNF)-␣. Los mastocitos también pueden estar presentes en todos los tejidos conjuntivos laxos, como los que están por debajo de epitelios mucosos. Contienen citocinas y otros mediadores inflamatorios preformados en sus gránulos. Después de estimulación (p. ej., por traumatismo, como se mencionó, así como por infección) liberan estos mediadores, y sintetizan y secretan otros que contribuyen a la respuesta inflamatoria. Estas respuestas se comentan con mayor detalle en el capítulo 4. Por ahora, el principio importante por entender es que, después de infección, las características anatómicas dinámicas de las respuestas innatas comprenden cambios inducidos de la estructura y la función de tejidos periféricos en el sitio local (respuestas inflamatorias locales), de modo que pueden reclutarse células y moléculas efectoras para eliminar esa infección. También se necesitan otros cambios, en tejidos más distantes (respuestas inflamatorias sistémicas), de modo que pueda aumentar la disponibilidad de estas células y moléculas. P3.5. ¿Cómo podría mostrarse que los mastocitos son importantes en el inicio de la inflamación aguda después de infección por una bacteria piógena, como Staphylococcus aureus?

3.3.3 Respuestas inflamatorias locales Las células efectoras y las moléculas que se necesitan para montar inmunidad innata eficaz en circunstancias normales no están presentes en los tejidos; no pueden cruzar endotelio no inflamado, y están restringidas a la sangre. La sangre es principalmente un sistema de distribución, y su función en la defensa es enviar células y moléculas hacia sitios donde pueden mediar sus efectos. ¿De qué modo las células y moléculas pueden ser dirigidas hacia los sitios donde se necesitan? Las arteriolas están involucradas —impulsos nerviosos provenientes del área de inflamación desencadenan un reflejo de axón que origina dilatación arteriolar, y el flujo sanguíneo aumentado lleva más leucocitos al área inflamada—. Empero, en la inflamación aguda, los cambios en las células endoteliales de vasos sanguíneos especializados, llamados vénulas poscapilares, son fundamentales y cruciales. Dichas vénulas son vasos de pared delgada que carecen de las capas de músculo y tejido conjuntivo que se encuentran en vasos de mayor calibre. Por ende, es más fácil que las cosas pasen a través de ellas, desde la sangre hacia los tejidos, pero para hacerlo las células endoteliales que las revisten primero necesitan ser cambiadas o activadas. Las células endoteliales en vénulas pueden ser activadas mediante diversos mediadores (lo que se comenta con mayor detalle en el capítulo 4). La dilatación de vénulas causa lentificación del flujo sanguíneo, lo que da a los leucocitos más oportunidad de interactuar con el endotelio. Los incrementos de la permeabilidad permiten el egreso de macromoléculas, mientras que los cambios de la expresión de moléculas de adhesión permiten la unión de leucocitos y el reclutamiento de los mismos (figura 3-7).

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Capítulo 3

106

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Vénula inflamada

Vénula normal Adventicia (tejido conjuntivo) Media (músculo liso)

Dilatación (lentificación del flujo sanguíneo)

Endotelio

Separación de células endoteliales (desintegración de uniones intercelulares herméticas)

Exudación de macromoléculas (complemento, anticuerpos, factores de la coagulación)

Uniones intercelulares herméticas (impermeables)

Figura 3-7 Cambios vasculares en la inflamación aguda. Mediadores inflamatorios como la histamina actúan sobre el músculo liso de vénulas y causan dilatación, lo que da pie a lentificación del flujo sanguíneo. Los mediadores también actúan sobre células endoteliales, lo cual lleva a la desintegración de uniones intercelulares herméticas, lo que forma brechas que permiten la exudación de plasma sanguíneo que contiene macromoléculas como anticuerpos, complemento y factores de la coagulación. Los cambios de la expresión de molécula de adhesión también llevan al reclutamiento de leucocitos (figura 3-8).

3.3.3.1

Reclutamiento de moléculas efectoras solubles

Una alteración importante en las características fisiológicas de los tejidos infectados es que hay aumento de la permeabilidad de las vénulas en el área infectada. Moléculas como el TNF-␣ (secretado por macrófagos y mastocitos) e histamina (liberada a partir de células cebadas) estimulan la desintegración de uniones intercelulares herméticas (zonas de oclusión) entre células endoteliales, lo que causa la formación de brechas físicas. La permeabilidad aumentada permite que grandes cantidades de plasma entren a los tejidos, lo que causa la tumefacción (edema) característica de la inflamación aguda. El plasma contiene proteínas que en circunstancias normales están confinadas a la sangre, y éstas incluyen moléculas grandes, como componentes del complemento y (por lo general mucho más tarde) anticuerpos que ahora pueden entrar al espacio extravascular. Dos propiedades principales de estas moléculas son estimular más la inflamación aguda, principalmente por medio de las acciones de componentes de desintegración de proteínas del complemento activadas sobre mastocitos, y actuar como opsoninas, que cubren agentes patógenos para facilitar su captación por los neutrófilos y por los macrófagos adicionales que son reclutados hacia estos sitios (véase más adelante). P3.6. ¿Puede sugerir algunas situaciones en las cuales el edema puede no ser beneficioso para el huésped?

3.3.3.2

Reclutamiento de efectores celulares

Con todo, la permeabilidad aumentada que se observa en la inflamación aguda no es suficiente para dirigir leucocitos hacia el área inflamada. La única manera en que las células pueden identificar el sitio donde necesitan ir es por medio de moléculas expresadas sobre el endotelio. Por ende, cambios en moléculas expresadas sobre el endotelio de vénulas permiten la migración de leucocitos sanguíneos hacia tejidos extravasculares. (Las moléculas secretadas hacia la sangre no serían útiles; simplemente se eliminarían por lavado.) La inflamación cambia la adhesividad de células endoteliales para leucocitos de maneras selectivas, lo que asegura que la migración esté regulada.

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La primera etapa del reclutamiento de leucocitos requiere que las células apropiadas sean dirigidas hacia el tejido inflamado. (Recuerde que cada leucocito tiene sus propias funciones especializadas y que, en general, éstos sólo pueden afrontar con eficacia ciertos tipos de infección; sección 1.4.2.) Tres sistemas de reconocimiento molecular en particular importantes, y separados, interactúan para dirigir tipos específicos de leucocitos circulantes hacia el tejido apropiado. Las selectinas sobre leucocitos se unen a ligandos de carbohidrato sobre células endoteliales para permitir adhesión laxa al endotelio, y viceversa. Esta adhesión laxa permite entonces que los leucocitos se unan a quimiocinas, mismas que están unidas a moléculas densamente glicosiladas sobre células endoteliales. Esta unión después estimula la adhesión estrecha mediada por integrinas. Hay diferentes selectinas e integrinas, y muchas quimiocinas y receptores de quimiocina diferentes. Por ende, diferentes permutaciones y combinaciones de estas moléculas permiten el suministro de distintos leucocitos hacia diferentes sitios de una manera altamente selectiva. El resultado crucial de este sistema es que permite el reclutamiento de células de la defensa del huésped hacia sitios de infección con rapidez y de manera apropiada, al lugar correcto en el momento oportuno. Así, en la inflamación aguda, se suministran neutrófilos y monocitos. En la inflamación crónica, se suministran monocitos y (más tarde) linfocitos activados. En respuestas parasitarias y alérgicas llegan eosinófilos, o basófilos, o ambos, a los sitios apropiados. En otras palabras, estas moléculas actúan como una dirección para los leucocitos, y las moléculas complementarias sobre las células endoteliales de hecho a veces se llaman adresinas vasculares. Esto puede describirse como un sistema de código postal, o ZIP code system para los lectores que viven en Estados Unidos (figura 3-8; recuadro 3-1). El principio del aporte selectivo de leucocitos hacia sitios apropiados es absolutamente crucial para entender la defensa contra infección, y es fundamental también para pensar acerca de terapias potenciales en situaciones no infecciosas, como enfermedades autoinmunitarias, reacciones a trasplante y cáncer (capítulo 7). Así, la modulación de la migración de leucocitos se está probando en estudios clínicos para el tratamiento de enfermedades autoinInteracciones leucocito-endotelio

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3.3

Anatomía funcional de la inmunidad innata

1

2

3

4

Rodamiento

Reconocimiento de quimiocina

Adhesión firme

Transmigración

Ligando

Integrina Ligando

Receptor de quimiocina

Selectina

Quimiocinas

107

Endotelio

Inducción de ligandos de integrina

Liberador de mediador por células de alarma

5 Quimiotaxis Agente patógeno

Figura 3-8 Reclutamiento de leucocitos en la inflamación aguda. 1) Los leucocitos, en particular los neutrófilos, usan selectinas para formar adhesiones laxas a ligandos de carbohidrato sobre el endotelio de vénulas, y ruedan a lo largo del endotelio. 2) Esto les permite interactuar con quimiocinas unidas a moléculas de superficie endotelial. 3) Las quimiocinas estimulan integrinas de neutrófilo para aumentar su afinidad, lo que permite adhesión fuerte a sus ligandos sobre el endotelio. 4) Los neutrófilos migran hacia uniones entre células endoteliales y cruzan el endotelio hacia tejidos extravasculares. 5) Los factores quimiotácticos a continuación atraen los neutrófilos hacia el sitio de infección. Las células de alarma subyacentes se encargan de producir las quimiocinas e inducir los ligandos endoteliales (adresinas vasculares) en este proceso.

Recuadro 3-1 Deficiencia de adhesión de leucocitos Rara vez, niños de corta edad se presentan con incidencia aumentada de infecciones bacterianas piógenas. Esto puede tener múltiples causas, como falta de neutrófilos, o neutrófilos que no pueden matar bacterias. De cualquier modo, en algunos de estos niños hay números aumentados de neutrófilos en la sangre, y los neutrófilos son por completo capaces de fagocitar bacterias y matarlas in vitro. No obstante, hay poca o ninguna formación de pus en los sitios de infección. En muchos de estos niños, el examen de los neutrófilos muestra que la expresión de una de las moléculas de adhesión, una integrina (LFA-1; CDlla/CD18), es defectuosa. El resultado es que si bien las células pueden identificar áreas de endotelio inflamado y pueden rodar a lo largo de ellas al adherirse a selectinas, lo que les permite muestrear quimiocinas unidas a endotelio que pueden emitir señales al neutrófilo, no pueden formar las adhesiones firmes cruciales para la emigración. Se trata de una demostración directa de la importancia de las integrinas para la migración de neutrófilos desde la sangre. Esta enfermedad se conoce como deficiencia de adhesión de leucocitos (LAD) I. También hay otros tipos de LAD. Por ejemplo, la LAD II ocurre debido a una anormalidad del metabolismo de la fucosa, lo que da por resultado expresión defectuosa de moléculas de selectina. Otra forma, la LAD III, ocurre debido a mutación en el gen que codifica para RAC2, que está involucrado en la organiza-

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ción del citoesqueleto de actina, crucial para la migración de neutrófilos. En modelos experimentales, si los neutrófilos (u otros leucocitos) son tratados in vitro con toxina de Bordetella pertussis (el agente causal de la tos ferina) y se inyectan por vía intravenosa en un receptor normal, son incapaces de migrar a tejidos inflamados. Mediante microscopia intravital puede observarse que ruedan a lo largo del endotelio pero no forman adhesiones estrechas. Esto ocurre porque la toxina de B. pertussis bloquea la emisión de señales de receptor acoplado a proteína G (GPCR). Los receptores de quimiocina sobre el neutrófilo reconocen quimiocinas unidas a células endoteliales y, por medio de proteínas G, inducen la activación de moléculas de integrina sobre el neutrófilo. La activación de integrinas es esencial para la adhesión estrecha y la extravasación subsiguiente. Estos ejemplos, aunque son muy raros o experimentales, ilustran cómo los diferentes pasos involucrados en la migración de neutrófilos hacia tejidos inflamados se han identificado y analizado. En los primeros casos clínicos también demuestran la importancia de la migración de neutrófilos en la defensa contra infección por bacterias extracelulares en sitios periféricos. P3.7. ¿Cómo podrían tratarse los niños que padecen LAD?

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108

Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

munitarias, y posiblemente podría usarse para prevenir rechazo de trasplante, o incluso para estimular la destrucción de tumor. P3.8. ¿Cómo podría intentarse identificar una molécula nueva involucrada en la adhesión de neutrófilos a células endoteliales? Función de los leucocitos en la inflamación La infección puede estimular casi todos los tejidos y órganos para que generen señales que pueden actuar localmente para desencadenar secreción de moléculas de defensa. Por ejemplo, casi todas las células epiteliales pueden ser estimuladas para que secreten defensinas, que tienen actividad antimicrobiana (capítulo 4). Es importante que la infección también puede estimular el reclutamiento de células y moléculas (véase antes) que cooperan para suspender la aparición de la infección, o al menos lentificarla. En la inflamación aguda estimulada por infección, el principal efecto celular inicial es el reclutamiento de neutrófilos hacia el sitio de infección. Estas células normalmente se encuentran en grandes números en el torrente sanguíneo y, una vez que han sido reclutadas hacia sitios inflamatorios, pueden fagocitar y matar con eficiencia algunas bacterias antes de morir. También puede haber liberación rápida de neutrófilos almacenados en la médula ósea (véase más adelante). En parte debido a su movilización rápida, los neutrófilos son en particular importantes en la defensa contra bacterias piógenas (extracelulares), que se dividen con rapidez en sitios extracelulares, y contra algunos hongos (capítulos 2 y 4). Un poco más tarde, pero en números más pequeños, se reclutan monocitos de la sangre hacia tejidos que muestran inflamación

Inflamación aguda

Neutrófilo

aguda, donde se diferencian hacia macrófagos con funciones especializadas adicionales en comparación con las células residentes que ayudaron a desencadenar la respuesta inflamatoria inicial. Aun así, su principal función en la infección piógena probablemente es regular la curación, la reparación y el remodelado de tejido. En otras infecciones, como en aquellas por micobacterias, que inducen inflamación crónica, los macrófagos reclutados pueden ser activados para que se conviertan en células antimicrobianas potentes. Dichos macrófagos activados de manera clásica son capaces de matar bacterias intracelulares, como Mycobacterium tuberculosis, pero también son capaces de causar mucho daño tisular debido a su actividad secretoria excesiva (figura 3-9). 3.3.4 Efectos de mediadores inflamatorios sobre tejidos distantes: la respuesta de fase aguda y respuestas inflamatorias sistémicas Las citocinas producidas por macrófagos y mastocitos residentes en tejido en respuesta a infección no siempre sólo actúan localmente. Si se producen en cantidades lo bastante grandes, tienen efectos sobre sitios distantes desde el punto de vista anatómico. Por ejemplo, el TNF-␣ puede emitir señales a la médula ósea para que aumente la producción de neutrófilos, la IL-1 puede emitir señales hacia el hipotálamo para que aumente la temperatura (fiebre) y la IL-6 puede emitir señales al hígado para que induzca la síntesis de un gran número de moléculas de defensa a cifras altas, entre ellas opsoninas y otros agentes. Esto último se llama la respuesta de fase aguda (figura 3-10).

Inflamación crónica

Célula NK (en etapas tempranas)

Célula T (más tarde)

Defensa contra bacterias piógenas

Macrófago inflamatorio

Macrófago inflamatorio

Macrófago activado IFN-␥

Curación y reparación

Curación y reparación

Defensa contra agentes patógenos intracelulares

Figura 3-9 Los leucocitos funcionan en la inflamación. En la inflamación aguda causada por bacterias piógenas, los neutrófilos son las células bactericidas más importantes. Los macrófagos reclutados (inflamatorios) son importantes para eliminar los tejidos dañados y regular la respuesta de curación. En la inflamación crónica, los macrófagos reclutados (activados) son cruciales para matar bacterias intracelulares, como micobacterias, después de su activación por interferón (IFN)-␥ proveniente de células NK o células T. Los macrófagos también causan daño de tejido y se encargan de regular la curación y la reparación.

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3.3

Anatomía funcional de la inmunidad innata

109

Infección de las vías respiratorias superiores (p. ej., gripe) Inflamación local

Mediadores transportados por la sangre

Síndrome ”de enfermedad“

Cerebro

Hígado

Médula ósea

Músculo, tejido adiposo

Fiebre, malestar general, pérdida del apetito, somnolencia

Síntesis aumentada de proteína (respuesta de fase aguda)

Producción aumentada de leucocitos

Catabolismo aumentado

Figura 3-10 Efectos sistémicos de la inflamación. Las células en tejidos inflamados liberan mediadores proinflamatorios hacia la sangre; éstos pueden actuar sobre órganos distantes, como el cerebro, para causar fiebre, malestar general y pérdida del apetito, y sobre el hígado para aumentar la síntesis de proteínas relacionadas con la defensa, como componentes del complemento. También actúan sobre la médula ósea para causar la liberación de leucocitos almacenados y aumentar la producción de leucocitos a partir de células madre. Actúan sobre músculo y tejido adiposo para aumentar el catabolismo, lo que genera energía. Esto último es crucial; para aumentar la temperatura corporal sólo 1 °C se requiere tanta energía como la que utiliza un adulto para caminar 35 a 40 km.

3.3.5 Inicio de la inmunidad adaptativa El principio importante final que hay que recalcar es que muchos de los cambios que ocurren en la inflamación son absolutamente cruciales para el inicio y la regulación de respuestas inmunitarias adaptativas contra agentes infecciosos. Las maneras en las cuales las células T se diferencian después de activación están determinadas en gran parte por señales generadas por el sistema inmunitario innato. De hecho, en términos generales, es probable que no podrían desencadenarse en absoluto respuestas inmunitarias adaptativas sin que ocurrieran respuestas innatas. Este tema se comenta con más detalle en la sección 3.4. 3.3.6 Regulación de la inflamación, curación y reparación 3.3.6.1

Regulación de la inflamación

¿Qué es lo que suspende el proceso inflamatorio? Por supuesto, tiene importancia primaria la eliminación del agente que inició la inflamación. Se observa la importancia de esto en situaciones en las cuales es imposible eliminar el agente: pueden ser microbios resistentes como las micobacterias, partículas indestructibles como el sílice, o un componente propio, como en la enfermedad autoinmunitaria (capítulo 7). En todos estos casos la inflamación es prolongada, y se hace crónica. De cualquier modo, el cese de la inflamación también es un proceso activo. Mediadores lípidos como las lipoxinas y resolvinas inhiben el reclutamiento de neu-

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trófilos y la activación de los mismos, y pueden dirigir macrófagos hacia áreas de muerte celular, lo que les permite eliminar los restos. Más tarde, citocinas como la IL-10 modulan las funciones de macrófagos, por ejemplo, al estimularlos para que secreten factor de crecimiento transformante (TGF)-␤ que promueve la curación. 3.3.6.2

Curación y reparación en la inflamación aguda

La inflamación aguda inevitablemente causa cierto daño de tejido, y una parte crucial de toda la inflamación es que estimula el proceso de curación y reparación. En las formas de daño más simples, por ejemplo, una herida con un bisturí estéril durante un procedimiento quirúrgico, plaquetas de la sangre se adhieren a los bordes de los vasos cortados, y forman un tapón plaquetario. La fibrina que se forma mediante la coagulación de la sangre estabiliza este tapón y forma la primera capa de reparación. Las plaquetas sanguíneas se desgranulan a medida que se adhieren, y liberan factores como factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF), que son cruciales para las etapas posteriores de reparación. Estos factores y otros causan cambios de la expresión de moléculas de adhesión por vénulas locales, lo que hace que se adhieran monocitos y crucen hacia el área inflamada (figura 3-11). Los monocitos reclutados ahora pueden diferenciarse hacia macrófagos “inflamatorios” (capítulo 1). Estos macrófagos tienen funciones cruciales en la reparación, entre ellas: i) Ingieren células dañadas y las digieren, lo que elimina los desechos.

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110

Capítulo 3

1

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Coagulación de la sangre

Inflamación local

Coágulo de sangre

Neutrófilo

Vénula

2

Macrófago

Reepitelización

Factor de crecimiento derivado de plaquetas

Reclutamiento de fibroblastos, activación y secreción de colágeno

3

Angiogénesis Crecimiento de vasos sanguíneos hacia adentro Crecimiento hacia adentro de vasos linfáticos

4

Formación de cicatriz

Cicatriz colagenosa

ii) Secretan enzimas como la colagenasa y elastasa que ayudan a degradar tejido conjuntivo dañado en el área inflamada. iii) También secretan factores como el PDGF que estimulan el reclutamiento, la proliferación y la actividad secretoria de fibroblastos. A su vez, los fibroblastos secretan colágeno, elastina y otros componentes del tejido conjuntivo importantes para la reparación de tejido conjuntivo.

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Figura 3-11 Cicatrización de una herida estéril. 1) Se forma un coágulo de sangre en el sitio de la herida. La inflamación local estimula la actividad de macrófagos para que liberen factores de crecimiento para fibroblastos, como lo hacen las plaquetas activadas en el coágulo. 2) Estos factores inducen el reclutamiento y la división de los fibroblastos, y los estimulan para que sinteticen colágeno y otras moléculas del tejido conjuntivo. 3) Otros factores estimulan el crecimiento hacia adentro de vasos sanguíneos y linfáticos (angiogénesis). 4) Las células epiteliales se dividen para cubrir la herida, y finalmente el sitio de la herida es representado por una cicatriz colagenosa pequeña.

Al mismo tiempo otros factores estimulan el crecimiento hacia adentro de vasos sanguíneos y linfáticos. En esta etapa el tejido que está curando la herida se hace muy vascular, con muchos vasos frágiles (todos saben cuán profuso puede ser el sangrado si se retira la costra de una herida en etapas demasiado tempranas). Este tejido que produce curación se conoce como tejido de granulación, que no debe confundirse con los granulomas que se encuentran en algunas formas de inflamación crónica; estos procesos ocurren durante los primeros días después de la lesión. Si el epitelio suprayacente ha quedado dañado (como en una herida de la piel), células epiteliales cercanas a los márgenes de la herida empiezan a proliferar, y una capa única de células epiteliales migra sobre la herida (y bajo la costra en una herida de la piel). Con el tiempo, la estructura del tejido que está produciendo la curación cambia: macrófagos migran desde el área, el número de vasos sanguíneos disminuye y la cantidad de colágeno depositada por fibroblastos aumenta. Hacia las dos a tres semanas después de la lesión la herida es representada por una cicatriz colagenosa relativamente avascular. Este proceso de reparación ocurre en heridas estériles, y a veces se llama “cicatrización por primera intención”. No obstante, si la herida está infectada, o si la inflamación se origina por infección, el proceso antes descrito queda más o menos perturbado. Inevitablemente hay más daño de tejido y, aunque los procesos de reparación están teniendo lugar todo el tiempo, su capacidad para desencadenar curación está disminuida. El resultado es que la curación se retrasa, y a menudo se deposita mucho más colágeno, lo que conduce a formación aumentada de tejido cicatrizal. En algunos casos, por ejemplo, después de neumonía lobar causada por Streptococcus pneumoniae (capítulo 2), la restitución de la estructura y la función del pulmón puede ser completa. Esto se conoce como resolución. Sin embargo, no sucede esto en la mayor parte de los casos de inflamación aguda clínica porque la curación se acompaña del depósito de colágeno, y esto a menudo puede llevar a formación de tejido cicatrizal (figura 3-12). P3.9. ¿Por qué la neumonía lobar se resuelve con poca destrucción permanente de tejido o ninguna, mientras que una infección cutánea piógena que da por resultado un absceso lleva a formación de tejido cicatrizal permanente?

3.3.6.3

Reparación en la inflamación crónica

En la inflamación crónica hay un estímulo inflamatorio persistente, que estimula la activación persistente de curación y reparación. En estas condiciones la respuesta de reparación puede

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3.3

1

Infección de herida

111

por la respuesta inmunitaria contra ciertos virus, como los virus de las hepatitis B y C (capítulo 2) (figura 3-13).

Coágulo de sangre que contiene bacterias piógenas

P3.10. Si 90% del hígado de una rata se extirpa quirúrgicamente, los hepatocitos restantes empiezan a dividirse y siguen haciéndolo hasta que el hígado ha recuperado su masa original. Entonces dejan de dividirse. ¿Qué mecanismos podrían permitir al hígado regenerarse hasta su masa previa? Reclutamiento de neutrófilos aumentado

Inflamación local aumentada

2

Anatomía funcional de la inmunidad innata

1

Daño del hígado a largo plazo (p. ej., hepatitis C, alcohol)

Formación de pus Secreción de pus

Licuefacción (formación de pus)

Bacterias

3

Daño de hepatocitos

Neutrófilos muertos y moribundos 2

Inflamación crónica

Formación aumentada de tejido cicatrizal Infiltración de macrófagos y fibroblastos Retraso de la curación, depósito aumentado de colágeno

Figura 3-12 Cicatrización de una herida infectada. 1) Si una herida queda infectada por bacterias piógenas, hay inflamación local aumentada e incremento del reclutamiento de neutrófilos. 2) Esto puede llevar a licuefacción aumentada de tejido y a la formación de pus. 3) El proceso de curación se retrasa, hay formación aumentada de colágeno, e incremento de la formación de tejido cicatrizal (compárese con la figura 3-11).

ser la causa real de la enfermedad clínica. Así, el alcohol ingerido daña células del hígado (hepatocitos) y las mata. Los hepatocitos tienen una notoria capacidad para regenerarse: si se extirpa quirúrgicamente 90% del hígado de una rata, el 10% restante se regenera hasta restituir por completo la masa hepática original. Empero, el daño de los hepatocitos causa inflamación, y esto estimula una respuesta de curación, que lleva al depósito de colágeno. Si el estímulo es persistente, como en sujetos alcohólicos crónicos, el proceso de curación continúa por tiempo indefinido. Esto lleva al depósito de grandes cantidades de colágeno, que rodea y envuelve los hepatocitos en regeneración, lo que en esencia estrangula el hígado. Este proceso se conoce como cirrosis. Es importante que el mismo proceso puede originarse

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3

Respuesta de curación

Depósito de colágeno (evita la regeneración de hepatocitos)

4

Insuficiencia hepática

Hígado fibrótico y disminuido de tamaño (cirrosis)

Figura 3-13 Enfermedad causada por una respuesta de curación excesiva: cirrosis. Si el hígado sufre daño a largo plazo (p. ej., por infección crónica por virus de la hepatitis o por consumo excesivo de alcohol), hay una respuesta de curación continua con depósito de colágeno a gran escala. El colágeno rodea y encierra grupos de hepatocitos en regeneración, lo que evita que restituyan los números y la función celulares normales. El resultado final es un hígado fibrótico y con disminución de tamaño, que no puede funcionar con eficacia, lo cual conduce a insuficiencia hepática.

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Capítulo 3

112

Anatomía funcional del sistema inmunitario

3.4

y se regulan. Dichos tejidos incluyen los ganglios linfáticos, el bazo y tejidos especializados asociados con sitios mucosos. Estos últimos se denominan en conjunto tejidos linfoides asociados con mucosas (MALT), e incluyen las placas de Peyer en el intestino delgado (figura 3-14).

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa Todos los organismos multicelulares, e incluso los organismos procariontes, como las bacterias, han adquirido por evolución mecanismos inmunitarios innatos (o tipo innato). Con todo, la evolución de un tipo de inmunidad por completo nuevo, la inmunidad adaptativa, que está mediada por linfocitos, requirió el desarrollo de tejidos especializados; éstos incluyen en particular los tejidos linfoides secundarios, cuya principal función es actuar como sitios donde se inician respuestas inmunitarias adaptativas Innata

3.4.1 ¿Por qué el ser humano necesita tejidos linfoides secundarios? ¿Por qué es que la inmunidad adaptativa necesita tejidos linfoides secundarios especializados? Parte de la respuesta yace en la naturaleza del reconocimiento de antígeno por linfocitos. En la

Adaptativa Agente patógeno PRR

Célula de alarma

Eliminación del agente patógeno

Célula de alarma

Eliminación del agente patógeno

Anticuerpos

Mecanismos efectores

Agente patógeno Agente patógeno Señales

Moléculas

Señales

Células

Célula dendrítica

Vénula

Vénula

Linfocitos activados Tejido periférico (p. ej., piel, intestino, hígado)

Ingreso aferente (sangre, linfa)

Sangre

Célula dendrítica activada Linfocito en reposo

Linfocito activado

Tejido linfoide secundario (p. ej., bazo, ganglio linfático, placas de Peyer)

Figura 3-14 Organización anatómica de los sistemas inmunitarios innato y adaptativo. Las células de alarma del sistema innato están ampliamente dispersas en todo el organismo. Su activación local por infección sirve para reclutar células y moléculas efectoras hacia el sitio de infección. El sistema adaptativo se basa en su mayor parte en tejidos linfoides secundarios que están relativamente distantes del sitio de la infección inicial. Antígenos que provienen de los organismos infectantes (típicamente transportados por DC) y señales provenientes del sistema innato son transportados hacia los órganos linfoides secundarios para iniciar la respuesta adaptativa y regularla. A continuación, mecanismos efectores como anticuerpos y células T activadas pueden ser transportados o migran de regreso hacia el sitio de infección inflamado para mediar eliminación del microbio.

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3.4

inmunidad innata, los receptores involucrados (PRR) pueden reconocer una gama grande de moléculas asociadas con agente patógeno, y tienen un rango muy amplio de especificidades. Más aún, múltiples PRR son expresados sobre todas las células del sistema inmunitario innato, y estimulan respuestas celulares rápidas. De este modo, las poblaciones de células inmunitarias innatas que están presentes en tejidos en condiciones de reposo, o que son reclutadas en respuesta a infección, son suficientes para montar una respuesta rápida, grande y (a menudo) eficaz. En agudo contraste, la proporción de linfocitos capaz de reconocer un antígeno particular es muy pequeña, y sólo alrededor de 1:105 a 1:106 es específico para cualquier antígeno dado. De este modo, alrededor de 99.99% de los linfocitos no puede reconocer un antígeno particular. Aun así, la infección puede afectar cualquier sitio. Las razones por las cuales el ser humano ha adquirido por evolución linfocitos con esa especificidad extrema se comentan en otra sección (capítulos 5 y 6), pero no es difícil ver que esta frecuencia muy baja de linfocitos reactivos a antígeno da lugar a problemas logísticos muy reales. Dado que hay tan pocos linfocitos específicos para antígeno, ¿cómo llegan a encontrar sus antígenos específicos? El primer principio es que el sistema inmunitario adaptativo usa un mecanismo de enfoque en antígeno para concentrar antígenos hacia sitios donde pueden encontrar linfocitos. Los vertebrados han adquirido por evolución sistemas linfáticos. Casi todos los tejidos y órganos tienen vasos linfáticos que recolectan

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

113

líquidos provenientes de tejidos extravasculares y los drenan hacia ganglios linfáticos. Así, un ganglio linfático único recibe líquidos provenientes de un volumen grande de tejido periférico. Si esto drenara un sitio de infección, contendrá moléculas derivadas del agente patógeno, e incluso agentes patógenos enteros. Así, un ganglio linfático se encuentra situado idealmente para vigilar los tejidos periféricos respecto a infección. No todos los sitios de infección potenciales tienen drenaje linfático, pero se han adquirido por evolución otros mecanismos para vigilar estos sitios. Así, la sangre es vigilada por el bazo, y el intestino por tejidos linfoides en las paredes de los órganos; en el intestino delgado éstos se llaman placas de Peyer. Otros tipos de MALT comprenden las amígdalas y las adenoides en la parte posterior de la boca y la nariz (tejidos linfoides asociados con la nariz; NALT), el apéndice, y tejidos asociados con las vías respiratorias (tejidos linfoides asociados con bronquios; BALT) (figura 3-15). De cualquier modo, aún existe el problema de la frecuencia muy baja de linfocitos específicos para antígeno. Sería imposible tener suficientes linfocitos residentes en cada ganglio linfático o placa de Peyer, o de hecho el bazo, para afrontar todos los agentes patógenos potenciales. No obstante, si se examina un corte histológico de un ganglio linfático, está absolutamente atestado de linfocitos pequeños. Estos linfocitos no residen en el ganglio; son residentes transitorios; sólo pasan algunas horas en el ganglio antes de salir de nuevo. Esto significa que cada ganglio Tejido mucoso

Tejido periférico Órgano sólido

Intestino Agente patógeno

Placa de Peyer

Agente patógeno

Linfático aferente

Linfático aferente

Ganglio linfático

Ganglio linfático

Linfocitos recirculantes

Bazo

Agente patógeno

Sangre arterial Linfocitos recirculantes

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Linfocitos recirculantes

Figura 3-15 Vigilancia del tejido en la inmunidad adaptativa. Casi todos los tejidos periféricos y órganos sólidos son vigilados por ganglios linfáticos que están conectados a estos sitios por medio de linfáticos aferentes. La sangre es vigilada por el bazo. El intestino y algunos otros tejidos mucosos tienen órganos linfoides secundarios embebidos en sus paredes, que vigilan la luz; en el intestino delgado éstas son las placas de Peyer. Dichos tejidos también drenan hacia ganglios linfáticos. Los linfocitos vírgenes continuamente migran hacia todos estos órganos linfoides secundarios, y recirculan entre los mismos, y los vigilan respecto a la presencia de antígenos microbianos y otros antígenos.

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114

Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

(y otros órganos linfoides secundarios) es vigilado por números enormes de linfocitos; por ejemplo, estudios en ovejas han revelado que un ganglio linfático único en esta especie es cruzado por alrededor de 107 linfocitos cada hora. Sólo es debido a esta enorme migración por la cual suficientes linfocitos específicos para antígeno pueden vigilar tejidos linfoides secundarios y asegurarse de que los muy raros linfocitos específicos para antígeno sean capaces de encontrar los antígenos para los cuales son específicos. Una vez que encuentran su antígeno, estos linfocitos raros deben ser activados, estimulados para que proliferen, de modo que se alcance una masa crítica que sea capaz de afrontar el agente infeccioso, y se les deben dar instrucciones respecto a cuáles mecanismos efectores necesitan generar. Por ende, las respuestas inmunitarias adaptativas toman mucho más tiempo que las respuestas innatas para quedar por completo inducidas en una primera exposición a un agente infeccioso (sin embargo, las respuestas de memoria subsiguientes son mucho más rápidas.) 3.4.2 Estructura y función de los órganos linfoides secundarios El entendimiento de cómo funcionan los órganos linfoides secundarios en respuestas inmunitarias depende mucho de saber cómo sus estructuras están relacionadas con sus funciones complejas, y todos los órganos linfoides secundarios muestran similitudes básicas en su estructura. Empero, aún se están haciendo esfuerzos por entender por completo las relaciones estructura-función detalladas en estos órganos altamente organizados. En esta subsección, para empezar, se usarán los ganglios linfáticos como modelos genéricos de tejidos linfoides secundarios; se hace hincapié en características que son comunes a todos los tejidos de ese tipo; las funciones de los ganglios linfáticos quizá son las que se entienden mejor de todos los tejidos linfoides secundarios. A continuación se comentarán brevemente las especializaciones que se observan en otras formas de tejidos linfoides secundarios, tomando como ejemplos las placas de Peyer (un tipo de MALT) y el bazo. Estas especializaciones comprenden i) la ubicación de estos tejidos, ii) los tejidos periféricos que vigilan, y los modos mediante los cuales se llevan antígenos a ellos y iii) los compartimentos especializados o subgrupos de células distintivos que contienen. Primero se examina la función de los tejidos linfoides secundarios en el estado estable, y después se comentan los cambios que ocurren durante respuestas inmunitarias activas. Tiene importancia percatarse de que cuando se habla acerca del estado estable, aunque no están ocurriendo respuestas inmunitarias manifiestas, los antígenos (componentes derivados del propio organismo, y antígenos no propios inocuos, como los de alimentos y bacterias comensales) continuamente están interactuando con el sistema inmunitario para inducir tolerancia o regulación. 3.4.2.1 Estructura y función de ganglios linfáticos en el estado estable

Los ganglios linfáticos vigilan de manera continua tejidos periféricos por si ocurriera infección; estos tejidos comprenden la piel, los epitelios de los tejidos mucosos, y órganos vascularizados, como el corazón y el riñón. Los ganglios linfáticos son órganos pequeños, en forma de riñón u ovoides, a menudo embebidos en grasa. (Son los ganglios que el lector podría palparse en el cuello, que se hinchan y se tornan dolorosos en presencia de una infec-

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ción de la garganta. Si el lector alguna vez ha examinado con sumo cuidado una pierna de cordero mientras la prepara para cocinarla, quizá haya visto el ganglio linfático poplíteo grisáceo embebido en grasa blanca en planos profundos dentro de la pierna.) El examen histológico de ganglios linfáticos muestra que tienen una estructura compleja (figura 3-16); están contenidos en una cápsula fibrosa. Esta cápsula está perforada por varios vasos linfáticos aferentes pequeños que se vacían hacia el seno subcapsular, el espacio entre la cápsula y el cuerpo celular del ganglio. El seno subcapsular contiene macrófagos especializados. También sirve para evitar que macromoléculas se difundan de manera directa hacia el cuerpo del ganglio. Éste contiene tres áreas principales, separadas desde el punto de vista anatómico. La parte externa, la corteza, contiene folículos esféricos que son las áreas de células B. Entre los folículos hay áreas que contienen macrófagos y células dendríticas (DC; véase más adelante) en migración. Por debajo de la corteza está la paracorteza, que es el área de células T. P3.11. ¿Cuál podría ser la razón de tener áreas de células T y de células B separadas en órganos linfoides secundarios? La parte inferior del ganglio es la médula, que muestra senos amplios que contienen macrófagos y, en ganglios donde ha ocurrido una respuesta inmunitaria, células plasmáticas. La presencia de grandes números de macrófagos en la médula ilustra otra función importante de los ganglios linfáticos: actúan como filtros para diversas partículas (incluso bacterias) y evitan, o al menos lentifican, la entrada de éstas a la sangre. Los senos en la médula a continuación se unen para vaciarse hacia el linfático eferente en el hilio del ganglio, por lo general como un vaso único. La linfa eferente que sale en este vaso a su vez puede pasar por otros ganglios por medio de linfáticos aferentes y eferentes (a menudo forman cadenas), pero a la postre es recolectada hacia vasos linfáticos de mayor calibre y, finalmente, drena de regreso hacia el sistema venoso. P3.12. ¿Por qué podría el examen de la cavidad torácica de un fumador a largo plazo ilustrar la función de filtración de los ganglios linfáticos? El aporte sanguíneo de los ganglios linfáticos consta de una arteria que entra al hilio y se ramifica para formar capilares. En la paracorteza los capilares se unen y forman vénulas poscapilares con una estructura poco común. Las células endoteliales de estas vénulas son mucho más cúbicas que las células endoteliales típicas, y los vasos se conocen como vénulas endoteliales altas (HEV). Pueden observarse linfocitos que se adhieren a las HEV y están también presentes dentro de la capa endotelial; la microscopia electrónica muestra los linfocitos entre las células endoteliales cúbicas, al parecer cruzando desde la sangre hacia el cuerpo del ganglio en sí. A continuación las HEV se unen y forman una vena que sale del ganglio en el hilio (figura 3-17). Hay otra estructura en los ganglios, sólo recientemente reconocida, que está involucrada en el transporte de moléculas a través del ganglio; ésta es la red reticular fibroblástica. Estructuras tubulares llamadas conductos, rodeadas por células fibroblásticas y no por células endoteliales, corren desde el piso del seno subcapsular a través de las áreas de células T, y terminan en HEV. Conductos similares también corren desde el seno subcapsular hacia los folículos de células B. Las posibles funciones de estos conductos se comentan más adelante.

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3.4

Célula dendrítica

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

115

Linfático aferente Macrófago

Conducto Corteza

Folículo primario Célula B Seno subcapsular

Célula T Área de células T (paracorteza) Célula dendrítica

Vénula endotelial alta

Célula dendrítica folicular

Macrófago Cordón medular Seno medular

Linfático eferente

Figura 3-16 Estructura del ganglio linfático. Los ganglios linfáticos reciben linfa que proviene de tejidos periféricos a través de varios linfáticos aferentes que drenan hacia el seno subcapsular. Células y moléculas en la linfa son llevadas hacia diferentes áreas especializadas del ganglio. Los folículos de células B corticales contienen células B recirculantes y células dendríticas foliculares (FDC) residentes. La paracorteza contiene células T y DC clásicas recirculantes, algunas de las cuales han entrado desde la linfa; esta área también contiene vénulas endoteliales altas (HEV) que son los sitios donde las células T y B recirculantes entran desde la sangre. La médula contiene senos que están revestidos con macrófagos que tienen una función de filtración. La linfa sale del ganglio por medio del o los linfáticos eferentes, y finalmente es drenada de regreso hacia la sangre.

Área de células T (paracorteza)

Área de células T Luz de la vénula Célula endotelial cúbica

Célula T

Célula T Célula B

Célula B

Folículo de célula B

Figura 3-17 Vénulas endoteliales altas. Estas vénulas poscapilares tienen células endoteliales cúbicas que expresan moléculas de adhesión complementarias a moléculas de superficie de linfocitos, lo que permite a los linfocitos fijarse y migrar entre las células endoteliales hacia el ganglio. Las HEV están presentes en ganglios linfáticos y tejidos linfoides secundarios de mucosas, como las placas de Peyer, pero no en el bazo. Las HEV son muy eficientes; extraen alrededor de 30% de los linfocitos que entran a un ganglio desde la sangre arterial durante cada paso a través de ellas.

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116

Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Desde el punto de vista funcional, los tejidos linfoides secundarios pueden considerarse estructuras dinámicas que han evolucionado para permitir la reunión de diferentes corrientes de células y moléculas que necesiten interactuar en la inducción de respuestas inmunitarias adaptativas. Los ganglios linfáticos tienen dos de esas corrientes. La primera de éstas es la linfa aferente que drena tejidos periféricos. Dicha linfa porta tanto células como moléculas que desempeñan funciones cruciales en la inducción de tolerancia (sección 1.6.1) en el estado estable. Después de infección en los tejidos periféricos, la linfa aferente a continuación transporta las células y moléculas necesarias para inducir una respuesta inmunitaria activa. En este contexto, las células más importantes en la linfa aferente probablemente son las DC. Estas células vigilan de manera continua tejidos periféricos, y migran hacia ganglios linfáticos de drenaje, y portan antígenos que pueden ser reconocidos por células T específicas. Las DC también transmiten información acerca del estado del tejido periférico: si está inflamado o infectado y, de ser así, qué tipo de inflamación o infección hay. Pueden hacer esto porque muestran respuesta, de manera directa o indirecta, a señales generadas por PAMP o DAMP que se unen a sus PRR. Sólo los ganglios linfáticos tienen un aporte de linfa aferente; las placas de Peyer y el bazo carecen de dicho aporte, porque están diseñados para vigilar infecciones en otros sitios que carecen de linfáticos. El segundo tipo de aferencias celulares hacia los ganglios son los linfocitos derivados de la sangre. Las HEV en las áreas de células T (paracorteza) del ganglio expresan moléculas sobre el lado luminal de sus células endoteliales para las cuales los linfocitos en reposo vírgenes tienen receptores (ésta es la base del código postal de ganglios linfáticos para linfocitos, así como para algunas DC). Los linfocitos que se unen a HEV por medio de estos receptores migran hacia los tejidos extravasculares del ganglio en un proceso notoriamente eficiente. Células tanto T como B entran al ganglio por medio de HEV en áreas de células T, pero mientras que las células T finalmente migran de manera directa desde el área de células T hacia la linfa eferente, las células B primero pasan por los folículos y, así, tardan más en cruzar el ganglio. También hay HEV en las placas de Peyer, pero no se encuentran en el bazo. Las rutas de salida desde el ganglio son la sangre y la linfa eferente. El examen de la linfa eferente que proviene de ganglios en estado estable muestra que contiene números muy grandes de linfocitos —células tanto T como B, principalmente como células vírgenes, en reposo—. En contraste con la linfa aferente, las DC son muy raras en la linfa eferente. El análisis cuidadoso ha mostrado que al menos 95% de las DC que entran al ganglio son filtradas y no salen; mueren en el ganglio. No todas las DC en el ganglio se derivan de la linfa aferente. Algunas entran a ganglios como precursores directamente desde la sangre. Esto se ha mostrado al aislar precursores de DC desde la médula ósea e inyectarlos en la sangre; los precursores entran a las áreas de células T del ganglio desde la sangre, y se desarrollan hacia DC (recuadro 3-3). Un subgrupo de DC clásicas, y plasmacitoides, puede entrar al ganglio de esta manera (sección 1.4.6). En resumen, en el estado estable, la linfa aferente lleva un chorro continuo de DC y moléculas solubles hacia el ganglio. Las DC migran hacia áreas de células T del ganglio y mueren ahí por apoptosis; en este sentido pueden considerarse una cinta transportadora para el suministro de antígeno. En las áreas de células T estas DC son interrogadas por células T vírgenes respecto a la

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presencia de antígeno específico. Si la célula T no reconoce antígeno, sale del área de células T del ganglio por medio de la linfa eferente, vuelve a entrar a la sangre, y migra hacia otro órgano linfoide secundario. Ocurre un proceso muy similar con células B vírgenes. Este proceso se conoce como recirculación de linfocitos (recuadro 3-2). 3.4.2.2

Recirculación de linfocitos

Como se comentó, casi todos los linfocitos entran a ganglios desde la sangre; lo mismo es cierto para placas de Peyer y el bazo (véase más adelante). En el estado estable, estos linfocitos son células pequeñas, en reposo, principalmente vírgenes (es decir, no han reconocido antígeno). Su entrada parece ocurrir en su mayor parte al azar: los linfocitos vírgenes no parecen estar especializados para entrar en un tipo particular de tejido linfoide secundario, como los ganglios linfáticos, las placas de Peyer o el bazo. (Con todo, esta situación cambia un poco una vez que han sido activados.) En ausencia de estimulación antigénica los linfocitos vírgenes residen en un ganglio durante un tiempo breve (algunas horas; las células B permanecen más tiempo que las células T) antes de abandonar el ganglio en la linfa eferente y, finalmente, entran al conducto torácico que se vacía hacia el sistema venoso y, así, regresan a la sangre. Esta recirculación continua de linfocitos desde la sangre hacia la linfa y de regreso otra vez, significa que todos los tejidos linfoides secundarios son vigilados continuamente por linfocitos para buscar la presencia de antígeno que pueden reconocer (lo que a veces se llama antígeno cognado) (figura 3-18). 3.4.2.3

Respuestas de células T en ganglios linfáticos

Si ocurre infección en un tejido periférico, los ganglios linfáticos de drenaje pasan por cambios considerables, como se hace evidente a partir de los ganglios inflamados que, por ejemplo, pueden palparse en el cuello durante infecciones graves de la garganta. Esta hinchazón refleja inflamación en los ganglios, y se debe tanto a edema como acumulación de células. Reconocimiento de antígenos por células T Antes de que las células T puedan adquirir sus funciones efectoras especializadas, necesitan ser activadas. Esto se introdujo en el capítulo 1 y se comenta con mayor detalle en el capítulo 5, pero por ahora algunos puntos clave son:

i) La activación de células T requiere primero que los receptores de célula T (TCR) se unan a los complejos de péptido-complejo principal de histocompatibilidad (MHC) para los cuales son específicos. ii) Además, las células T deben recibir señales coestimuladoras para quedar por completo activadas; casi toda la evidencia indica que las DC son cruciales para dar estas señales a las células T. iii) Las células T CD4 (y probablemente las células T CD8) necesitan recibir más señales para darles instrucciones para que produzcan una respuesta que es más apropiada para los agentes infecciosos que necesitan ayudar a eliminar, y para asegurar que lleguen al sitio correcto. Estas etapas en la activación de células T y polarización de funciones de las mismas ocurren en su mayor parte o de manera exclusiva dentro de los tejidos linfoides secundarios. ¿De qué modo los antígenos que provienen de microbios llegan al ganglio linfático de manera que puedan ser recono-

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3.4

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

117

Recuadro 3-2 Descubrimiento de la recirculación de linfocitos en ratas Es posible insertar una cánula (tubo) en el conducto linfático torácico (el principal vaso que transporta linfa desde tejidos periféricos hacia la sangre) y, así, recolectar linfa. Durante muchos años se había sabido que la linfa del conducto torácico, obtenida a partir de diversas especies de mamífero, contenía números muy grandes de linfocitos pequeños, sin embargo, no se entendían los orígenes de estas células ni sus destinos (y funciones). Por ejemplo, se creía que podía haber producción continua de linfocitos en algún lugar en los tejidos periféricos, y que estas células entraban a la sangre desde la linfa y entonces pronto morían. Para explorar estos problemas, durante el decenio de 1960-1969 se mostró que si el conducto torácico de ratas se canulaba durante un periodo de días, y todos los linfocitos que salían se recolectaban y desechaban, los números de linfocitos presentes en la linfa declinaban de manera progresiva. Empero, si los linfocitos del conducto torácico que se recolectaban se volvían a administrar por vía intravenosa en la rata canulada, la declinación del número de linfocitos en el conducto torácico se reducía mucho. Esto mostró que los linfocitos no se estaban produciendo de manera continua, sino que más bien estaban pasando por un proceso de rondas de migración re-

cidos por las raras células T específicas para antígeno que están recirculando a través de él? Si se considera que las DC son esenciales en este proceso (véase más adelante), aquí hay dos posibilidades principales. i) Las DC en sitios periféricos están muestreando de manera continua su ambiente. Si hay una infección microbiana, las DC pueden internalizar los microbios, o antígenos derivados de los microbios, antes de migrar hacia ganglios linfáticos en la linfa aferente. En el ganglio entran en las áreas de células T donde pueden interactuar con estos linfoTejido periférico Antígenos y moléculas pequeñas libres

Célula dendrítica

Linfa aferente

petidas desde la sangre hacia la linfa. Por estas razones este proceso se llamó recirculación de linfocitos. Para determinar la base anatómica de la recirculación, se recolectaron linfocitos de conducto torácico de rata, se marcaron con un precursor de RNA radiactivo que quedó incorporado en las células, y se volvieron a administrar en las venas de otras ratas. A intervalos, ganglios linfáticos de las ratas receptoras se prepararon para estudio histológico (es decir, se fijaron, se embebieron en cera, se cortaron finamente y simplemente se tiñeron para revelar la estructura de tejido básica). Posteriormente, los cortes de ganglios linfáticos se cubrieron con emulsión fotográfica; esto permitió detectar la localización de las células radiactivas porque las emisiones radiactivas hicieron que los granos de plata se depositaran cuando la emulsión se reveló; esta técnica se llama autorradiografía. Se encontró que, poco después de la inyección, los linfocitos parecieron fijarse a regiones especializadas en los ganglios linfáticos (las HEV) y después cruzaron hacia la sustancia del ganglio. Por ende, se infirió que los linfocitos migraron desde la sangre por medio de las HEV hacia ganglios linfáticos, y después salieron en la linfa eferente; a continuación se recolectaron hacia el conducto torácico y volvieron a entrar a la sangre para repetir el ciclo.

citos. ii) Hay otra población de DC que residen en los ganglios, y que migran de manera directa hacia la sangre y desde esta última. Las macromoléculas pequeñas de menos de 70 kDa, que tal vez incluyen antígenos solubles, pueden entrar en la sustancia del ganglio desde la linfa aferente a través de los conductos. Estas DC residentes se fijan por sí mismas al conducto, y parecen extender prolongaciones hacia brechas entre las células que forman el conducto, donde quizá sean capaces de muestrear antígenos pequeños. Así, las células T pueden ser capaces de reconocer sus antígenos específicos porque en potencia pueden interactuar con dos poblaciones diferentes de DC que muestrean antígeno, que entonces inician la activación de la célula T o la impulsan (figura 3-19 y recuadro 3-3). P3.13. Las DC también migran desde tejidos normales en estado estable en ausencia de infección, aunque a una tasa más baja. ¿Por qué podría ser importante esto?

Ganglio linfático

Célula dendrítica Linfocitos Apoptosis de célula dendrítica Sangre venosa

Sangre arterial Linfa eferente

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Figura 3-18 Corrientes celular y molecular en un ganglio linfático (estado estable). La linfa aferente lleva moléculas solubles y células DC migratorias desde tejidos periféricos hacia el ganglio. Las DC entran a la paracorteza de células T, y las moléculas son llevadas hacia diferentes áreas de los ganglios. Las células B y T vírgenes entran a la paracorteza desde la sangre por medio de HEV (que no se muestran). Las células T interactúan con DC en la paracorteza, y después salen por medio de la linfa eferente. Las células B migran hacia el folículo antes de entrar también en la linfa eferente y, desde ahí, de regreso a la sangre (que no se muestra). El paso continuo de linfocitos hacia adentro y hacia afuera de los ganglios linfáticos y otros tejidos linfoides secundarios se conoce como recirculación de linfocitos.

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Linfa aferente Célula dendrítica Antígeno libre

Seno subcapsular

Conducto

Conducto

Célula T Célula dendrítica residente que adquiere antígeno

Célula B Célula T Folículo de célula B

Vénula endotelial alta

Antígeno que transporta DC migratoria Área de células T

Figura 3-19 Aporte de antígeno a ganglios linfáticos. DC clásicas pueden adquirir antígenos en tejidos periféricos y transportarlos a áreas de células T en el ganglio. Los antígenos solubles entran por medio de la linfa aferente, y algunos entran en conductos de tejido conjuntivo que penetran tanto en folículos de células B como en áreas de células T. Las DC residentes en las áreas de células T pueden adquirir antígenos que provienen de los conductos. Las funciones de estas diferentes formas de aporte de antígeno todavía no se entienden por completo (recuadro 3-3). Desactivación de ganglio linfático y reclutamiento de linfocitos La infección en sitios periféricos da pie a cambios importan-

tes de las características fisiológicas de los ganglios linfáticos de drenaje. Los linfáticos eferentes pueden canularse con facilidad en animales grandes, como ovejas o vacas; esto es muy difícil en animales pequeños, como ratones y ratas. Si se recolecta la linfa eferente de un ganglio linfático estimulado en una oveja, se encuentra que hay un decremento muy rápido de la salida de linfocitos desde el ganglio. Esto se llama desactivación, y quizá se debe a IFN tipo I secretado por DC plasmacitoides (pDC). Dichas células representan una población especializada separada de DC cuyas funciones en las respuestas inmunitarias no se entienden por completo. Se llaman plasmacitoides porque mediante microscopia electrónica se muestra que contienen cantidades muy grandes de retículo endoplasmático rugoso. Es importante que secretan con rapidez cantidades muy grandes de IFN tipo I cuando son estimuladas por medio de PRR, y se cree que desempeñan papeles importantes en la regulación de la activación de células T y en la resistencia a infección viral. Experimentalmente, el ganglio linfático desactivado puede ser estimulado mediante inyección directa de IFN tipo I hacia los tejidos periféricos, de modo que es tentador especular que las pDC tal vez se encarguen principalmente de este fenómeno in vivo. La siguiente etapa es el reclutamiento de linfocitos. Si los linfocitos reconocen su antígeno cognado, son retenidos en el ganglio y activados. Así, los linfocitos específicos para antígeno pueden acumularse en un ganglio estimulado y, aun cuando la frecuencia de esos linfocitos específicos para antígeno es muy baja, este reclu-

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tamiento significa que la respuesta específica puede ser amplificada con rapidez en el ganglio estimulado por antígeno. También se ha mostrado que ocurre reclutamiento de linfocitos en el bazo, y se aplica a las células tanto T como B (figura 3-20 y recuadro 3-4). Una vez activadas, las células T vírgenes pueden diferenciarse por varias vías (p. ej., Th0, Th1, Th2, Th17 o Treg; sección 1.4.5.1). ¿Qué determina cuál vía adoptan? En ausencia de señales de peligro esas células T se convierten en Treg o son inducidas para morir por apoptosis, y su ausencia da lugar a tolerancia específica para antígeno. De cualquier modo, si son activadas en un ganglio que drena tejido inflamado, pueden adoptar cualquiera de las otras vías. Esta diferenciación sucede en el ganglio linfático, y la inflamación es en el tejido periférico. La única conexión directa entre los dos compartimentos es la linfa aferente y, así, la información que determina el destino de la célula T debe ser transportada en la linfa. Dicha información es transmitida tanto por células como por moléculas que entran al ganglio por medio de linfáticos aferentes. Durante la infección y la inflamación en sitios periféricos se reclutan neutrófilos hacia el tejido, al igual que macrófagos y DC recién formados, ambos derivados de monocitos de la sangre, y todos éstos expresarán diferentes moléculas de superficie y patrones de secreción dependiendo de la naturaleza de la inflamación que encuentran. En algunos tipos de inflamación también entran eosinófilos y basófilos al tejido. Todos estos tipos de células después pueden salir del tejido por medio de la linfa aferen-

Polarización de células T en tejidos linfoides secundarios

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3.4

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

119

Recuadro 3-3 Cómo las DC activan células T en ganglios linfáticos de ratones Transporte de antígeno hacia ganglios linfáticos

Interacciones de DC y células T en el ganglio linfático

Si un antígeno proteínico que contiene lipopolisacárido (LPS) se inyecta por vía subcutánea en la punta de la oreja de un ratón, esto puede cebar células T específicas para antígeno, y cuando el ratón más tarde queda expuesto al mismo antígeno, muestra una respuesta de hipersensibilidad de tipo tardío (DTH) (capítulo 7). Si se inyecta antígeno como el anterior en un ratón virgen, dos fondos comunes de antígeno entran a ganglios linfáticos; un fondo común soluble inicial que drena con rapidez desde el sitio de inyección, y un fondo común asociado a células transportado por DC que más tarde migran desde el sitio. El antígeno soluble entra al ganglio con mucha rapidez, en el transcurso de minutos a horas y, si es suficientemente pequeño (menos de 70 kDa) y se marca con un fluorocromo para permitir la visualización, puede observarse en los conductos. Las DC adyacentes a los conductos pueden adquirir pequeñas cantidades de este antígeno soluble, al parecer al insertar prolongaciones en el conducto. DC que portan cantidades mayores de antígeno no aparecen sino hasta 24 h o más después de la inyección. ¿Cuál de estos grupos de DC es importante para iniciar inmunidad activa? Al extirpar quirúrgicamente la punta de la oreja de ratones anestesiados, a diferentes intervalos después de la inyección del antígeno, es posible analizar por separado los eventos que ocurren después. Si la punta de la oreja se extirpa algunas horas después de la inyección, el antígeno soluble llega al ganglio, pero las DC migratorias que portan grandes cantidades de antígeno todavía no han llegado. Con todo, las DC asociadas a conducto, residentes, adquieren pequeñas cantidades de antígeno. Si células T transgénicas específicas para antígeno (todas de la misma especificidad; véase más adelante) son transferidas de manera adoptiva hacia el ratón, quedan activadas y proliferan. Aun así, si se vuelve a inyectar el mismo antígeno en estos ratones, no muestran una respuesta de DTH. Por ende, parece ser que si bien el fondo común de antígeno que entra con rapidez puede activar parcialmente células T, la activación y polarización completas (p. ej., hacia células Th1 que impulsan una respuesta de Th1) requiere su interacción con DC que portan antígeno que llegan más tarde.

¿Cómo se sabe que las DC migratorias en realidad interactúan con células T específicas para antígeno, y que esta interacción es importante para la activación de células T? En otros estudios, primero se transfirieron a ratones números pequeños de células T CD4 transgénicas para TCR, que se habían marcado con una sonda fluorescente. Esto se debe a que la frecuencia de células T específicas para antígeno es muy baja, pero es posible aumentar artificialmente su número al transferir células T transgénicas de especificidad de antígeno única que permite visualizarlas más fácilmente; este método se denomina de manera informal “formación de puntas” (spiking). En estos ratones también se inyectaron por vía subcutánea DC que se marcaron con una sonda diferente y que se habían tratado (pulsado) con el antígeno para la cual las células T fueron específicas. A intervalos después de inyectar las DC, el ganglio linfático de drenaje se extirpó, y cortes del ganglio se examinaron mediante microscopia de fluorescencia. Estos experimentos mostraron que algunas DC que portan antígeno llegaron al ganglio, y en el transcurso de algunas horas se habían unido a células T específicas para antígeno que expresaron con rapidez marcadores de activación. Esto no sucedió si las DC no fueron pulsadas con antígeno; esta última es una fuerte evidencia del papel de las DC en la activación de células T CD4 vírgenes.

te y migran hacia el ganglio de drenaje. Además, se producirán muchas moléculas bioactivas diferentes en el tejido inflamado, y la linfa recolectará todas estas moléculas y las transportará hacia el ganglio. Estas moléculas pueden incluir citocinas, quimiocinas, mediadores lípidos y otras moléculas, como componentes del complemento activados. Se sabe que toda esta información nueva llegará al ganglio, y puede ser integrada para regular la diferenciación de células T. Lo que todavía se desconoce es la importancia relativa de estas diferentes fuentes de información, y cómo esta información en realidad es integrada para determinar la vía de diferenciación de células T CD4 (figura 3-21). P3.15. Si se inyectan por vía subcutánea quimiocinas marcadas en un ratón, en el transcurso de 30 min las quimiocinas se expresan sobre la superficie luminal de HEV. ¿Cómo podría este fenómeno ayudar a las respuestas inmunitarias?

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P3.14. Los investigadores notaron que en momentos posteriores quedaron menos DC marcadas en el ganglio si las DC portaron el antígeno que si no lo portaron. ¿Cuál podría ser la importancia de esta observación? El examen de tiempo real de estas interacciones también puede hacerse en animales vivos: en un ratón anestesiado, el ganglio linfático importante se puede exteriorizar y examinar usando un microscopio fluorescente de múltiples fotones, que permite la visualización de estructuras en planos relativamente profundos del ganglio. Así, la interacción de linfocitos y DC u otras células puede estudiarse durante un periodo, y observar la complejidad de estas interacciones.

P3.16. ¿Cómo se podría empezar a clasificar la importancia relativa de diferentes influencias periféricas sobre la diferenciación de células T? 3.4.2.4 Destinos de células T activadas

Una vez activadas en el área de células T, las células T CD4 tienen varios destinos potenciales: i) Pueden permanecer en el área de células T, e interactuar con células T CD8 para ayudar a su activación (p. ej., para hacerse linfocitos T citotóxicos [CTL]). ii) Pueden interactuar con células B en los márgenes del área de células T, y después migrar hacia el folículo de células B para proporcionar ayuda en la activación de células B (véase más adelante).

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Figura 3-20 Reclutamiento de linfocitos. Las células B y T vírgenes continuamente están entrando a ganglios linfáticos desde la sangre. Si una célula B o T no reconoce antígeno en el ganglio, lo abandona de nuevo después de algunas horas. Mas si se reconoce antígeno, el linfocito es retenido en el ganglio y puede quedar activado. Este reclutamiento de linfocitos desde el fondo común recirculante representa un método para aumentar con rapidez los números de linfocitos específicos para antígeno en el tejido linfoide secundario, donde se necesitan para montar una respuesta. Después de la activación, las clonas de linfocitos específicos para antígeno se expanden con rapidez mediante proliferación (expansión clonal).

Ganglio linfático

Entrada desde la sangre

Anti-x: retención, activación y proliferación

Anti-x

Anti-x Anti-y

Antígeno-x

Anti-z

Célula dendrítica

Linfa eferente Anti-y Anti-z Liberación hacia el fondo común recirculante

Recuadro 3-4 Reclutamiento y activación de células T específicas para antígeno En el recuadro 3-3 se introduce el método para formación de puntas (spiking) en ratones naturales, normales, con células T transgénicas marcadas con fluorescencia, para permitir que estas células se visualicen y rastreen durante respuestas inmunitarias. Usando este método, puede obtenerse más información acerca de la cinética del reclutamiento y la activación de células T, como en los ejemplos que siguen: Reclutamiento de linfocitos El antígeno para el cual las células T marcadas son específicas puede inyectarse en grupos de ratones, y el ganglio que drena el sitio de inyección puede extirparse a intervalos después de la inyección. En el transcurso de algunas horas se observa que células T marcadas empiezan a acumularse en el ganglio linfático que drena ese lecho tisular. Así, linfocitos específicos para antígeno son reclutados hacia los ganglios que han recibido el antígeno. Este reclutamiento también se observa para células B, y significa que grandes números de linfocitos específicos para antígeno pueden ser dirigidos con rapidez hacia donde se necesitan. Este aporte y retención rápidos de linfocitos específicos para antígeno en tejidos linfoides secundarios estimulados por antígenos es la función fundamental de la recirculación de linfocitos; también sucede en el bazo para linfocitos específicos para antígenos transportados por la sangre. Activación de linfocitos

sobre su superficie, y empiezan a dividirse. Dos marcadores expresados rápidamente por células T activadas son CD69 y CD25 (una cadena del receptor de IL-2 de alta afinidad). Si se administra antígeno en un sitio particular, puede determinarse el lugar donde los linfocitos muestran signos de activación por vez primera. De este modo, si el antígeno se administra por vía subcutánea, el primer sitio donde se encuentran células T que expresan CD69 y CD25 es el ganglio linfático de drenaje. En estos momentos iniciales no se encuentran células T activadas en cualquier otro ganglio linfático. Poco después de expresar estos marcadores de activación, los linfocitos empiezan a dividirse. Una manera de evaluar la división es mediante la técnica de dilución de colorante. Cada vez que un linfocito marcado con fluorescencia se divide, la cantidad de colorante fluorescente que contienen las células hijas disminuye a la mitad. Al extraer linfocitos desde órganos linfoides secundarios y medir su fluorescencia mediante citometría de flujo, la división celular se puede detectar y cuantificar. Así, si se inyecta antígeno por vía subcutánea, los linfocitos primero son activados en el ganglio linfático de drenaje, mientras que el antígeno inyectado por vía intravenosa activa linfocitos en el bazo. Estos experimentos y otros similares han proporcionado buena evidencia de que los linfocitos vírgenes son activados por vez primera en el tejido linfoide secundario que drena el sitio de depósito de antígeno, y no en otros tejidos linfoides ni dentro del tejido periférico mismo.

En momentos posteriores, si reconocen su antígeno específico, los linfocitos quedan activados, expresan moléculas nuevas

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3.4

Tejido periférico

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

Agente patógeno

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Epitelio

Macrófago residente Macrófago inflamatorio

Célula dendrítica Mastocito

Neutrófilo Mediadores

Linfa aferente

Ganglio linfático Célula dendrítica residente en ganglio linfático Neutrófilo Eosinófilo Macrófago inflamatorio Célula dendrítica migratoria

?

Basófilo Célula T CD4 virgen

Figura 3-21 Influencias sobre la diferenciación de células T CD4 vírgenes. Una célula T virgen, cuando es activada, puede adoptar una de varias vías de diferenciación, y la vía que se adopta depende de señales externas recibidas por la célula T en el ganglio. Las señales, que podrían estar unidas a célula o ser solubles, pueden derivarse de diversas fuentes. Las DC migratorias son una importante fuente de esas señales, pero no se entienden bien las funciones de otras fuentes potenciales; se ilustran algunas de estas fuentes potenciales.

iii) Pueden abandonar el ganglio en la linfa eferente, entrar a la sangre y migrar hacia tejidos inflamados. Aquí, dependiendo de cómo han quedado polarizadas, pueden, por ejemplo, ayudar a regular la función de macrófago o a reclutar diferentes tipos de granulocitos hacia estos sitios. A diferencia de las células T vírgenes, las células T activadas, al menos hasta cierto grado, pueden migrar de preferencia hacia tejidos periféricos diferentes. Casi todas las células T activadas expresan moléculas de adhesión para tejidos inflamados, lo que les permite migrar hacia sitios de infección. Las células T también pueden ser programadas durante su activación para migrar hacia tipos particulares de tejidos. Por ejemplo, las células T activadas en ganglios linfáticos que drenan tejidos de mucosa pueden dirigirse de preferencia hacia dichos tejidos, mientras que las células T activadas por antígenos en la piel pueden dirigirse hacia esta última. Esta especialización quizá dependa en parte del origen de las DC que las activaron, las DC mismas han sido programadas por señales específicas para tejido (figura 3-22).

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3.4.2.5

Respuestas de células B en ganglios linfáticos

Los linfocitos B son los precursores de las células plasmáticas formadoras de anticuerpos y las células B de memoria. Al igual que para las células T, las células B vírgenes necesitan ser activadas antes de que puedan desarrollarse más. En muchos casos, como en respuestas de anticuerpo contra antígenos proteínicos, estas células B necesitan recibir ayuda de las células T mismas, en particular de células T CD4 activadas. En esas respuestas dependientes de T (TD) las células T CD4 controlan el tipo de anticuerpos que las células B sintetizarán cuando se desarrollan después hacia células plasmáticas (sección 1.4.5.1). La presente exposición se enfocará en las respuestas TD; en el capítulo 6 se presentan más detalles de éstas, y de respuestas de células B independientes de T (TI). La activación de células B, al igual que la de células T, ocurre dentro de tejidos linfoides secundarios. No obstante, a diferencia de las células T, las células B tienen la opción de cambiar sus receptores de célula B en el transcurso de una respuesta inmunitaria, de modo que pueden producir, por ejemplo, anticuerpos

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Ganglio linfático

Célula T CD4 Célula B

Célula dendrítica Ayuda Célula T CD4 activada

Célula T CD8 Ayuda

Linfa eferente

Sangre

Tejido periférico inflamado Vénula inflamada

Célula T CD4 activada

Macrófago activado Ayuda

Otras funciones efectoras

Figura 3-22 Migración de células T CD4 activadas. Algunas células T CD4 activadas migran hacia folículos de células B, y ayudan a las células B a generar respuestas de anticuerpos. Otras permanecen en el área de células T, y prestan ayuda a células T CD8. Algunas células T CD4 efectoras abandonan el ganglio en la linfa eferente y entran a la sangre, desde donde migran hacia sitios de inflamación periféricos. Aquí, dependiendo de cómo se han diferenciado, pueden activar células como macrófagos o ayudar a reclutar los diferentes tipos de granulocitos necesarios para afrontar diferentes tipos de infección.

Recuadro 3-5 Localización de células T de memoria Para examinar las características de las células T de memoria se usaron experimentos de transferencia adoptiva. Se aislaron células T a partir de órganos linfoides secundarios de ratones inmunizados, y se transfirieron hacia ratones normales, idénticos desde el punto de vista genético. La exposición de los ratones transferidos al antígeno específico desencadenó una respuesta de memoria. Entonces fue posible examinar las células T del ratón original mediante cistometría de flujo a fin de identificar subgrupos que expresaban diferentes patrones de expresión de moléculas de superficie. Estos subgrupos a continuación pudieron separarse mediante clasificación de células, y las células clasificadas se transfirieron hacia ratones normales. Al exponer al antígeno a los ratones que fueron objeto de transfección, fue

de afinidad más alta de una clase diferente (sección 1.5.3.2). El inicio de una respuesta de células B, y estos eventos más tardíos durante la evolución de la misma, ocurren en diferentes comparti-

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posible determinar el fenotipo de superficie de las células de memoria. Así se mostró que a intervalos cortos después de la inmunización, las células de memoria mostraron características de activación —fueron células grandes, expresaron marcadores de activación y no expresaron receptores de direccionamiento hacia ganglio—. Tendieron a migrar hacia endotelio inflamado. Estas células se llamaron células de memoria efectoras. De cualquier modo, a intervalos más prolongados después de la inmunización, las células de memoria fueron mucho más como células T vírgenes: fueron pequeñas, no expresaron marcadores de activación, expresaron receptores de direccionamiento hacia ganglio linfático, y migraron hacia ganglios linfáticos. Éstas se llamaron células de memoria centrales.

mentos anatómicos de ganglios linfáticos y otros tejidos linfoides secundarios. Más aún, si las células B se desarrollan hacia células plasmáticas, éstas pueden permanecer en el ganglio o viajar

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3.4

de regreso a la médula ósea (donde las células B se produjeron originalmente) y sobrevivir durante periodos prolongados como células secretoras de anticuerpos. Ahora se analizarán algunos de estos procesos con más detalle en relación con cómo y dónde ocurren (figura 3-23). Reconocimiento de antígeno por células B Las células B entran a ganglios linfáticos a través de las mismas HEV que las células T, y a continuación migran hacia los folículos de células B. ¿Cómo reconocen antígeno de modo que puedan ser activadas; de dónde viene? Los antígenos proteínicos naturales (no procesados) presentes en la periferia llegarán a los ganglios linfáticos por medio de la linfa aferente (o al bazo de manera directa desde la sangre y a las placas de Peyer desde la luz intestinal; véase más adelante). Algo de antígeno se difunde libremente; esto se muestra con claridad para la linfa. Hay evidencia de que los macrófagos en el espacio subcapsular pueden atrapar antígenos en ganglios linfáticos y de algún modo permiten su transferencia subsiguiente a células B en folículos. Además, estudios más recientes han revelado la existencia de conductos (sección 3.4.2.1) que pueden llevar an-

Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa

123

tígenos solubles pequeños directamente a los folículos. También es posible que las DC desempeñen un papel. Estas células, que se consideran principalmente activadoras de células T, de hecho pueden retener antígenos proteínicos intracelulares en forma natural durante periodos relativamente prolongados (a diferencia de los macrófagos, que degradan las proteínas con mucha rapidez). Las DC migran hacia las áreas de células T y pueden ser capaces de liberar antígeno para reconocimiento por células B que están migrando a través del área de células T desde HEV. Esto podría servir como una manera eficiente de llevar antígeno a células B. Los folículos de células B en un ganglio no inmunizado contienen dos tipos de células principales: células B vírgenes, recirculantes (véase antes) y una célula no linfocítica muy distintiva, la DC folicular (FDC). Las FDC son un tipo de célula que difiere bastante de las DC que expresan antígeno (procesado) como complejos de péptido-MHC, y que desencadenan la activación de células T, y pueden ser también bastante distintas de las pDC (véase antes). Las FDC no se derivan de la médula ósea, son de vida muy prolongada, y su función primaria parece ser la de retener antígeno no procesado (natural) sobre su superficie en comple-

Ganglio linfático

Linfa aferente Antígeno libre

Seno subcapsular Conducto

1

Folículo de célula B

Célula dendrítica

Célula dendrítica folicular

Área de células T

4 2

DC

Célula T CD4 virgen

Médula ósea Célula B activada

Célula B virgen

3

Célula T CD4 activada

5 Célula plasmática de vida prolongada 6b

Seno medular 6a

Célula plasmática de vida breve Linfa eferente

Célula B de memoria

Célula B activada

Sangre

7

Figura 3-23 Activación de célula B dependiente de célula T. 1) Después de presentación de antígeno por DC en el área de células T, 2) células T CD4 activadas migran al borde de folículos de células B y 3) interactúan con células B específicas para antígeno. 4) Las células B y T migran hacia los folículos, y la célula B empieza a dividirse, y forma un centro germinal. 5) Los linfoblastos B activados abandonan el centro germinal; algunos se convierten en células plasmáticas, y secretan anticuerpos sea en la médula o en el ganglio mismo (éstas tienden a ser células de vida breve) 6a) o después de migración hacia otros sitios, como el bazo y la médula ósea (las células plasmáticas de la médula ósea pueden ser de vida muy prolongada) 6b). Otras células B activadas no se convierten en células plasmáticas, sino que se diferencian hacia células de memoria.

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124

Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

jos con anticuerpos y complemento. ¿Cuál es el propósito de esta fuente particular de antígeno (en contraste con el antígeno que se mencionó antes, que se necesita para la activación de células B)? Hay dos propósitos principales: i) está involucrada en seleccionar células B con receptores de afinidad más alta que se han generado durante la reacción de centro germinal que se describe más adelante y ii) sirve como un reservorio y parece ser capaz de estimular células B de memoria de manera continua, lo cual hace una contribución crucial a la memoria de células B a largo plazo (véase más adelante). En respuestas de células B a antígenos proteínicos, casi siempre se requiere ayuda de células T CD4. Las células T son activadas por DC en el área de células T (véase antes). Las células T activadas a continuación se mueven hacia el borde del folículo, donde interactúan con células B. Las células B, probablemente acompañadas por las células T, a continuación se mueven hacia el folículo. Algunas de las células B activadas abandonan con rapidez el folículo y se convierten en células plasmáticas, a menudo en la médula del ganglio. Otras células B en el folículo empiezan a dividirse con mucha rapidez. Los folículos de células B se agrandan y desarrollan una región nueva que contiene muchas células B en división. El folículo ahora se llama un folículo secundario, y el área de proliferación de células B se llama el centro germinal (algunas células B se están dividiendo cada 6 h, lo cual es notoriamente rápido para una célula de mamífero) (figura 3-24).

Reacción de centro germinal

El centro germinal tiene dos áreas: las zonas oscura y la clara. Estos cambios reflejan eventos muy importantes en la diferenciación de células B y en la síntesis de anticuerpos. Es en la zona oscura donde las células B están proliferando; las que están en la zona clara no están proliferando (o lo están haciendo en un grado mucho menor). En la zona clara la región constante de la cadena pesada de la molécula de inmunoglobulina puede ser cambiada. De este modo, una célula B puede cambiar desde expresar IgM hacia expresar IgG u otros isotipos. Además, los genes que codifican para región variable de células B pasan por mutación muy rápida. En este último caso, el antígeno unido a la superficie de la FDC (véase antes), selecciona las células B con receptores de afinidad más alta. Como consecuencia, tanto la calidad como la cantidad de respuestas inmunitarias subsiguientes al mismo antígeno muestran cambio considerable. Estos eventos se comentan con mayor detalle en el capítulo 6. El resultado final de la activación de células B es la generación de células plasmáticas formadoras de anticuerpos, y células B de memoria. En el ganglio linfático, las células plasmáticas se encuentran en la médula, no en los folículos ni en centros germinales. Sin embargo, éstos no son los únicos sitios donde se sintetizan anticuerpos. Células plasmáticas derivadas de ganglios linfáticos también migran hacia la médula ósea, donde pueden vivir, secretando anticuerpos, durante periodos prolongados (muchos años en algunos ejemplos). Es una fuente de lo más importante de anticuerpos en la protección a largo plazo contra infección.

Folículo secundario

Linfoblasto B Célula dendrítica folicular

Centro germinal

Célula plasmática Zona clara Célula B

Cambio de isotipo y selección de célula B

Célula B de memoria

Zona oscura Proliferación de células B e hipermutación somática

Figura 3-24 Centros germinales. Los centros germinales se forman en los folículos de células B durante respuestas de anticuerpos TD. Constan de áreas oscuras donde las células B se están dividiendo con mucha rapidez y pasando por hipermutación somática, y áreas claras donde las células B pasan por cambio de isotipo. Las células B migran entre las dos áreas. Las FDC sirven como depósitos de antígeno para las células B en diferenciación, a fin de ayudar a seleccionar las de afinidad más alta por el antígeno.

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3.5

3.4.2.6 Desarrollo de respuestas de memoria

Una de las características más importantes de una respuesta inmunitaria adaptativa es que la administración del antígeno inmunizante en ocasiones subsiguientes induce una respuesta más rápida, más grande y a menudo distinta desde el punto de vista cualitativo. Ésta es la memoria inmunitaria. ¿Cómo se desencadena esto? La respuesta es que no todos los linfocitos activados en una respuesta primaria se convierten en células efectoras terminales. En el caso de las células T hay una expansión rápida de células específicas para antígeno en la respuesta primaria. Para células T CD8 en una respuesta a un virus, las células específicas para antígeno pueden representar 50% o más del fondo común total de células T CD8 en lo más intenso de la respuesta en algunos casos. Estos números muy grandes de células T específicas para antígeno disminuyen con rapidez una vez que se ha eliminado el virus, pero incluso cuando la respuesta ha desaparecido por completo aún hay números aumentados de clonas de células T específicas para antígeno presentes; son las células T de memoria. Las células B de memoria también aparecen después de una inmunización primaria. Cuando las células B son activadas, una proporción de linfoblastos B se desarrolla hacia células plasmáticas, que secretan grandes cantidades de anticuerpos; son células con diferenciación terminal, y permanecen como células secretoras de anticuerpos durante el resto de su vida. Empero, algunos blastos B pierden marcadores de activación y llegan a semejar células B vírgenes. Con todo, éstas pueden haber cambiado el isotipo de anticuerpos que expresan. Así, se mostró que las células B de memoria a largo plazo para respuestas de IgG son células pequeñas, recirculantes, que expresan IgG de superficie. Aun así, algunas células B de memoria no parecen recircular. Por ejemplo, en individuos vacunados contra la viruela, el bazo (véase más adelante) contiene células B de memoria durante muchos años, pero éstas no se encuentran en números importantes en la sangre. 3.4.2.7

Desarrollo de células sanguíneas y órganos de la inmunidad

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entran a la sangre y migran de manera selectiva hacia otros tejidos mucosos. Aquí a continuación se desarrollan hacia células plasmáticas que secretan IgA, que es transportada a través del epitelio y media protección contra infecciones de la mucosa. Esto ha dado lugar al concepto del sistema inmunitario de mucosas común, tan importante en la leche materna que confiere protección contra infecciones intestinales a recién nacidos. 3.4.2.8

Estructura y función del bazo

El bazo tiene muchas funciones. Actúa como un filtro para partículas transportadas por la sangre, y es el sitio de destrucción de eritrocitos desgastados. De cualquier modo, en la inmunidad, su función primaria es la generación de respuestas inmunitarias contra antígenos transportados por la sangre. En contraste con los ganglios linfáticos, el bazo carece de aferencia linfática. No obstante, tiene algunas similitudes con los ganglios linfáticos en su organización funcional: tiene áreas de células T y B, y la pulpa roja (el sitio de destrucción de eritrocitos) contiene muchos macrófagos y células plasmáticas. Los antígenos transportados por la sangre dan lugar a los mismos tipos de respuestas inmunitarias que las que se observan con ganglios linfáticos en términos de polarización de células T y síntesis de isotipo de Ig. Sin embargo, el bazo tiene una región especializada adicional: la zona marginal. Esta área contiene dos tipos de macrófagos especializados, cuyas funciones aún se entienden poco, y un tipo separado de linfocito B no recirculante especializado: la célula B de la zona marginal. Este tipo de célula B está especializada para mostrar respuesta de una manera independiente de célula T a antígenos de carbohidrato poliméricos, como los que están presentes en algunas cápsulas bacterianas (p. ej., Streptococcus pneumoniae). Los niños que carecen de bazo son mucho más susceptibles a infección por estas bacterias que sus homólogos normales (figura 3-26). P3.17. A medida que un niño esplenectomizado crece, parece ser que su susceptibilidad a la infección por bacterias encapsuladas disminuye. ¿Por qué podría suceder esto?

Placas de Peyer

El intestino, los pulmones y otros tejidos mucosos tienen linfáticos que van hacia ganglios linfáticos de drenaje, que en general funcionan de manera similar a los ganglios somáticos (los que drenan tejidos no mucosos). Además, el tracto intestinal y las vías respiratorias, por ejemplo, tienen órganos linfoides secundarios locales en realidad embebidos en sus paredes, conocidos en conjunto como MALT. En el intestino delgado éstos se conocen como placas de Peyer. Estos últimos órganos funcionan para vigilar la luz intestinal respecto a antígenos (figura 3-25). Las placas de Peyer y sus equivalentes en otros tejidos de mucosa, a diferencia de cualquier otro tejido linfoide secundario, poseen un tipo especializado de célula epitelial, la célula M. En lugar de ser células de absorción o secretoras, como sucede para otras células epiteliales intestinales, las células M tienen pocas microvellosidades y están especializadas para transportar molécu las y partículas desde la luz del intestino, y para liberarlas hacia una bolsa bajo la célula M, donde pueden ser adquiridas por DC. En algunos casos (p. ej., reovirus y Salmonella), los agentes patógenos también pueden usar células M como un portal para evitar el paso por la capa de células epiteliales. Las células T de la placa de Peyer son capaces de cambiar células B para que expresen la cadena pesada de IgA. Después de activación estos linfoblastos B

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3.5 Desarrollo de células sanguíneas y órganos de la inmunidad En esta sección se esbozan brevemente los orígenes de los diferentes órganos y tejidos, y los leucocitos, que contribuyen a la defensa del huésped. El desarrollo de todas las células de la sangre, incluso linfocitos, ocurre por medio de un proceso llamado hematopoyesis. Si el desarrollo de linfocitos se considera por sí mismo, esto se llama linfopoyesis. En contraste, el desarrollo de otras células, como monocitos y macrófagos, granulocitos, se llama mielopoyesis. A continuación la exposición se enfocará en las células madre que pueden generar todas las líneas de leucocitos. En capítulos posteriores se comenta con mayor detalle el desarrollo de las células de las inmunidades innata y adaptativa (capítulos 4, 5 y 6, respectivamente). Aquí también se verá que es posible distinguir entre tejidos linfoides primarios, secundarios y, de hecho, terciarios, y se considerará con más detalle cómo están formados los tejidos linfoides secundarios.

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Agente patógeno Célula M IgA Célula dendrítica

Vellosidad Célula plasmática

Folículo de células B

Antígeno

Vellosidad Lámina propia

Activación de célula B Cambio a IgA Folículo de células B Folículo secundario Centro germinal

Célula dendrítica Área de células T Linfoblasto B IgA-positivo

Linfoblasto B

Linfa

Sangre

Figura 3-25 Placas de Peyer. Las placas de Peyer son órganos linfoides secundarios presentes en la pared del intestino delgado; hay estructuras relacionadas en algunos otros tejidos mucosos. Carecen de linfáticos aferentes. En lugar de eso, el antígeno es transportado desde la luz intestinal por células epiteliales especializadas llamadas células M. Las DC y otras células yacen bajo las células M, y adquieren antígenos a partir de ellas. Las placas de Peyer contienen áreas de células B y T, donde estas células pueden ser activadas. Los linfocitos activados a continuación abandonan las placas por medio de linfa eferente y pasan a través de ganglios linfáticos mesentéricos antes de finalmente entrar a la sangre. Las células B activadas en placas de Peyer por lo general cambian a producir IgA, y migran hacia muchos tejidos mucosos. Las placas de Peyer están en particular involucradas en respuestas de IgA a antígenos intestinales.

3.5.1 Tejidos linfoides primarios y hematopoyesis 3.5.1.1 Órganos hematopoyéticos y órganos linfoides primarios

¿Dónde y cómo se desarrollan las células del sistema inmunitario? Esta pregunta no es sólo un ejercicio académico. Los defectos del desarrollo de células inmunitarias pueden llevar a enfermedades importantes, aunque raras; además, aclaran los mecanismos involucrados en el desarrollo. De modo similar, las enfermedades de inmunodeficiencia, aun cuando también son raras, ayudan a entender las funciones de las diferentes células y moléculas que contribuyen a la inmunidad. En el mamífero adulto casi todas las células del sistema inmunitario se forman, mediante hematopoyesis, en la médula ósea; en el feto esto tiene lugar en el bazo y el hígado, y a etapas aún más tempranas en otros sitios. En circunstancias anormales, como

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en la anemia grave o si el espacio de la médula ósea queda lleno con tejido conjuntivo (mielofibrosis), puede ocurrir hematopoyesis fuera de la médula ósea, por ejemplo, en el bazo, el hígado y los ganglios linfáticos. Respecto a la linfopoyesis, existen tejidos especializados donde se desarrollan los linfocitos. En todos los mamíferos el timo es el órgano donde las células T pasan la mayor parte de su desarrollo, y desde donde son liberadas como linfocitos maduros. En seres humanos y ratones, las células B pasan casi todo su desarrollo en la médula ósea; empero, en pollos hay un tejido especializado llamado la bolsa de Fabricio, donde las células B pasan por un proceso análogo. En las ovejas, algunas células B pasan gran parte de su desarrollo en las placas de Peyer ileales (el íleon es la parte terminal del intestino delgado), en contraste con los seres humanos y los ratones, en los cuales las placas de Peyer solamente son órganos linfoides secundarios. En conejos, gran parte del desarrollo de las células B ocurre en el apéndice.

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3.5

Desarrollo de células sanguíneas y órganos de la inmunidad

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Bazo Pulpa blanca

Pulpa roja Arteriola

Células B de la zona marginal Macrófago

Folículo de células B

Células B foliculares

Célula dendrítica folicular

Zona marginal

Macrófagos de la pulpa roja

Área de células T

Célula dendrítica

Células T

Células plasmáticas

Arteriola central

Seno marginal

Vénula

Figura 3-26 Bazo. El bazo es un órgano linfoide secundario que vigila antígenos transportados por la sangre. La pulpa blanca es el área linfoide, y contiene áreas de células T y B como en otros tejidos. También posee una zona marginal que contiene macrófagos especializados y células B residentes, no recirculantes, que muestran respuesta a antígenos TI. La pulpa roja del bazo contiene células plasmáticas, pero también macrófagos que están involucrados en funciones “de aseo de la casa” como la eliminación de eritrocitos senescentes. En algunas circunstancias el bazo puede convertirse en un órgano hematopoyético primario (sección 3.5.1).

Los órganos hematopoyéticos y linfopoyéticos no sólo están compuestos de las células hematopoyéticas mismas. Células del estroma no hematopoyéticas, como células epiteliales o fibroblastos, así como macrófagos residentes en la médula ósea, proporcionan importantes señales que están involucradas en la regulación de la hematopoyesis. 3.5.1.2 Células madre y hematopoyesis

Es obvio que la fusión de sólo dos tipos de células, un espermatozoide y un óvulo, da lugar a un huevo fecundado que puede producir todas las diferentes líneas de células en el organismo, algunas de las cuales quizá quedan por descubrir. El huevo fecundado, a una etapa temprana de desarrollo, se desarrolla hacia un blastocisto. Se descubrió que los blastocistos contienen células madre embrionarias (ES) que en potencia pueden dar lugar a cualquier tipo de célula del organismo, y que, por ende, se denominan totipotentes. A continuación se crearon técnicas que permitieron mantener por tiempo indefinido estas células ES en cultivo, donde podían manipularse. Esto colocó los cimientos para la transgénesis (figura 2-7) y el desarrollo de animales genéticamente modificados, y se muestra promisorio para la generación de tejidos especializados que podrían usarse para reemplazar tejidos y órganos defectuosos para el tratamiento de enfermedad. Las células madre son las células precursoras para otros tipos de células. Tienen la capacidad de autorrenovación; por ende,

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mantienen su población como un todo. No obstante, a diferencia de otras células, pueden dar lugar a células de otras líneas. En la médula ósea de adultos hay una célula madre hematopoyética (HSC) que puede dar origen a todas las células sanguíneas, incluso las del sistema inmunitario. Aun así, no puede generar células de otras líneas y, por ende, se denomina multipotente o pluripotente en contraposición con totipotente: da lugar a múltiples líneas de células, pero no a todas. A diferencia de las células ES, las HSC todavía no pueden mantenerse por tiempo indefinido en cultivo. Cuando una de estas células madre pluripotentes se divide, la división por lo general es asimétrica. Una célula hija permanece como una célula madre, mientras que la otra empieza a seguir una de las vías de diferenciación. En otras palabras, una de las células hijas empieza a quedar comprometida hacia una línea celular distinta. Finalmente, cuando se produce una célula que no puede desarrollarse hacia otro tipo de célula (al menos en circunstancias normales), se dice que tiene diferenciación terminal (figura 3-27 y recuadro 3-6). Es conveniente, aunque tal vez no por completo exacto, pensar en las HSC como inicialmente capaces de dar lugar a sólo dos tipos de células madre que están comprometidas en su potencial; son los progenitores mieloides comunes (CMP) y los progenitores linfoides comunes (CLP). Como su nombre lo indica, los primeros progenitores (o precursores) pueden ser considerados capaces de dar lugar a todas las células mieloides, mientras que los segundos pueden dar lugar a todas las células linfoides. Dado que

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Autorrenovación

Célula madre hematopoyética multipotente

Diferenciación Precursor mieloide común

Precursor linfoide común

Célula B Célula T

Célula dendrítica

Célula Monocito Neutrófilo Eosinófilo Basófilo Mastocito Eritrocito Megacariocito dendrítica Granulocitos

Figura 3-27 Hematopoyesis. En mamíferos adultos, la médula ósea es el principal órgano hematopoyético. Las células madre multipotentes (pluripotentes) se dividen para dar otra célula madre y una célula precursora en diferenciación que queda comprometida a una de varias líneas. Los precursores linfoides comunes (CLP) dan lugar a células B y T, así como a células NK y algunas DC. El precursor mieloide común (CMP) da lugar a todos los otros leucocitos, incluso monocitos y macrófagos, diferentes tipos de granulocitos, otras DC, pero no a megacariocitos (la fuente de plaquetas) ni eritrocitos. En aras de la sencillez, los mastocitos se muestran como células mieloides, aunque pueden desarrollarse a partir de un progenitor distinto.

Recuadro 3-6 Identificación de células madre hematopoyéticas multipotentes ¿Cómo se sabe que hay una célula madre multipotente? Como se mencionó en el texto, la radiación ionizante mata con rapidez células en división, incluso células de la médula ósea. Si un ratón es radiado para destruir sus propias células madre de la médula ósea, todos sus leucocitos pueden reabastecerse al administrarle médula ósea que proviene de un donante normal. Para rastrear los destinos de las células transferidas, y para asegurarse de que los leucocitos surgieron a partir del donante, el receptor y el donante deben diferir en alguna forma de marcador genético. En los primeros experimentos se usaron marcadores cariotípicos, como T6; éstas son alteraciones que ocurren de manera natural en la estructura del cromosoma, que están presentes en todas las células del cuerpo. También pueden usarse variantes alélicas de proteínas de superficie celular: por ejemplo, CD45 es una molécula de uso común expresada por todos los leucocitos que tienen dos variantes alélicas. Estos estudios demuestran con claridad que la médula ósea contiene células que pueden dar lugar a todas las líneas de células hematopoyéticas, por-

estas células están más comprometidas que las HSC (dan lugar a células de una línea, pero no de la otra), pueden denominarse células madre multipotentes para distinguirlas de las HSC pluripotentes. Una razón por la cual este modelo simple puede no ser por completo exacto es que algunas líneas (quizá los mastocitos en particular) pueden originarse a partir no del CMP ni del CLP,

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que todas las células que se produjeron portaron el marcador donante. ¿Esto significa que hay una célula madre multipotente? No. En la población trasplantada de médula ósea podría haber diferentes células madre para todas las distintas líneas. Es necesario mostrar que una célula única tiene el potencial para dar lugar a todos los tipos de células. Lo anterior significa que es necesario generar marcadores genéticos que están inducidos en sólo una célula, pero que pueden identificarse en toda la progenie de esa célula. La radiación leve de células causa daño de sus cromosomas, pero no mata las células ni evita que se dividan. El patrón de daño cromosómico es al azar y, así, cada célula individual tiene un patrón de daño único. Cuando ratones que recibieron radiación letal fueron reconstituidos usando células de la médula ósea levemente radiadas, en algunos casos se observó el mismo patrón de daño cromosómico en algunas células de todas las diferentes líneas examinadas. Esto sólo puede significar que una célula única fue capaz de dar lugar a todas estas líneas (es decir, es multipotente).

mientras que otras (p. ej., DC) pueden desarrollarse a partir de ambas, pero tienen un precursor separado, el precursor común de células dendríticas. Después del CMP y CLP hay células precursoras que aún están más comprometidas, y que pueden dar lugar a un número más pequeño de tipos de células, pero éstas, por supuesto, aún

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3.5

son multipotentes. Las células madre multipotentes se identificaron por vez primera al inyectar células de la médula ósea en la circulación de ratones radiados. (Las poblaciones que se dividen con rapidez, como las de la médula ósea, son en particular sensibles a la radiación; ésta es la razón por la cual, por ejemplo, se necesitan trasplantes de médula ósea para tratar pacientes con cáncer que pueden haber sido tratados con dosis altas de radiación, cuyo propósito principal en realidad fue matar el tumor.) Cuando más tarde se examinó el bazo de estos ratones reconstituidos, se encontró que tenía protuberancias en su superficie. Éstas resultaron contener células sanguíneas que sorprendentemente fueron de distintos tipos, por ejemplo, granulocitos, macrófagos, megacariocitos (que dan lugar a plaquetas) y eritrocitos. El número de protuberancias fue directamente proporcional al número de células de la médula ósea inyectadas, lo que indica que cada una surgió a partir de una célula única (esto es, fue clonal). Las células que dieron lugar a estas protuberancias se denominaron unidades formadoras de colonias del bazo (CFU-S). Evidencia adicional para células madre multipotentes provino de estudios in vitro en los cuales se cultivaron células de la médula ósea con diferentes factores de crecimiento o citocinas como ahora también se conocen. Al utilizar células muy dispersas en medios de cultivo semisólidos, como agar, fue posible restringir el movimiento de células individuales, y ver cuál de ellas proliferó para formar una colonia. Se encontró que, dependiendo de los factores de crecimiento particulares y las concentraciones que se usaron de éstos, podían producir colonias de tipos de células mixtos o únicos. Por ejemplo, en circunstancias diferentes, algunas contuvieron tanto granulocitos como macrófagos, mientras que otras contuvieron unos u otros. Esto llevó al concepto de una unidad formadora de colonias (CFU) que reflejó si una célula estuvo, por ejemplo, comprometida para producir uno o más de un tipo de célula. Por ejemplo, las que generaron cultivos mixtos de granulocitos y macrófagos se llamaron CFU-GM. A medida que se caracterizó cada factor de crecimiento individual se llamó un factor estimulante de colonias (CSF); por supuesto, éstas son citocinas, pero en muchos casos esta terminología ha arraigado. Por ejemplo, la citocina que promueve la diferenciación tanto de granulocitos como de macrófagos se denomina, por ende, GM-CSF. Esto se comenta más en el capítulo 4, donde también se señala que la producción de células mieloides, y de otros leucocitos, se encuentra bajo control por retroacción estrecho de manera que aún no se entienden por completo. P3.18. ¿De qué modo podría probarse experimentalmente la hipótesis de que la producción de monocitos está bajo control por retroacción durante condiciones de estado estable normales? 3.5.1.3

Timo

Los precursores más tempranos de células T se forman durante la hematopoyesis en la médula ósea. Estos progenitores de célula T tempranos a continuación entran al timo, donde finalmente se desarrollan hacia células T maduras que son liberadas hacia la periferia, y que recirculan entre tejidos linfoides secundarios o, para algunas poblaciones especializadas, pueblan tejidos específicos. Los progenitores de célula T tempranos no están por completo comprometidos a la línea de células T y, en esta etapa, estas cé-

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Desarrollo de células sanguíneas y órganos de la inmunidad

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lulas pueden ser impulsadas hacia el desarrollo de otras líneas en condiciones experimentales. De cualquier modo, el timo puede considerarse el órgano fundamental donde estas células, en parte bajo instrucción por células del estroma especializadas y citocinas que son producidas por ellas, quedan progresivamente comprometidas y pasan por el resto de su desarrollo hacia linfocitos maduros. P3.19. ¿Por qué podría ser que todos los animales que han adquirido por evolución linfocitos T también han adquirido por evolución un timo en el cual se desarrollan estas células? ¿Cómo se sabe que el timo es el sitio del desarrollo de las células T? La evidencia proviene de estudios tanto clínicos como experimentales. Un pediatra observó que algunos niños eran extraordinariamente susceptibles a diversas infecciones virales, bacterianas y micóticas. Éstas son infecciones que requieren inmunidad mediada por células para la recuperación, y esos niños tuvieron muy pocas células T periféricas, si es que tuvieron alguna. Se encontró que esos niños tenían falta congénita del timo. Así, el timo pareció crucial para el desarrollo de células T. Esta enfermedad se conoce como síndrome de DiGeorge. No obstante, hay muchas otras anormalidades en los tejidos y órganos de estos niños, de modo que ésta no es una evidencia definitiva. Investigadores a continuación extirparon quirúrgicamente el timo de ratones recién nacidos (timectomía neonatal). Cuando estos ratones llegaron a la adultez tuvieron defectos en la capacidad para montar respuestas inmunitarias mediadas por células como DTH, y para sintetizar anticuerpos contra antígenos proteínicos. Más tarde se encontró que estos ratones no poseían números importantes de células T periféricas (que ahora se sabe que son esenciales para muchas respuestas de células B), pero que su número de células B estuvo cerca de lo normal. Así, se concluyó que el timo era esencial para el desarrollo de células T (figura 3-28). P3.20. Un investigador en Australia extirpó timos de fetos de ovejas mientras aún estuvieron en el útero. Cuando estas ovejas nacieron mostraron inmunidad mediada por células normal. El investigador concluyó que el timo no era importante en el desarrollo de linfocitos involucrados en la inmunidad mediada por células. ¿Por qué estuvo equivocado al emitir esta conclusión?

3.5.2 Desarrollo de órganos linfoides secundarios Los seres humanos poseen 400 a 600 ganglios linfáticos, alrededor de 60 placas de Peyer, y un bazo. Al igual que para cualquier órgano, es interesante entender cómo está controlado el desarrollo de tejidos linfoides primarios y secundarios. Fue una completa sorpresa cuando se encontró que algunos miembros de la familia de receptor TNF-TNF desempeñan un papel crucial en el desarrollo de estos tejidos. Los genes involucrados comprenden los que codifican para TNF y linfotoxina (que es de tipos diferentes), y sus receptores que pueden unirse a miembros de cada tipo de citocina; estos ratones pueden carecer de ganglios linfáticos periféricos o mesentéricos. También pueden carecer de placas de Peyer o tienen números reducidos de las mismas, y típicamente la organización del bazo está alterada. Es característico que también tengan carencia de FDC en cualquier tejido linfoide que pueda

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

Corteza

Célula epitelial: selección positiva Precursor de célula T Médula ósea Médula

Célula epitelial, célula dendrítica: selección negativa

Células T ␣␤

Células T ␥␦

Células T NK

CD4

CD8

Periferia

Figura 3-28 Timo. El timo es el órgano en el cual se diferencian las células T. Los precursores de célula T tempranos entran desde la médula ósea y se dividen para poblar la corteza del timo con timocitos. Si un timocito reconoce moléculas del MHC sobre células epiteliales corticales, sobrevive (selección positiva); de otro modo sufre apoptosis. Los timocitos que sobreviven entran a la médula, y los que reconocen péptidos propios sobre células epiteliales medulares (MEC) o DC sufren apoptosis (selección negativa). Los timocitos sobrevivientes salen del timo y se convierten en células T periféricas. Las selecciones positiva y negativa, respectivamente, aseguran que los TCR reconozcan antígenos de manera apropiada (péptidos unidos a moléculas del MHC, más que uno u otro solo), y que en general sean incapaces de reconocer células normales (esto es, que no sean autorreactivos).

estar presente. Uno de los principales usos de estos ratones es que pueden permitir el análisis de las funciones de diferentes grupos de órganos linfoides secundarios. Así, es posible, por ejemplo, preguntar si las placas de Peyer y los ganglios linfáticos mesentéricos tienen papeles diferentes en respuestas a antígenos intestinales. Las teorías actuales sugieren que el desarrollo de ganglios linfáticos depende de la interacción de células organizadoras de tejido linfoide del estroma y células inductoras hematopoyéticas, lo que involucra miembros de la familia de moléculas receptoras de TNF-TNF. A últimas fechas también se ha identificado una población de células en los ganglios linfáticos de fetos de ratón que, si se inyectan en la piel o el mesenterio de otro ratón, induce la formación de ganglios linfáticos de novo. El análisis adicional de estas células proporcionará información acerca del desarrollo de ganglios linfáticos. Este dato también puede relacionarse con el desarrollo bien reconocido de estructuras linfoides terciarias en sitios de inflamación crónica (véase más adelante) (recuadro 3-7).

ciones se asocian con enfermedades autoinmunitarias, como artritis reumatoide o tiroiditis de Hashimoto (capítulo 7). Dado que estas estructuras semejan tejidos linfoides secundarios, pero aparecen en sitios periféricos, se denominan órganos linfoides terciarios. Así, pueden encontrarse áreas de células T que contienen DC y HEV, así como folículos que contienen células B y FDC. Se desconoce si tienen alguna función de defensa, es bastante posible que representen una actividad aberrante de células organizadoras/ inductoras. Por ejemplo, se sabe que un tipo de linfotoxina se necesita para la expresión de moléculas de adhesión sobre HEV de ganglios linfáticos, de modo que tal vez la secreción aberrante de esta molécula está involucrada en el desarrollo de tejidos linfoides terciarios.

3.5.3 Órganos linfoides terciarios

3.6

En algunas enfermedades inflamatorias crónicas, las células reclutadas hacia tejidos u órganos pueden formar estructuras muy similares a tejidos linfoides secundarios. Típicamente estas afec-

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P3.21. ¿Cuál podría ser la importancia funcional de tener tejidos que semejen tejidos linfoides secundarios presentes en un órgano inflamado?

Terapia con células madre y terapia génica El concepto que fundamenta la terapia con células madre es que, si una o varias líneas particulares de células son defectuosas, cé-

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3.6

Terapia con células madre y terapia génica

131

Recuadro 3-7 Tejidos linfoides en otras especies La evolución de la inmunidad adaptativa se acompaña del desarrollo de órganos linfoides secundarios especializados en los cuales se inician respuestas inmunitarias. Los peces evolucionaron por vez primera durante la explosión cámbrica, inicialmente como peces sin mandíbula. Después aparecieron los peces con mandíbula y, con ellos, algunas de las características típicas de la inmunidad adaptativa que ahora se hallan presentes en los mamíferos, los cuales evolucionaron hacia las especies cartilaginosas, y después hacia las especies óseas de peces. En los peces sin mandíbula hay acumulaciones de células mieloides en los tejidos conjuntivos intestinales. Éstos quizá sean los sitios donde células que semejan linfocitos son activadas, pero esto está lejos de ser claro. Además de poseer un bazo y timo, como los vertebrados superiores, los peces cartilaginosos poseen además otros tres órganos que contienen linfocitos y células plasmáticas: los órganos epigonales, un órgano de Leydig y una válvula espiral intestinal. En peces óseos, el riñón anterior también es un órgano inmunitario importante. En un

experimento informativo, células provenientes de timos, bazos y riñones anteriores de trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss) se incubaron con concanavalina A (Con A) o lipopolisacárido (LPS), mitógenos típicos para células T y células B, respectivamente. Las células del timo sólo mostraron respuesta a Con A, las células del bazo mostraron respuesta a ambos, mientras que las células del riñón anterior sólo mostraron respuesta al LPS. Esto sugiere que, al igual que en mamíferos, el timo es donde se desarrollan las células T (el timo contiene algunas células T maduras), y el bazo es un sitio donde hay células tanto T como B. Quizá análogo a la bolsa de Fabricio en aves, el riñón anterior tal vez sea el sitio donde se desarrollan las células B. En aves, la disposición de órganos linfoides secundarios es más semejante a la de mamíferos. Además de un bazo que es funcionalmente similar al de mamíferos, las aves poseen algunos ganglios linfáticos encapsulados. No obstante, las aves poseen además una glándula harderiana que está asociada con los ojos y se encarga de algo de síntesis de IgA.

Resultados del aprendizaje Al terminar de estudiar este capítulo, el lector debe ser capaz de entender, explicar y comentar los temas que siguen; se indican las secciones pertinentes del capítulo. El lector debe entender parte de la evidencia proveniente de estudios en seres humanos y en animales que apoya lo que se sabe acerca de estos temas. Debe tener cierta idea de las áreas donde el entendimiento es incompleto. El lector quizá sea capaz de sugerir maneras en las cuales podría aumentarse la comprensión. • Barreras naturales (sección 3.2) ~ ¿Cuáles son las barreras preformadas importantes contra infección? ~ ¿De qué modo estas barreras pueden ser superadas por agentes patógenos, y qué sucede después? • Anatomía funcional de la inmunidad innata (sección 3.3) ~ ¿Cuáles son los datos locales y sistémicos característicos de las inflamaciones aguda y crónica? ~ ¿Cómo se desencadenan las respuestas inflamatorias? Dé algunos ejemplos de células y moléculas solubles involucradas en el inicio de la inflamación. ~ ¿Por qué la inflamación es importante en la defensa contra infección? ~ ¿Cómo los leucocitos y las moléculas efectoras solubles llegan a sitios de inflamación? ~ ¿Cuáles son algunos mecanismos que causan daño de tejido en la inflamación? ~ Cómo puede repararse daño de tejido ~ ¿Cuáles son los efectos de las respuestas inflamatorias sobre órganos distantes? ¿Por qué éstos tienen importancia?

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• Anatomía funcional de la inmunidad adaptativa (sección 3.4) ~ ¿Por qué se necesitan tejidos linfoides secundarios? ~ ¿Cuáles son las similitudes y diferencias en estructura y función entre los ganglios linfáticos, el bazo y las placas de Peyer? ~ ¿Cuáles son los principales componentes de los órganos linfoides secundarios, cuáles son sus funciones y por qué están compartimentados? ~ ¿Qué cambios ocurren en la estructura y las características fisiológicas de órganos linfoides secundarios durante inflamación e infección periféricas? • Desarrollo de células y órganos del sistema inmunitario (sección 3.5) ~ ¿Qué es una célula madre? ~ ¿Qué es la hematopoyesis, y dónde ocurre? ~ ¿Qué es la linfopoyesis, y dónde ocurre? ~ ¿Cómo se desarrollan los tejidos linfoides secundarios? ~ ¿Qué es un tejido linfoide terciario? Dé algunos ejemplos. • Terapia con células madre y terapia génica (sección 3.6) ~ ¿De qué modo el conocimiento de células madre puede explotarse para terapia? (sección 3.6.1.4) • GENERAL: ¿de qué modo los defectos naturales y experimentales han aclarado las estructuras y funciones de diferentes tejidos y órganos en la inmunidad? • INTEGRATIVA: ¿de qué modo las diferencias de la estructura y función de diferentes tipos de tejido se relacionan con sus papeles en la inmunidad innata en contraposición con adaptativa?

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Capítulo 3

Anatomía funcional del sistema inmunitario

lulas madre que son suministradas al compartimento anatómico apropiado pueden ser inducidas para que se diferencien hacia células terminales competentes. Como se sugirió (sección 3.5.1.2), hay mucho interés por el uso de células ES para terapia porque pueden ser inducidas para que se diferencien hacia una gran variedad de células terminales distintas, en teoría de cualquier línea, dependiendo del condicionamiento que se use. Otra forma de terapia con células madre que se usa ampliamente y con mucho éxito es, por supuesto, el trasplante de médula ósea, el cual se está usando para tratar diversas inmunodeficiencias de los sistemas tanto innato como adaptativo. Así, la enfermedad granulomatosa crónica (CGD), en la cual los neutrófilos tienen un defecto genético, puede curarse mediante trasplante de células de la médula ósea provenientes de un individuo normal; la SCID (inmunodeficiencia combinada grave), en la cual faltan células tanto T como B, puede tratarse de manera similar. Terapia génica se refiere a la inserción de genes en células somáticas, con la perspectiva de curar enfermedades genéticas. El principio es muy sencillo. Por ejemplo, si un niño tiene un gen

que codifica para NADPH oxidasa mutante, esto puede llevar a defectos de la muerte de bacterias por neutrófilos, lo que causa CGD. El tratamiento actual para CGD es el trasplante de médula ósea; sin embargo, ésta es una terapia peligrosa (capítulo 7). En teoría es posible tomar algunas de las células de la médula ósea propias del niño, aislar HSC e insertar en estas células un gen normal que codifique para NADPH oxidasa. Se espera que estas células madre, después de transferencia de regreso al niño, se establezcan por sí mismas en la médula ósea y generen neutrófilos normales. Debe estar claro que este principio podría aplicarse a muchas otras enfermedades en las cuales mutaciones han llevado a leucocitos defectuosos. Empero, en la actualidad hay muy pocos ejemplos de terapia génica exitosa, y algunos estudios han revelado efectos secundarios peligrosos. Por ejemplo, el gen insertado puede llevar a disregulación de la expresión de gen, lo que conduce a la inducción de leucemia, por ejemplo. La terapia génica aún se encuentra en sus inicios; con todo, su potencial es enorme, y su desarrollo llevará al tratamiento o la curación de muchas enfermedades importantes.

Preguntas de estudio adicionales Pa. ¿Qué tipos de defensas constitutivas en contraposición con inducibles podrían tener las barreras naturales? (Sección 3.2) Pista. Estas barreras son externas (piel), o están situadas en sitios externos desde el punto de vista topológico, revestidas por epitelios (p. ej., pulmones, tracto intestinal). Las células epiteliales estarían en una buena posición para secretar algunas moléculas de defensa básicas de manera constitutiva, y quizá para secretar más de éstas, u otras nuevas, si ocurre infección. Quizá piense también acerca de cuánto podría controlarse la secreción de moco, o la acidez de estos sitios. Pb. ¿Hasta qué grado es posible identificar diferentes tipos de inflamación y sus propósitos? (Sección 3.3) Pistas. Podría ser útil empezar con las situaciones de traumatismo estéril e infección en general. A continuación podrían considerarse diferentes tipos de virus, microbios o parásitos más grandes, y las clases de tejidos que podrían infectar. Esto a continuación lleva a quien hace el análisis a las respuestas inflamatorias en diferentes órganos. Por ejemplo, se sabe que las que ocurren en el cerebro pueden ser muy diferentes de las que se observan en otros tejidos no linfoides, como la piel. ¿Qué hay acerca de las respuestas en diferentes tipos de tejidos linfoides? Pc. ¿Qué tanto se sabe acerca de la regulación de las respuestas inmunitarias adaptativas en tejidos linfoides por eventos que ocurren en tejidos periféricos? (Sección 3.4) Pistas. Los autores consideran que los conductos son estructuras fascinantes, y están seguros de que hay mucho que aprender acerca de cuánta información, y qué tipo de información, podrían transmitir de manera directa hacia el centro de un ganglio linfático, por ejemplo. También parece ser que los leucocitos reclutados hacia sitios inflamatorios podrían traficar entonces hacia esos tejidos (algunos podrían ser reclutados

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de manera directa desde la sangre). Quizá puede empezarse por considerar las grandes cantidades de neutrófilos, o si se sabe algo acerca de granulocitos como basófilos en ganglios linfáticos. Pd. ¿Hasta qué grado puede considerarse que diferentes órganos linfoides secundarios también funcionan como tejidos linfoides primarios, o viceversa? (Sección 3.5) Pistas. Tal vez se pueda empezar por pensar acerca de diferentes circunstancias. ¿Se está hablando del estado estable normal en ausencia de infección, o después de que ha ocurrido respuesta inmunitaria adaptativa? Qué pasa si un órgano se extirpa (p. ej., un bazo roto en un accidente automovilístico)? ¿Podrían quedar afectadas las funciones de otros órganos linfoides? ¿Qué hay acerca de diferentes especies o distintas etapas de madurez (seres humanos en contraposición con ratones, adultos en contraposición con recién nacidos)? Pe. ¿Cuáles son las indicaciones y complicaciones de la terapia con células madre (o los potenciales para terapia génica, o ambos), en particular para el tratamiento de enfermedades relacionadas con la inmunidad? (Sección 3.6) Pistas. Es necesario definir a qué clase de terapia con células madre se está haciendo referencia —¿trasplante de médula ósea (p. ej., HSC) o de órganos crecidos a partir de células ES?—. Las complicaciones de la primera de hecho se conocen muy bien; las de la segunda en la actualidad más bien son teóricas. ¿Qué hay acerca de la terapia génica? ¿En qué clase de enfermedades relacionadas con la inmunidad se puede pensar en las cuales el reemplazo de un gen defectuoso plantearía ventajas? ¿Cuáles son los riesgos potenciales de experimentar con el DNA de una persona? (¿También se desea abordar aspectos éticos?)

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Capítulo 4 Inmunidad innata 4.1

células y moléculas reclutadas proporcionan defensa contra diferentes tipos de agente infeccioso, usando como evidencia de su importancia estudios de defectos en seres humanos, o estudios de ratones modificados desde el punto de vista genético, y cómo pueden ayudar a desencadenar inmunidad adaptativa (sección 4.4). En la penúltima sección se comentan los orígenes de las células de la inmunidad: de dónde vienen, y cómo está regulada su producción (sección 4.5). Por último, se muestra cómo el conocimiento de la inmunidad innata está empezando a proporcionar información para el diseño de vacunas más eficaces, en particular al usar componentes de agentes infecciosos u otras biomoléculas, e incluso moléculas inorgánicas como adyuvantes para reforzar las respuestas inmunitarias contra agentes patógenos (sección 4.6).

Introducción En un mundo regido por la selección natural es inevitable que haya competencia por recursos. Los recursos disponibles comprenden todos los organismos vivos, como una fuente de alimento o como huéspedes para reproducción, distribución, refugio u otros aspectos. En varios casos (p. ej., infecciones por Staphylococcus y Streptococcus patógenos), estas bacterias son tipo saprofitos. Las moléculas que liberan y que causan daño de tejido —se les denomina toxinas— son usadas para matar células y digerir tejidos a fin de proporcionar alimento para las bacterias. Es en el interés de los huéspedes defenderse contra los que los usarían como recursos. Casi siempre también es en el interés de los usuarios no eliminar por completo sus huéspedes porque entonces perderían sus recursos. Así, no sorprende que probablemente todos los organismos vivos han adquirido por evolución mecanismos para defenderse a sí mismos contra invasores. La inmunidad innata es la única forma de inmunidad disponible para la mayoría de los organismos, y en estos organismos proporciona defensa eficaz contra infección. La inmunidad innata apareció en etapas muy tempranas de la evolución, y muchos de sus componentes pueden rastrearse hasta los organismos más primitivos; nuevos tipos de componentes se añaden o se modifican de manera progresiva durante la evolución. Puesto que la mayor parte de los componentes de la inmunidad innata son preformados, los mecanismos de defensa pueden ser activados con mucha rapidez después de una infección. En vertebrados superiores, la inmunidad innata puede proporcionar defensa rápida contra algunos tipos de infección, aunque estas especies han llegado a depender de la inmunidad adaptativa para obtener protección máxima. Sin embargo, la inmunidad innata es crucial para la activación de la inmunidad adaptativa y la regulación de la misma; a su vez, la inmunidad adaptativa utiliza mecanismos innatos como mecanismos efectores para la eliminación de microbios. En este capítulo se examinan los diferentes componentes de la inmunidad innata, y sus contribuciones a la defensa del huésped (sección 4.2). Primero se considera el reconocimiento de diferentes tipos de agentes infecciosos por células inmunitarias innatas, y las maneras en las cuales estas células pueden dirigir las respuestas más apropiadas para su eliminación. Esto incluye la secreción de moléculas especializadas (citocinas) que permiten la comunicación entre diferentes células, y que actúan para modificar sus funciones. Después se comentan las células especializadas residentes en todos los tejidos, que funcionan para detectar infección y desencadenar inflamación (sección 4.3). Esto permite el reclutamiento de las células y moléculas efectoras que se necesitan para la eliminación del microbio. Se explica cómo estas

Al final de este capítulo el lector comprenderá la importancia de la inmunidad innata en la eliminación de infecciones, el desencadenamiento de inflamación y respuestas en órganos más distantes, y en el inicio de (y más tarde la contribución a) la inmunidad adaptativa.

4.2 Inducción de inmunidad innata 4.2.1 Los conceptos: reconocimiento de patrón y peligro Un momento esencial en el desarrollo de la inmunología, y en el pensamiento acerca de la inmunidad, ocurrió hace alrededor de dos decenios, cuando se postuló que la detección de infección podría estar mediada por receptores del sistema inmunitario innato, más que por los receptores de antígeno de células T y células B. Se sugirió que después de la detección de un agente patógeno, el sistema inmunitario innato daba instrucciones al sistema inmunitario adaptativo para que mostrara respuesta si el antígeno era de origen microbiano. En esa época no se habían identificado estos receptores innatos pero, por diversas razones, se sugirió que necesitaban estar codificados por la línea germinal, y que reconocerían características conservadas de microbios llamadas patrones moleculares asociados con agente patógeno (PAMP). Los receptores mismos han llegado a conocerse como receptores de reconocimiento de patrón (PRR). Este concepto fue colocado sobre una firme base experimental cuando se descubrieron los receptores tipo Toll (TLR) codificados por la línea germinal. Inicialmente el “Toll” se descubrió en moscas como una molécula involucrada en el desarrollo, pero después se encontró que este receptor también desempeña una función en la defensa. A continuación se descubrieron TLR en otras especies, incluso seres humanos, y ahora se133

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Capítulo 4

Inmunidad innata

sabe que estos tipos de receptores y otros relacionados desde el punto de vista funcional tienen el potencial de discriminar entre diferentes componentes de agentes patógenos. P4.1. ¿Es de alguna manera sorprendente que la familia Toll de moléculas pueda estar involucrada en funciones tan diversas como el desarrollo y la defensa contra infección? A principios del decenio de 1990-1999 se postuló la hipótesis del peligro. Se sugirió que en lugar de que el sistema inmunitario se relacionara con lo que es propio y lo que no lo es (discriminación entre lo propio y lo extraño), en realidad estaba discriminando entre lo que representa peligro y lo que no lo hace. Se propuso que cualquier cosa que puede causar daño de tejido podría estimular una respuesta inmunitaria. Los agentes patógenos, debido al daño que causan a los tejidos del huésped, representarían una fuente obvia de peligro potencial. Empero, esta hipótesis también implicó que otras formas de daño de tejido (p. ej., traumatismo quirúrgico estéril) también podrían desencadenar respuestas inmunitarias. En fecha más reciente se ha puesto atención a patrones moleculares asociados con peligro (o con daño); DAMP; éstos son producidos dentro de células y tejidos dañados, o liberados a partir de los mismos, y pueden ser reconocidos por el sistema inmunitario innato sea que dependan o no de infección microbiana. La dificultad que en la actualidad se encara en inmunología estriba en que si bien se tiene un entendimiento creciente de los PRR que detectan PAMP, los que podrían reconocer DAMP son más bien esquivos, aunque se está empezando a obtener cierta información respecto a su naturaleza potencial (sección 4.2.2.4). En términos generales, un resultado crucial del reconocimiento tanto de PAMP como de DAMP (hasta donde se les entiende) por el sistema inmunitario innato es el inicio de la inflamación. Con todo, hay múltiples formas de inflamación que tienen diferentes funciones en la homeostasis en el organismo (sección 3.3.2). La inflamación causada por lesión estéril, por ejemplo, puede ser diferente, con funciones distintas, de la causada por infección microbiana. En el primer caso puede permitir principalmente la reparación y curación de los tejidos dañados, mientras que en el segundo puede permitir principalmente el reclutamiento de efectores solubles y celulares que pueden ayudar a eliminar el agente infeccioso (y contribuir a la curación más tarde). Los autores de este texto son de la opinión de que la inmunidad innata de hecho se relaciona con el reconocimiento de peligro —en el sentido más general— y consideran conveniente describir el resultado del reconocimiento como la producción de señales de alarma que, por ejemplo, desencadenan las diferentes formas de inflamación.

(LPS), también conocido como endotoxina, un complejo de lípido y carbohidrato que está presente en la pared celular de bacterias gramnegativas. Otro es el ácido lipoteicoico, presente en las paredes celulares de bacterias grampositivas. Estas moléculas son componentes integrales de estos diferentes tipos de bacterias y, por ende, son indispensables; los microbios no pueden evolucionar fácilmente de modo que no expresen estas moléculas. Otros PAMP comprenden carbohidratos bacterianos y micóticos con residuos de manosa externos, glucolípidos y algunas proteínas singulares, como la flagelina, un componente estructural importante de flagelos bacterianos (figura 4-1). Los agentes patógenos pueden habitar tejidos extracelulares, pueden ser internalizados mediante endocitosis o fagocitosis hacia la vía endosomal, y algunos pueden lograr tener acceso directo al citoplasma durante infección de células. Para que los agentes patógenos no escapen a la detección por el sistema inmunitario, se necesitan sensores en la superficie celular y en todos estos compartimentos. Estos sensores son los PRR, y existen en diversas formas moleculares. Muchos están asociados a células, aunque varios otros son moléculas solubles extracelulares, que a veces se denominan moléculas de reconocimiento de patrón (PRM). Los PRR están ampliamente expresados en todo el sistema inmunitario, incluso en las células residentes en tejido de la inmunidad innata que inicialmente detectan infección, e incluso por linfocitos (figura 4-2). 4.2.2.1

PRR asociados a célula que promueven la captación

En el caso de los fagocitos hay tipos de PRR diferentes desde el punto de vista estructural en la superficie celular que también pueden promover la internalización de lo que se reconoce, por medio de endocitosis o fagocitosis mediada por receptor; éstos incluyen algunos receptores de lectina tipo C, como el receptor de manosa de macrófago, que reconoce residuos de manosa sobre bacterias. Otros miembros de esta familia son la dectina-1 y la dectina-2 que reconocen carbohidratos complejos (glucanos) que se encuentran en hongos, y que llevan a su captación, y que emiten también señales hacia el núcleo para cambiar la expresión génica (véase más adelante). Otro tipo de PRR es la familia de receptores recolectores, que reconocen una amplia gama de ligandos asociados a agente patógeno. Uno de esos receptores es CD36, que desempeña un papel importante en el reconocimiento, la captación y la depuración de células apoptóticas por macrófagos, por ejemplo. Otros receptores recolectores también reconocen otras formas de componentes propios alterados, como lipoproteína de baja densidad modificada, muy importante en la patogenia de la aterosclerosis. Por ende, quizá sea necesario extender el concepto de un PRR para incluir estos tipos de ligandos o agonistas, así como los que se derivan de microbios (véase más adelante) (figura 4-3).

4.2.2 Receptores de reconocimiento de patrón (PRR)

4.2.2.2 PRR asociados a célula que emiten señales hacia el núcleo

Los PRR ahora en general se consideran receptores que reconocen PAMP derivados de microbios. Así que, ¿qué son estas moléculas? En general, no son proteínas; hay pocas diferencias genéricas, si es que alguna, entre proteínas bacterianas, virales y de vertebrado, aunque hay algunas excepciones (véase más adelante). Aun así, existen claras diferencias genéricas entre otras clases de macromoléculas expresadas en vertebrados y agentes patógenos. Uno de los PAMP mejor caracterizados es el lipopolisacárido

Muchos otros PRR tienen importancia crucial para la defensa del huésped, porque su ligadura induce cambios profundos de la expresión génica en las células que los expresan; esta capacidad es crucial para la defensa inducible. Por ejemplo, en el caso de los macrófagos, la emisión de señales de PRR puede desencadenar cambios de la expresión de cientos de genes diferentes. Éstos codifican para moléculas como citocinas y quimiocinas, péptidos antimicrobianos, así como moléculas involucradas en la coagulación y la reparación de tejido; la presente exposición se enfocará particularmente en las

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4.2

Inducción de inmunidad innata

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Virus RNA ss RNA ds DNA CpG

LPS DNA CpG Flagelina

Bacteria gramnegativa

Ácido lipoteicoico DNA CpG

Mananos

Levadura

Bacteria grampositiva

Moléculas tipo profilina

Parásito (p. ej., Toxoplasma)

Figura 4-1 Patrones moleculares asociados con agente patógeno. Muchos microbios expresan moléculas que no son expresadas por mamíferos, las cuales comprenden estructuras de carbohidrato y lípido singulares, así como ácidos nucleicos, como RNA monocatenario (ss) o bicatenario (ds), o DNA que contiene motivos CpG y algunas proteínas. Los mamíferos han adquirido por evolución PRR que reconocen características ampliamente compartidas de PAMP, dichos receptores son codificados en la línea germinal. Se indican algunos ejemplos del tipo de molécula que puede ser un PAMP.

TLR de la membrana plasmática

TLR endosomal Receptor recolector

Endocitosis

PRR citoplasmático (p. ej., receptor tipo NOD, helicasa tipo RIG-I)

Endosoma

Núcleo Receptor de lectina tipo C (p. ej., receptor de manosa)

Figura 4-2 Ubicaciones celulares de receptores de reconocimiento de patrón. Los PRR están situados donde tienen más probabilidades de ser capaces de interactuar con diferentes tipos de PAMP, y a menudo donde hay poca posibilidad de que se reúnan con moléculas derivadas del huésped que muestran reactividad cruzada con PAMP. Así, los TLR pueden expresarse sobre la membrana plasmática o en endosomas, mientras que otros tipos de PRR están presentes dentro del citoplasma. Algunos PRR también pueden promover la captación de agentes infecciosos.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

primeras. Algunas citocinas tienen funciones de defensa directas, mientras que otras inician las características locales y sistémicas de la inflamación, y regulan la calidad de las respuestas inmunitarias adaptativas. Comprenden en particular los interferones (IFN) tipo 1, y citocinas proinflamatorias importantes (véase más adelante). Los PRR emisores de señales que cambian la expresión génica pertenecen a familias diferentes desde el punto de vista estructural o funcional, y tienen ubicaciones celulares características. Como se mencionó, el primer grupo de PRR que se caracterizó a fondo fueron los TLR. Un subgrupo de TLR es expresado principalmente sobre la membrana plasmática de células. En general, éstos reconocen componentes bacterianos, algunos actúan solos, y otros lo hacen en pares. Los componentes bacterianos reconocidos comprenden lipoproteínas (TLR2 que forma pares con TLR1 o TLR6), ácido lipoteicoico que se encuentra en la pared celular de bacterias grampositivas (TLR2 y TLR6) y flagelina bacteriana (TLR5). Algunos TLR expresados en la superficie también reconocen moléculas de parásitos; por ejemplo, TLR11 reconoce otra proteína, una molécula parecida a profilina expresada por Toxoplasma gondii. En algunos casos, los TLR no reconocen de manera directa componentes microbianos, aunque emiten señales en respuesta a ellos; por ejemplo, está TLR4 para la cual el LPS es un agonista (véase más adelante); el TLR4 también puede ser translocado hacia endosomas (recuadro 4-1). Otro grupo de TLR es expresado de manera primaria o exclusiva en el sistema endosomal donde muchos virus y bacterias

pueden ser digeridos después de captación. Estos TLR convencionalmente se consideran capaces de reconocer ácidos nucleicos virales o bacterianos internalizados, o de responder a los mismos, incluso RNA bicatenario (TLR3), RNA monocatenario (TLR 7/8), y DNA viral y bacteriano, con datos característicos llamados motivos CpG en los cuales los nucleótidos están metilados (TLR9). De hecho, es posible que estos TLR particulares quizá no discriminen en realidad entre ácidos nucleicos propios y extraños, sino que en lugar de eso tal vez detecten estos componentes en una ubicación anormal. Así, el DNA y RNA de la célula huésped normalmente está confinado al núcleo o el citoplasma; si no lo está, algo anda mal. Todos los virus y algunas bacterias también pueden entrar al citoplasma de las células cuando las han infectado. Para afrontar esto, los PRR son expresados dentro del citoplasma, aunque no son miembros de la familia de TLR. Incluyen una familia de los llamados receptores tipo Nod (NLR) que reconocen componentes de bacterias intracelulares, como dipéptido muramil, y una familia de helicasas tipo RIG-I (RLH) que al parecer reconocen RNA bicatenario producido durante replicación viral. La primera comprende NOD1, NOD2 y Nalp3 o criopirina (sección 4.2.2.4), y la segunda, RIG-I y MDA5. Ahora está absolutamente claro que todos los PRR ya mencionados pueden iniciar respuestas celulares a componentes de agentes infecciosos, PAMP. No obstante, cada vez hay más evidencia de que algunos de estos receptores también pueden recono-

PRR emisor de señales (p. ej., TLR)

Ligando (extraño infeccioso, propio aberrante)

Citoesqueleto Reorganización de actina PRR endocítico (p. ej., receptor de manosa)

Ligando (propio aberrante, extraño infeccioso)

Mitocondria Cascada de emisión de señales

Modulación de la expresión génica

Metabolismo aumentado, y supervivencia

Cascada de emisión de señales Secreción de citocina

Figura 4-3 Funciones de receptores de reconocimiento de patrón. Casi todos los PRR tienen propiedades de emisión de señales, mientras que algunos, como el receptor de manosa, también son receptores endocíticos que promueven la captación (p. ej., fagocitosis). La unión de agonista a PRR activa cascadas de emisión de señales intracelulares de diferentes tipos que modulan las funciones celulares. Algunos de sus efectos pueden dividirse a grandes rasgos en metabólicos, citoesqueléticos, y cambios de la expresión génica que llevan, por ejemplo, a la secreción de citocinas. Casi todas las citocinas secretadas son proinflamatorias.

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Inducción de inmunidad innata

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Recuadro 4-1 Identificación de TLR4 y su función en la capacidad de respuesta a lipopolisacárido El LPS a concentraciones altas puede causar choque y muerte (sección 4.4.6). Distintas cepas de ratones difieren en su susceptibilidad a choque por endotoxina mediado por LPS. Una cepa, C3H/HeJ, es resistente a LPS. Otra cepa estrechamente relacionada, C3H/HeN, no es resistente. Esta resistencia en contraposición con sensibilidad es controlada por un gen único llamado Lps. Originalmente se creyó que este gen codificaría para CD14, que se sabe que forma parte del receptor de LPS, pero fue imposible demostrar una asociación de CD14 con Lps. Diferentes grupos intentaron identificar el gen Lps mediante clonación posicional. En esta última, la posición aproximada del gen se identifica por medio de su enlace con marcadores cuya ubicación cromosómica se ha identificado. A continuación los fragmentos de DNA que se superponen se aíslan, empezando desde el marcador conocido, hasta que es posible identificar el gen de interés. En el caso del Lps, se secuenció una región de DNA, y se encontró que sólo contiene un gen funcional, éste fue Tlr4, que codificó para la molécula de TLR4. El gen Tlr4 figuró entre varios que se habían identificado en seres humanos debido a similitudes con el gen Toll de insecto, que controló la susceptibilidad a infecciones micóticas. Se encontró que el ratón C3H/HeJ tuvo una mutación en Tlr4, no presente en la estrechamente relacionada cepa sensible a LPS C3H/HeN. Despierta interés que el alelo que no muestra respuesta, si es objeto de transfección hacia macrófagos con capacidad de respuesta como una copia única, suprime por completo la capacidad de respuesta a LPS; así, la proteína mutante actúa como un supresor dominante. De cualquier modo, TLR4 no es un receptor directo para LPS. En lugar de eso, el cuadro es mucho más complicado, y CD14 parece ser la molécula que en realidad se une al LPS.

cer componentes del huésped modificados. Así, al parecer algunos TLR también pueden reconocer componentes del huésped, como proteínas de choque por calor, fibrinógeno y fragmentos de heparán sulfato y ácido hialurónico (TLR2, TLR4) que se asocian con signos de estrés o daño del huésped. De ser así, es necesario extender el concepto de un PRR para incluir componentes tanto de PAMP microbianos como “propios estresados” como agonistas. Aún no está claro hasta qué grado puede considerarse que esto último representa DAMP (sección 4.2.2.4). 4.2.2.3

Estructura y función de TLR

Todos los TLR tienen una organización estructural común con un dominio de reconocimiento extracelular compuesto de repeticiones ricas en leucina (LRR), un dominio transmembrana que las fija a la superficie celular o a membranas endosomales, y un dominio de emisión de señales intracelular; este último se denomina un dominio TIR porque es compartido por TLR y el receptor de interleucina (IL)-1. Los dominios extracelulares de TLR tienen forma de herradura, y parece ser que muchos TLR funcionan como dímeros. En algunos casos, los PAMP (o componentes propios alterados) pueden unirse de manera directa a TLR y, por

Estructuras reveladas mediante cristalografía

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Esto es apoyado por resultados de tres métodos: estudios de transfección, estudios en ratones con deleción (knockout) y estudios de unión directa. Sin embargo, el LPS no está libre cuando se une a CD14. Hay una proteína plasmática, la proteína de unión a LPS (LBP), que se encuentra en asociación con LPS in vivo, y parece extraer moléculas de LPS únicas desde micelas (también se ha sugerido que la proteína de unión a LPS tal vez actúe para prevenir las acciones tóxicas del LPS). Otra molécula que parece estar involucrada de manera crucial es MD2, una proteína pequeña que se une al dominio extracelular de TLR4 y se necesita para emitir señales por medio de TLR4. Se cree que el LPS unido a LBP, es captado por CD14 y transferido a MD2, que a continuación interactúa con CD14, lo que facilita la emisión de señales. Otras moléculas también han quedado implicadas en la emisión de señales de TLR4, y éstas difieren en distintos tipos de células, por ejemplo, macrófagos o células dendríticas (DC) en contraposición con células B. Muchos otros TLR se identificaron mediante métodos genéticos, pero al igual que para casi todos los receptores, el entendimiento de la estructura de un receptor a menudo no ayuda a identificar su ligando o agonista fisiológico. Se han usado otros métodos para identificar agonistas de TLR. Así, el gen TLR5 fue objeto de transfección hacia una línea celular en cultivo de tejido, y diferentes preparaciones bacterianas se probaron respecto a su capacidad para emitir señales por medio de TLR5. Éste no mostró respuesta a cualquiera de los PAMP conocidos, pero manifestó respuesta a sobrenadantes de cultivo bacteriano. Se usó espectrometría de masa para identificar la molécula activa, y se mostró que era la flagelina, la principal proteína que se encuentra en flagelos bacterianos.

ende, pueden actuar como ligandos verdaderos para estos receptores. En otros casos, la interacción es indirecta y comprende la unión del ligando a otras moléculas que entonces interactúan con el TLR. Se cree que la unión de ligandos o agonistas induce reajuste de dímero que después puede iniciar emisión de señales. Despierta interés que también parece ser que los TLR pueden usar diferentes mecanismos moleculares para unirse a sus ligandos o agonistas respectivos (p. ej., en la región convexa o cóncava del dominio de LRR extracelular en forma de herradura). Más aún, en algunos casos, otra u otras moléculas tienen que actuar como chaperones del ligando o agonista hacia el TLR (figura 4-4). El entendimiento aumentado de la estructura y función de TLR ha despertado mucho interés por el desarrollo de fármacos que inhiben su función para propósitos terapéuticos. Por ejemplo, se han diseñado antagonistas de TLR4 como miméticos del componente lípido A del LPS para terapia potencial de choque séptico en el cual hay producción masiva de factor de necrosis tumoral (TNF)-α como una consecuencia de ligadura de TLR4 sobre monocitos sanguíneos por LPS (sección 4.4.6). Otros se están desarrollando como adyuvantes derivados de microbios para uso en vacunación (sección 4.6.2).

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Capítulo 4

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Inmunidad innata

TLR

Dominio LRR

P4.2. ¿Cómo podrían las funciones relativas de la emisión de señales de TLR en contraposición con receptor de IL-1 analizarse de manera minuciosa experimentalmente?

Dominio PLR

Ligando Dimerización inducida por ligando

Emisión de señales

Figura 4-4 Estructura general de los receptores tipo Toll. Los TLR tienen estructura general similar, pero las maneras en que interactúan con sus agonistas varían mucho. Los TLR tienen un dominio LRR en forma de herradura conectado a un dominio TIR globular que está involucrado en la emisión de señales. En algunos casos, los agonistas interactúan de manera directa con los LRR. En otros, una o más moléculas accesorias pueden estar involucradas en la unión a LLR, y el desencadenamiento de emisión de señales puede comprender varias interacciones moleculares separadas. En general, la activación de la emisión de señales requiere la dimerización de dos moléculas de TLR.

Emisión de señales por medio de TLR ¿Cuál es el resultado de que los PRR reconozcan la presencia de componentes microbianos? En el caso de los TLR es posible generalizar y decir que los resultados en particular importantes son la secreción de péptidos antimicrobianos, y de citocinas proinflamatorias que incluyen IL-1, IL-6 y TNF-α (véase más adelante). Los TLR activados se unen a moléculas adaptadoras que desencadenan cascadas de emisión de señales dentro del citoplasma de las células, las cuales dan lugar a la activación y translocación nuclear de factores de transcripción que inducen expresión génica. Para casi todos los TLR, la molécula adaptadora es Myd88. Si bien podría parecer que ratones modificados genéticamente en los cuales se efectúa deleción del gen Myd88 serían informativos en cuanto al análisis meticuloso de la emisión de señales de TLR, este adaptador también es usado por el receptor de IL-1 y, de hecho, muchos fenotipos de deleción (knockout) de ratón en realidad se deben a emisión de señales defectuosa por medio de este receptor, más que a los TLR. Uno de los factores de transcripción más importantes para la síntesis de citocinas proinflamatorias es el factor nuclear NF-κB; otro es AP-1, que es inducido mediante desencadenamiento de las vías de proteína cinasa activada por mitógeno (MAP) (figura 4-5).

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Es muy importante apreciar que la emisión de señales por medio de TLR no desencadena la liberación de un bolo único de citocinas; más bien, ése es un proceso cuidadosamente regulado. Por ejemplo, las células que están respondiendo en distintos momentos después de estimulación producen diferentes citocinas proinflamatorias, y probablemente con cinéticas diferentes en distintos tipos de células. Si la estimulación del TLR es sostenida, las células finalmente se hacen resistentes a la estimulación por TLR; dejan de producir citocinas, probablemente para limitar el daño del huésped que de otro modo podría causarse. En contraste, la capacidad para producir péptidos antimicrobianos por lo general persiste. El TLR3, que se une a RNA bicatenario viral, es poco común por cuanto emite señales por medio de un adaptador llamado TRIF en lugar de Myd88 (y TLR4 de hecho puede emitir señales por medio de ambos). De nuevo, es posible generalizar y decir que un resultado en particular importante de la emisión de señales por medio de esta vía es la secreción de IFN tipo I. La emisión de señales de TLR3 y de algunas RLH, lleva a la activación de factores regulados por IFN (IRF), que son factores de transcripción que inducen la expresión de genes que codifican para IFN tipo I. Las vías de emisión de señales involucradas en todas estas respuestas son muy complejas, pero entender cómo funcionan tiene importancia crucial para el desarrollo de terapias (véase antes). También es muy importante recalcar que, si bien muchos componentes de estas vías son compartidos entre diferentes vías y distintas células, hay muchos que son específicos para célula o restringidos a vía (recuadro 4-2). Consecuencias de defectos de la emisión de señales de TLR Los TLR son cruciales para muchos aspectos de la defensa de huéspedes vertebrados contra la infección. Esto es reflejado por la diversidad de distintos componentes virales que pueden interferir con la emisión de señales en diferentes puntos. Los virus pueden secuestrar las proteínas adaptadoras torrente arriba, o inhibirlas; de este modo evitan el inicio de la emisión de señales de TLR. Algunos ejemplos comprenden el virus vacuna (vaccinia) que secuestra múltiples adaptadores, y el virus de la hepatitis C que usa una de sus proteínas (NDSA) para unirse a Myd88, y una proteasa (NS3-4A) para dividir TRIF. Otros virus pueden inhibir los factores de transcripción torrente abajo IRF3 o IRF7 al degradarlos o secuestrarlos, o al competir por unión a las secuencias promotoras del DNA. Otros microbios, como ciertos protozoos, también pueden evitar la emisión de señales de TLR o reducirla. La evidencia respecto a la función de los TLR en la defensa contra infección proviene de estudios de pacientes que tienen defectos genéticos en los receptores respectivos, los adaptadores u otros componentes emisores de señales, y de ratones con deleción (knockout) de gen en los cuales los genes correspondientes se han establecido como objetivos de manera selectiva. Así, se han identificado individuos en extremo raros con defectos de TLR3 o un componente crucial en su vía de emisión de señales. Estos pacientes se presentan con una encefalitis (inflamación del cerebro) relacionada con virus del herpes simple (HSV), lo que demuestra la importancia de esta vía, al menos en el sistema nervioso central (SNC) en la defensa contra esta clase de virus. Otros individuos con defectos de la producción de IFN tipo 1 también sufren infecciones virales aumentadas.

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4.2

Inducción de inmunidad innata

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Recuadro 4-2 Investigación de emisión de señales de receptor tipo Toll La emisión de señales por TLR es desencadenada cuando un agonista se une de manera directa o indirecta al receptor. Al igual que para cualquier otra vía de emisión de señales, esto inicia cascadas de interacciones de proteínas en el citoplasma que finalmente llevan a actividades alteradas de factores de transcripción en el núcleo. Estas cascadas involucran enzimas —cinasas o fosfatasas, respectivamente— que añaden fosfatos a proteínas, o que los eliminan de las mismas, en sitios específicos, como residuos de tirosina en motivos particulares de la proteína, a fin de activar o desactivar otros componentes en la vía. Por ende, si un componente de emisión de señales conocido queda fosforilado en una célula que ha sido estimulada con un agonista de TLR (o cualquier otro ligando de receptor), esto sugiere de manera importante que está involucrado en la vía. Un método experimental para estudiar vías de emisión de señales es la inmunoelectrotransferencia o electrotransferencia Western. En ella se efectúa electroforesis de extractos celulares en un gel, y las proteínas en el gel después son transferidas a una membrana. A continuación la membrana se puede sondear con un anticuerpo específico para el componente de interés. La unión de este anticuerpo primario puede detectarse al usar un anticuerpo secundario marcado —éste podría estar radiomarcado (p. ej., 32P) o emitir luz (p. ej., luminol)— e identificar su unión usando películas radiosensibles o fotosensibles, respectivamente. Dado que pueden generarse anticuerpos primarios que son específicos para las formas fosforilada y desfosforilada de componentes emisores de señales, la intensidad relativa de las bandas que son detectadas en electrotransferencia Western proporciona una medida semicuantitativa de la magnitud de activación o desactivación de ese componente. Así, en diferentes momentos después de la estimulación de células con un agonista de TLR, puede evaluarse la fosforilación de moléculas emisoras de señales específicas. Además, si se fraccionan células hacia distintos componentes —como membranas celulares, endosomas y núcleos—, pueden usarse técnicas similares para determinar la ubicación celular de los componentes activos con el tiempo después de estimulación (figura 4-6). Un método alternativo, y complementario, es la inmunoprecipitación, en la cual el componente de interés es separado físicamente desde un extracto solubilizado de células estimuladas (p. ej., al usar anticuerpos acoplados a cuentas). Si ese componente está asociado con otro, como una proteína adaptadora

P4.3. ¿Por qué podrían los efectos de la emisión de señales de TLR3 defectuosas sólo observarse con virus del herpes y sólo en el SNC? También se han identificado raros pacientes con defectos genéticos en Myd88 o IRAK-4 que están involucrados en la emisión de señales de TLR. En etapas tempranas de la vida estos individuos sufrieron infecciones piógenas recurrentes, en particular enfermedad neumocócica invasiva. Con todo, sorprende que estas infecciones no quedaron de manifiesto en etapas más avanzadas de la vida. En contraste, ratones con deleción (knockout) en los

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que se ha unido a la proteína fosforilada, éste se coprecipitará, y después puede caracterizarse. Si las proteínas en la célula estimulada se marcaran con un radioisótopo (p. ej., al marcarlas metabólicamente con un aminoácido 35S-marcado), las proteínas coprecipitadas también estarán marcadas. Si se practica electroforesis en gel de las proteínas aisladas, bajo condiciones no reductoras o reductoras, aparecerán como una banda pesada o como dos bandas más ligeras, lo que permite estimar el peso molecular del segundo componente. A veces también es posible cortar las bandas y secuenciar parte de la proteína, después de lo cual puede efectuarse una búsqueda en bases de datos de gen usando una secuencia de DNA predicha de la proteína, y es posible clonar el gen que la codifica (figura 4-7). Una combinación de las técnicas anteriores podría usarse para demostrar que TLR4 está acoplado de manera indirecta tanto a TRIF (por medio del adaptador TRAM) como a Myd88 (mediante TIRAP), y que emite señales por medio de ambas vías; en contraste, el TLR3 sólo está acoplado de manera directa a TRIF, y otros TLR de modo directo sólo a Myd88. La localización de TLR4 y sus parejas respectivas puede visualizarse al combinar el uso de sondas fluorescentes con microscopia. Por ejemplo, se efectuó transfección de macrófagos con TRAM o TIRAP marcado con proteína fluorescente verde, y se estimularon con LPS. Usando marcadores de diferentes compartimentos celulares (p. ej., enzimas lisosomales) fue posible, así, rastrear el movimiento de estas moléculas con el tiempo después de estimulación. Éstas y otras técnicas (incluso el empleo de reporteros nucleares para elementos con capacidad de respuesta a IFN y NF-κB que son activados por las vías respectivas) han revelado que TLR4 emite señales por medio de Myd88 cuando está en la superficie celular, pero mediante TRIF cuando está en endosomas. Estos tipos de estudio tienen importancia crucial para aumentar el entendimiento de procesos morbosos, como la manera en que diferentes mutaciones de TLR en seres humanos pueden llevar a susceptibilidad a infección, y cómo están involucradas en la inmunidad. También son fundamentales para nuevos métodos terapéuticos. Por ejemplo, la identificación de un nuevo componente emisor de señales en una vía puede permitir el diseño de inhibidores de molécula pequeños que pueden usarse para inhibir respuestas celulares. Así, los inhibidores de la tirosina cinasa ahora se usan ampliamente para el tratamiento de algunas leucemias mieloides o mielocíticas.

cuales el gen que codifica para TLR4 se estableció como objetivo fueron susceptibles a una gama muy amplia de infecciones microbianas durante toda la vida. (Aun así, note el señalamiento anterior de que el receptor de IL-1 también emite señales por medio de Myd88.) Esto demuestra con claridad que es necesario ser muy cauto al extrapolar a seres humanos con estudios en ratones. P4.4. ¿Por qué la enfermedad piógena recurrente podría observarse sólo durante la niñez en personas con emisión de señales defectuosa de Myd88?

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Figura 4-5 Vías de emisión de señales desde receptores tipo Toll. Después de unión a agonista y dimerización, diferentes moléculas adaptadoras se unen a TLR. Las claves son Myd88, que es usada por casi todos los TLR, y TRIF, que sólo es usada por uno, TLR3; TLR4 puede usar una u otra, dependiendo de su ubicación. La vía Myd88 canónica conduce a activación de NF-␬B, así como a activación de las vías de MAP cinasa que activan el factor de transcripción AP-1; típicamente esto da lugar a la activación de genes que codifican para citocinas proinflamatorias. En contraste, la vía del TRIF típicamente da pie a activación de IRF que actúan sobre “elementos con capacidad de respuesta a IFN” en el DNA (que no se muestran), y la activación de genes que codifican para la producción de IFN tipo I. Puede haber comunicación recíproca entre estas vías (p. ej., la estimulación de la vía del Myd88 también puede llevar a la producción de IFN). Cada vía comprende múltiples componentes emisores de señales que no se muestran en aras de la sencillez.

Dimerización de TLR Membrana plasmática

TRIF

Myd88 Citoplasma

MAPK

APT

Núcleo

NF␬B

IRF

DNA Citocinas proinflamatorias

Gel Membrana

Mezcla de proteína Proteína x

Se añade anticuerpo anti-x marcado

Interferones

Se detecta la marca

Proteína x Corriente eléctrica

Gel de electroforesis

Separación de proteínas ”Electrotransferencia“ según su tamaño hacia la membrana

Membrana

Figura 4-6 Electrotransferencia Western; esta técnica permite la identificación de proteínas específicas en un lisado celular. Las proteínas típicamente son disociadas mediante tratamiento con un detergente, el dodecilsulfato de sodio (SDS). La mezcla a continuación se procesa mediante electroforesis sobre un gel de poliacrilamida, en la cual la tasa de migración de una proteína cuando se aplica una carga es proporcional a su tamaño molecular. Este proceso se llama electroforesis en gel de SDS-poliacrilamida (PAGE). Los anticuerpos no pueden unirse a proteínas en el gel, de modo que típicamente una membrana de nitrocelulosa se coloca en aposición al gel, y se hace que las proteínas migren hacia la membrana, de nuevo aplicando una corriente; este proceso suele llamarse “electrotransferencia”. Una vez en la membrana, las proteínas pueden detectarse usando anticuerpos señalados con marcas enzimáticas o de otros tipos.

4.2.2.4

Inflamasomas y enfermedades autoinflamatorias

El concepto original de un PRR fue el de un receptor para un componente microbiano conservado, un PAMP. De cualquier modo, como se mencionó, hay evidencia creciente de que algunos TLR

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también pueden reconocer componentes propios que han quedado alterados o modificados por daño o estrés celular, aunque todavía no está claro hasta qué grado ocurre esto o es importante in vivo. No obstante, lo que está claro es que los NLR pueden detectar tan-

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4.2

Inducción de inmunidad innata

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Antígeno x

Mezcla de proteína que contiene la proteína x

Se añaden cuentas cubiertas con anticuerpo anti-x

La proteína x se une a las cuentas

La centrifugación separa las cuentas

Las condiciones iónicas alteradas liberan x pura

Figura 4-7 Inflamasomas. Los agonistas de TLR pueden llevar a la transcripción y traducción del precursor de IL-1␤, la pro-IL-1␤. Los inflamasomas son complejos moleculares en el citoplasma que contienen NLR multimerizados, como Nalp3, asociados con una enzima proteolítica, la caspasa-1. En inflamasomas activados, la caspasa-1 procesa la pro-IL-1 hacia la forma madura, funcional, de IL-1, que entonces puede secretarse. Por ende, particularmente en DC, se necesitan dos etapas para la producción de IL-1 (la IL-18 es procesada de manera similar), pero no se entiende bien cómo interactúan estas vías; dichas vías y requerimientos pueden diferir en otros tipos de células, como los macrófagos.

to PAMP como peptidoglucanos bacterianos (véase antes) como signos de peligro no microbianos, incluso estrés metabólico. Algunos NLR, posiblemente todos —incluso Nalp3 (también llamado criopirina y con otros nombres)—, pueden actuar como plataformas para el montaje de complejos moleculares llamados inflamasomas, que están involucrados en la activación de proteasas especializadas —las caspasas inflamatorias—. Un ejemplo es la caspasa-1 que procesa la forma precursora de IL1β hacia la citocina activa; sucede lo mismo para una citocina relacionada, la IL-18. De este modo, un PRR como un TLR puede inducir la traducción de pro-IL-1, pero la molécula activa no se puede secretar sino hasta que es procesada por una caspasa inflamatoria; aún hay mucho que aprender acerca de las interacciones de estas vías (figura 4-8). Los inflamasomas pueden ser activados mediante diversas señales de peligro no microbianas, como las asociadas con daño celular, tal vez, por ejemplo, al detectar concentración anormal de ion potasio intracelular o ATP extracelular, así como intermediarios de oxígeno reactivos (ROI). Las moléculas grandes, como los cristales de urato monosódico, que se forman a partir de ácido úrico como un producto terminal del metabolismo de la purina, así como de sílice y asbesto, al parecer pueden activar el inflamasoma Nalp3 de manera directa o indirecta. En la actualidad hay mucho interés por los papeles de los inflamasomas Nalp3 en las acciones de adyuvantes basados en aluminio (sección 4.6.1). La IL-1β, producida después de activación de inflamasoma, tiene múltiples actividades biológicas. Es crucial que funciona como un pirógeno endógeno en la estimulación de la fiebre por medio de sus acciones sobre el hipotálamo (este término no debe confundirse con piógeno, algo que induce la formación de pus; compárese con las bacterias piógenas). Durante algún tiempo se ha sabido de casos raros en que ciertos individuos sufren episodios inexplicables y recurrentes de fiebre, a menudo acompañada de inflamación grave. Estas enfermedades a menudo son familiares y

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se conocen como fiebres periódicas hereditarias. Estas afecciones son ejemplos de enfermedades autoinflamatorias que se sabe, o se sospecha, que se producen por mutaciones en componentes de inflamasomas como Nalp3 y otras vías de emisión de señales, en potencia relacionadas, como el receptor de TNF y el antagonista de receptor de IL-1. Es muy importante el hecho de que casi todas estas mutaciones dan lugar a ganancia de función más que ser mutaciones que lleven a deficiencias de los componentes involucrados. Las mutaciones en el antagonista del receptor de IL-1 ilustran la importancia de esta molécula en la regulación de la inflamación. Estas enfermedades sólo afectan la inmunidad innata, y la respuesta adaptativa no parece desempeñar papel alguno en su patología. Aunque raras, estas enfermedades proporcionan información importante sobre la regulación de procesos inflamatorios. P4.5. Las enfermedades autoinflamatorias no se asocian con riesgo aumentado de infecciones. ¿Por qué podría ser esto?

4.2.2.5

Distribución celular de PRR

Para que los PRR actúen como moléculas de alarma, ¿sobre cuáles células deben expresarse? Está claro que mientras más cerca estén de los sitios de infección, en etapas más tempranas serán activadas. Así, no sorprende que algunas células epiteliales, como las que están en el intestino, expresen PRR. Los PRR expresados por células epiteliales no son receptores de captación; las células epiteliales no tienen un papel de defensa conocido en la fagocitosis de agentes patógenos. Despierta interés que en el intestino la expresión de estos PRR está polarizada a la superficie basal de las células, más que a la luminal, y esto probablemente les permite distinguir entre microbios infecciosos que han penetrado en el epitelio y los comensales situados arriba. La estimulación de estos receptores da lugar a secreción de citocinas proinflamatorias hacia los tejidos conjuntivos subyacentes (y de péptidos antimicrobianos hacia la luz).

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Agonista de PAMP

Transcripción y traducción de pro-IL-1

TLR

Emisión de señales intracelular

Inflamasoma Núcleo Procesamiento hacia IL-1 madura Secreción de IL-1

Figura 4-8 Inmunoprecipitación. Esta técnica se usa para aislar moléculas específicas a partir de una mezcla compleja en solución. Cuentas cubiertas con anticuerpos específicos para una molécula particular se añaden a la mezcla, y se unirán a la molécula específica. Es posible usar centrifugación para aislar las cuentas que se han unido a la molécula; de manera alternativa, pueden usarse cuentas magnéticas, y es factible captar en un campo magnético. Al alterar las condiciones iónicas, la molécula específica puede liberarse de las cuentas, y se puede caracterizar más.

Los tejidos conjuntivos contienen células de la inmunidad innata residentes que también expresan PRR —principalmente macrófagos y mastocitos— que tienen ubicación ideal para detectar infección. Los macrófagos son células fagocíticas que expresan concentración alta de ciertas lectinas tipo C y receptores recolectores, y expresan también los PRR asociados con la emisión de señales hacia el núcleo. En contraste, los mastocitos quizá sólo expresan estos últimos. Además, hay otro tipo de células en tejidos conjuntivos que expresan PRR, las DC. Sin embargo, se cree que estas células están relacionadas principalmente con la activación de la inmunidad adaptativa y la regulación de la misma (capítulo 5). Las células endoteliales también expresan algunos TLR, y ratones que han sido objeto de procesos de ingeniería para que expresen TLR4 de manera exclusiva sobre células endoteliales pueden reclutar neutrófilos hacia sitios de inflamación de manera tan eficiente como los ratones normales, y pueden eliminar una infección peritoneal por bacterias gramnegativas al menos con tanta eficacia como los ratones normales. Esto indica que las células endoteliales a veces pueden desempeñar un papel directo muy importante en la defensa del huésped, además de ser reguladas por otras células en la vecindad. En resumen, en todos los tejidos hay células que pueden mostrar respuesta rápida a la presencia de un agente patógeno, y el resultado final de estas respuestas es la activación de mecanismos efectores de la inmunidad innata (y por lo general también de la inmunidad adaptativa). La manera en que la actividad de estas diferentes células y señales está coordinada está lejos de ser clara; por ejemplo, ¿cuál es la contribución relativa de señales generadas por células epiteliales y macrófagos para la activación de la inmunidad innata?, ¿cuál es la importancia relativa de los macrófagos y los mastocitos en los tejidos conjuntivos?, ¿difieren en distintos tipos de infección?, y así por el estilo.

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P4.6. ¿Cómo sería posible determinar las contribuciones relativas de la activación de TLR en células epiteliales intestinales y macrófagos a la inmunidad innata?

4.2.3 Citocinas en la inmunidad innata La emisión de señales por medio de PRR como TLR altera las propiedades de las células que expresan el PRR, pero de modo crucial también permite a estas células modular las propiedades de otras células por medio de su secreción de citocinas. Aquí se comentarán los papeles de algunas de estas citocinas en la defensa del huésped y en la inflamación. 4.2.3.1

Interferones (IFN) y resistencia antiviral

Como se observó (véase antes), los IFN tipo I pueden producirse cuando diferentes PRR detectan virus en compartimentos endosomales o citoplasmáticos. Esto ocurre, por ejemplo, cuando fagocitos internalizan virus, o cuando virus infectan células. Los IFN tipo I son de dos tipos principales, α y β (hay otros). Tanto el IFN-α (que es de múltiples tipos) como el IFN-β se unen a un receptor dimérico único. Este receptor emite señales por medio de la vía JAK-STAT, común a muchas vías de emisión de señales de citocina, y emite señales además por medio de un IRF (véase antes). La transcripción de genes estimulados por IFN conduce a la transcripción coordinada de una amplia variedad de genes que confieren resistencia antiviral a la célula. Sus acciones incluyen degradación de RNA viral, supresión de traducción de proteína, inhibición de la transcripción y el tráfico virales, y edición de RNA que codifica con eficacia los genomas de retrovirus (APOBEC3G). También inducen la síntesis de RLH, lo que

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4.2

aumenta más la detección de la presencia de virus. Los IFN tipo I difieren del IFN-γ (también denominado IFN tipo II) que emite señales por medio de un receptor dimérico por completo diferente (IFNG1 y 2, aunque también enlazado a la vía JAK-STAT), y que tiene actividad antiviral relativamente débil, pero otras funciones cruciales en la defensa del huésped, como en la activación de macrófagos (figura 4-9). 4.2.3.2

Citocinas proinflamatorias

Dichas moléculas pueden ser secretadas por células residentes como macrófagos, mastocitos y en algunos casos células epiteliales (p. ej., queratinocitos) e incluso células endoteliales. Su producción depende en su mayor parte del factor de transcripción NF-κB. Como se mencionó, las citocinas típicas en este grupo son IL-1, IL-6 y TNF-α. La familia de citocinas IL-1 comprende IL-1α, IL-1β e IL18. Los dominios citoplasmáticos de las moléculas de receptor de IL-1 son muy similares a los de TLR, y actúan también por medio de Myd88. Estimulan diversas respuestas proinflamatorias, como

Inducción de inmunidad innata

la secreción de leucotrieno y prostaglandina, la secreción de óxido nítrico, y la expresión aumentada de moléculas de adhesión. Actúan sobre el hipotálamo para causar fiebre, y sobre el hígado para estimular el incremento de la síntesis de proteína que se observa en la respuesta de fase aguda. La actividad de la IL-1 está regulada en parte por antagonistas naturales; el antagonista del receptor de IL-1 es una molécula “señuelo” que ahora se utiliza con fines terapéuticos en diversas enfermedades artríticas. La IL-6 emite señales por medio de la vía JAK-STAT. Esta citocina tiene múltiples efectos sobre la inflamación, las respuestas inmunitarias, la médula ósea y los sistemas nervioso y endocrino. El uso de ratones con deleción (knockout) del gen que codifica para IL-6 ha demostrado su función fundamental en la estimulación de la respuesta de fase aguda, la inducción de fiebre y la síntesis de IgA de la mucosa. Las otras dos citocinas, la IL-12 y la IL-23, están estrechamente relacionadas con la IL-6, y emiten también señales por medio de la vía JAK-STAT. La IL-2 quizá es crucial para las respuestas agudas contra agentes patógenos intracelulares, porque puede desencadenar la producción de IFN-γ

Célula inmunitaria innata

Célula infectada

Endosoma

Bacteria

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Virus Ácido nucleico viral

Ácido nucleico bacteriano

PRR citoplasmático TLR

IFN ␣, ␤

Receptor de IFN tipo I

Célula no infectada

Resistencia a la infección viral

Figura 4-9 Interferones tipo I. Los IFN tipo I (p. ej., ␣ y ␤) son potentes moléculas antivirales. Son secretados por células que contienen virus u otros microbios, por ejemplo, después de reconocimiento de ácidos nucleicos virales por PRR citoplasmáticos. También son secretados por células del sistema inmunitario innato, como macrófagos y células dendríticas plasmacitoides (pDC) después de ligadura a PRR. Los IFN tipo I actúan sobre otras células por medio de un receptor de membrana plasmática único para inducir la síntesis de diversas proteínas que actúan en conjunto para inhibir la replicación viral.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Recuadro 4-3 Análisis de la producción de citocina por células inmunitarias Las citocinas son moléculas que tienen funciones fundamentales en la mediación de la comunicación durante respuestas inmunitarias. Así, en situaciones tanto experimentales como clínicas es crucial tener la capacidad de medir la producción de citocina por diferentes células durante estas respuestas. El método más común para medir la producción masiva de citocinas por poblaciones celulares es la valoración inmunosorbente ligada a enzimas (ELISA). En una forma de esta valoración, un anticuerpo específico para la citocina se usa como el reactivo de detección. Dicho anticuerpo está unido a la parte inferior de pozos en una charola de plástico; éste es el anticuerpo de captura. Por ejemplo, para medir la producción de IL-12 en una valoración de activación de macrófago, los pozos se cubren con un anticuerpo monoclonal contra IL-12. Se recolectan sobrenadantes provenientes de los cultivos de macrófago, y se añaden diluciones de éstos a los pozos. Cualquier IL-12 se unirá al anticuerpo de captura. La unión de IL-12 puede detectarse a continuación al añadir un anticuerpo contra IL-12 específico para un epítopo diferente en la IL-12 que se une de manera cuantitativa a esta última. La unión de este segundo anticuerpo es detectada al añadir un tercer anticuerpo, específico para la inmunoglobulina particular del segundo anticuerpo que se marca con una enzima como la peroxidasa de rábano picante. La cantidad del tercer anticuerpo unido se evalúa al usar la enzima para generar un producto de reacción coloreado que se puede medir en un espec-

por células asesinas naturales (NK), lo que da pie a la activación de macrófagos (véase más adelante). En contraste, la IL-23 tal vez desempeñe una función en la inducción de inflamación crónica y la formación de granulomas. El TNF-α inicialmente se descubrió de dos maneras separadas. Como una molécula que podía estimular la destrucción de algunos tumores en ratones, y como la molécula que causa el síndrome de emaciación (caquexia) que se observa en presencia de infecciones crónicas y de tumores malignos en etapa avanzada. Ninguna de éstas se relaciona con las importantes funciones del TNF-α en la defensa contra infección. El TNF-α es producido principalmente por macrófagos y mastocitos, pero muchos otros tipos de célula pueden ser estimulados para que secreten TNF-α. Éste emite señales por medio de dos receptores de TNF. Esa emisión de señales puede llevar a activación de la célula, con secreción de citocina, o en algunos casos a apoptosis de la célula (como se observa con algunos tumores). A concentración baja el TNF-α actúa localmente para aumentar la expresión de moléculas de adhesión sobre leucocitos, y para estimular diversos tipos de células para que secreten moléculas proinflamatorias. A concentración alta el TNF-α entra a la sangre y estimula muchas células para que sinteticen IL-1 e IL-6 en exceso. También estimula células endoteliales para que sinteticen óxido nítrico, lo que causa dilatación venosa. Juntos, estos efectos pueden inducir choque cardiovascular en potencia mortal. Uno de los principales agentes que inducen la secreción de TNF es el LPS proveniente de bacterias gramnegativas. La importancia del TNF-α en la defensa contra bacterias intracelulares es ilustrada por pacientes con artritis reumatoide que reciben tratamiento

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trofotómetro. Al comparar la unión proveniente del sobrenadante con la unión de una preparación estándar de IL-12, se puede estimar la cantidad de IL-12 en el sobrenadante (figura 4-10). La ELISA ha resultado inestimable en la evaluación de la producción de citocina, y de muchas otras maneras, pero una de sus desventajas es que sólo puede medir la secreción por una población entera de células. Al usar esta técnica con una población mixta de células no es directamente posible determinar las moléculas de superficie (fenotipo) expresadas por la célula que está secretando citocina, cuáles células están secretando la citocina, o si una célula individual está secretando más de una citocina. Empero, esto puede lograrse mediante coloración de citocina intracelular. Los anticuerpos no pueden penetrar en membranas celulares intactas pero, si las células son permeabilizadas, los anticuerpos anticitocina pueden entrar. La secreción de citocina por lo general se bloquea al usar un fármaco como la brefeldina A que evita la salida de proteína desde el aparato de Golgi, lo que incrementa la cantidad presente dentro de la célula. Al usar dos anticuerpos contra diferentes citocinas, marcados con distintos colorantes fluorescentes, y al analizar las células con citometría de flujo, pueden cuantificarse células secretoras de ninguna, de una sola y de las dos. Al usar anticuerpos monoclonales contra marcadores de superficie celular, puede evaluarse el fenotipo de las células secretoras (figura 4-11).

con anticuerpo monoclonal contra TNF; esto puede llevar al resurgimiento de tuberculosis activa. 4.2.3.3

Citocinas antiinflamatorias

Las respuestas inflamatorias son fundamentales para la defensa contra infección, pero pueden causar daño de tejido, y lo hacen. De este modo, es crucial que las respuestas inflamatorias estén reguladas para minimizar ese tipo de daño. Una de las maneras más importantes en las cuales la inflamación es regulada es por medio de la secreción de citocinas antiinflamatorias que la contrarrestan; éstas comprenden los ejemplos que siguen: • IL-10. Esta citocina es secretada por muchos tipos de células, entre ellas los macrófagos (en particular macrófagos activados de manera alternativa) y células Th2 en ratones (en los seres humanos las células tanto Th1 como Th2 secretan IL-10). La IL-10 actúa sobre macrófagos, neutrófilos y otros leucocitos, en su mayor parte al inhibir las acciones del NF-κB y, así, evitar la síntesis de citocinas proinflamatorias y prevenir el sesgo de la activación de células T CD4 hacia Th1; de hecho, promueve el sesgo hacia Th2. La importancia de la IL-10 en la regulación de la inflamación es ilustrada por ratones con deleción (knockout) de IL-10, que presentan una enfermedad inflamatoria intestinal grave. • Factor de crecimiento transformante (TGF)-β. Éste puede ser secretado por muchas células hematopoyéticas, como los macrófagos, los linfocitos y las células NK, pero también por algunas otras células presentes en el SNC y en los riñones, por ejemplo. El TGF-β actúa por medio de un receptor expresa-

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4.3

Macrófago Estímulo

IL-12

Sobrenadante de cultivo de tejido

Células de la inmunidad innata residentes en tejidos

145

do sobre muchos tipos de células. La emisión de señales torrente abajo comprende interacciones con una familia de factores de transcripción llamados Smad. El TGF-β inhibe la activación de macrófagos, la síntesis de citocinas por macrófagos y linfocitos, y puede bloquear los efectos de citocinas proinflamatorias sobre células endoteliales y neutrófilos. También estimula la angiogénesis y activa fibroblastos; así, tiene un papel importante en la inducción de la curación y la reparación.

4.3 Células de la inmunidad innata residentes en tejidos

IL-12 Primer anticuerpo anti-IL-12

En tejidos periféricos, tanto las células inmunitarias residentes, como células componentes de los tejidos, son cruciales para la defensa innata contra infección (figura 4-12). 4.3.1 Células epiteliales

Segundo anticuerpo anti-IL-12 (epítopo diferente)

Anticuerpo anti-IgD marcado con enzima

Sustrato enzimático

Aparición de color

Figura 4-10 Análisis de la secreción de citocina I: valoraciones inmunosorbentes ligadas a enzima. Las citocinas en solución pueden valorarse al utilizar ELISA, al igual que cualquier otra molécula para la cual se dispone de anticuerpos que reconocen diferentes epítopos. En un procedimiento de múltiples etapas, como se ilustra para la IL-12, un anticuerpo específico puede fijarse a una superficie para captar la citocina,

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¿De qué modo la activación del sistema de alarma lleva a la generación de mecanismos efectores que pueden matar un agente infeccioso o limitar el crecimiento y la diseminación del mismo? Algunos efectos son muy directos. Por ejemplo, la activación de células epiteliales estimula la liberación de proteínas pequeñas con efectos antimicrobianos directos; éstas comprenden las defensinas y otras familias de moléculas. Muchas de estas moléculas parecen funcionar al insertar poros en la superficie del microbio, lo que causa lisis osmótica. Ha resultado difícil definir la función de las defensinas en la inmunidad, porque son tantas que es imposible efectuar deleción de todos los genes que codifican para ellas en ratones transgénicos. Un ejemplo es proporcionado por las células de Paneth en las criptas del intestino delgado que sintetizan defensinas después de estimulación de TLR. Para hacerse microbicidas estas defensinas necesitan ser activadas por una enzima llamada matrilisina y, si se efectúa deleción (knockout) del gen que codifica para esta enzima en ratones, se hacen más susceptibles a infección intestinal por Salmonella. Las células epiteliales no son las únicas células que sintetizan defensinas; por ejemplo, estas moléculas también son almacenadas en neutrófilos, y son liberadas en el momento de reconocimiento de agonistas (véase más adelante). Otro grupo de moléculas, cuyas funciones están estrechamente relacionadas con las defensinas, son las catelicidinas, que también son péptidos antibacterianos pequeños. Una de estas mo-

y puede añadirse un segundo anticuerpo contra un epítopo diferente sobre la citocina para detectar la citocina unida. La unión del segundo anticuerpo puede detectarse al añadir un tercer anticuerpo anti-Ig marcado con enzima. La adición de un sustrato enzimático lleva a la producción de un producto de reacción coloreado que puede medirse cuantitativamente. Al comparar esto con una preparación estándar de la citocina, es posible medir la concentración. Este tipo particular de ELISA se conoce como ELISA sándwich (lo que se refiere a los dos anticuerpos anti-IL-12 diferentes que se usan); también se llama una valoración de captura de antígeno.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Permeabilización

IL-12 intracelular

Anticuerpo anti-IL-12

Macrófago

No hay IL-12

No hay marcado de anticuerpo

Anticuerpo anti-Ig fluorescente

Número de células

Célula testigo

IL-12 negativa

IL-12 positiva

Intensidad de la fluorescencia

Figura 4-11 Análisis de la secreción de citocina II: citometría de flujo intracelular. Puede ser importante saber cuáles células individuales en una población están secretando una molécula particular; para determinar esto, células en suspensión son permeabilizadas, lo que permite que entren anticuerpos. La unión a anticuerpo es detectada mediante marcado fluorescente, y las células se analizan en un citómetro de flujo. Esto permite la identificación de tipos de célula específicos por su expresión de moléculas de superficie celular particulares (marcadores fenotípicos), y determinar si la célula ha sintetizado las citocinas en cuestión. Esta técnica se ilustra para una población mixta de macrófagos en los cuales sólo un subgrupo está secretando IL-12; el análisis de marcadores fenotípicos, que puede hacerse de manera simultánea, no se muestra.

léculas es liberada por células epiteliales de las vías urinarias hacia la orina después de contacto con bacterias. Al usar ratones con deleción del gen que codifica para catelicidina (Camp), se mostró que la catelicidina derivada de células epiteliales desempeña un papel importante en la protección contra infección por Escherichia coli. Además, en seres humanos, cepas de E. coli resistentes a catelicidina causaron infecciones más graves de las vías urinarias. Así, la catelicidina parece ser un factor clave en la inmunidad de la mucosa en las vías urinarias (figura 4-13). 4.3.2 Mastocitos Todos los tejidos conjuntivos contienen mastocitos que desempeñan papeles cruciales tanto en la defensa como en la inmunopatología; quien padezca fiebre del heno, culpe a sus mastocitos.

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Los mastocitos tienen propiedades y funciones muy similares a las de los basófilos sanguíneos, una de las líneas de granulocitos. Los mastocitos son células derivadas de la médula ósea, pero no está claro cómo se relacionan con otras células hematopoyéticas en términos de sus orígenes. Pueden desarrollarse de manera independiente de los precursores tanto mieloides como linfoides comunes (CMP y CLP) (figura 4-14). ¿Qué hacen los mastocitos? A diferencia de muchas otras células inmunitarias, los mastocitos pueden actuar de inmediato en el momento de la estimulación. Sus gránulos almacenan mediadores como la histamina y otros mediadores inflamatorios que pueden liberarse con mucha rapidez cuando se desgranulan. Incluso puede hacerse que los mastocitos se desgranulen por fuerzas mecánicas. Trate el lector de marcar su piel al deslizar una punta roma sobre la parte interna del brazo. ¿Qué observa? Debe ver una serie de cambios a lo largo de la trayectoria de la marca; pri-

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4.3

Células de la inmunidad innata residentes en tejidos

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Secreción de péptidos antimicrobianos

Células epiteliales

Secreción de citocinas PRR (p. ej., TLR)

Macrófago

Fagocitosis Secreción de citocinas y otros mediadores

Mastocito

Secreción de citocinas y otros mediadores

Célula dendrítica

Inicio de inmunidad adaptativa

Fibroblasto

Reparación de tejido

Inicio de inflamación

Vénula Adhesión de leucocitos Reclutamiento de efector

Figura 4-12 Células de la inmunidad innata residentes en tejido. Las células residentes en tejido pueden detectar la presencia de un microbio o sus productos. Muchas células en tejidos periféricos, como los macrófagos y los mastocitos en tejidos conjuntivos, y células epiteliales en tejidos de mucosas, expresan PRR que reconocen PAMP provenientes de agentes infecciosos. Los agonistas de PRR desencadenan diferentes respuestas celulares, que a menudo incluyen secreción de citocina que desencadena inflamación e inicia respuestas inmunitarias innatas. Las DC, que muestran respuesta a los PAMP o a las señales emitidas por otras células residentes, quedan activadas y empiezan a desencadenar respuestas inmunitarias adaptativas. Otras células residentes en tejido, como los fibroblastos, están involucradas en la reparación de tejidos dañados por el microbio.

mero, un enrojecimiento local, a continuación un enrojecimiento que se disemina en dirección lateral desde la marca. Por último, en algunos de quienes hagan esto, después de 1 o 2 min habrá un área más pálida elevada a lo largo de la marca (edema). Ésta es la respuesta triple clásica descrita durante el decenio de 1920. Se debe a daño mecánico de mastocitos que causa desgranulación y la liberación de histamina. P4.7. ¿Cómo podría mostrarse que la respuesta triple se origina por histamina? Además de estos mediadores almacenados, los mastocitos pueden sintetizar con rapidez, pero más tarde, otros mediadores inflamatorios. Son en particular importantes los eicosanoides —productos del metabolismo del ácido araquidónico, como las prosta-

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glandinas y los leucotrienos—. Dichas moléculas también están estrechamente involucradas en la inflamación aguda. Evidencia de esto proviene de la eficacia en el tratamiento de enfermedades inflamatorias con fármacos como la indometacina, que inhiben las ciclooxigenasas, enzimas involucradas en la desintegración del ácido araquidónico y la síntesis de estos mediadores. Los mastocitos también pueden sintetizar y secretar citocinas, en especial TNF-␣ que activa el endotelio y promueve la inflamación; IL-3, IL-5 y factor estimulante de colonias de granulocitos-macrófagos (GM-CSF) que estimulan la producción de eosinófilos a partir de la médula ósea, y su activación, y quimiocinas que atraen monocitos y neutrófilos (véase más adelante). También producen IL-4 e IL-13 que promueven respuestas Th2 (capítulo 5). Aunque los mastocitos son susceptibles a daño mecánico, esto no representa el mecanismo de desencadenamiento habitual.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Figura 4-13 Péptidos antimicrobianos. Las células como las epiteliales de mucosas y los neutrófilos pueden ser estimuladas por PAMP para que secreten péptidos que tienen propiedades antimicrobianas directas. Moléculas como las defensinas y las catelicidinas parecen actuar mediante varios mecanismos, entre ellos alteración de la membrana bacteriana y otras acciones sobre blancos intracelulares dentro del microbio.

Epitelio

Alteración de membrana Bacteria Defensinas y catelicidinas

Bacteria PRR Neutrófilo

Bacteria

En la inflamación aguda los mastocitos pueden ser desencadenados por dos péptidos pequeños derivados del complemento, C3a y C5a, así como por proteínas derivadas de neutrófilos y eosinófilos. Además de receptores para C3a y C5a, los mastocitos poseen varios otros receptores de complemento, pero sus funciones no están bien definidas. Con todo, el mecanismo de desencadenamiento de mastocitos con el cual el ser humano está más familiarizado es el estimulado por pólenes y otros alérgenos (sección 1.6.4.2); ésta no es inmunidad innata, porque depende de IgE, pero es otro ejemplo que muestra que en los mamíferos es difícil separar las inmunidades innata y adaptativa.

P4.8. ¿Cómo podrían las células cebadas ser capaces de “detectar” daño mecánico?

4.3.3 Macrófagos En términos evolutivos, los macrófagos representan uno de los componentes más antiguos de la inmunidad innata, y una de sus funciones más obvias es la fagocitosis de partículas, incluso microbios. Lo anterior fue reconocido por Metchnikoff en el siglo XIX 3

2 PAMP

C3a

C5a Receptores de complemento

PRR 4

1

IgE

Daño mecánico

Antígeno

Receptor Fc para IgE

Liberación rápida de histamina, proteasas, citocinas preformadas

Síntesis de mediadores lípidos (leucotrienos, prostaglandinas) y de citocinas

Figura 4-14 Funciones de los mastocitos. Los mastocitos son residentes en tejidos conjuntivos de todo el cuerpo. Pueden ser activados por 1) daño mecánico, 2) por PAMP que actúan sobre sus PRR, 3) por medio de moléculas pequeñas, como los fragmentos del complemento C3a y C5a, o 4) por medio de entrecruzamiento de IgE unida a sus FcR específicos. La activación da lugar a desgranulación muy rápida, con liberación de histamina y algunos otros mediadores preformados, almacenados, entre ellos algunas citocinas, y la síntesis y liberación más tardías de mediadores lípidos, como leucotrienos y prostaglandinas, y de muchas citocinas y quimiocinas.

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4.3

cuando vio células en estrellas de mar que fagocitaban partículas extrañas, y sugirió que la fagocitosis podría ser importante para la defensa; ésta fue parte de la investigación por la cual se le otorgó un premio Nobel; estas células, llamadas amebocitos, quizá sean los ancestros filogenéticos de los macrófagos. Los macrófagos son fagocíticos; pueden fagocitar microbios y después liberar moléculas hacia el fagosoma, donde el microbio puede ser muerto y digerido. 4.3.3.1

Macrófagos residentes

Los macrófagos residentes se encuentran en todos los tejidos conjuntivos laxos por debajo de epitelios y dentro de órganos sólidos; dichas células están especializadas para sus propios nichos anatómicos particulares. Por ejemplo, hay macrófagos en el hígado (células de Kupffer), el riñón (células mesangiales), el pulmón (macrófagos alveolares), hueso (osteoclastos) y sistema nervioso central (células de la microglía); pueden compartir algunas funciones, pero en otros aspectos cada uno está adaptado de manera específica a su propio ambiente. Por ejemplo, todos los macrófagos probablemente pueden ayudar a reformar tejidos durante el desarrollo normal al eliminar células apoptóticas y regular el desarrollo de vasos sanguíneos (angiogénesis), y ayudan también a regular la cicatrización de heridas después de traumatismo. Como ejemplos de sus especializaciones tisulares, la microglia del cerebro y los macrófagos en la lámina propia intestinal muestran muy poca capacidad de respuesta a diversos estímulos en comparación con los macrófagos peritoneales. Los que se encuentran en el intestino, y tal vez en otros tejidos de mucosas, quizá desempeñan una función importante en el mantenimiento de la función de barrera de la capa epitelial y, así, ayudan a limitar la inflamación y contribuyen a la reparación si ocurre daño. La importancia de los macrófagos en las funciones tisulares (homeostasis) y en el desarrollo, normales, es demostrada, por ejemplo, por ratones en los cuales el desarrollo de macrófagos es defectuoso, lo que da lugar a defectos importantes de la formación de hueso. Vale la pena notar que las deficiencias de estos macrófagos sólo son parciales; la deficiencia completa de macrófagos probablemente es incompatible con la vida. El daño y la inflamación de tejido llevan al reclutamiento de nuevas poblaciones de macrófagos hacia los tejidos a partir de sus precursores, los monocitos sanguíneos (sección 4.4.4). En las respuestas inflamatorias agudas, los monocitos son reclutados después de flujo de entrada inicial de neutrófilos. Estos monocitos reclutados pueden desarrollarse hacia macrófagos, llamados macrófagos inflamatorios, que tienen propiedades y funciones que difieren de las de los macrófagos residentes. En otras circunstancias pueden adquirir funciones muy diferentes. Conviene considerar a los macrófagos residentes células de alarma que ayudan a desencadenar inflamación si ocurre infección, pero su importancia relativa como células efectoras en relación con macrófagos recién reclutados no está clara (figura 14-15). P4.9. Si se aíslan células de Kupffer a partir del hígado de un ratón, y se prueban respecto a su capacidad para sintetizar intermediarios de oxígeno reactivos, son muy ineficientes en comparación con macrófagos recién reclutados. ¿Por qué podrían las células de Kupffer estar adaptadas de esta manera?

4.3.3.2

Fagocitosis

La endocitosis se refiere a la captación de moléculas y partículas en la cual las sustancias son llevadas al sistema endosomal; la

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Células de la inmunidad innata residentes en tejidos

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fagocitosis se refiere a la captación de partículas hacia el mismo sistema. La fagocitosis probablemente siempre está mediada por receptor, aunque en algunos casos este último no se ha identificado. En circunstancias normales la fagocitosis es una propiedad de un rango limitado de células como los macrófagos y los neutrófilos que tienen importancia particular en la defensa. Aun así, la capacidad para fagocitar puede inducirse en células que en circunstancias normales son no fagocíticas. Las bacterias Salmonella, cuando se adhieren a las células epiteliales del intestino, inyectan parte de sus propias proteínas en la célula; esto hace a la célula epitelial capaz de fagocitar la bacteria (sección 2.4.2.4). No todas las formas de fagocitosis son iguales desde el punto de vista morfológico. En muchos casos el fagocito extiende prolongaciones alrededor de la partícula, que a continuación es llevada hacia el cuerpo de la célula. En algunos casos, como en macrófagos que fagocitan por medio del receptor de complemento CR1, la partícula se hunde en la célula. Las bacterias Legionella (la causa de la enfermedad de los legionarios) inducen fagocitosis en la cual la membrana plasmática del macrófago se envuelve alrededor de la bacteria. La importancia de estos patrones diferentes permanece en su mayor parte oscura. La base molecular de la fagocitosis se está entendiendo mejor. La unión de una partícula a un receptor inicia emisión de señales que da pie a la activación del citoesqueleto de actina de la célula, lo cual comprende la activación de la familia Rho de GTPasas pequeñas. Para receptores Fc (FcR) éstos incluyen Rac y Cdc42, mismos que inician la polimerización de actina, lo que da por resultado la emisión de extensiones de membrana que rodean la partícula. Esa forma de fagocitosis depende de interacciones secuenciales entre el FcR y el anticuerpo; “acción de cremallera”. Esto se mostró de manera más directa al usar partículas en las cuales sólo parte de la partícula estuvo cubierta con anticuerpo, y en estos casos sólo hubo internalización parcial; así, la fagocitosis no es “desencadenada” por una interacción ligando-receptor única. Para la fagocitosis por medio de receptores de complemento, es Rho la que está involucrada (figura 4-16). 4.3.3.3

Receptores fagocíticos sobre macrófagos

Quizá no sorprende que aún se están descubriendo nuevos receptores fagocíticos expresados por macrófagos, los cuales son “fagocitos profesionales”, y necesitan ser capaces de lidiar con una enorme gama de microbios, así como con componentes propios, como células apoptóticas. Cuando se descubre un receptor, puede probarse respecto a su capacidad para unirse a ligandos potenciales y, por supuesto, pueden identificarse muchos. De cualquier modo, esto no dice la función real de estos receptores, o si han evolucionado para defender contra infección, para mediar funciones homeostáticas, o para ambos fines. Los macrófagos residentes desempeñan funciones esenciales en el remodelado de tejidos durante el desarrollo; por ejemplo, son cruciales para eliminar células que han muerto por apoptosis. La apoptosis es un mecanismo de muerte celular; el otro es la necrosis. La importancia de la apoptosis radica en que es silenciosa desde el punto de vista inmunitario, mientras que la necrosis (p. ej., la que se produce por traumatismo) por lo general se asocia con inflamación, lo que suele llevar a daño tisular y formación de tejido cicatrizal. Los macrófagos tienen diversos receptores que les permiten internalizar células apoptóticas, y fragmentos de células llamados cuerpos apoptóticos, sin generar una respuesta inflamatoria.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

PAMP Estímulos inflamatorios PRR

Macrófago recién reclutado

Monocito sanguíneo

IFNLPS TFN- ␣

Macrófago inflamatorio

Macrófago activado ROI, RNI

Factores de crecimiento angiogénico y de fibroblastos

Antimicrobianos Fagocitosis aumentada

Mediadores inflamatorios

Muchas enzimas (desintegración de tejido)

MHC clase II

FcgRI Actividad microbicida aumentada

Figura 4-15 Activación de macrófagos. Los monocitos sanguíneos son reclutados hacia tejidos inflamados, donde pueden diferenciarse hacia macrófagos. La estimulación por medio de PRR u otros receptores da pie a cambios en sus propiedades, que incluyen capacidad fagocítica aumentada, secreción de enzimas como elastasa y colagenasa, y de factores de crecimiento angiogénico y de fibroblastos; estas células ahora se conocen como macrófagos inflamatorios. Si estas células son cebadas por citocinas como IFN-␥ (el más importante) o TNF-␣, y estimuladas por medio de PRR, por ejemplo, por LPS, pueden adquirir potentes propiedades antimicrobianas. Estos macrófagos activados por completo producen muchas especies de oxígeno y nitrógeno reactivas (ROI, RNI), y adquieren FcR específicos (p. ej., FC␥R1) para dirigir microbios opsonizados hacia su maquinaria microbicida. La fuente temprana más importante de IFN-␥ probablemente son las células NK. Los macrófagos activados tienen expresión aumentada de moléculas del MHC clase II, lo que permite reconocimiento más tarde por células T CD4 activadas y suministro de IFN-␥.

Como regla general parece ser que algunos de los receptores apoptóticos, como CD36 (un receptor recolector al que ya se hizo referencia), pueden inhibir respuestas inflamatorias, como las que pueden generarse por medio de TLR. En contraste, otros receptores que están involucrados en la fagocitosis por macrófagos, como algunos de los FcR, pueden desencadenar potentes respuestas antimicrobianas en las células, e inducir también inflamación. No obstante, dado que éstos son mecanismos dependientes de anticuerpos, quizá estén más estrictamente relacionados con la inmunidad adaptativa. Es difícil evaluar la importancia de estos diferentes receptores en la enfermedad infecciosa en seres humanos, pero la investigación con modelos en animales, en particular ratones con deleción (knockout) de gen, sugiere que pueden desempeñar funciones en las etapas iniciales de infección. De este modo, los ratones que carecen de un tipo de receptor recolector son más susceptibles a infección por bacterias grampositivas (recuadro 4-4). P4.10. ¿Cómo podría intentarse descubrir un receptor de macrófago fagocítico nuevo?

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4.3.4 Células endoteliales e inflamación Las células endoteliales son la puerta entre la sangre y sitios de inflamación o infección. Son las propiedades de las células endoteliales las que determinan el reclutamiento de las moléculas y células esenciales para la defensa contra la infección. En el capítulo 3 se describe la fenomenología de los eventos anteriores; aquí se comentan los mecanismos celulares y moleculares subyacentes. Una pregunta importante es cómo la infección, que en muchos casos está limitada al epitelio, induce los cambios en las células endoteliales que permiten el egreso de macromoléculas y células desde vénulas, cuando estas vénulas están relativamente distantes del sitio de la infección real. De este modo, por ejemplo, en la infección gonocócica de la trompa uterina (de Falopio), las bacterias se fijan a la superficie luminal del epitelio y no entran a los tejidos conjuntivos, pero las vénulas que despliegan cambios yacen en planos profundos en los tejidos conjuntivos. La respuesta es, por supuesto, que las células de alarma residentes, como las células

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4.3

Células de la inmunidad innata residentes en tejidos

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Recuadro 4-4 Estudio de la apoptosis y de la necrosis en el sistema inmunitario Las células pueden morir de dos maneras. La apoptosis representa una muerte tranquila. En circunstancias normales no lleva a inflamación, y las células apoptóticas son eliminadas con rapidez in vivo, en su mayor parte por macrófagos. La apoptosis es un proceso fisiológico involucrado en la organización de tejido (p. ej., en la destrucción de membranas interdigitales embrionarias, que lleva a la formación de espacios entre los dedos del ser humano). La apoptosis también es inducida en células por células T citotóxicas y células NK; por otro lado, la necrosis es un proceso patológico; las células necróticas liberan su contenido hacia su ambiente, y a menudo estimulan inflamación. Si una célula apoptótica no es eliminada mediante fagocitosis en algunas horas, puede presentar necrosis. Experimentalmente, la lisis de células mediada por complemento causa necrosis inmediata. La magnitud de la necrosis puede medirse en un citómetro de flujo por medio de un colorante fluorescente, típicamente yoduro de propidio (PI), que entra a través de las membranas alteradas de células necróticas y se une al DNA en el núcleo. La apoptosis puede evaluarse de varias maneras. 1) Uno de los datos característicos de la apoptosis es la desintegración temprana de DNA. Esto puede evaluarse en poblaciones masivas de células por medio de electroforesis. El DNA es desintegrado hacia fragmentos de múltiplos de 180 pares de bases (que representan un nucleosoma de DNA) y después de electroforesis se observa como un patrón escalonado. 2) La desintegración de DNA también puede visualizarse mediante la valoración TUNEL (marcado del extremo de muesca con dUTP mediado por desoxinucleotidil transferasa terminal). El DNA apoptótico tiene múltiples extremos 3´ libres. Éstos pueden detectarse por medio de la enzima desoxinucleoti-

epiteliales, los macrófagos y los mastocitos, expresan PRR que muestran respuesta a PAMP microbianos al secretar citocinas y quimiocinas que se difunden hacia las células endoteliales y modulan sus funciones. 4.3.4.1

Migración transendotelial de leucocitos (figura 4-18)

Diferentes tipos de molécula regulan la migración de leucocitos desde la sangre hacia los tejidos (sección 1.5.2). Los neutrófilos expresan de manera constitutiva ligandos de selectina, pero las células endoteliales en reposo no expresan las selectinas correspondientes de código “postal” o “zip”; sin embargo, si las células endoteliales se tratan con histamina, TNF-α o IL-1 aumentan la expresión de selectinas P y E, lo que permite la interacción rodante. Entonces, la adhesión firme de leucocitos a células endoteliales está mediada por moléculas de integrina. Una manera en la cual esto se mostró fue al usar anticuerpos que se unen a integrinas de leucocito: cuando se inyectaron por vía intravenosa estos anticuerpos no interfirieron con el rodamiento de leucocitos, pero evitaron la adhesión firme. Las integrinas pueden existir en dos estados conformacionales cuya afinidad difiere para sus ligandos. Los neutrófilos en reposo expresan la forma de afinidad baja. La activación de integrinas de neutrófilo a la forma de afinidad alta requiere emisión de señales por medio de un receptor de quimiocina acoplado a proteína G (GPCR) sobre la superficie del

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dil transferasa terminal (la enzima que es importante en la generación de la diversidad del receptor de células T y B [TCR y BCR]) para añadir un nucleótido modificado a estos extremos. A continuación el nucleótido modificado puede detectarse con técnicas de inmunohistoquímica estándar. 3) Otra característica de las células apoptóticas es que la fosfatidilserina, por lo general un componente de la capa interna de la membrana plasmática, se transloca hacia la capa externa al principio del proceso apoptótico. La anexina V es una proteína que se une de manera específica a la fosfatidilserina, y la unión de anexina V puede detectarse por medio de anticuerpos; esto es muy útil en análisis de citometría de flujo conjuntamente con tinción con PI. De este modo, las células que están pasando por apoptosis pueden detectarse de varias maneras (figura 4-17). En inmunología celular es importante ser capaz de detectar células que han sido muertas por células T citotóxicas o células NK. Los análisis más antiguos se basaron en la liberación de cromo radiactivo. El cromo pasa por la membrana plasmática y se une a macromoléculas intracelulares; éstas son liberadas cuando la membrana plasmática se desintegra en la necrosis. Así, aunque las células citotóxicas inducen apoptosis, hacia las 6 a 8 h después de la muerte sus blancos se hacen necróticos y liberan cromo. En fecha más reciente se han creado análisis en los que no se utiliza cromo. En el análisis JAM se utiliza la liberación de fragmentos de DNA marcados, mientras que en otros análisis se mide la liberación de enzimas como la deshidrogenasa láctica. ¿Qué significa valoración “JAM”? Significa “sólo otro método” (“just another method”).

neutrófilo. ¿De qué modo los neutrófilos encuentran una quimiocina? Las quimiocinas secretadas por células innatas epiteliales o residentes en el tejido en respuesta a infección se difunden hacia el endotelio. Son captadas por células endoteliales y transportadas sobre la superficie luminal, donde se unen a moléculas altamente glucosiladas. La actividad rodante de los neutrófilos les permite interactuar con las quimiocinas unidas, lo que lleva a afinidad aumentada de integrina, y adhesión firme de la célula y aplanamiento de la misma (figura 4-18). P4.11. La selectina L es la molécula usada por los linfocitos para adherirse laxamente a células endoteliales en vénulas endoteliales altas de ganglios linfáticos. Los neutrófilos y monocitos también expresan selectina L, pero no emigran hacia ganglios linfáticos en circunstancias normales. ¿Por qué podría ser esto? Los leucocitos estrechamente adherentes a continuación migran entre las uniones intercelulares del endotelio y cruzan hacia los tejidos extravasculares. Varias otras moléculas expresadas tanto sobre las células endoteliales como sobre los leucocitos median esta transmigración. Los leucocitos por lo general cruzan entre las uniones de las células endoteliales pero, en algunos casos, en realidad parecen migrar a través de las células endoteliales. Una

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Complemento Receptor de complemento

Receptor Fc Anticuerpo Polimerización de actina Rac Cdc42

Activación

Activación de Rho

Polimerización de actina

Fusión lisosomal Degradación

Figura 14-16 Fagocitosis por macrófagos. Los macrófagos pueden internalizar partículas de varias maneras. En la figura se ilustran dos de los mecanismos más importantes. Las partículas cubiertas por anticuerpo se unen a FcR, y esto estimula la extensión de prolongaciones citoplasmáticas dependientes de actina que rodean la partícula mediante un mecanismo de cremallera. En contraste, las partículas cubiertas con C3b o iCeb del complemento parecen “hundirse” en la célula, pero esto, de nuevo, es dependiente de actina. La activación del citoesqueleto de actina comprende emisión de señales por medio de las GTPasas de la familia Rho, de las cuales se muestran ejemplos. En ambos casos la vacuola que contiene la partícula, el fagosoma, se fusiona con lisosomas, que descargan sus enzimas contenidas hacia el fagosoma.

vez que han cruzado el endotelio, las células pueden tener que penetrar en la membrana basal para llegar a los microbios que están produciendo infección, y es probable que las proteasas secretadas por los leucocitos estén involucradas en la desintegración de la membrana, o del tejido conjuntivo, o de ambos. La permutación y combinación de diferentes moléculas que se usan para reclutar diferentes poblaciones de leucocitos desde la sangre hacia diferentes sitios pueden considerarse un principio de código postal (sección 3.3.3.2) (figura 4-18). P4.12. ¿Puede pensar en algunas situaciones en las cuales el entendimiento del principio de “código postal” puede llevar a innovaciones en el tratamiento de enfermedad?

4.3.4.2 Regulación del reclutamiento de leucocitos por células endoteliales

Estudios adicionales han revelado que las células endoteliales son más que sólo elementos pasivos en respuestas inflamatorias; tienen capacidades intrínsecas para controlar el reclutamiento de leucocitos por sí mismas. Un tipo de activación endotelial puede ser desencadenado por la histamina, que estimula las células endoteliales para que sinteticen óxido nítrico, el cual actúa sobre el músculo liso para causar dilatación de arterias de pe-

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queño calibre, lo que da pie a flujo sanguíneo aumentado. La histamina también induce la desintegración de uniones intercelulares herméticas (zonas de oclusión) entre células endoteliales en vénulas, lo que conduce a escape de líquido hacia el tejido, y promueve la unión de neutrófilos al estimular la expresión de selectina P; esto típicamente ocurre durante algunos minutos, y después se desactiva. En contraste, las citocinas proinflamatorias como la IL-1 y el TNF-α causan otro tipo de activación que lleva a respuestas diferentes y más sostenidas. Despierta interés que una característica de este tipo de respuesta es que las células endoteliales cambian de manera espontánea su capacidad para reclutar diferentes leucocitos, inicialmente neutrófilos; más tarde, monocitos y, si ha ocurrido una respuesta adaptativa, también células T efectoras. La naturaleza de estas respuestas y la cronología de las mismas pueden relacionarse con la cronología diferente de la liberación de histamina (muy rápida) y de citocinas (más lenta, que requiere síntesis de proteína). Junto con el hecho de que distintos tipos de células pueden secretar diferentes citocinas proinflamatorias con distinta cinética, y de que las células endoteliales al parecer tienen cierta autonomía en el control de los diferentes tipos de células que pueden reclutar, puede observarse que el reclutamiento de leucocitos es un proceso muy complejo y estrechamente regulado, y que el entendimiento actual de este proceso probablemente es muy incompleto.

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4.4

Célula sana

Efectores de la inmunidad innata reclutados

153

Citometría de flujo en dos colores Fosfatidilserina interna

Yoduro de propidio

Célula apoptótica Fosfatidilserina expuesta

Yoduro de propidio

Anexina V

Células necróticas

Anexina V Célula necrótica Fosfatidilserina Anexina V

Membrana plasmática intacta

Yoduro de propidio

Células sanas

Células apoptóticas

Anexina V

Yoduro de propidio Membrana plasmática permeable

Figura 14-17 Evaluación de la apoptosis y de la necrosis. Las células apoptóticas “voltean” fosfatidilserina desde la superficie interna hacia la externa de la membrana plasmática, donde puede ser detectada por la unión de anexina V fluorescente. Con todo, sus membranas plasmáticas aún están intactas, y esto evita la entrada de moléculas como yoduro de propidio (PI), que se une a DNA. Aun así, en células necróticas el PI puede entrar a la célula y tener acceso al DNA y unirse al mismo. Usando citometría de flujo en dos colores, las células apoptóticas (anexina V-positivas) pueden distinguirse de las células necróticas (anexina V y PI-doble positivas) y de las células vivas (negativas para ambas). En la figura se muestra un gráfico de puntos según se genera mediante citometría de flujo en dos colores.

4.4 Efectores de la inmunidad innata reclutados Los efectores que son reclutados un poco más tarde en la respuesta inmunitaria innata comprenden tanto moléculas solubles (p. ej., complemento) como células (p. ej., neutrófilos y monocitos). El reclutamiento eficiente de estos componentes de la inmunidad innata es esencial para desencadenar recuperación luego de infección y, más tarde, curación y reparación eficaces de los tejidos dañados. Primero se comentarán algunos ejemplos de diferentes clases de PRR solubles, antes de considerar el complemento con mayor detalle. P4.13. ¿Adónde van todas las moléculas que entran en tejidos inflamados?

4.4.1 Moléculas reclutadas Algunos PRR no están asociados a células, sino más bien son secretados. Entre éstos figuran las colectinas y las ficolinas que reconocen carbohidratos microbianos pero no los del huésped, y algunas pentraxinas que reconocen fosfolípidos de microbios y células apoptóticas. Diferentes miembros de estas familias pueden activar el complemento, lo que ayuda a opsonizar sus microbios unidos; ello promueve su captación por fagocitos y contribuye al inicio de la inflamación aguda (véase más adelante).

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Otro grupo de PRR secretados que son importantes en la defensa son algunos de los surfactantes. Las células epiteliales en los alvéolos de los pulmones secretan surfactantes hacia los espacios alveolares. Algunos de éstos no tienen una función de defensa conocida, y están involucrados en la lubricación de las vías respiratorias, pero se cree que las proteínas surfactantes SP-A y SP-D desempeñan papeles en la defensa al activar el complemento o al agregar bacterias. Los polimorfismos en los genes que codifican para SP-A y SP-D se asocian con riesgo aumentado de infección por virus sincitial respiratorio en niños. Hay interacciones en potencia importantes entre los sistemas de la coagulación y de cinina, y respuestas inflamatorias. El factor XII (factor de Hageman) es una proteína que puede ser activada por contacto con superficies que tienen carga negativa, como el colágeno en tejidos extravasculares. Esto inicia la cascada de la coagulación, pero también puede iniciar la cascada de cinina, lo que da pie a la formación de bradicinina, que causa permeabilidad vascular aumentada, y es también un estimulador muy potente de fibras nerviosas que transmiten dolor. También hay interacciones directas entre el sistema de coagulación y el sistema de complemento (sección 4.4.2). El factor de Hageman activado también puede dividir el complemento C1, lo que lleva a activación de la vía clásica del complemento. Los factores de la coagulación posteriores —factores X y XI activados— pueden dividir C3 y C5 del complemento, lo que conduce a la producción de C3a y C5a. La proteasa fibrinolítica, plasmina, también puede dividir C3 y C5 de manera directa. Empero, las funciones de estos diferentes mecanismos de activación en la defensa contra infección son difíciles de aclarar.

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154

Capítulo 4

Inmunidad innata

Rodamiento

Afinidad por integrina aumentada

Receptor de quimiocina

Ligando de selectina Selectina E

Integrina Integrina activada

P. ej., LFA-1 Selectina P

Transmigración

Adhesión firme

Quimiocina

Endotelio

P. ej., VCAM-1

Ligandos de integrina inducidos sobre células endoteliales

Cuerpo de Weibel-Palade Quimiocinas

TNF-␣ IL-1

Célula de alarma

Figura 4-18 Células endoteliales y emigración de leucocitos. La emigración de leucocitos desde la sangre hacia los tejidos (extravasación) requiere un grupo de interacciones moleculares altamente regulado, que se muestra aquí para los neutrófilos. 1) Mediadores inflamatorios secretados por células de alarma en respuesta a PAMP, y quizá mediante acción directa de PAMP sobre células endoteliales, estimulan estas últimas para que expresen selectinas E y P sobre su superficie luminal; la selectina P es almacenada en gránulos especializados (cuerpos de Weibel-Palade) en células endoteliales, y es liberada en el momento de la activación de la célula endotelial. Los neutrófilos tienen ligandos complementarios que hacen interacciones de baja afinidad con las selectinas, lo que les permite rodar a lo largo del endotelio. 2) Las quimiocinas, secretadas por células de alarma, son translocadas a través del epitelio, y se unen a moléculas glicosiladas sobre la superficie luminal. Los receptores de quimiocina sobre los neutrófilos reconocen las quimiocinas correspondientes y emiten señales a moléculas de integrina, lo que aumenta su afinidad por sus ligandos. 3) La expresión nueva de estos ligandos correspondientes (p. ej., estimulados por señales de alarma) permite a los neutrófilos adherirse estrechamente, y aplanarse sobre el endotelio. 4) Otras moléculas, como CD31, a continuación permiten a los neutrófilos migrar entre las células endoteliales, o a través de las mismas, hacia el tejido conjuntivo subyacente.

4.4.2 Sistema de complemento El complemento tiene importancia crucial en la inflamación y en la defensa contra microbios (sección 1.5.5.2). También tiene funciones importantes en la eliminación de células y macromoléculas del huésped dañadas o alteradas. Aquí se comentarán la naturaleza del complemento, su activación y regulación, y sus funciones. ¿Qué es el complemento? Algunos aspectos cruciales por entender acerca del complemento son: i) Representa un sistema integrado de cerca de 30 proteínas solubles presentes en abundancia en la sangre, pero no presentes en grandes cantidades en tejidos extracelulares normales. Los macrófagos inflamatorios pueden producir muchos de estos componentes, si no es que todos, y su secreción local puede aumentar la disponibilidad de complemento en sitios inflamatorios. Además, hay al menos ocho receptores de complemento expresados por diferentes células, y tres reguladores del complemento unidos a membrana expresados en casi todas las células del huésped.

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ii) Muchos componentes del complemento forman una cascada, lo que significa que la activación de un componente lleva a la activación de más componentes en la siguiente etapa; la activación del complemento se basa en parte en una serie de divisiones enzimáticas (proteolíticas). iii) El complemento es activado sobre superficies, en circunstancias normales superficies microbianas o superficies del huésped dañadas; con todo, tiene el potencial de unirse a células del huésped normales y atacarlas. iv) La activación del complemento debe estar altamente regulada; si los componentes del complemento son activados, pero no se unen a un microbio, pueden fijarse a células del huésped que, por ende, deben protegerse a sí mismas contra el ataque (el papel de los tres reguladores del complemento unidos a membrana antes mencionados). De otro modo, son desactivados con rapidez. v) El complemento tiene al menos cuatro papeles funcionales principales en la defensa: induce inflamación aguda; opsoniza microbios para la fagocitosis; mata algunos microbios al inducir lisis coloidosmótica, y ayuda a eliminar material dañado del huésped (como células apoptóticas). También ayuda a solubilizar complejos de anticuerpo-antígeno o a eliminarlos

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4.4

de la circulación al romper las rejillas. El complemento también ayuda a regular la activación de células B en respuestas adaptativas (capítulo 6). 4.4.2.1

Activación y funciones del complemento

La cascada del complemento puede activarse mediante tres vías, las cuales se conocen como las vías de la lectina, clásica y alternativa, de activación del complemento. Salvo por los componentes involucrados en su activación inicial (véase más adelante), las vías de la lectina y clásica son idénticas; ambas cascadas comprenden de manera secuencial los componentes C1 a C9, con la única excepción de que C4 es activado antes que C3. Note también que la división de componentes del complemento genera subunidades pequeñas y grandes que se designan “a” y “b”. La vía alternativa involucra proteínas diferentes, incluso los factores B, D, H, I y properdina (figura 4-19). La activación inicial de las vías de la lectina y clásica lleva a la formación de un complejo molecular de C4b con C2a (C4b2a), mientras que la activación de la vía alternativa produce un complejo de C3b con Bb (C3bBb). El aspecto crucial acerca de estos complejos es que son C3 convertasas que pueden dividir C3 y activarlo. Por ende, las tres vías de activación se unen en C3 y a partir de entonces es igual el resto de la vía, que involucra C5, C6, C7, C8 y C9. Aun así, recuerde que la activación sucesiva de los componentes tempranos ocurre sobre superficies, típicamente de microbios, y que el número de componentes es amplificado en varios pasos. Las funciones fundamentales del complemento en la defensa innata del huésped están mediadas por diferentes componentes del complemento, como sigue (figura 4-19):

Efectores de la inmunidad innata reclutados

155

transportan estos complejos al hígado, donde son captados y degradados con eficacia por macrófagos hepáticos, las células de Kupffer, y los eritrocitos son liberados. Ahora se profundizará un poco más acerca de las diferentes vías de activación, y a continuación se comentarán algunos ejemplos de cómo están reguladas, se describirán algunas consecuencias de los defectos de componentes del complemento, y se mencionará cómo algunos agentes patógenos pueden subvertir el sistema de complemento. Activación de la vía de la lectina La lectina de unión a manosa (MBL) es una molécula de PRR soluble, poco abundante, que pertenece a la familia de la colectina. Es secretada por hepatocitos en mayores cantidades durante la respuesta de fase aguda inflamatoria. Se une a tipos específicos de agrupaciones de azúcar que se encuentran sobre muchas bacterias y hongos (levaduras), y a algunos virus, pero no sobre células huésped. La MBL está asociada con dos proteasas, las serinas proteasas asociadas a MBL (MASP)-1 y -2 que quedan activadas cuando se une. Éstas dividen los dos componentes del complemento siguientes para formar una C3 convertasa y, así, desencadenar el resto de la vía. De esta manera la vía de la lectina puede mediar la opsonización y el inicio de inflamación aguda. Las ficolinas también se asocian con la proteasa MASP-2, y pueden unirse a blancos y activar complemento mediante la vía de la lectina. Todavía no se establece la especificidad molecular de las ficolinas, pero ciertamente pueden unirse a muchas bacterias.

El primer componente de la vía clásica, C1q, también está asociado con dos proteasas (C1r y C1s), las cuales son muy homólogas a las MASP, y quedan también activadas cuando C1q se une a un blanco, lo que lleva a la formación de una C3 convertasa. C1q puede unirse de manera directa a muchos tipos de blanco: bacterias gramnegativas, algunos virus, partículas de células dañadas (mitocondrias, cromatina) y proteínas del huésped alteradas (p. ej., amiloides y anticuerpos que ya están unidos a su antígeno). Por razones históricas, la activación de la vía clásica por complejos de anticuerpo-antígeno se ha estudiado de manera muy extensa, pero ahora queda de manifiesto que la unión directa de C1q por bacterias puede ser importante en el inicio de la activación del complemento. La IgM y algunas subclases de IgG son las principales clases de anticuerpos que pueden activar la vía clásica. La IgG puede difundirse hacia tejidos extravasculares normales, mientras que la IgM sólo puede entrar en estos sitios en cantidades importantes cuando la inflamación ha inducido permeabilidad aumentada de vénulas. C1q es mucho más abundante en la sangre que la MBL o las ficolinas, de modo que la vía clásica es la principal vía de activación desde el punto de vista cuantitativo.

Activación de la vía clásica

i) Algunos componentes pueden actuar como opsoninas. C3b, fijo de manera covalente a superficies blanco, es dividido por la proteasa factor I para formar iC3b. Estos dos fragmentos pueden ser reconocidos por receptores del complemento sobre fagocitos (CR1 para C3b, y CR3 y CR4 para iC3b), lo que da pie a fagocitosis del blanco. (Al margen, iC3b se rompe lentamente más hacia C3d, para el cual el receptor es CR2.) CR2 no está involucrado en la fagocitosis, sino en el aumento de las respuestas de célula B (capítulo 6). ii) Los componentes pequeños, difusibles, C3a, C4a y C5a, se llaman anafilotoxinas, las cuales están involucradas en las funciones inflamatorias del complemento; así, C3a es un potente estimulador de la inflamación aguda. Por ejemplo, activa mastocitos para que liberen sus mediadores, y actúa sobre las células endoteliales para estimular la adhesión de leucocitos. C5a también puede activar mastocitos; además, es un potente activador y quimioatrayente para neutrófilos. iii) C5b inicia el montaje de los componentes tardíos del complemento (C5b a C9) hacia un poro inespecífico, llamado el complejo de ataque a membrana (MAC), que se inserta en la bicapa lipídica de células, y permite el ingreso y egreso libres de agua y electrólitos, lo que conduce a lisis osmótica de algunos microbios o células huésped infectadas por virus. iv) El complemento es importante para solubilizar inmunocomplejos y eliminarlos de la circulación. En el primer caso, los inmunocomplejos de anticuerpos IgG unidos a sus antígenos son solubilizados cuando el complemento es activado y C3b se une a ellos, porque su estructura de rejilla es alterada. En este último caso, los eritrocitos tienen receptores CR1 que se unen a C3b o C4b fijo a inmunocomplejos. Los eritrocitos

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Activación de la vía alternativa Como se mencionó, la activación de las vías de la leptina y clásica da pie a división de C3 y generación de C3b que se fija a superficies celulares. Además, C3 pasa por hidrólisis espontánea muy lenta y genera una molécula tipo C3b llamada C3(H2O); esta molécula puede unirse al factor B, que es dividido por el factor D para formar C3(H2O)Bb, la otra C3 convertasa. Lo anterior, por supuesto, divide más moléculas de C3, y forma C3b genuino, que puede unirse al azar a superficies cercanas. Una vez unida, la molécula de C3b puede formar

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Capítulo 4

156

Inmunidad innata

Vía de la lectina

Vía clásica

Vía alternativa

Microbio

Microbio

Microbio

Carbohidrato MBL

Ficolina

MASP

MASP C4

C2

Carbohidrato Anticuerpo Clg C1R, C15

Clg

C4

C3bBb

C3b Factor B

Hidrólisis espontánea de C3 a C3b

C2

C4b2A

C4b2a

C3 Inflamación aguda

Opsonización

C3b

C3a

C4b2a o C3bBb

C5 Inflamación aguda Quimiotaxis de neutrófilo

C5a

C5b

C6

C9

Complejo de ataque a membrana

Figura 4-19 Activación del complemento. Las tres vías de activación del complemento convergen con la formación de C3 convertasas. En la vía de la lectina, la MBL o la ficolina se unen a carbohidratos bacterianos y, en asociación con las proteasas MASP, activan C4 y C2 para formar la C3 convertasa C4b2a. En la vía clásica, C1q puede unirse a anticuerpos unidos a una superficie y en asociación con C1r y C1s, de nuevo activa C4 y C2 para formar C4b2a. C1q también puede unirse a carbohidratos bacterianos e iniciar la cascada. En la vía alternativa, C3 se está desintegrando de manera continua, pero en circunstancias normales la activación adicional es bloqueada por factores inhibitorios. Aun así, si se deposita C3 sobre superficies microbianas, la inhibición es ineficaz, y C3b se combina con factor B para formar la C3 convertasa C3bBb. C3b en combinación con C4a2a o C3bBb, a continuación crea una C5 convertasa que divide C5, y la activación continúa para formar el complejo de ataque a membrana (MAC). Cada etapa temprana genera un fragmento grande (b), y está asociado a la superficie (p. ej., sobre un microbio), y un fragmento pequeño (a), que se difunde hacia otros sitios. También hay una enorme amplificación de componentes clave (p. ej., C3b, C5b) conforme progresa la cascada.

otro complejo con el factor B, lo que genera más C3bBb y, así, amplifica el depósito de C3b. De manera alternativa, C3b puede unirse a la proteína reguladora factor H, y después ser dividido por el factor I para formar iCeb, una opsonina.

4.4.2.3

Deficiencias de complemento

Regulación de la activación del complemento

En la población humana se han identificado mutaciones genéticas naturales (polimorfismos y deficiencias) en casi todos los componentes del complemento, y éstas han proporcionado mucha evidencia respecto a las funciones del complemento en la defensa. Considere algunos ejemplos para ilustrar esto.

Si C3b puede depositarse al azar sobre superficies celulares, ¿por qué el ser humano no lisa continuamente sus propias células? La respuesta es que las células huésped están protegidas contra destrucción porque poseen inhibidores de superficie celular que desactivan con rapidez el C3b depositado. Esto evita la formación de C3bBb, lo que bloquea la activación adicional. Los inhibidores son el factor acelerador de la descomposición (DAF; CD55) y la proteína cofactor de membrana (MCP; CD46). Otro inhibidor importante de la activación del complemento es el factor H, una proteína de unión a C3b soluble abundante que puede unirse de manera selectiva a superficies de la célula huésped para protegerlas contra ataque por complemento. Otro protector de las células huésped es la protectina (CD59) que evita el montaje del MAC y, así, impide la lisis de la célula.

Defectos de componentes tempranos del complemento Las personas con mutaciones de pérdida de función en C1q, C2 y C4 (involucradas en las vías clásica y de la MBL) tienen riesgo aumentado de trastornos inflamatorios y autoinmunitarios, como lupus eritematoso sistémico y otras enfermedades por inmunocomplejos, las cuales se comentan en el capítulo 7 y ponen de relieve la importancia del complemento en la eliminación de inmunocomplejos circulantes y restos de células dañadas o moribundas. En contraste, las mutaciones en los componentes tempranos de la vía alternativa (factores B y D, y properdina) llevan a incremento de la susceptibilidad a infección por bacterias encapsuladas, como Staphylococcus, Streptococcus pneumoniae y Neisseria meningitidis. Las deficiencias de MBL son comunes y se asocian con sus-

4.4.2.2

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4.4

ceptibilidad un poco aumentada a infecciones bacterianas o por levaduras, en especial durante la lactancia. Las deficiencias de C3 son en particular graves porque dan lugar a infecciones piógenas graves y recurrentes. Una característica esencial de todos los sistemas de cascada enzimática es que los componentes activos pueden ser desactivados; de otro modo nada habría para evitar que la cascada siguiera activando todos los componentes torrente abajo. Como un ejemplo diferente, si no hubiera inhibidores de los factores de la coagulación activados, todo el sistema sanguíneo podría coagularse: dicha característica también es cierta para el complemento. La división de C3b hacia el iC3b inactivo es llevada a cabo por la proteasa plasmática, el factor I. El factor I sólo funciona cuando una proteína cofactor, como el factor H, se ha unido a C3b. Las deficiencias del factor I o del factor H causan agotamiento masivo de C3, porque C3b no es desintegrado y sigue formando la C3 convertasa C3bBb hasta que no quedan factor B o C3. De este modo, los individuos con deficiencia también tienen susceptibilidad aumentada a infecciones piógenas. La deficiencia de factor H también se asocia con daño renal grave. Un modelo animal, el cerdo Yorkshire noruego, muere poco después del nacimiento por insuficiencia renal asociada con depósito masivo de C3 y componentes más tardíos del complemento en los glomérulos. Defectos de componentes centrales del complemento

Defectos de componentes tardíos del complemento Si bien la formación del MAC es uno de los resultados de la activación del complemento que muchas personas conocen mejor, parece ser relativamente poco importante en la defensa de seres humanos contra infección. Los individuos con defectos de los componentes más tardíos del complemento (C5 a C8) tienen incremento de la susceptibilidad a infección por Neisseria, pero no a infección por otras bacterias. Las personas con deficiencia de C9, el componente final esencial para la lisis mediada por complemento, por lo general están libres de síntomas, pero tienen riesgo aumentado de infecciones por Neisseria (meningitis y gonorrea). Esto sugiere que la formación del MAC tiene uso limitado en la defensa contra otros tipos de infección bacteriana, al menos en seres humanos. 4.4.2.4 Subversión de la activación del complemento por agentes patógenos

La importancia de la activación del complemento en la inmunidad a la infección se demuestra por el número de agentes patógenos que pueden captar moléculas del huésped capaces de interferir con la activación del complemento, en particular la división de C3. Muchas bacterias y parásitos captan el factor H del huésped sobre su superficie. Algunos virus, como el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) y el virus vacuna (vaccinia), incorporan proteínas inhibitorias en sus membranas a medida que brotan a partir de células infectadas, y los poxvirus (p. ej., virus vacuna [vaccinia], virus de la viruela) codifican para proteínas similares a MCP y DAF. Otros microbios inhiben el montaje del MAC. 4.4.3 Neutrófilos Los neutrófilos, también conocidos como leucocitos polimorfonucleares (PMN) neutrófilos, son los efectores inmediatos de la defensa antibacteriana. Estas células pertenecen a la serie de granulocitos; otros miembros son los eosinófilos y los basófilos. Los neutrófilos

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Efectores de la inmunidad innata reclutados

157

son mucho más recientes desde el punto de vista filogenético que los macrófagos; al parecer sólo evolucionaron en vertebrados más avanzados, como los anfibios. Su función mejor reconocida es la defensa antibacteriana, y portan una potente gama de mecanismos de defensa antibacterianos. También pueden modular respuestas inmunitarias adaptativas cuando algunos de ellos después migran hacia ganglios linfáticos (capítulo 3). Así, en los ganglios linfáticos de ratones infectados por Toxoplasma, aparecen “hervideros” de neutrófilos alrededor de los sitios de infección (figura 4-20). Los neutrófilos están presentes en la sangre en grandes números, y en seres humanos normales constituyen alrededor de 70% de todos los leucocitos sanguíneos. Los neutrófilos son células de vida muy breve, en promedio de 2 a 3 días, pero su producción en la médula ósea también puede aumentar con mucha rapidez durante infección, posiblemente por medio de la acción de G-CSF, o GM-CSF, o ambos. Además, se mantienen reservas de PMN maduros en la médula ósea, que pueden liberarse con mucha rapidez en momentos de necesidad. De este modo, los neutrófilos pueden ser reclutados muy rápidamente hacia sitios de infección. Para llevar a cabo sus funciones en la destrucción de bacterias, los neutrófilos primero necesitan ser llevados al sitio de infección. Ya se comentó la migración a través del endotelio inflamado (sección 4.3.4.1). De cualquier modo, una vez en estos tejidos, ¿cómo encuentra el neutrófilo el agente patógeno? La respuesta es la quimiotaxis o migración celular dirigida. Los neutrófilos tienen receptores para factores quimiotácticos, y pueden distinguir diferencias de la concentración de estos factores en el diámetro de la célula. Así, pueden detectar la dirección del gradiente de concentración y activar su citoesqueleto de modo que migren hacia regiones de concentración más alta. Los factores quimiotácticos para PMN también incluyen moléculas secretadas por otras células tisulares, como macrófagos y mastocitos. Algunos de éstos son proteínas (p. ej., quimiocinas); otros son lípidos, como algunos leucotrienos; otros factores quimiotácticos comprenden productos de desintegración del complemento, como C5a (véase antes). El hecho de que Streptococcus pyogenes, una de las bacterias piógenas más importantes, secreta una enzima que desintegra quimiocinas y otra que desintegra C5a, sugiere que estos factores quimiotácticos son importantes en la defensa del huésped. Un principio general es que los microbios no retendrán genes que no les otorguen una ventaja selectiva evolutiva y, así, es posible emitir la hipótesis de que la capacidad para destruir estas dos clases de factor quimiotáctico confiere una ventaja selectiva a las bacterias (figura 4-21). Las bacterias mismas liberan moléculas que son quimioatrayentes para neutrófilos. Éstas a menudo son tripéptidos formilados como f-Met-Leu-Fen (fMLP). En películas hechas a partir de fotografías seriadas de cultivos de neutrófilos con bacterias, los neutrófilos claramente están “persiguiendo” las bacterias y, por último, las fagocitan. Todos estos quimioatrayentes se unen a receptores acoplados a G sobre la membrana del fagocito, y activan el citoesqueleto de actina. Puesto que los neutrófilos pueden detectar diferencias de la concentración de quimioatrayente entre la parte delantera y la trasera de la célula, pueden organizar el citoesqueleto de modo que se emite un seudópodo desde el frente de la célula, lo que le permite moverse hacia adelante. P4.14. Suponga que se ha identificado una nueva proteína pequeña que es secretada por células epiteliales intestinales cuando son cultivadas con bacterias Salmonella. ¿Cómo podría determinarse si esta proteína es quimiotáctica para neutrófilos?

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158

Capítulo 4

Inmunidad innata

Bacteria Bacteria PRR

FcR (IgG)

Bacteria Antimicrobianos ROI

NADPH oxidasa

Receptor de complemento (C3b, iC3b)

Enzimas lisosomales Fusión de gránulo

Enzimas lisosomales Proteasas neutras

Trampa extracelular de neutrófilo (NET)

Figura 4-20 Funciones antimicrobianas de los neutrófilos. Los neutrófilos pueden fagocitar microbios opsonizados por medio de sus FcR y receptores de complemento, y expresan también otros receptores (p. ej., PRR) que promueven la fagocitosis. Poseen varios mecanismos antimicrobianos intracelulares, entre ellos ROI (para lo cual la NADPH oxidasa es crucial), enzimas lisosomales como proteasas ácidas, y proteínas y péptidos antimicrobianos, todos los cuales pueden liberarse hacia el fagosoma. Los neutrófilos también forman trampas extracelulares de neutrófilo (NET) que contienen cromatina que pueden unirse a bacterias; éstas, quizá junto con la secreción de otras enzimas, como proteasas neutras, pueden habilitar a los neutrófilos para que maten microbios de manera extracelular. 4.4.3.1 Muerte de bacterias por neutrófilos

Una vez que han llegado al sitio de infección, los neutrófilos necesitan fagocitar las bacterias para matarlas. Muchas bacterias piógenas son resistentes a la fagocitosis; por ejemplo, algunas tienen cápsulas hechas de polisacáridos o proteínas para las cuales los PMN carecen de receptores. Si los PMN se cultivan in vitro con ese tipo de bacterias, éstas no se unen a la superficie del PMN. No obstante, los PMN tienen receptores para componentes del complemento (en particular C3b e iCeb; CR1, CR3) y para algunas clases de anticuerpos (en particular IgG). Estos componentes pueden opsonizar microbios y promover la fagocitosis. Al parecer George Bernard Shaw también estuvo consciente de este fenómeno cuando escribió, en su obra The Doctor’s Dilemma, “Los fagocitos no comerán los microbios, a menos que los microbios estén muy bien enmantequillados para ellos”. Una vez que han fagocitado las bacterias, los PMN ahora necesitan matarlas. A diferencia de los macrófagos, los neutrófilos poseen de manera constitutiva diversos mecanismos que son

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capaces de matar bacterias con eficacia. Contienen todos los componentes de los mecanismos de muerte en sus gránulos, y éstos se pueden montar o liberar con rapidez cuando el neutrófilo fagocita un microbio. Los neutrófilos contienen dos tipos principales de gránulos: gránulos secundarios (específicos), que son liberados primero, y gránulos primarios (azurófilos), que son liberados más tarde. Los gránulos secundarios contienen todos los componentes necesarios para la generación de intermediarios de oxígeno reactivos (ROI) (figura 4-22). En la generación de ROI, las moléculas se montan en la superficie del fagosoma tan pronto como se forma, para configurar un complejo de enzimas de múltiples componentes, la NADPH oxidasa. Esto produce anión superóxido (O2–) que en sí es tóxico para las bacterias, pero la enzima superóxido dismutasa puede modificarlo más para producir peróxido de hidrógeno, un agente antibacteriano más potente. La mieloperoxidasa, otro componente de gránulos de neutrófilo, puede convertir el peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo y ácido hipocloroso, ambos de

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4.4

Efectores de la inmunidad innata reclutados

Vénula

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Bacteria Péptido f-MLP Gradientes de concentración Macrófago

Migración

Quimiocinas y leucotrienos Mastocito Neutrófilo Activación y polarización del citoesqueleto

C5a

Complemento

Figura 4-21 Quimiotaxis de neutrófilos. Los neutrófilos que han entrado en tejidos conjuntivos inflamados desde la sangre se mueven hacia el sitio de infección al migrar a favor de un gradiente de concentración químico, un proceso llamado quimiotaxis. Los factores quimiotácticos son reconocidos por receptores sobre la superficie de neutrófilos, que típicamente emiten señales por medio de proteínas G y activan el citoesqueleto. El neutrófilo puede detectar diferencias de concentración a lo largo de la célula, y esto permite la polarización de esta última; se extienden seudópodos desde la parte de la célula que está en contacto con la concentración más alta. Los factores quimiotácticos importantes para neutrófilos comprenden péptidos bacterianos formilados, como f-MLP, tipos específicos de quimiocinas y leucotrienos liberados a partir de macrófagos y mastocitos, y el componente del complemento C5a.

los cuales son altamente tóxicos para muchas bacterias. La posesión por muchas bacterias patógenas de la enzima catalasa, que desintegra el peróxido de hidrógeno, sugiere la importancia de este último, y más tarde de los ROI. Sin embargo, Streptococcus pyogenes es catalasa-negativo pero altamente patógeno, lo que sugiere que la catalasa no es esencial para la patogenicidad. Empero, ¿la función primaria de la NADPH oxidasa en realidad es producir directamente ROI antimicrobianos? Alguna evidencia reciente sugiere que esta enzima se necesita, en lugar de eso, para regular la acidez de los endosomas, y que esto es importante para la función de la muerte mediada por catepsina G y elastasa. Así, los efectos directos de los ROI sobre los microbios pueden no ser tan importantes como alguna vez se creyó. P4.15. Si se tratan neutrófilos in vitro con concentraciones bajas de etanol, su capacidad para generar ROI se reduce. ¿Esta observación podría tener importancia clínica? Al mismo tiempo, gránulos secundarios y lisosomas se fusionan con el fagosoma, y se liberan diversos agentes y proteasas antimicrobianos hacia el fagosoma; éstos comprenden: lactoferrina y transcobalamina II, que secuestran hierro desde enzimas microbianas esenciales, lo que evita su función; lisozima, que puede digerir las paredes celulares de ciertas bacterias, y catelicidinas (véase antes). Las catelicidinas pueden matar bacterias directamente, después de lo cual las enzimas lisosomales pueden ser importantes para digerir las bacterias muertas (figura 4-22).

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Por ende, los neutrófilos ciertamente pueden matar bacterias de manera intracelular. Hay sugerencias de que quizá también sean capaces de atrapar y matar bacterias de modo extracelular. Esto provino del descubrimiento de que los neutrófilos, cuando llegan a un sitio infectado, pueden mostrar un notorio cambio en el cual su núcleo al parecer libera láminas de cromatina laxa hacia los tejidos extracelulares. Estas estructuras parecen ser capaces de atrapar bacterias y, por ende, se les ha denominado trampas extracelulares de neutrófilos (NET). Además, también se ha sugerido que las NET pueden asociarse con moléculas microbicidas liberadas a partir de los gránulos de neutrófilos. Por ejemplo, los gránulos primarios de neutrófilos (liberados más tarde) contienen una proteína inductora de permeabilidad bacteriana, así como defensinas y lisozima, cualquiera de las cuales o todas en potencia podrían ayudar a matar bacterias de manera extracelular. Con todo, hasta ahora se carece de evidencia firme respecto a la importancia de las NET. No sorprende que las bacterias piógenas hayan adquirido por evolución múltiples maneras de contrarrestar al menos algunos de los mecanismos efectores de los neutrófilos; de hecho, esta capacidad se necesita para que sean patógenas. Algunas de sus contradefensas comprenden la producción de toxinas, como las leucocidinas, que son secretadas por las bacterias, y que pueden matar PMN. Además, ya se mencionó el papel de las cápsulas bacterianas, como la que posee Streptococcus pneumoniae, en la prevención de la fagocitosis. Staphylococcus aureus expresa una proteína, llamada proteína A, sobre su superficie. Ésta se une a la región Fc de la IgG, y bloquea la unión de las bacterias

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Fagosoma

Proteasas lisosomales (muerte y digestión)

Microbio

Lactoferrina (daño de membrana, secuestro de Fe3+)

Defensinas (formación de poro)

Intermediarios de oxígeno reactivos (H2O2, O2, Os singleto)

Lisozima (desintegración de las paredes de algunas células gramnegativas) Mieloperoxidasa (sintetiza HOCl a partir de H2O2, + Cl–)

Figura 4-22 Muerte fagosomal por neutrófilos. Las bacterias en fagosomas de neutrófilos quedan sujetas a varios mecanismos de muerte. Los ROI, como el peróxido de hidrógeno (H2O2), el anión superóxido (O2–) y el oxígeno singleto (O·) pueden ser directamente tóxicos, pero también pueden actuar para generar condiciones de pH apropiadas para las acciones de enzimas antimicrobianas, como las proteasas ácidas. El H2O2 puede interactuar con iones cloruro (Cl–) en presencia de mieloperoxidasa + para generar ácido hipocloroso (HOCl). Proteínas como la lactoferrina pueden secuestrar hierro (Fe3 ) y hacer que no esté disponible para el metabolismo microbiano. Las proteasas lisosomales desintegran bacterias muertas, pero también pueden tener papeles más directos en la muerte. Los péptidos antibacterianos, como las defensinas, causan alteración de membrana, y la lisozima puede desintegrar las células de algunas bacterias gramnegativas.

cubiertas con anticuerpos a los FcR de los neutrófilos, de modo que no pueden ser internalizadas mediante esta ruta. El hecho de que las bacterias piógenas hayan adquirido por evolución estos mecanismos es una fuerte evidencia del papel crucial de los neutrófilos en la resistencia a infecciones piógenas. Hasta ahora se desconoce si las bacterias podrían evadir los mecanismos de atrapamiento o de muerte extracelular que son sugeridos por el descubrimiento de las NET, y cómo podrían hacerlo. P4.16. ¿Puede sugerir algunas otras maneras en las cuales las bacterias podrían haber evolucionado para evitar ser muertas por neutrófilos? La capacidad de las bacterias para resistir a la muerte por neutrófilos, y de hecho para matar neutrófilos, tiene una importante consecuencia clínica: la formación de pus. El pus es el contenido líquido de los abscesos, y consta de leucocitos y células tisulares muertos, tejidos conjuntivos degradados, y bacterias vivas y muertas. La licuefacción es desencadenada en su mayor parte por enzimas liberadas por neutrófilos (figura 4-23). 4.4.3.2 Defectos de neutrófilos

¿Cómo se sabe que los neutrófilos son importantes en la defensa del huésped? La mejor evidencia es clínica. Cualquier defecto

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de neutrófilos puede llevar a gran aumento de la incidencia de infecciones por bacterias que se asocian con inflamación aguda, las especies formadoras de pus, piógenas, como “Staphylococcus y Streptococcus”. Es importante que los individuos que presentan estos trastornos de PMN no sufren incidencia aumentada de infección por virus o por agentes patógenos intracelulares, como las micobacterias. Hay varios tipos de deficiencias de neutrófilos que pueden deberse a defectos de la producción, de la migración o de su capacidad para matar bacterias. Cualquier cosa que disminuye la producción de células sanguíneas en la médula ósea afectará la producción de neutrófilos y, dado que estos últimos tienen lapso de vida muy breve, figuran entre las primeras células de la sangre cuyo número disminuye (las plaquetas están en un cercano segundo lugar). De este modo, la radiación ionizante, que mata células madre y otras células progenitoras que se están dividiendo, o las dosis altas de fármacos quimioterápicos diseñados para actuar sobre células tumorales, afectarán el número de PMN antes que el número de otras células de la sangre, lo que lleva a un riesgo aumentado de infección piógena.

Defectos cuantitativos

P4.17. ¿Puede sugerir dos maneras en las cuales las personas afectadas por el escape de radiación en Chernobil podrían presentarse en clínica?

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4.4

Efectores de la inmunidad innata reclutados

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Rotura: secreción de pus

Epitelio, p. ej., epidermis Pus Fibroblasto

Absceso

Colágeno (formación de tejido cicatrizal) Bacterias

Neutrófilo

Macrófago (reparación) Monocito Vénula Moléculas efectoras solubles Permeabilidad aumentada

Figura 4-23 Estructura de un absceso. Si bacterias piógenas como Staphylococcus aureus entran al tejido conjuntivo, inician inflamación aguda, lo que da por resultado edema y reclutamiento de neutrófilos. De cualquier modo, las bacterias pueden resistir a los neutrófilos, y matarlos, y las enzimas liberadas por las bacterias y los neutrófilos causan licuefacción del tejido, lo que forma pus. Staphylococcus aureus también secreta coagulasa, que precipita fibrina, lo que forma una barrera alrededor del sitio de infección (que no se muestra). Al mismo tiempo, una reacción de curación está empezando a depositar colágeno, secretado por fibroblastos, en los márgenes del sitio de infección. La estructura así formada es un absceso. A medida que se desarrolla el absceso, erosiona hacia una superficie, y finalmente romperá la superficie y descargará su contenido, incluso bacterias vivas. Esto puede ser muy grave si descarga, por ejemplo, hacia la cavidad peritoneal o un vaso sanguíneo, lo que da lugar a septicemia y a veces choque séptico.

Rara vez, ciertos niños se presentan con una úlcera cutánea que está claramente infectada, pero hay muy poca pus. Los cultivos de la úlcera revelan una infección piógena, pero no hay neutrófilos en el exudado. Aun así, el recuento de neutrófilos en sangre está notoriamente aumentado, y pueden matar bacterias con eficacia. El defecto en este caso puede depender de la incapacidad de los neutrófilos para llegar al sitio de infección. Este tipo de defecto se llama deficiencia de adhesión de leucocitos (LAD) y puede tener diversas causas moleculares (recuadro 3-1).

Defectos de la migración

Defectos en la muerte de bacterias En ocasiones, niños que se presentan con incidencia aumentada de infecciones piógenas poseen neutrófilos que pueden migrar y fagocitar de manera bastante normal, pero estas células son incapaces de matar las bacterias que han fagocitado. Esos niños pueden estar sufriendo enfermedad granulomatosa crónica (CGD) (estudio de caso 4-1).

4.4.4 Macrófagos reclutados y homeostasis inflamatoria Cualquier proceso inflamatorio involucra alteración de tejido. Las bacterias secretan toxinas que degradan el tejido conjuntivo y matan células; entran neutrófilos, mueren y liberan enzimas como colagenasa y elastasa. En los casos más extremos esto puede llevar a licuefacción y formación de pus. Es crucial que este

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daño sea, al máximo posible, limitado y reparado. Los monocitos sanguíneos que son reclutados hacia sitios de inflamación aguda, y que pueden desarrollarse hacia macrófagos inflamatorios o desencadenados, son fundamentales para estos procesos. Por ejemplo, los macrófagos inducidos pueden estudiarse después de inyectar un irritante en la cavidad peritoneal de ratones. Esto estimula el reclutamiento de monocitos, y los macrófagos resultantes se pueden aislar con facilidad mediante lavado de la cavidad, y estudiarse en cultivo. Aunque los macrófagos peritoneales desencadenados que se estudian experimentalmente pueden no ser por completo representativos de los reclutados hacia tejidos conjuntivos inflamados, sugieren que ese tipo de células puede tener al menos cuatro funciones principales (figura 4-24): i) Fagocitan los restos y las células moribundas: los receptores usados para esto no se han identificado por completo. A continuación migran desde el área, a menudo por medio de la linfa, y podrían modular respuestas adaptativas más tardías en el ganglio (sección 3.4.2.3). ii) Los macrófagos inducidos también secretan muchas proteasas y otras enzimas que son vitales en el remodelado de tejido, como la colagenasa y la elastasa; estas enzimas están involucradas en el remodelado del tejido conjuntivo que es fundamental para la reparación.

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Estudio de caso 4-1: enfermedad granulomatosa crónica Historia de caso. Un niño de cuatro años de edad es investigado debido a episodios repetidos de infecciones del oído y neumonía. En el examen, el niño tiene peso insuficiente para su edad y se observa salida de un exudado amarillento por el oído derecho. El cuerpo muestra cicatrices que representan abscesos curados. Uno de sus hermanos y dos tíos habían sufrido una enfermedad similar. Los análisis de laboratorio mostraron un incremento del número de neutrófilos en la sangre. La concentración de IgG y la de complemento fueron normales. Puesto que se sospechó un defecto de neutrófilos, se practicaron pruebas en estos últimos respecto a la capacidad para generar una intensificación metabólica súbita (estallido respiratorio). Los neutrófilos del paciente y los de un testigo se incubaron con una molécula no fluorescente que se hace fluorescente cuando es oxidada por ROI. Las células fueron estimuladas con el agente quimiotáctico f-Met-Leu-Fen para darles un estímulo para activación. Las células testigo se hicieron altamente fluorescentes, no así las del enfermo. Explicación. La susceptibilidad aumentada a infección piógena puede tener muchas causas. Los defectos de la síntesis

iii) Estos macrófagos secretan factores, como el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF; sí, ¡también proviene de los macrófagos!), que están involucrados en la estimulación del reclutamiento y las actividades secretorias de fibroblastos que son esenciales para la reparación de tejido. Los factores derivados de macrófagos también regulan la angiogénesis al estimular células endoteliales, lo que lleva al crecimiento hacia adentro de vasos sanguíneos y linfáticos. iv) Los macrófagos inducidos secretan muchas proteínas que en circunstancias normales se encuentran en la sangre, incluso casi todos los componentes del complemento. Éstos pueden ser importantes en sitios extravasculares, al sumarse a los efectores solubles que pueden entrar a los tejidos inflamados directamente desde la sangre. La inducción de macrófagos inflamatorios se debe, al menos en parte, a su respuesta a estímulos microbianos, como LPS (es decir, por medio de reconocimiento por PRR). De cualquier modo, si estos macrófagos primero han sido cebados por IFN-γ, muestran respuesta a estímulos microbianos al desarrollarse hacia macrófagos activados con potentes propiedades antimicrobianas. Esas células son capaces, por ejemplo, de matar agentes patógenos intracelulares como Mycobacterium tuberculosis que de otro modo podrían vivir felizmente y replicarse dentro de estas células. ¿De dónde proviene este IFN-γ? Poco después de la infección, una fuente importante pueden ser células NK que residen en algunos tejidos, y que también pueden ser reclutadas hacia sitios inflamatorios (véase más adelante). Los macrófagos que han fagocitado agentes patógenos, así como las DC, son estimulados (por medio de TLR) para que secreten las citocinas proinflamatorias antes mencionadas, y otra citocina, la IL-12; ésta se une a receptores de IL-12 sobre células NK que, a su vez, son estimuladas para producir concentraciones altas de IFN-γ. Más tarde, una vez que se ha desencadenado una respuesta adap-

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de anticuerpos, y del complemento, se excluyeron mediante los análisis de sangre, al igual que defectos cuantitativos de la producción de neutrófilos. Los neutrófilos estimulados por factores quimiotácticos pasan por una intensificación metabólica súbita, que da lugar a la producción de ROI, que son agentes oxidantes potentes. La generación de ROI puede evaluarse de diversas maneras, una de las cuales se describió renglones arriba. La incapacidad para generar una intensificación metabólica súbita es típica de la CGD. En este caso la historia clínica sugirió que sólo los varones estuvieron afectados. Esto se observa comúnmente en la CGD, y representa un defecto ligado a X: el cromosoma X codifica para un componente mutado de la NADPH oxidasa de múltiples subunidades. Muchas mutaciones en la NADPH oxidasa pueden llevar a CGD, pero no todos los componentes mutados son codificados en el cromosoma X, de modo que pueden heredarse de manera autosómica. P4.18. ¿De qué modo se podría tratar a los pacientes que presentan CGD? ¿Cuáles podrían ser los problemas con estos métodos?

tativa, las células T activadas también pueden producir IFN-γ. Así, se establece un circuito en el cual los macrófagos pueden quedar por completo activados antes de que haya habido tiempo para que aparezca una respuesta adaptativa, y este circuito es importante en la defensa temprana contra ese tipo de parásitos intracelulares facultativos. Esta última secreción de IFN-γ por células T CD4 y CD8 activadas probablemente es indispensable para la recuperación luego de muchas infecciones intracelulares. P4.19. Algunos investigadores han afirmado que los macrófagos peritoneales pueden secretar IFN-γ. No obstante, otros han sugerido que esta secreción tal vez provenga de una población pequeña de células NK contaminantes. ¿Qué clase de experimentos podrían hacerse para ayudar a resolver esta controversia?

4.4.5 Células asesinas naturales (NK) A principios del decenio de 1970-1979, diversos investigadores se preguntaron si los pacientes con cáncer podrían montar respuestas inmunitarias contra sus tumores. Razonaron que si éste fuera el caso, los pacientes podrían tener linfocitos en la sangre que matarían las células tumorales en cultivo. Sí, encontraron que tales linfocitos existían, pero al ser investigadores cuidadosos, prepararon testigos usando linfocitos sanguíneos provenientes de individuos normales (que no portaban tumores). Se sorprendieron de encontrar que células provenientes de estos individuos también eran capaces de matar las mismas células tumorales. Dado que estas células estuvieron presentes sin inmunización previa, se denominaron células asesinas naturales (NK). Este fenómeno divergió tanto del pensamiento de esa época, que muchos investigadores se rehusaron a aceptar a las células NK como algo más que un artefacto; sin em-

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4.4

Vénula PRR

Microbio (PAMP)

Macrófago inflamatorio

Efectores de la inmunidad innata reclutados

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Fagocitosis aumentada Colagenasa Elastasa

Destrucción y remodelado de tejido

Proteasa Monocito

Factores de crecimiento de fibroblastos (p. ej., PDGF) Secreción de proteínas plasmáticas Factores (p. ej., complemento, angiogénicos factores de la coagulación)

Fibroblasto

Colágeno Elastina Reparación Moléculas del tejido de tejido conjuntivo (p. ej., ácido hialurónico)

Crecimiento de entrada de vasos sanguíneos y linfáticos

Figura 4-24 Funciones de macrófagos inflamatorios. Los monocitos reclutados hacia tejidos inflamados pueden convertirse en macrófagos que desarrollan propiedades distintas de las de los macrófagos residentes. Estos macrófagos inflamatorios son altamente fagocíticos. Si PAMP actúan sobre los mismos, son secretores activos de enzimas catabólicas que ayudan a remodelar tejidos, liberan factores de crecimiento para vasos sanguíneos y fibroblastos, y secretan algunas proteínas plasmáticas, como componentes del complemento y factores de la coagulación. Estos últimos ayudan a incrementar las concentraciones de los que están presentes en sitios inflamatorios, además de las proteínas que son reclutadas desde la sangre. Las funciones normales de los macrófagos inflamatorios son ayudar en la curación y reparación, pero también pueden ser activados por IFN-␥ para que se conviertan en células antimicrobianas potentes.

bargo, en la actualidad las células NK se consideran fundamentales para la inmunidad innata y la regulación inmunitaria. 4.4.5.1 Subgrupos de células NK

Las células NK están presentes en la sangre, el hígado y los tejidos linfoides secundarios, en particular el bazo y los MALT; también están presentes en el endometrio y las deciduas en el embarazo. A últimas fechas, ha quedado de manifiesto que las células NK en realidad comprenden diferentes subgrupos, y que probablemente tienen diferentes funciones en la inmunidad. Pueden identificarse dos subgrupos, en parte, de acuerdo a si expresan o no CD16, el receptor Fc FcγRIII. Casi todas las células NK en la sangre expresan CD16, no así las que están en el bazo, mientras que un subgrupo distinto parece residir en MALT. Las células NK son células derivadas de la médula ósea. En experimentos de transferencia adoptiva se ha mostrado que las células NK surgen a partir del precursor linfoide común (CLP), que también da lugar a linfocitos T y B, y algunas DC. Empero, su desarrollo se completa en la médula ósea, a diferencia de las células T y NKT que completan su desarrollo en el timo. Se sabe poco acerca de la regulación detallada del desarrollo de células NK y la homeostasis de células NK, aunque hay buena evidencia de que la IL-15 es importante para su generación a partir de CLP, por ejemplo, ciertas inmunodeficiencias combinadas graves; SCID (capítulo 5) (figura 4-25). El subgrupo CD16+ predominante de células NK en la sangre se ve más bien como linfocitos. Son células mononucleares grandes con núcleo redondo u oval, pero difieren de casi todos los otros linfocitos grandes en que tienen gránulos conspicuos en el

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citoplasma; estas células se habían reconocido desde hace mucho tiempo en la sangre, y se llamaron linfocitos granulares grandes. Esta observación da indicios importantes respecto a la función de las células NK, porque ahora se sabe que los gránulos almacenan maquinaria citotóxica preformada. Por ende, estas células están preparadas para matar, a diferencia de las células T citotóxicas, que tienen que sintetizar desde cero las moléculas involucradas (sección 1.4.5.2). Estas células expresan los receptores de quimiocina relevantes que les permiten dirigirse hacia sitios de infección periféricos (p. ej., el receptor de IL-8 y el receptor de fractalquina que también es expresado por un subgrupo de “monocitos inflamatorios”). Ahí pueden matar células blanco opsonizadas con anticuerpos mediante citotoxicidad mediada por células dependiente de anticuerpos (ADCC) cuando su FcR es ligado. La muerte involucra la exocitosis de contenido de gránulos, incluso perforina y granzimas, hacia la célula blanco; también expresan ligando Fas, importante en otras formas de citotoxicidad celular, como en la defensa contra células infectadas por virus (figura 4-26). En contraste, el subgrupo de células NK CD16– en tejidos linfoides parece ser el principal productor de citocinas y quimiocinas derivadas de células NK. Dos de las citocinas más importantes que secretan las células NK son el IFN-γ y el TNF-α. Con todo, las células NK quizá necesiten ser activadas primero por citocinas como los IFN tipo I, probablemente derivados en particular a partir de DC plasmacitoides (pDC), e IL-12, que es producida por macrófagos y DC después de estimulación de TLR. El IFN-␥ que las células NK secretan tal vez desempeñe un papel importante en la defensa innata temprana contra infecciones como tuberculosis, en las cuales la activación de macrófagos es crucial en la mediación de la recuperación. Así, hay mucha regu-

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Capítulo 4

Inmunidad innata

Médula ósea

Estado estable

Sangre

Célula madre multipotente CD 16– Bazo Precursor linfoide común

Hígado

NK

Pulmones

Célula T Precursor de célula NK

Inflamación

Tejidos periféricos inflamados

CD 16+

Célula NK

NK

NK

Célula NK Ganglios linfáticos inflamados (linfocito granular grande)

Tejidos linfoides inflamados

Figura 4-25 Historia de la vida de la célula asesina natural. Las células NK se desarrollan a partir de CLP en la médula ósea. Son liberadas hacia la sangre como células tipo linfocito, con gránulos citoplasmáticos conspicuos (linfocitos granulares grandes). En el estado estable, un subgrupo de células NK CD16– pueden entrar al hígado, los pulmones y el bazo, o regresar a la médula ósea. Durante inflamación otro subgrupo CD16+ puede reclutarse hacia tejidos inflamados y sus ganglios linfáticos de drenaje. Las células NK no son de vida prolongada; casi todas son reemplazadas a partir de precursores en días o semanas.

lación cruzada entre células NK, macrófagos y DC en la inmunidad innata contra infección. ¿Cuál es la función real de las células NK en la defensa contra infección? Las deficiencias de células NK en seres humanos son muy raras; de hecho, se ha argüido que esta rareza en realidad demuestra su importancia crucial. Aun así, se han identificado deficiencias muy raras, y el dato característico que ha llevado a su identificación es el incremento de la susceptibilidad a infección viral, en particular por virus del herpes. ¿Por qué principalmente virus del herpes? No está claro. En animales no se ha establecido deficiencia selectiva de células NK. Los ratones jóvenes, que muestran una deficiencia relativa de dichas células, tienen susceptibilidad aumentada a infección por citomegalovirus (CMV) murino, y esto puede prevenirse al dar células NK de adulto a ratones jóvenes. De cualquier modo, aún no está clara la importancia relativa de diferentes subgrupos de células NK en estos papeles defensivos manifiestos. P4.20. ¿Cómo se podría evaluar si la defensa de células NK contra infección por virus del herpes se debe a su actividad citotóxica o a su capacidad para secretar citocinas?

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Las células NK CD16– también están presentes en el útero, aunque algunas de sus características son diferentes de las que se observan en los tejidos linfoides, y quizá representen un subgrupo separado. Dichas células tal vez estén involucradas en la defensa del útero no gestante contra infecciones virales, el remodelado y crecimiento de las deciduas durante el embarazo, y en potencia en la protección del feto contra rechazo. 4.4.5.2

Activación de células NK y receptores inhibitorios

Durante mucho tiempo después de su descubrimiento fue un misterio completo cómo las células NK eran capaces de matar algunos tipos de células tumorales pero no otros, y la naturaleza del reconocimiento por células NK era por completo oscura. Finalmente se descubrió que la razón por la cual las células NK podían matar células tumorales in vitro fue que carecían de expresión del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) clase I de superficie. Dado que fue esta falta de expresión manifiesta lo que hizo a las células susceptibles a muerte, esto llegó a conocerse como la hipótesis del yo faltante para la activación de células NK. Muchos virus pueden interferir con el procesamiento y las vías de presentación del MHC clase I, lo que hace a las células infec-

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4.4

Efectores de la inmunidad innata reclutados

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IFN tipo I IL-15 Célula infectada por virus Célula NK CD16-negativa

TNF-␣

Secreción

INF-␥ TNF-␣

IL-15

Macrófago

IL-12 IL-15 Célula dendrítica Célula cubierta con anticuerpos

Anticuerpos

Citotoxicidad mediada por células dependiente de anticuerpos (ADCC)

Célula NK CD16-positiva FcR Inducción de apoptosis

Receptor de célula NK o FasL/Fas Célula infectada por virus

Muerte dependiente de gránulo o dependiente de receptor inductor de muerte

Figura 4-26 Funciones de subgrupos de células asesinas naturales. Las células NK comprenden dos subgrupos principales con base en parte en la expresión de CD16, un FcR específico para IgG. Las células NK CD16- son células secretoras activas. Pueden ser activadas por citocinas secretadas por diferentes células, entre ellas macrófagos (IL-12, IL-15, TNF-␣), DC (IL-12, IL-15), células T activadas (IL-2, que no se muestra) y células infectadas por virus (IFN tipo I). Estas células NK activadas pueden secretar entonces citocinas, incluso IFN-␥ y TNF-␣. Las células NK CD16+ parecen ser células principalmente citotóxicas. Pueden matar células infectadas por virus por medio de mecanismos dependientes de gránulos o dependientes de receptor inductor de muerte, y pueden mediar también ADCC cuando sus FcR son ligados. La ADCC se puede inducir experimentalmente en cultivo, usando células blanco cubiertas con anticuerpos, pero su importancia in vivo aún no está clara.

tadas resistentes a la muerte por células T CD8. No obstante, si las células NK pueden reconocer y matar células que carecen de MHC clase I, esto permitiría un segundo medio de detectar células infectadas. ¿Esto es importante? Algunos virus, como el CMV de seres humanos, codifican para una molécula similar al MHC

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clase I que no presenta péptido, pero que inhibe la muerte por NK —una molécula señuelo— y esto probablemente representa una manera en la cual el virus puede evadir defensas de células NK. Otros virus han adquirido por evolución estrategias alternativas para evadir estas defensas (p. ej., el HIV; sección 2.4.3.5), de

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Capítulo 4

Inmunidad innata

modo que es posible suponer que las células NK son importantes en la defensa del huésped. Así, el reconocimiento de expresión normal de moléculas del MHC clase I por una célula NK normalmente actúa como una señal de apagado. Sin embargo, una célula NK también necesita reconocer cuándo está en contacto con una célula de modo que sus mecanismos citotóxicos puedan activarse de manera apropiada. ¿Cómo puede suceder esto? Muchos más años de investigación revelaron que también hay receptores activadores sobre células NK que reconocen ligandos sobre células blanco. Éstos pueden activar la maquinaria citotóxica y hacer uso de la misma, a menos que también se reciba una señal inhibitoria que representa la situación normal en ausencia de infección. Por conveniencia estos diferentes tipos de receptores inhibitorios y activadores pueden denominarse en conjunto receptores NK. Difieren por completo de los TCR y los BCR que los linfocitos usan para el reconocimiento de antígeno. Desde el punto de vista estructural, los receptores NK pueden agruparse principalmente en los que son miembros de las superfamilias de la inmunoglobulina o de la lectina tipo C. La terminología de los diferentes tipos de receptores NK es inmensamente compleja, y puede ser muy desorientadora. Por ejemplo, muchos miembros de las familias estructurales respectivas son codificados por complejos multigén grandes llamados el complejo receptor leucocitario (LRC) y el complejo de célula NK (NKC), respectivamente. El LRC codifica para un grupo de moléculas que incluyen los receptores tipo inhibitorios de células asesinas (KIR), mientras que el NKC codifica para otro grupo de receptores similares a lectina de células asesinas (KLR). Más aún, en seres humanos muchos receptores NK pertenecen desde el punto de vista estructural a la superfamilia de la inmunoglobulina, mientras que aquellos con funciones análogas en ratones son miembros de los receptores de lectina tipo C. A pesar de esta complejidad hay algunos principios generales sencillos que explican cómo funcionan estos receptores: i) Muchos receptores NK muestran polimorfismos alélicos y haplotípicos, lo que significa que existen en diferentes formas, y que diferentes combinaciones se encuentran en distintos individuos. ii) Estos receptores no se expresan de manera clonal sobre células NK, lo que significa que una célula NK puede poseer una combinación de receptores, y otra célula NK, una combinación diferente. iii) Algunos de estos receptores pueden existir en formas tanto activadora como inhibitoria; difieren, por ejemplo, de acuerdo a si ellos (como una molécula socia) poseen motivos citoplasmáticos llamados motivos de activación basada en tirosina inmunorreceptora y motivos de inhibición basada en tirosina inmunorreceptora (ITAM e ITIM), respectivamente (capítulo 5). Es el equilibrio entre las señales que son suministradas a una célula NK lo que determina si esa célula NK es liberada desde inhibición, y es activada, o no. Es de radical importancia que muchos de los receptores inhibitorios reconocen diferentes moléculas del MHC clase I, lo que permite que la expresión normal de moléculas del MHC sea detectada por las células NK respectivas y, por ende, que su actividad sea inhibida. En contraste, algunos de los receptores activadores reconocen ciertas moléculas del MHC no clásicas (p. ej., MIC-A y MIC-B) que sólo son expresadas por células que están sujetas

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a estrés —lo cual tiene clara importancia para la infección—, mientras que otros en realidad pueden reconocer componentes microbianos (p. ej., NKp46, y hemaglutinina del virus de la gripe) (figura 4-27). Es notorio que resulta ser que grandes números de receptores inhibitorios similares a KIR están ampliamente expresados en el sistema inmunitario (p. ej., son expresados por diferentes tipos de células mieloides, incluso DC). Apenas se están empezando a determinar algunas de sus funciones. Por ejemplo, puede ser que estén involucrados en establecer los umbrales de activación de diferentes poblaciones de leucocitos, pero este dato orienta hacia un nivel por completo nuevo de inmunidad innata (y en potencia adaptativa) que todavía queda por apreciar. 4.4.6 Efectos sistémicos de la activación de la inmunidad innata Los efectos de una infección local a menudo no se confinan a los tejidos reales infectados. Todas las personas están conscientes de que cuando padecen un resfriado o una gripe, presentan malestar general (p. ej., fiebre, cefalea, dolores musculares, pérdida del apetito, etc.); esto refleja los efectos distantes (sistémicos) de citocinas liberadas en el sitio de infección. Es importante que cuando pacientes que tenían tumores estuvieron recibiendo tratamiento experimental con IFN tipo I, presentaron síntomas parecidos a los de gripe, y uno de los efectos de la infección viral es causar la liberación de IFN tipo I. Un efecto sistémico importante de la inflamación es la inducción de fiebre, aunque no está por completo claro por qué el ser humano ha adquirido por evolución la generación de fiebre como parte de la defensa contra infección. (Un tratamiento temprano de pacientes con sífilis que fueron infectados por paludismo para inducir fiebres en un intento por matar la bacteria causal sugiere que eso podría ser beneficioso.) La fiebre puede originarse por la liberación de mediadores como IL-1 y TNF-α. Estas citocinas actúan sobre el hipotálamo y reajustan el centro de regulación de la temperatura, de modo que el cuerpo reacciona como si hubiera frío, y empieza a generar calor; ésta es la razón por la cual hay estremecimientos, porque las contracciones musculares generan calor. También estimulan el metabolismo de tejido adiposo y muscular, posiblemente para proporcionar una fuente de energía. Si esta estimulación es excesiva, puede llevar a emaciación de tejido (caquexia) que también se observa en pacientes con infecciones graves o cánceres avanzados. La citocina de la cual depende la caquexia es el TNF-α, que es más tóxico mol por mol que el cianuro de hidrógeno o ácido cianhídrico. P4.21. ¿Cómo sería posible analizar con detalle experimentalmente los papeles respectivos de la IL-1 y del TNF-α en respuestas inflamatorias sistémicas? Otros efectos sistémicos de la inflamación son los de la IL-6, en particular sobre el hígado: muchas proteínas son secretadas en cantidades aumentadas, y algunas sólo son secretadas en estas situaciones. Lo anterior constituye la respuesta de fase aguda, y se cree que muchas de las proteínas involucradas en la respuesta tienen funciones en la defensa; éstas incluyen muchos componentes del complemento, junto con colectinas (p. ej., MBL), ficolinas y pentraxinas (sección 4.4.1). Como se ha visto, algunas de ellas pueden actuar como opsoninas y ac-

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4.4

Célula normal

Receptor activador

NK

Efectores de la inmunidad innata reclutados

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No hay muerte

Activación bloqueada

MHC clase I

Receptor inhibitorio Receptor activador

Célula infectada por virus

Célula apoptótica

Activación NK Inhibición nula

Poco MHC clase I

Citotoxicidad celular

Figura 4-27 Reconocimiento y activación de célula asesina natural. Las células NK poseen gránulos que contienen el aparato preformado (perforina y granzimas) necesario para matar células que reconocen. Expresan varios receptores activadores que, en el momento en que reconocen un ligando sobre la célula blanco, activan los mecanismos de muerte. No obstante, las células NK también expresan receptores inhibitorios que, si reconocen MHC clase I sobre la célula blanco, bloquean la activación de los mecanismos citotóxicos. Así, las células NK matan células blanco en las cuales la expresión del MHC clase I está disminuida, por ejemplo, por infección viral o algunas células tumorales.

tivar también la vía del complemento. Empero, no se entienden las funciones de muchas de estas proteínas en la infección, y las razones para su síntesis aumentada persisten como un enigma (figura 4-28). P4.22. ¿Puede sugerir dos maneras en las cuales podrían explorarse las funciones de las proteínas de fase aguda, como el amiloide A sérico? Efectos patológicos de la inflamación sistémica Queda claro que los efectos de la inflamación sistémica (véase antes) pueden ser desagradables, y pueden hacerse graves. Con todo, en otras circunstancias pueden ser francamente mortales. Los monocitos de la sangre son altamente reactivos a la estimulación de TLR. En circunstancias normales hay muy pocos PAMP presentes en la sangre, si es que hay alguno, incluso durante una infección. Aun así, si bacterias muertas o moribundas entran al torrente sanguíneo (septicemia), los PAMP liberados por las bacterias pueden activar los monocitos, con consecuencias en potencia desastrosas que llevan a choque séptico. El choque séptico puede tener otras consecuencias. La perfusión disminuida de órgano puede llevar a insuficiencia de órgano (p. ej., insuficiencia renal). El principal problema es que la presión arterial baja (hipotensión) es resistente a tratamiento; todos los fármacos habituales usados para aumentarla son ineficaces. En modelos en animales, si se administran en etapas tempranas anticuerpos contra TNF-α (antes de que se haya establecido hipotensión), la hipotensión puede prevenirse. De cualquier modo, este tratamiento es ineficaz en el choque séptico en seres humanos, probablemente porque para el momento en que se administra,

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el TNF-α ya ha hecho su trabajo. La mayor parte de los casos de choque séptico se originan por LPS proveniente de bacterias gramnegativas por medio de TLR4, pero también puede producirse por ácido lipoteicoico proveniente de bacterias grampositivas por medio de TLR2 y TLR6 (figura 4-29) (sección 2.4.2.5). 4.4.7 Inmunidad innata y la inducción de respuestas adaptativas La activación de la inmunidad innata es esencial para el inicio de la inmunidad adaptativa, y la cantidad y calidad de respuestas innatas contribuyen de manera importante a los diferentes tipos de respuesta inmunitaria adaptativa. ¿Por qué es esto? Los linfocitos vírgenes necesitan estar informados respecto a si cualquier antígeno que reconocen es perjudicial, en cuyo caso necesitan montar una respuesta activa, o si es inocuo (p. ej., antígenos propios o alimentarios), en cuyo caso necesitan ser desactivados —tolerizados o convertidos en células regulatorias—. Así, la respuesta del linfocito virgen debe reflejar las condiciones en tejidos periféricos: el hecho de si ya hay inflamación o no, y si ha ocurrido infección o no. Es decir, los linfocitos necesitan integrar la información antigénica que reciben, con el contexto dentro del cual se recibió esa información, y montar una respuesta apropiada (sección 1.4.5.1). En los capítulos 2 y 5 se comenta con mayor detalle cómo las células T vírgenes tienen el potencial para diferenciarse por diversas vías, con resultados muy diferentes una vez que son activadas. Las células T vírgenes son activadas en órganos linfoides secundarios, a menudo distantes del sitio de infección, aunque de-

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168

Capítulo 4

Inmunidad innata

Agente patógeno invasivo

Epitelio

Mastocito

Macrófago

Citocinas IL-1, IL-6, TNF-

Sangre

Hígado (proteínas de fase aguda: CRP, complemento, amiloide sérico, etc.)

SNC (fiebre, pérdida del apetito y letargo) Músculo y tejido adiposo (catabolismo y producción de energía)

Médula ósea (neutrófilos y monocitos aumentados)

Figura 4-28 Efectos sistémicos de la inflamación. Las citocinas secretadas por células en tejidos inflamados pueden entrar a la sangre y afectar tejidos distantes. Estos tejidos comprenden el hígado, donde la respuesta de fase aguda involucra la síntesis aumentada de varias proteínas, algunas de las cuales, como los componentes del complemento, tienen funciones bien definidas en la defensa, mientras que las de otras aún son oscuras. Los efectos sobre la médula ósea comprenden producción aumentada y liberación de células mieloides, en particular neutrófilos y monocitos. Los efectos sobre el SNC son la inducción de fiebre, pérdida del apetito y letargo; sobre el músculo y el tejido adiposo estos efectos comprenden catabolismo aumentado para generar energía.

ben diferenciarse de una manera que refleje las condiciones en los tejidos periféricos (capítulo 3). Las DC son los principales candidatos para los transmisores de información acerca de las condiciones periféricas a células T; las DC hacen interacciones estrechas con las células T que están activando, lo que facilita la transferencia de señales solubles o unidas a membrana. Sin embargo, no debe olvidarse que hay otros medios potenciales de transferencia de información. La linfa aferente contiene otras células, en particular durante la inflamación; éstas comprenden monocitos o macrófagos, neutrófilos y, en algunas circunstancias, eosinófilos y basófilos. Además, la linfa recolecta los líquidos extracelulares en tejidos periféricos, y éstos pueden contener citocinas, quimiocinas y otros mediadores, como prostaglandinas y leucotrienos. Las funciones de estos diferentes tipos de células en la determinación de la diferenciación de células T no se entienden bien, y las funciones de los factores solubles se desconocen en su mayor parte. Para respuestas inmunitarias iniciadas en otros órganos secundarios, como el bazo y las placas de Peyer, probablemente operan

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influencias similares, pero el entendimiento de su naturaleza y sus funciones es igual de limitado (recuadro 4-5).

4.5 Hematopoyesis y células mieloides Como se comentó en la sección 1.4.1, todas las células sanguíneas se originan a partir de células madre hematopoyéticas (HSC) multipotentes que en circunstancias normales están situadas en la médula ósea de ratones y seres humanos adultos. Aquí se comenta de forma breve cómo pueden regularse la hematopoyesis y la producción de leucocitos. La exposición se enfoca sobre todo en la función de las citocinas en este proceso en relación con las células madre y los leucocitos, con hincapié en las células mieloides. (El desarrollo de linfocitos se comenta en los capítulos 5 y 6.)

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4.5

Hematopoyesis y células mieloides

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Vaso sanguíneo

LPS Fiebre

Edema

TNF-␣ IL-1 IL-6

Activación endotelial (óxido nítrico)

Vasodilatación

Monocito sanguíneo Presión arterial disminuida

Célula endotelial Insuficiencia de órgano (pulmones, riñones)

Figura 4-29 Choque séptico. Si LPS proveniente de bacterias gramnegativas, o ácido lipoteicoico proveniente de bacterias grampositivas, entra al torrente sanguíneo, puede activar monocitos por medio de TLR4 o TLR2/6, respectivamente. Esto puede dar lugar a la liberación de mediadores proinflamatorios como IL-1, IL-6 y TNF-␣. A concentración alta, estas citocinas pueden tener efectos en potencia mortales. Además de causar fiebre, pueden actuar sobre vasos sanguíneos para inducir óxido nítrico, y originar dilatación y permeabilidad aumentada venosas. Esto puede llevar a decremento del retorno venoso hacia el corazón, lo que da lugar a hipotensión grave (presión arterial baja) e insuficiencia de órganos como los riñones y los pulmones.

Recuadro 4-5 Inmunidad innata en otras especies

Al principio de este capítulo se sugirió que la evolución de los mecanismos de defensa es esencial para la supervivencia en un mundo regido por la selección natural y que, así, no sorprende que todos los organismos hayan adquirido por evolución mecanismos para defenderse contra invasores. Incluso los procariontes, como las bacterias, pueden quedar infectados por virus llamados bacteriófagos. Las bacterias usan enzimas de restricción para cortar los ácidos nucleicos de bacteriófagos (y que han adquirido importancia crucial para la biología molecular). Por supuesto, los vegetales también están sujetos a infección, a menudo la pesadilla de granjeros y jardineros. No obstante, los vegetales poseen mecanismos de defensa innatos complejos. Los vegetales usan PRR para reconocer PAMP sobre agentes patógenos; éstos comprenden la flagelina, LPS y peptidoglucanos bacterianos. La naturaleza de los PRR involucrados no se entiende por completo, pero algunos de ellos contienen los LRR y otras características moleculares que se encuentran en NLR. Los resultados de la emisión de señales por medio de estos receptores pueden ser de algunas maneras similares a los que se encuentran en insectos y mamíferos, incluso la generación de una intensificación metabólica súbita (estallido respiratorio), y síntesis de óxido nítrico. Por supuesto, hay resultados restringidos a vegetales, como el fortalecimiento de la pared celular.

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En el reino animal, la inmunidad innata está bien desarrollada en invertebrados. Para tomar los TLR como un ejemplo, éstos se descubrieron por vez primera en insectos, como se mencionó. Los TLR están ampliamente expresados en todos los grupos de invertebrados, y en algunos su organización parece más compleja que en vertebrados. La secuenciación del genoma del erizo de mar ha revelado que estos invertebrados expresan 222 moléculas que semejan TLR, y otras 203 que semejan NLR, y que se expresan principalmente en el intestino. Es importante percatarse de que en todos los no vertebrados, la inmunidad innata es la única forma de inmunidad disponible, y que, así, ha evolucionado de diferentes maneras para satisfacer las necesidades de distintas especies. Empero, en vertebrados, la evolución de la inmunidad adaptativa ha dado a la inmunidad innata un papel extra. Además de formar la primera línea de defensa si se han roto las barreras, es el sistema inmunitario innato el que informa al sistema adaptativo y regula la actividad del mismo. Los agentes patógenos han adquirido por evolución múltiples maneras de interferir con la inmunidad innata de modo que debilitan la capacidad de la inmunidad adaptativa para montar protección eficaz.

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170

Capítulo 4

Inmunidad innata

4.5.1 Regulación de la hematopoyesis La hematopoyesis está regulada, al menos en parte, por medio de los contactos de las células en desarrollo con células del estroma y otras células, y por medio de las acciones de citocinas (véase más adelante). En conjunto, éstas controlan la inducción y la represión de la expresión génica en células madre u otras células precursoras, lo que lleva al desarrollo de leucocitos con fenotipos especializados. Por ejemplo, las citocinas se unen a sus receptores e inician cascadas de emisión de señales que llevan a la expresión de factores de transcripción que regulan la expresión génica. Algunos de los nuevos genes que se expresan pueden llevar a inhibidores del inductor, o regular de una manera positiva o negativa otras vías emisoras de señales; por ende, el proceso es inmensamente complejo y muy difícil de analizar. Por ejemplo, quizá haya muy buena evidencia de que un factor de transcripción particular es esencial para el desarrollo de una línea celular dada. Con todo, la deleción (knockout) en un ratón transgénico puede llevar a efectos inesperados sobre otras líneas celulares, incluso su falta de desarrollo, simplemente porque éstas quizá también lo necesiten durante un tiempo breve en una etapa pequeña de desarrollo. Un ejemplo es PU.1 que se sabe que se requiere para el desarrollo del CMP. Sorprende que se encuentra que ratones que son objeto de procedimientos de ingeniería genética y que carecen de este factor de transcripción, carecen de células T desde las etapas más tempranas mismas, y sorprende también que estos precursores se desarrollan en lugar de eso hacia monocitos o DC. De este modo, el desarrollo de HSC y otros precursores hacia diferentes líneas está controlado por un grupo complejo de influencias que todavía no se entienden por completo. 4.5.2 Células madre y citocinas Se desconoce en su mayor parte cómo están regulados los números de células madre. Se ha mostrado que varias citocinas influyen sobre las propiedades de las células madre in vitro, y que tienen efectos sobre ellas si se administran a ratones. Por ende, hay factores de crecimiento como IL-3 y Flt3 que pueden apoyar células madre, y estimular su división y diferenciación, pero cómo actúan estos factores en el estado estable aún es un tema de conjetura. La dificultad estriba en que, en general, los ratones que carecen de la habilidad para sintetizar estas citocinas o sus receptores no muestran defectos notorios, o incluso defecto alguno, de la hematopoyesis en condiciones de estado estable. Una excepción es el factor de células madre (SCF; ligando c-Kit) y su receptor, c-Kit. Los ratones que carecen de una u otra de estas moléculas muestran anemia grave y mueren antes de nacer, y las células de la médula ósea de estos ratones son incapaces de volver a poblar leucocitos en ratones radiados. Así, parece ser que, salvo quizá el SCF, ninguna citocina es indispensable para mantener la función de células madre en condiciones de estado estable. 4.5.3 Citocinas y leucocitos La producción de leucocitos también está estrechamente controlada. En ausencia de infección el número de diferentes leucocitos

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de la sangre permanece muy constante. Aun así, cambios relativamente pequeños del número pueden ser auxiliares diagnósticos vitales (p. ej., al indicar que ha ocurrido una infección por lo demás no sospechada). De cualquier modo, si hay aumento de la demanda, como de neutrófilos en presencia de infecciones piógenas, la producción desde la médula ósea puede aumentar con rapidez. Esto refleja control homeostático preciso de su producción. La producción aumentada de neutrófilos refleja en parte el hecho de que los neutrófilos maduros son almacenados en la médula ósea, y pueden movilizarse fácilmente en momentos de necesidad. No obstante, después de esto, la producción continua necesita reclutamiento aumentado de células madre hacia la línea requerida, y división aumentada de células precursoras dentro de esa línea. Experimentalmente, si se reduce el número de leucocitos, vuelven con rapidez a cifras normales, a menudo después de sobrepasarlas. Casi toda la evidencia sugiere que la producción de leucocitos está regulada por citocinas; de hecho, algunas citocinas se identificaron por vez primera debido a su capacidad para estimular el crecimiento de leucocitos particulares in vitro, como los factores estimulantes de colonias (CSF; capítulo 3). De este modo, in vitro, el GM-CSF impulsa la producción tanto de granulocitos como de macrófagos, y ahora parece claro que, a su vez, el G-CSF y el M-CSF, respectivamente, controlan la diferenciación hacia una u otra línea. Sin embargo, las funciones de estas citocinas in vivo no están elucidados por completo (figura 4-30). P4.23. En infecciones piógenas, el número de neutrófilos circulantes está muy aumentado. ¿De qué modo podría diseñarse un experimento para probar la hipótesis de que este aumento se relaciona con la presencia de un factor de crecimiento transportado por la sangre? Muchas citocinas que estimulan el desarrollo de leucocitos in vitro no parecen ser esenciales para la producción de leucocitos in vivo. Así, ratones con deleción (knockout) de G-CSF muestran una reducción de 70 a 80% del número de neutrófilos, pero los neutrófilos no faltan por completo. Ratones con deleción (knockout) del gen que codifica para GM-CSF muestran pocas anormalidades en el mantenimiento de estado estable de leucocitos, pero muestran notoria enfermedad pulmonar, posiblemente debido a defectos del aclaramiento de surfactante pulmonar mediado por macrófagos. Los ratones con deficiencia de M-CSF o su receptor muestran anormalidades notorias de algunos macrófagos, en particular osteoclastos (células derivadas de macrófagos, esenciales para el remodelado óseo) que llevan a múltiples anormalidades óseas. Lo que parece claro es que, a pesar del papel de las citocinas en la determinación del compromiso de línea in vitro, no hay una citocina única que sea la única encargada de regular la producción de leucocitos en el estado estable o en condiciones de demanda aumentada. Esto no significa que citocinas individuales no puedan usarse con fines terapéuticos. Así, el G-CSF se usa para movilizar células madre desde la médula ósea hacia la sangre para trasplante (sección 3.6), y el GM-CSF se utiliza para estimular la producción de leucocitos después de radiación. Además, el GM-CSF y la IL-4 se usan para generar DC a partir de monocitos sanguíneos de seres humanos in vitro. Si la función de las citocinas en la regulación de la producción de leucocitos no se entiende por completo, la manera en que la producción de estas citocinas está regulada es aún menos clara. Se

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4.6

Vacunas y adyuvantes

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M-CSF GM-CSF Monocito

Célula madre multipotente

Progenitor mieloide común

M-CSF GM-CSF Neutrófilo

SCF Flt3

IL-5 Eosinófilo

Autorrenovada ? IL-5 Basófilo

”Compromiso“ creciente hacia nuevas líneas

Figura 4-30 Citocinas en la mielopoyesis. El SCF y Flt3, y probablemente otros factores, actúan sobre células madre multipotentes de la médula ósea para que se conviertan en CMP. La CMP muestra respuesta a otros factores de crecimiento al dividirse para formar los diferentes tipos de células mieloides. Se muestran algunos que se sabe, o que se cree, que son esenciales para la producción de monocitos y diferentes tipos de granulocitos. Si bien está claro que la producción de las diferentes células mieloides está bajo control por retroacción, los detalles de los mecanismos de control aún se entienden poco.

sabe cuáles células secretan las citocinas; a menudo son células del estroma en la médula ósea, pero las células epiteliales, las células endoteliales, los macrófagos activados y los linfocitos activados también pueden ser fuentes. Empero, en la actualidad hay poca evidencia respecto a cómo está regulada la producción de estas citocinas y, así, cómo la producción de leucocitos está regulada en condiciones de estado estable y perturbadas. Esto contrasta con lo que se entiende sobre la producción de eritrocitos, respecto a la cual se sabe que la medición de la concentración de oxígeno en la sangre en los riñones regula la producción de eritropoyetina por las células yuxtaglomerulares, y que la eritropoyetina es la principal citocina que estimula la producción de eritrocitos en la médula ósea.

4.6 Vacunas y adyuvantes En condiciones de estado estable el sistema inmunitario adaptativo hace caso omiso de los muchísimos antígenos inocuos que continuamente bombardean al ser humano, o monta respuestas tolerogénicas o regulatorias. Una vacuna exitosa necesita vencer este estado tolerogénico, y alertar al sistema inmunitario para que monte una respuesta activa. Asimismo, debe informar al sistema inmunitario acerca de la calidad de la respuesta adaptativa necesa-

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ria para conferir protección; ésa es la razón por la cual se necesitan adyuvantes de vacuna. Todas las vacunas que están diseñadas para brindar protección contra enfermedades infecciosas deben contener uno o varios antígenos, un componente del agente que causa la enfermedad y un adyuvante. El antígeno determina la especificidad de la respuesta adaptativa, mientras que el adyuvante inicia la respuesta innata y en parte la regula. En términos generales, es posible considerar dos tipos diferentes de adyuvante. Uno es estrictamente una sustancia química inorgánica; el alumbre es el ejemplo mejor conocido (véase más adelante). El otro puede ser una molécula biológica, o al menos una molécula orgánica grande, en forma de un vector o DNA viral, por ejemplo (véase más adelante). El primero puede causar daño celular y la producción de DAMP, mientras que el segundo puede contener adyuvantes integrados en la forma de PAMP, ambos de los cuales pueden llevar a respuestas inflamatorias y ayudar a la inducción de inmunidad adaptativa. 4.6.1 Adyuvantes actuales El tétanos es una enfermedad por completo prevenible. En países desarrollados es probable que todas las personas hayan sido inmunizadas contra el tétanos. La vacunación comprende la inyección de una toxina tetánica modificada (toxoide) que ha perdido su toxicidad, pero que retiene su antigenicidad. La mayoría

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Capítulo 4

Inmunidad innata

de las personas recuerda que en el sitio de inyección hubo una hinchazón (inflamación) dolorosa de corta duración. ¿Por qué debe la inyección de una proteína simple hacer esto? Si la vacuna fuera sólo proteína, esto no sucedería. No habría inflamación, y probablemente no habría respuesta inmunitaria protectora. Con todo, la vacuna contiene el adyuvante alumbre que es una sal de aluminio precipitada poco caracterizada que causa inflamación local después de infección. El alumbre se ha utilizado durante decenios como un adyuvante seguro y eficaz en miles de millones de personas, aunque se asocia con efectos secundarios transitorios, como se mencionó. Un problema importante con el alumbre es que es muy bueno para estimular respuestas de anticuerpos eficaces, pero no desencadena respuestas de células T citotóxicas eficaces, lo que podría ser esencial para generar vacunas eficaces contra muchas enfermedades infecciosas y tumores (sección 1.6.6). Sólo a últimas fechas se ha empezado a tener una mejor idea de cómo funciona el alumbre. Se espera

Depósito de alumbre-antígeno

que la información obtenida a partir del entendimiento del alumbre permita desarrollar vacunas más eficaces en el futuro. ¿Cómo funciona el alumbre? Durante muchos años se creyó que su principal función era proporcionar un depósito duradero de antígeno en el sitio de inyección. Ciertamente el sitio de depósito de alumbre queda infiltrado por células inflamatorias, se requiere mucho tiempo para que sea eliminado (si alguna vez se elimina), y si el residuo es disecado desde un animal de experimentación, como un ratón, y es inyectado hacia otro animal, desencadena otra respuesta inmunitaria. Si bien todavía hay controversias, una posibilidad es que partículas pequeñas de alumbre inducen daño en las células que lo internalizan, y que los DAMP subsiguientes que son producidos desencadenan una respuesta inflamatoria. Éstos también pueden dar lugar a la activación de DC y la migración de las mismas desde el sitio de inyección hacia ganglios linfáticos, donde inician la respuesta adaptativa. Por ejemplo, algunos investigadores han sugerido que el alumbre desencadena la producción

Célula dendrítica o macrófago

MHC clase II Presentación de antígeno aumentada

Captación y procesamiento de antígeno

Coestimulación aumentada

¿Desestabilización de fagosoma?

Activación Formación de de inflamasoma cristales de ácido úrico (¿DAMP?)

IL-1 (más otras citocinas proinflamatorias independientes de inflamasoma)

Figura 4-31 Posibles mecanismos de adyuvanticidad del alumbre. Las vacunas que contienen adyuvante alumbre estimulan respuestas de anticuerpos protectoras muy buenas contra el o los antígenos que contienen (p. ej., toxoide tetánico). El alumbre puede actuar como un adyuvante de varias maneras. i) Puede proporcionar un “depósito” de antígeno en el sitio de inyección, lo que aumenta la cantidad disponible para células como DC. ii) Por medio de rutas desconocidas puede llevar a expresión aumentada de molécula coestimuladora sobre DC. Ambos aumentarían la presentación de antígeno a, y la activación de, células T específicas para antígeno que entonces podrían ayudar al desencadenamiento de respuestas de anticuerpos. iii) Puede ser fagocitado (p. ej., por macrófagos) y llevar a daño de endosomas o desestabilización de los mismos. Esto puede llevar a activación de inflamasomas, quizá por medio de producción de ácido úrico como un DAMP, y síntesis de citocinas proinflamatorias (p. ej., IL-1) para aumentar respuestas inmunitarias innatas y, a su vez, la inmunidad adaptativa. Se está obteniendo mayor información sobre estos diferentes mecanismos (y sobre otros), pero aún queda un largo camino por recorrer, incluso entender por qué el alumbre no estimula con eficiencia otros tipos de inmunidad (p. ej., linfocitos T citotóxicos) que pueden ser más eficaces para vacunación contra células infectadas por virus y tumores.

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4.6

de ácido úrico como un metabolito del metabolismo de purina en las células. Evidencia contradictoria sugiere además que el ácido úrico actúa como un DAMP y activa inflamasomas, lo que lleva a procesamiento de IL-1β por caspasa, por ejemplo, y secreción de esta citocina proinflamatoria (figura 4-31). Además del alumbre, hay muy pocos adyuvantes que se han autorizado para uso en seres humanos, y casi ninguno de los que se utilizan en experimentos en animales puede usarse en seres humanos. Los que son más eficaces en animales de experimentación causan inflamación bastante grave. Por ejemplo, el adyuvante completo de Freund consiste en una suspensión de micobacterias muertas que, así, expresan PAMP, en una emulsión de aceite en agua, que se piensa que crea un depósito. Cuando se ha inyectado en forma accidental adyuvante completo de Freund en personas, tienen probabilidad de presentar un granuloma en el sitio de la inyección, que es muy resistente a tratamiento. Aun así, a últimas fechas se ha autorizado un derivado del LPS como un adyuvante para uso clínico en Europa y en Estados Unidos. 4.6.2 Nuevos adyuvantes ¿Qué hay acerca del futuro? Hay una búsqueda activa de adyuvantes eficaces y seguros para uso en seres humanos. Este capítulo

Vacunas y adyuvantes

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finaliza con algunos ejemplos breves de dónde hay razones para ser optimista. En animales, la toxina del cólera es un adyuvante muy potente para respuestas de anticuerpos tanto locales de mucosas (IgA) como sistémicas (IgG). De cualquier modo, en seres humanos la toxina del cólera es un estimulante muy potente de diarrea: se dice que 1 μg de toxina causará 1 L de diarrea (¿quién fue el voluntario?). Los investigadores ahora están modificando la toxina para determinar si pueden reducir la toxicidad o suprimirla, mientras mantienen el efecto adyuvante para vacunas de mucosas. Las vacunas de DNA tienen sus propios adyuvantes integrados; por ejemplo, contienen las secuencias de DNA CpG no metiladas que son ligandos para TLR9 (sección 2.5.2.2). En la actualidad parece ser que las vacunas de DNA eficaces necesitarían cantidades muy grandes de DNA. No obstante, se están haciendo intentos de usar vacunas de DNA que pueden incorporar estímulos inmunitarios innatos extra hacia la construcción de DNA, o incluir secuencias en la vacuna que estimularán de manera selectiva células como las DC. Otro método es insertar genes que codifican para antígeno vacuna en virus o bacterias que han sido modificados genéticamente para reducir su patogenicidad o suprimirla. El virus Ankara modificado (MVA) es un virus vacuna (vaccinia) modificado que se está usando en muchos estudios como una vacuna, mientras

Resultados del aprendizaje Al terminar de estudiar este capítulo, el lector debe ser capaz de entender, explicar y comentar los temas y las preguntas que siguen; se indican las secciones relevantes del capítulo. El lector debe entender parte de la evidencia que proviene de estudios en seres humanos y en animales que apoya lo que se sabe acerca de estos temas. Debe tener cierta idea de las áreas en las cuales el entendimiento es incompleto. Debe ser capaz de sugerir maneras en las cuales podría aumentarse el entendimiento. • Inducción de inmunidad innata (sección 4.2) ¿Qué son los PRR y dónde se encuentran? ¿Qué son los PAMP y los DAMP? ¿Cuáles son las estructuras y funciones generales de diferentes TLR? ¿Cómo, en términos generales, los TLR funcionan como moléculas emisoras de señales? ¿Qué son los inflamasomas? Dé algunos ejemplos clave de las funciones de las citocinas en la mediación de efectos inflamatorios locales y sistémicos. • Células de la inmunidad innata residentes en tejidos (sección 4.3) ¿Cuáles células residentes en tejidos están involucradas en la detección inicial de infección? ¿De qué modo las células residentes en tejidos desencadenan inflamación? ¿Cuáles son las principales características de la inflamación, y por qué son importantes?

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• Efectores de la inmunidad innata reclutados (sección 4.4) ¿De qué modo los leucocitos son reclutados hacia sitios de inflamación? ¿Cuáles son las moléculas participantes clave? ¿Cuáles son las similitudes y diferencias clave entre los mecanismos efectores de macrófagos y neutrófilos? ¿Cómo pueden modularse las funciones de los macrófagos? ¿Qué tipos de defectos de los neutrófilos se conocen? ¿Qué es el complemento y por qué es importante para la defensa del huésped? ¿Cómo se activa el complemento, cuáles son sus principales efectos, y cómo pueden las células huésped resistir al daño por complemento? ¿Qué son las células NK, y qué hacen? ¿Cómo se controla la actividad citotóxica de células NK? • Desarrollo de células mieloides y linfoides innatas (sección 4.5) Cómo está regulado el desarrollo de las células de la inmunidad innata • Vacunas y adyuvantes (sección 4.6) ¿Qué son los adyuvantes y por qué se necesitan para vacunas? ¿Qué tipos de moléculas están involucradas en la adyuvanticidad? • GENERAL: ¿de qué modo los defectos naturales y experimentales de la inmunidad innata han ayudado entender los mecanismos y las funciones de la respuesta inmunitaria innata en la defensa contra infección? • INTEGRATIVA: ¿de qué modo los tejidos linfoides secundarios integran las señales generadas por activación del sistema inmunitario innato, y cómo estas señales regulan las respuestas inmunitarias adaptativas?

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Capítulo 4

Inmunidad innata

que en otros se están usando bacterias Salmonella o bacilo de Calmette-Guérin (BCG) modificados. Estos vectores portan estimulantes del sistema innato integrados, y quizá obvien la necesidad de adyuvantes externos. Debe estar muy claro que entender cómo modular respuestas inmunitarias —y quizá particularmente un entendimiento de vías de reconocimiento innatas— es un objetivo fundamental de la investigación inmunoterapéutica, con aplicaciones en el di-

seño de vacuna, y el tratamiento de enfermedades mediadas por inmunidad, la prevención del rechazo de trasplante y la inmunoterapia de tumores (capítulo 7). P4.24. ¿Qué tan probable es que se desarrollen adyuvantes para uso en vacunación con absolutamente ningún efecto secundario?

Preguntas de estudio adicionales Pa. ¿Hasta qué grado los componentes propios alterados, dañados o estresados pueden actuar como agonistas para PRR? (Sección 4.2) Pistas. Se sabe que algunos tipos de PRR, como los receptores recolectores, pueden unirse a componentes propios modificados, como lipoproteína de baja densidad oxidada. También se cree que otros, como algunos de los TLR, muestran respuesta a componentes del huésped, incluso proteínas de choque por calor que son producidas por células estresadas (p. ej., después de infección). Sin embargo, es necesario ser cauto porque algunas respuestas aparentes podrían deberse en realidad a trazas de contaminantes en las preparaciones usadas; el LPS es un ejemplo principal. Pb. ¿Qué tanto se entiende acerca de la regulación de las respuestas inflamatorias? (Sección 4.3) Pistas. La inflamación es peligrosa y es necesario que se controle de manera cuidadosa. ¿Se desea considerar respuestas locales o inflamatorias, o regulación en el ámbito tisular, celular o molecular? Por ejemplo, cada vez se entienden más los controles nervioso y endocrino de la inflamación (p. ej., el eje hipotálamo-hipófisis-suprarrenal). ¿Qué hay acerca de tipos específicos de células que montan una respuesta antiinflamatoria para contrarrestarla? ¿Qué hay acerca de la cinética de la secreción de diferentes tipos de moléculas, incluso citocinas, que podrían reducirla? Pc. ¿Hasta qué grado es posible definir las diferentes etapas de la activación de macrófagos, la función de diferentes receptores de células NK y sus ligandos, o los papeles de reactivos de fase aguda en la defensa? (Sección 4.4) Pistas. Sí, nos excusamos (un poco) —éstas son tres preguntas en una—. De hecho, se sabe mucho acerca de cada una de ellas. Empero, para los macrófagos, ¿son etapas en realidad

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definidas o hay más de un continuo? Para las células NK, ¿estos receptores son expresados de manera diferente por distintos subgrupos, y qué tipos de respuestas podrían controlar? Para los reactivos de fase aguda, en algunos casos la respuesta es muy clara, pero en otros probablemente es cierto decir que aún no se tiene idea en absoluto de por qué se producen estas moléculas. Pd. ¿Cuánto se sabe acerca del control de la producción de diferentes tipos de células inmunitarias? (Sección 4.5) Pistas. El mejor lugar para empezar probablemente es elegir una línea de células que fascine al lector. (Para los autores ésta probablemente sería las DC; también encuentran interesantes a los mastocitos porque sus orígenes aún son relativamente oscuros.) ¿Dónde se producen por vez primera los precursores de estas células? ¿Con qué tipos de células del estroma podrían tener contacto ahí, qué tipos de citocinas podrían producirse para ayudarlos a desarrollarse, y qué tipos de factores de transcripción podrían regular el desarrollo? ¿Entran a la sangre como precursores, o a una etapa madura? ¿Adónde van? ¿Cómo cambian estas poblaciones si ocurre infección o inflamación? Pe. ¿Hasta qué grado es posible definir diferentes tipos de DAMP y sus receptores? Pistas. En la actualidad se trata de un campo minado. Quizá pueda empezarse por definir qué significa un DAMP. ¿Es un componente del “yo alterado” o algo producido por células o tejidos en respuesta a daño, y hasta qué grado podría superponerse con un PAMP? A continuación quizá convenga averiguar acerca de qué tanto se sabe o todavía no se sabe respecto al o los mecanismos del alumbre como un adyuvante, cómo se activan los inflamasomas, y cosas por el estilo. ¡Pero, por favor, ande con mucho cuidado!

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Capítulo 5 Inmunidad mediada por células T 5.1

aborda la terapia y se describe brevemente cómo pueden usarse células T en vacunas contra enfermedad infecciosa, y en potencia contra tumores malignos (cánceres) (sección 5.6).

Introducción

Al final de este capítulo el lector debe haber adquirido un entendimiento fresco de la inmunidad mediada por células T y su papel fundamental en la defensa del huésped.

Alrededor de la época de la explosión cámbrica evolucionó por vez primera una forma de inmunidad por completo nueva, la inmunidad adaptativa. Los primeros linfocitos verdaderos aparecieron cuando los peces desarrollaron mandíbulas, hace alrededor de 450 millones de años, y la inmunidad adaptativa existe en todos los vertebrados mandibulados. La inmunidad adaptativa ha evolucionado en presencia de la inmunidad innata, y depende en gran parte de la utilización de componentes innatos para su activación y sus funciones efectoras. En ratones y seres humanos la inmunidad innata ahora ha quedado en su mayor parte subordinada a la forma adaptativa en la defensa contra infección. Se desconoce por qué evolucionó una forma adicional de inmunidad, aunque probablemente podría reflejar una “carrera armamentista” entre los agentes infecciosos y sus huéspedes. Sin embargo, la capacidad de los linfocitos para reconocer agentes infecciosos puede haber sido facilitada por elementos de DNA móviles (“genes saltarines”) que están presentes en organismos complejos. La inserción estable de ese tipo de elementos puede haber contribuido a la evolución de un sistema de reconocimiento basado en el reordenamiento de segmentos de gen para generar múltiples receptores de antígeno diferentes. Este sistema es usado por los linfocitos T y B en vertebrados y, finalmente, permite un reconocimiento “anticipatorio” de antígenos expresados por agentes infecciosos. En este capítulo se examinan respuestas inmunitarias que dependen sobre todo de linfocitos T. Se empieza por notar que han evolucionado diferentes poblaciones de células T, antes de enfocarse principalmente en un tipo convencional, la célula T  (sección 5.1). Se introducen las moléculas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC) clásicas, que coevolucionaron con los linfocitos T, y que les permiten reconocer células que contienen agentes infecciosos, y se describe cómo funcionan estas moléculas (sección 5.2). (También se nota que algunos tipos relacionados de moléculas del MHC no clásicas pueden habilitar células T no convencionales para reconocer infección y mostrar respuesta a la misma.) A continuación se examinan las respuestas de células T convencionales; dónde son activadas, y cómo son desencadenadas (sección 5.3) y lo que se sabe de cómo pueden desarrollar después funciones especializadas que se necesitan para eliminar diferentes tipos de agentes infecciosos (sección 5.4). Después de esto, se comenta la función del timo en el desarrollo de las células T, incluso la generación de un enorme repertorio de receptores de antígeno por cambios del DNA al azar —lo cual es esencial para el reconocimiento anticipatorio de agentes infecciosos (sección 5.5)—. Asimismo, se nota cómo las células T no convencionales también se desarrollan dentro del mismo órgano. Por último, se

5.1.1 Poblaciones de células T La división primaria de las células T hacia poblaciones diferentes ocurre en términos de la naturaleza molecular de sus receptores de antígeno. Los receptores de células T (TCR) están compuestos de dos cadenas, las cuales contribuyen al sitio de reconocimiento de antígeno. Las que se entienden mejor y se han estudiado más son las células T  convencionales, donde  y  se refieren a las dos cadenas de sus receptores de antígeno. Más tarde se esbozan algunas características de las células T  y células NKT invariantes (iNKT) (que no deben confundirse con las células asesinas naturales [NK]; sección 1.4.5). Tiene importancia apreciar que todas estas poblaciones diferentes de células linfoides se desarrollan en el timo, que está relativamente protegido del resto del cuerpo, y que se generan antes de que ocurra cualquier infección. Empero, sus respuestas efectoras subsiguientes por lo general dependen de la detección previa de agentes infecciosos, en particular por componentes de la inmunidad innata (figura 5-1). 5.1.2 ¿De qué modo las células T convencionales reconocen antígenos? Los linfocitos T  han evolucionado principalmente para interactuar con células que contienen antígenos derivados de agentes infecciosos. En contraste, las células B pueden reconocer de manera directa a antígenos que son solubles o forman parte de un agente infeccioso. Muchos agentes patógenos que han infectado mamíferos pasan gran parte de su vida dentro de células huésped; éstos comprenden todos los virus, muchas bacterias y algunos protozoos. Para funcionar con eficacia, el sistema inmunitario adaptativo necesita detectar ese tipo de infecciones y afrontarlas. Esto plantea dos problemas para las células T: ¿cómo pueden reconocer que están interactuando con otra célula, y cómo pueden detectar que esa célula está infectada? El sistema inmunitario adaptativo ha adquirido por evolución un mecanismo complejo para limitar la activación de células T a situaciones en las cuales la célula T está en contacto con otra célula; ésa es la función primaria de las moléculas del MHC clásicas. Estas moléculas del 175

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176

Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

Precursor de célula T

Célula T 

Célula T 

CD4

Th1

Th2

Tc1

Tc2

Célula T 

Célula NKT

Célula efectora

Célula efectora

Independiente de antígeno

Célula NKT

CD8

Th17

Célula NKT

Dependiente de antígeno

Célula de memoria

Figura 5-1 Poblaciones de células T. El mismo precursor de células T puede dar lugar a varios subgrupos de células T con diferentes funciones. Las células T  convencionales se desarrollan hacia poblaciones CD4 y CD8 en ausencia de antígenos extraños. Cuando quedan activadas por antígeno pueden desarrollarse más hacia diferentes subgrupos efectores (p. ej., células Th1, Th2 y quizá Tc1, Tc2, etc.) o hacia células T de memoria. Algunas también pueden desarrollarse hacia células T reguladoras (que no se muestran). Las poblaciones de células T no convencionales comprenden células T  y células iNKT. (También hay células  no convencionales que no expresan CD4 ni CD8, y diferentes tipos de células NKT; que no se muestran.)

MHC actúan como receptores para péptidos pequeños que son generados dentro de compartimentos celulares diferentes. A su vez, los TCR de células T convencionales reconocen partes de péptidos unidos y las moléculas del MHC a las cuales están unidos, lo cual significa que una célula T única muestra especificidad antigénica doble, tanto para el péptido unido a la molécula del MHC como para la molécula del MHC misma. La especificidad de una célula T por una molécula del MHC particular se conoce como su restricción de MHC. Ahora se sabe que esto se debe a que cada cadena de cualquier TCR  dado tiene tres regiones particulares que difieren más de las de cualesquiera otros TCR (esto es, son hipervariables) y que determinan la complementariedad entre el receptor y su ligando; por ende, se denominan regiones determinantes de la complementariedad (CDR1-3 para cada cadena, respectivamente). Para cada una, CDR1 y 2 interactúan sobre todo con partes expuestas de la molécula del MHC, mientras que CDR3 hace contacto con el péptido unido. (Los anticuerpos también muestran regiones hipervariables similares, pero en estos casos sólo tienen contacto con el antígeno mismo; capítulo 6.) (Figura 5-2.)

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5.1.3 Subpoblaciones de células T convencionales Las células T  convencionales se dividen en dos subpoblaciones principales: células T CD4 y CD8. La molécula de CD4 se une a moléculas del MHC clase II, mientras que CD8 se une a MHC clase I. Esta unión genera señales que contribuyen a la activación de células T y es crucial para determinar las diferentes funciones de los subgrupos. El MHC clase I se expresa en casi todas las células nucleadas. Con todo, la expresión del MHC clase II se restringe a un número limitado de células involucradas en el desarrollo, la activación o funciones efectoras de células T CD4, las cuales incluyen células epiteliales del timo, células dendríticas (DC), células B y algunos macrófagos (figura 5-3). 5.1.4 Funciones efectoras de poblaciones de células T El presente capítulo se centra en células T CD4 y CD8 convencionales. En general, las células T CD4 son las células que regulan

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5.1

Introducción

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Célula T ␣␤ Cadena 

Cadena 

CDR3 CDR2 CDR1

CDR3 CDR2 CDR1 Péptido

Célula presentadora de antígeno

Proteína

Péptido Molécula del MHC

Procesamiento de antígeno

Figura 5-2 Interacciones de receptores de célula T con complejos de péptido-MHC. Los TCR  reconocen péptidos unidos a moléculas del MHC; estos péptidos son generados a partir de proteínas dentro de células mediante mecanismos que se conocen en conjunto como procesamiento de antígeno, y se unen a moléculas del MHC antes de ser exportados hacia la membrana plasmática. Las cadenas  y  del TCR contienen, cada una, tres CDR hipervariables (CDR1-3). Las regiones CDR3 interactúan principalmente con el péptido, mientras que las otras interactúan de modo predominante con la molécula del MHC misma.

Célula T CD4

Célula T CD8 Señales

Señales Ick CD3

CD3

Ick CD8

TCR

TCR

CD4 MHC clase II MHC clase I

Célula presentadora de antígeno

Figura 5-3 Interacciones de CD4 y CD8 con moléculas del MHC. Las moléculas CD4 y CD8 son expresadas primero sobre timocitos durante el desarrollo de células T, y cuál de ellas finalmente expresa una célula T determina si interactuará con MHC clase I o II. CD4 y CD8 se unen a partes invariantes de MHC clase II y clase I, respectivamente. El TCR está asociado con CD3, un complejo multimolecular (que no se muestra). CD4 y CD8 están asociadas de manera constitutiva con la tirosina cinasa, Lck, que fosforila regiones específicas de motivos ITAM de CD3 (que no se muestran) en las etapas tempranas de la activación de células T.

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

las respuestas inmunitarias adaptativas. Por ejemplo, pueden dar instrucciones a las células B para que se desarrollen hacia células plasmáticas que sintetizan diferentes tipos de anticuerpos, reclutan distintos tipos de granulocitos hacia sitios de infección específicos y regulan cómo funcionan los macrófagos. También son la causa primaria de muchas enfermedades o afecciones importantes en clínica, entre ellas alergias y enfermedades autoinmunitarias, muchas formas de rechazo de trasplante y gran parte de la falta de capacidad del ser humano para rechazar tumores (capítulo 7). En general se cree que las células T CD8 tienen un papel menor en la regulación inmunitaria, pero ciertamente son células efectoras cruciales tanto en la inmunidad a la infección como en varias enfermedades importantes mediadas por la inmunidad. 5.1.5 Inmunidad mediada por células T contra infección ¿Cuál es la evidencia de que el ser humano necesita células T en la defensa contra enfermedad infecciosa? Hay fuerte evidencia clínica para esto. Por ejemplo, algunos niños nacen sin timo (síndrome

de DiGeorge). Estos niños y otros con deficiencias de células T sufren una incidencia aumentada de infecciones virales. Si ese individuo queda infectado accidentalmente por virus vaccinia en la vacunación contra la viruela, más que la lesión normal, de vida breve, que cura sola, la infección se disemina y puede destruir áreas grandes de piel. De modo similar, los niños que tuvieron deficiencia genética de células T (es decir, que sufrieron una enfermedad de inmunodeficiencia primaria) y que fueron inmunizados con bacilo de Calmette-Guérin (BCG) durante programas de vacunación quedaron infectados y presentaron una infección diseminada, en potencia mortal. En deficiencias adquiridas de células T, como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), también se observa un incremento similar de la susceptibilidad a la tuberculosis. Además, los pacientes con SIDA pueden quedar infectados por cepas de micobacterias, como Mycobacterium avium, o por Pneumocystis jirovecii y citomegalovirus (CMV), que son inocuos para individuos normales. Esto sólo puede significar que en individuos normales, el sistema inmunitario adaptativo, en particular el sistema de células T, está actuando continuamente para reconocer ese tipo de microbios y

Recuadro 5-1 Análisis de las funciones de células T mediante transferencia adoptiva Estudios tempranos mostraron que los anticuerpos eran sintetizados por células derivadas de la médula ósea (células B), y que las respuestas como la hipersensibilidad retardada (DTH; sección 1.6.4.2) estaban mediadas por células derivadas del timo (células T). Aun así, las células T fueron capaces de mediar diversas funciones: además de DTH, podían ayudar a las células B a sintetizar anticuerpos, podían desarrollar propiedades citotóxicas y podían desencadenar rechazo de aloinjerto. ¿Cómo puede determinarse si estas funciones están mediadas por subgrupos diferentes de células T? Se mostró que todas las células T periféricas en ratones expresaban moléculas como Thy-1, no así las células B, lo que permite usar las células T como marcadores. El siguiente paso fue purificar estas células y preguntar si una función particular está mediada por una población definida. Esto puede efectuarse in vitro usando análisis como los que miden la citotoxicidad, pero en muchos casos los experimentos involucraron transferencia de subgrupos purificados hacia ratones receptores, por ejemplo, que actuaron como recipientes de cultivo in vivo, lo cual se denomina transferencia adoptiva. En estos estudios, los receptores por lo general tuvieron deficiencia natural de células T (como en ratones desnudos que carecen de timo) o se habían radiado (los linfocitos vírgenes son poco comunes por cuanto son en particular sensibles a la radiación ionizante durante la interfase). Es obvio que también fue importante lograr distinguir entre las células transferidas y las del receptor, lo cual en general involucró el uso de ratones donantes y receptores que fueron idénticos desde el punto de vista genético excepto por un marcador de superficie celular polimórfico, como CD45, que existe en diferentes formas alélicas en los ratones. Inicialmente, se purificaron poblaciones de células mediante técnicas como lisis mediada por complemento, o al pegar células a placas cubiertas con anticuerpos para agotar una

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subpoblación; este tipo de método experimental se denomina selección negativa (que no debe confundirse con el proceso del mismo nombre que ocurre en el timo; véase más adelante). El problema con estos métodos es la imposibilidad de estimar la eficiencia de la técnica de separación; por ejemplo, ¿cuántas moléculas de superficie necesita expresar una célula para que la mate el complemento? Con la introducción de separación (también llamada clasificación) de células activada por fluorescencia (FACS), fue posible separar (clasificar) subpoblaciones con un alto grado de pureza y, lo que es importante, la sensibilidad de la técnica podía estimarse porque podía medirse el grado de fluorescencia de cada célula. La utilidad de este método aumentó mucho con el desarrollo de los anticuerpos monoclonales. Así, por ejemplo, se sintetizaron anticuerpos monoclonales que definieron dos subpoblaciones de células T, y que más tarde se mostró que se unen a moléculas que llegaron a conocerse como CD4 y CD8. Los subgrupos clasificados a continuación podían transferirse hacia animales que tenían agotamiento de células T y estudiar sus funciones. Así se mostró que las células T CD4 eran las células auxiliares para respuestas de DTH y síntesis de anticuerpos, mientras que las células T CD8 eran las precursoras de células citotóxicas. En la actualidad, otros ratones inmunodeficientes están disponibles como receptores, como ratones con deleción (knockout) de gen activador de recombinasa (RAG) que no tienen células T o B. Estos métodos han sido fundamentales para entender las funciones de las células T. (De cualquier modo, puede haber sesgado la apreciación de otras funciones posibles de estas células ¡porque el entendimiento inevitablemente se limita a las valoraciones que es posible usar!) P5.3. ¿Podría haber cualquier problema al usar linfocitos marcados con fluorescencia para experimentos de transferencia adoptiva a largo plazo?

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

eliminarlos sin que haya signo clínico alguno. También hay abundante evidencia experimental respecto a la importancia crucial de las células T en la defensa contra infección (recuadro 5-1). P5.1. ¿Cómo podría determinarse el lapso de vida de células T en el ratón?

5.2 Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno 5.2.1 Moléculas del MHC clásicas Es imposible entender cómo funcionan las células T sin comprender la función del MHC. La función de las moléculas del MHC convencionales es actuar como receptores de unión a péptido que son reconocidos por receptores de antígeno sobre células T. El MHC se descubrió a partir de estudios de trasplante tempranos. Desde hace mucho tiempo se sabía que los trasplantes entre diferentes miembros de la misma especie (aloinjertos) eran destruidos (rechazados) con mucha rapidez (sección 1.6.5). Los experimentos tempranos llevaron a la identificación de regiones genéticas que controlaron el rechazo de esos trasplantes, los cuales se denominaron loci de histocompatibilidad. Un locus en

particular controló el rechazo más rápido de estos trasplantes y, así, se denominó el locus principal de histocompatibilidad. Después se encontró que este locus incluye un complejo grande de genes y llegó a conocerse como el MHC. En ratones, el MHC se conoce como H-2 (porque históricamente fue el segundo locus que se identificó a partir de estudios de trasplante). En seres humanos se conoce como el HLA (clase de antígenos leucocíticos humanos que en un principio se identificaron usando paneles de anticuerpos). El MHC contiene dos grupos diferentes de genes que codifican para las moléculas de unión a péptido del MHC clásicas, se trata de los loci del MHC clase I y clase II, y ambos contienen varios genes estructurales separados. En seres humanos, la región del MHC clase I contiene tres genes estructurales: HLA-A, -B y -C. En ratones, los equivalentes son H-2K y H-2D. Los genes del MHC clase II de seres humanos se llaman HLA-DP, -DQ y -DR, y en ratones se llaman I-A e I-E (figura 5-4). Las moléculas del MHC son codominantes, de modo que cualquier individuo tiene probabilidades de expresar seis diferentes moléculas del MHC clase I, cada una de las cuales se une a un grupo diferente de péptidos. Otra característica importante de los loci del MHC clásico es su polimorfismo extremo. Así, dentro de poblaciones de seres humanos y de ratones a menudo hay más de 100 variantes (alelos) de algunos genes del MHC estructurales. Muchos otros genes tienen múltiples variantes alélicas en poblaciones, pero por lo general estas variantes son raras. El MHC es diferente en que casi todos los alelos están presentes con

MHC clase II

Ser humano

MHC clase I

DQ

DP 

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DR

B

C

A

 TAP DO DM DO () (,  ) ()

TAP

E

MIC

G F

Genes que codifican para el MHC Moléculas del MHC MHC clase I

MHC clase II

K

I–A 

Ratón

I–E

MHC clase I D

L



TAP

TAP H-20 H-2M () (,  )

H-20 ()

MHC no clásico

Figura 5-4 Organización genética del MHC del ser humano y del ratón. El MHC consta de un tramo grande de DNA, que en seres humanos se llama HLA, y en ratones, H-2. Varios genes estructurales separados codifican para la cadena  de las moléculas del MHC clase I clásicas (que se asocian con 2-microglobulina, codificadas fuera del MHC), y las cadenas  y  de las moléculas clase II. Muchas otras moléculas también son codificadas en la región del MHC. Algunas de ellas están involucradas en el aporte de péptidos a, o la carga de, moléculas del MHC clase I o clase II clásicas; respectivamente, comprenden TAP, y en seres humanos HLA-DM y -DO (que también son dímeros; A, B); los equivalentes en el ratón son H-2M y H-2O. También hay moléculas del MHC no clásicas, como MIC (-A y -B), y HLA-E, con funciones especializadas.

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

frecuencias importantes. La importancia de este polimorfismo es que hace difícil que un agente patógeno escape al reconocimiento por una célula T tanto en un individuo infectado como en una población. El resultado es que si un agente patógeno muta de modo que un péptido que proviene del mismo, ya no puede unirse a cualquier molécula del MHC dada, hay otras cinco moléculas del MHC que podrían en potencia unirse a otros péptidos del agente patógeno. En el ámbito de población, los vastos números de alelos del MHC disponibles significan que incluso si cualquier agente patógeno muta de modo que ningún péptido puede ser reconocido por las células T de un individuo particular, es poco probable que cualquier otro individuo exprese el mismo grupo de alelos y, así, la mayoría de los individuos dentro de la población seguirá siendo resistente. La importancia de este polimorfismo es ilustrada por los guepardos africanos. Los guepardos en colonias cautivas son susceptibles a infecciones difundidas; estos animales sufrieron un cuello de botella reproductivo en algún momento de su evolución, lo que hizo que tuvieran una diversidad muy limitada del MHC, esto tal vez explique su susceptibilidad (recuadro 5-2). P5.2. ¿Cuántas moléculas del MHC clase II diferentes es probable que exprese un ser humano individual?

5.2.1.1 ¿De qué modo los péptidos se unen a moléculas del MHC clásicas?

La secuencia de aminoácidos de moléculas del MHC se determinó mediante técnicas bioquímicas, pero esto no reveló cómo

interactúan con péptidos. Hubo muchas teorías hasta que la cristalografía de rayos X mostró la estructura tridimensional de una molécula del MHC clase I; esto reveló que la parte externa de la molécula del MHC contenía un surco al cual podía unirse un péptido único. Se identificó una estructura similar para las moléculas del MHC clase II. Las moléculas del MHC constan de dos cadenas. En las moléculas del MHC clase I la cadena pesada es una proteína transmembrana que consta de tres dominios y contiene en su totalidad el surco de unión a péptido. La cadena pesada está asociada de manera no covalente con una molécula más pequeña, la 2-microglobulina, que representa el cuarto dominio, pero ésta es codificada fuera del MHC. Las moléculas del MHC clase II se forman a partir de dos cadenas,  y , ambas son moléculas transmembrana y contribuyen al sitio de unión a péptido. Desde el punto de vista estructural, los dominios de moléculas del MHC son miembros de la superfamilia de inmunoglobulina. Desde hace mucho tiempo se supo que los péptidos agregados a células en cultivo podían permitir el reconocimiento por células T específicas, pero se desconocía la naturaleza de los péptidos que se unían de manera natural a moléculas del MHC. Para resolver esto, se aislaron moléculas del MHC desde células y, al alterar las condiciones iónicas, se eluyeron péptidos desde las moléculas del MHC, y se determinaron sus características mediante métodos químicos o físicos (p. ej., secuenciación o espectrometría de masa). Estos experimentos ilustraron varias características importantes de las interacciones entre péptidos y MHC. De este modo, los péptidos unidos a moléculas del MHC clase I tienden a tener ocho a 10 aminoácidos de longitud (típicamente nueve),

Recuadro 5-2 Histocompatibilidad y discriminación entre lo propio y lo extraño en otras especies Es crucial para todos los organismos complejos que las células conozcan su lugar, y el reconocimiento por una célula de dónde está depende de moléculas expresadas sobre la membrana plasmática de la célula. En vertebrados mandibulados los linfocitos T han evolucionado para interactuar con otras células, y esta interacción depende de que reconozcan una molécula del MHC particular. Durante su desarrollo, las células T son seleccionadas de modo que sólo se permite que sobrevivan las que son capaces de reconocer las moléculas del MHC expresadas en el timo; esta restricción por el MHC desempeña al menos dos funciones. Significa que las células T que montan TCR incapaces de interactuar con las moléculas del MHC particulares que son expresadas por su huésped son eliminadas, de modo que no desplacen células T que pueden reaccionar. Además, el requerimiento de reconocimiento del MHC significa que las células T sólo pueden ser activadas si están interactuando con células que expresan MHC. Así, el MHC está involucrado en la limitación de las interacciones entre células T y células huésped. Los mecanismos para limitar las interacciones entre una célula y otra ocurren en muchas otras circunstancias. Dentro de los mamíferos, el reconocimiento célula-célula puede ser específico para el tipo de célula. Así, si se mezclan en cultivo suspensiones de células que provienen de diferentes tejidos, al principio se forman agregados mixtos, pero rápidamente los

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agregados llegan a contener sólo uno de los tipos de células. Entre los invertebrados, las esponjas muestran histocompatibilidad muy fuerte: si se mezclan suspensiones mixtas de células provenientes de dos esponjas, incluso de la misma especie, los agregados que se forman contienen células de sólo uno de los donantes. Este mecanismo representa reconocimiento alogénico y depende de un sistema de genes altamente polimórfico que no involucra moléculas del MHC. Muchos vegetales son bisexuales —producen tanto polen como óvulos—. Es importante que en estos vegetales no ocurra autofecundación, lo cual también se evita mediante un sistema de histocompatibilidad polimórfico. En este caso, es un sistema de incompatibilidad propio-propio: el reconocimiento de lo propio-propio da lugar a la evitación de que el polen se reúna con el óvulo mediante diversos mecanismos, incluso destrucción de tubos de polen e inducción de apoptosis. En los vegetales hay tres sistemas de incompatibilidad, las moléculas que se usan son bastante diferentes y los mecanismos utilizados también difieren. Lo que esto recalca es la importancia del reconocimiento célula-célula en todos los organismos complejos. Sin embargo, no debe olvidarse que incluso las bacterias pueden tomar decisiones basadas en la población de una manera coherente; en este caso usan moléculas secretadas para detección de quórum.

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

mientras que los que están unidos a moléculas del MHC clase II pueden ser considerablemente más largos. La razón de esto es que en las moléculas del MHC clase I el surco de unión a péptido está cerrado en ambos extremos, lo que restringe la longitud del péptido que puede adaptarse. En las moléculas del MHC clase II el surco está más abierto, lo que permite que se unan péptidos de mayor longitud (figura 5-5). Los péptidos eluidos desde una molécula del MHC particular son muy heterogéneos en su composición general. No obstante, se encontró que, para las moléculas del MHC clase I, aminoácidos de tipos similares estuvieron presentes en posiciones particulares del péptido eluido (dos o más posiciones en cada péptido), lo que sugiere que estos aminoácidos podrían estar involucrados en anclar los péptidos a la molécula del MHC. De hecho, después se identificaron bolsas en el surco del péptido a partir de estudios de cristalografía de rayos X. La unión de péptidos al MHC clase II también comprende fijar residuos, aunque éstos tienden a estar más dispersos a lo largo del surco. Por ende, residuos específicos de los surcos del MHC respectivos son cruciales para la unión de alta afinidad de péptidos. La comparación de diferentes alelos del MHC también confirmó que casi todos los residuos polimórficos están situados en las paredes del surco y en la base del mismo, lo que, así, determina cuáles péptidos pueden unirse a cualquier molécula del MHC dada. Tiene igual importancia que puesto que sólo un número relativamente pequeño de residuos está involucrado en la unión a moléculas del MHC clase I, por ejemplo, los residuos restantes pueden ser muy variables. Por ende, una molécula del MHC única puede unirse a muchísimos péptidos diferentes, lo cual probablemente asciende a muchas decenas de miles, lo que hace de ellos receptores muy promiscuos. Está claro que las moléculas del MHC son capaces de unirse a péptidos que provienen de agentes infecciosos. Empero, ¿a qué se unen en ausencia de infección? Cuando se identificaron péptidos unidos al MHC y se secuenciaron, se encontró que muchos de ellos se derivan de proteínas asociadas con las células normales. Los péptidos asociados con el MHC clase I se derivan principalmente de proteínas intracelulares (nucleares y citoplasmáticas), mientras que los péptidos del MHC clase II provienen de proteínas externas (como las que están presentes en medios de cul-

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tivo de células), y de proteínas que provienen de la membrana plasmática y de los compartimentos endocíticos de la célula en sí. Lo que sugiere esto, y de hecho lo que se sabe ahora que es el caso, es que los péptidos provenientes de agentes infecciosos en el citoplasma (como virus) tienen probabilidades de unirse principalmente a moléculas del MHC clase I, mientras que los que provienen de compartimentos endosomales (como bacterias fagocitadas) se unirán en su mayor parte a moléculas del MHC clase II (figura 5-6). 5.2.1.2

Distribución celular de moléculas del MHC clásicas

En seres humanos, además de algunas neuronas del sistema nervioso central (CNS), todas las células nucleadas expresan MHC clase I; los eritrocitos, que carecen de núcleo, no lo expresan. Las moléculas del MHC clase II muestran una distribución mucho más restringida. En condiciones de estado estable (en reposo), las células en roedores que expresan MHC clase II son DC, linfocitos B, células epiteliales del timo y células epiteliales en el intestino delgado. En seres humanos, una gama de células más amplia, incluso macrófagos y células T activadas, pueden ser MHC clase II-positivas. Con todo, durante respuestas inmunitarias activas el interferón (IFN)- puede estimular la expresión de MHC clase II sobre muchos tipos de células diferentes, y pueden aumentar además las cifras de expresión de moléculas del MHC clase I. P5.4. ¿Por qué podría ser que algunas neuronas del CNS no expresan MHC clase I?

P5.5. En células epiteliales, las moléculas del MHC clase II están presentes, no en la superficie celular, sino en vesículas intracelulares. ¿Cuál podría ser la importancia de este dato?

5.2.2 Moléculas del MHC no clásicas Otras moléculas son codificadas dentro de la región del MHC, que son estructuralmente similares a las del MHC clásico, pero

MHC clase I Hélice  Péptido Extremo cerrado del surco Cadena lateral

Bolsa

Lámina con plegamiento 

MHC clase II Extremo abierto del surco

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Figura 5-5 Interacciones de péptidos con moléculas del MHC. Los surcos de unión a péptido de moléculas del MHC constan de dos tramos de hélice  que están sobre una base de lámina con plegamiento beta. Casi todas las diferencias (polimorfismos) entre moléculas del MHC se encuentran en el surco y, por ende, determinan precisamente cuáles péptidos pueden ser unidos por diferentes alelos del MHC. Las moléculas clase I tienen surcos cerrados en ambos extremos, lo que restringe el tamaño de los péptidos que pueden unirse. También contienen bolsas en las cuales las cadenas laterales de los aminoácidos del péptido pueden unirse de modo no covalente como residuos ancla para mantener el péptido en su lugar. Las moléculas clase II tienen extremos más abiertos, lo que permite que se unan péptidos de mayor longitud y de longitudes más variadas.

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182

Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

Infección

Estado estable MHC clase I

MHC clase II

MHC clase I

MHC clase II

Proteína propia que fue objeto de endocitosis

Microbio Péptido

Péptido

Péptido

Proteína citoplasmática normal o con plegamiento erróneo (DRIP)

Péptido MHC clase I

Virus MHC clase II

Péptido MHC clase I MHC clase II

Figura 5-6 Orígenes de péptidos unidos a moléculas del MHC. En condiciones de estado estable, casi todos los péptidos unidos a moléculas del MHC clase I se derivan de proteínas citosólicas que muestran plegamiento anormal (productos ribosomales defectuosos; DRIP). En contraste, los péptidos unidos a moléculas clase II pueden originarse a partir de proteínas extracelulares que han sido objeto de endocitosis, o de membranas plasmáticas o de endosoma. Durante infección, péptidos provenientes de virus o de microbios que han tenido acceso al citoplasma, o que han sido objeto de endocitosis, pueden quedar cargados hacia moléculas del MHC clase I o clase II, respectivamente.

que difieren desde el punto de vista funcional; éstas son moléculas del MHC no clásicas y median diversas funciones. Por ejemplo, el HLA-E (Qa-1 es similar en ratones) es una molécula no polimórfica. Se une a péptidos de secuencia líder que provienen de moléculas del MHC clase I recién sintetizadas; estas secuencias dirigen la molécula del MHC hacia el retículo endoplasmático rugoso (RER). Las secuencias señal unidas a HLA-E pueden ser reconocidas por células NK, y son importantes en la inhibición de la muerte por células NK. Otras dos moléculas del MHC no clásicas comprenden MIC-A y MIC-B de ser humano (que no parecen unirse a péptidos) que quedan expresadas por células lesionadas o estresadas, y a continuación pueden ser reconocidas por células T  no convencionales (sección 5.4.5), así como por células NK. Otras moléculas también muestran similitud estructural con moléculas del MHC, pero son codificadas fuera de la región del MHC. Quizá las mejor conocidas son las moléculas CD1 que son capaces de unirse a moléculas que contienen lípidos, como fosfolípidos y glucolípidos, y que pueden estar involucradas en la defensa antibacteriana porque pueden ser reconocidas por células T no convencionales, como las células iNKT (sección 5.2.8.2). 5.2.3 La base celular del procesamiento y la presentación de antígeno A partir de estudios muy tempranos se supo que los anticuerpos podían unirse de manera directa a antígenos proteínicos en su conformación tridimensional natural, pero no cuando la proteína se había desnaturalizado (esto es, si se destruía su estructura tri-

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dimensional terciaria). Aun así, cuando la activación de células T se estudió por vez primera quedó claro que sus requerimientos antigénicos fueron muy diferentes. Si se extraían células T de un animal inmunizado, y se estimulaban in vitro con el antígeno solo, no mostraban respuesta. De cualquier modo, si, además del antígeno, se agregaban al cultivo otros tipos de células, como macrófagos, las células T quedaban activadas. Pronto se encontró que los macrófagos podían precultivarse con el antígeno, y aun activar las células T en ausencia de antígeno libre. También se mostró que los macrófagos podían presentar proteínas desnaturalizadas, pero necesitaban ser metabólicamente activos para presentar proteínas naturales o desnaturalizadas. No obstante, los macrófagos desactivados desde el punto de vista metabólico aún podían activar células T si se añadían fragmentos de péptido provenientes del antígeno. Así, surgió el concepto de que los antígenos necesitaban ser “presentados” a las células T por otras células, en lugar de que las células T fueran capaces de reconocerlos de manera directa. También es necesario que el antígeno se procese, antes de que pueda reconocerse; éstos son los orígenes de los términos procesamiento de antígeno, presentación de antígeno y células presentadoras de antígeno (APC). Ahora, por supuesto, como se introdujo antes y se comenta con mayor detalle más adelante, se tiene una clara explicación mecánica para estos datos tempranos, pero los términos se han mantenido. ¿Qué son las APC? Históricamente este término se usó por vez primera para cualquier célula que podía activar células T auxiliares (CD4). En contraste, en estudios de muerte por células T citotóxicas CD8 por lo general se usaron células llamadas células blanco. Por ende, surgió una distinción entre el concepto de una APC (como una célula que expresó moléculas del MHC

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

clase II para reconocimiento por células T CD4) y una célula blanco (como una célula que expresó moléculas del MHC clase I para reconocimiento por células T CD8). El descubrimiento posterior de los papeles cruciales de las DC en la activación de células T CD4 vírgenes llevó a más confusión. Las células que podían activar células T vírgenes se llamaron APC profesionales. Por desgracia, aún hay una tendencia general a limitar el uso de estos términos a la activación de células T CD4, aunque ahora se sabe que las DC a menudo también son esenciales para la activación de células T CD8. Aun cuando ahora se tiene un claro entendimiento de la base molecular de la generación de péptido y la carga hacia moléculas del MHC, y de la activación de células T por APC, aún es conveniente usar los términos “procesamiento” y “presentación de antígeno”; sin embargo, quizá el término APC deba usarse para cualquier célula que exprese moléculas del MHC y que pueda ser reconocida por cualquier célula T convencional. Así, una célula que expresa MHC clase I puede convertirse en una APC para células T CD8, y una célula que expresa MHC clase II puede convertirse en una APC para una célula T CD4. Como se mencionó, entre las APC es importante distinguir las APC que pueden activar células T vírgenes; estas APC profesionales son principalmente DC. A veces las células B y los macrófagos se incluyen en este término, pero hay poca evidencia de que estas células pueden activar (o al menos desencadenar inicialmente) células T vírgenes in vivo. Cepa A

Virus de la coriomeningitis linfocítica (LCMV)

5.2.4 Procesamiento de antígeno y presentación por el MHC clase I Las células T CD8 se caracterizaron por vez primera como células que pueden matar otras células después de que han sido activadas, y ahora se sabe que las moléculas del MHC clase I son cruciales para el reconocimiento. ¿Cómo se descubrió esto? Doherty y Zinkernagel encontraron que los ratones con infección por el virus de la coriomeningitis linfocítica (LCMV) desarrollaron células T CD8 que podían matar células blanco de ratón infectadas por virus en cultivo. Empero, para la muerte fue esencial que las células blanco compartieran al menos una molécula del MHC clase I con el ratón infectado; tal fue el origen del concepto de restricción de MHC que llevó al otorgamiento de un premio Nobel a Doherty y Zinkernagel. Experimentos subsiguientes efectuados por muchos grupos mostraron que las células T CD8 reconocieron péptidos cortos derivados de proteínas citoplasmáticas, y que estos péptidos estuvieron unidos a moléculas del MHC clase I. En general, los péptidos derivados del citoplasma, sea que se originen o no a partir de proteínas propias o agentes infecciosos (p. ej., virus o microbios que han infectado células), se denominan antígenos endógenos. En general, los péptidos endógenos son presentados a células T CD8 por moléculas del MHC clase I clásicas (figura 5-7 y recuadro 5-3).

Valoración de citotoxicidad

Células blanco

Célula T CD8 (CTL)

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Resultado

A + LCMV

Muerte

A No hay LCMV

No hay muerte

B + LCMV

B + LCMV

No hay muerte

Transfección de MHC clase I desde la cepa A

Muerte

Figura 5-7 Restricción del MHC de células T citotóxicas CD8. Ratones infectados con muchos virus generan CTL CD8 +, los cuales pueden aislarse y son capaces de matar células en cultivo que están infectadas por el mismo virus. Doherty y Zinkernagel, usando un virus particular, LCMV, encontraron que sólo las células de la cepa de ratón original podían matarse (p. ej., A), no así las células provenientes de otras cepas (p. ej., B), incluso si estaban infectadas por el mismo virus. Finalmente descubrieron que, para que las células infectadas fueran muertas, era necesario que expresaran las mismas moléculas del MHC clase I que el ratón que fue infectado inicialmente. Lo anterior llegó a conocerse como restricción del MHC. Este principio se aplica a células T tanto CD8 como CD4: las primeras están restringidas a moléculas del MHC clase I, y las segundas a moléculas del MHC clase II.

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Capítulo 5

184

Inmunidad mediada por células T

Recuadro 5-3 Reconocimiento de proteínas intracelulares por células T citotóxicas ¿De qué modo las células T citotóxicas reconocen las células que matan? Originalmente se supuso que los antígenos reconocidos por células T citotóxicas CD8 eran proteínas enteras expresadas sobre la superficie celular; así, para virus éstas serían moléculas que quedaban expuestas sobre la superficie celular durante el montaje viral. Investigadores que estaban trabajando con el virus de la gripe quisieron saber qué parte del virus era en realidad reconocida por las células T citotóxicas. La ventaja respecto al virus de la gripe es que tiene cuatro proteínas principales, y diferentes cepas de virus expresan distintas variantes de estas proteínas. Dos de estas proteínas (hemaglutinina y neuraminidasa: la H y la N con las que todo el gremio médico está bastante familiarizado, p. ej., H5N1, H1N1) se expresan sobre la superficie viral, y sobre la superficie de las células infectadas durante el montaje de virus. Las otras, la nucleoproteína y la proteína de matriz, son internas y nunca se expresan sobre la membrana de superficie de la célula infectada. Se infectó a ratones con una cepa del virus, y las células T activadas resultantes se probaron respecto a citotoxicidad sobre células blanco infectadas con diferentes cepas; cada una de estas cepas sólo compartía una de las variantes de proteína principales con el virus infectante. Fue una gran sorpresa que, para la muerte en algunas cepas de ratón, la única molécula que era necesario que estuviera compartida entre

P5.6. ¿Cómo podrían los mecanismos de procesamiento de antígeno distinguir entre proteínas propias normales y las derivadas de agentes patógenos?

5.2.4.1

Proteasoma

Los péptidos endógenos se unen a moléculas del MHC clase I, pero ¿cómo se generan los péptidos? He aquí un ejemplo del sistema inmunitario adaptativo usando un mecanismo preexistente que proviene de otro sistema. Los proteasomas son complejos multiproteínicos grandes que degradan proteínas hacia péptidos y forman parte de las labores de limpieza doméstica celulares normales; degradan proteínas hacia péptidos cortos para reciclado subsiguiente de los aminoácidos que los constituyen. Muchas proteínas son dirigidas hacia proteasomas después de que han sido modificadas con múltiples copias de otra proteína pequeña, la ubiquitina. Los proteasomas constan de una pila de complejos de proteína tipo anillo, más bien como una pila de rosquillas para comer; éstos forman dos cámaras más pequeñas en cada extremo, con una cámara central más grande con múltiples actividades proteolíticas. Las proteínas son desplegadas (mediante mecanismos que no se entienden por completo) y se pasan hacia la antecámara, y después hacia la cámara central, donde son divididas, y los péptidos surgen en el otro extremo. En respuesta al IFN-, la estructura del proteasoma de labores de limpieza doméstica es modificada para formar el inmunoproteasoma que tiene actividades proteolíticas diferentes, las cuales tienden a generar péptidos que son mejor dirigidos hacia el MHC puesto

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las variantes de virus usadas para infectar los ratones y las células blanco fue la nucleoproteína, que nunca se expresa sobre la superficie de una célula infectada. Por ende, debe haber un mecanismo para expresar antígeno derivado de proteínas citoplasmáticas sobre la superficie celular (figura 5-8). ¿Qué es lo que se está reconociendo? Para responder esto los investigadores sintetizaron una serie de péptidos que se superponían, que cubrieron toda la molécula de nucleoproteína, e incubaron con estos péptidos células blanco infectadas. Lograron identificar péptidos cortos que sensibilizarían las células blanco para muerte. Esto mostró que, de alguna manera, las células T citotóxicas estuvieron reconociendo péptidos sobre la superficie de la célula blanco, y que este reconocimiento fue dependiente de MHC clase I. La manera en que el péptido y el MHC se relacionaron entre sí no se conoció sino hasta que se resolvió la estructura cristalina del MHC clase I, y quedó claro que las moléculas del MHC se unen a péptidos cortos, y que la célula T reconoció el complejo de péptido-MHC con un receptor único. P5.7. Si se necesitan péptidos para llevar moléculas del MHC clase I a la superficie celular, ¿de qué modo las moléculas del MHC clase I se unen a péptidos que simplemente se añaden a los cultivos?

que tienen C terminales que son buenas anclas para moléculas del MHC clase I en una bolsa del surco. ¿Cómo se sabe que los proteasomas son importantes en el procesamiento para MHC clase I? La lactacistina es un producto bacteriano que es un inhibidor selectivo de la actividad proteosomal, y las células tratadas con lactacistina muestran inhibición del procesamiento de algunas proteínas, mas no de todas. Por ende, debe haber otros mecanismos proteolíticos citoplasmáticos. Un ejemplo importante es la enzima aminopeptidasa-1 residente en el ER (ERAP1) que puede dividir esa región N terminal de péptidos, lo que a veces genera extremos que se adaptan bien en otra bolsa del surco (figura 5-9). 5.2.4.2

Transportador TAP

Los péptidos de unión al MHC clase I se generan en el citoplasma, pero las moléculas del MHC mismas son sintetizadas en el RER, separadas del citoplasma por una membrana. ¿Cómo pueden los péptidos pasar a través de esta membrana? Son transportados por medio de un complejo bimolecular, TAP, que se expresa en el RER, y el transporte es dependiente de ATP. El TAP es selectivo en los tamaños de péptidos que puede transportar, y para péptidos que tienen tipos particulares de aminoácidos terminales la adaptación es mejor hacia surcos del MHC clase I. El transportador TAP pertenece a una familia de moléculas especializadas para transportar diversas moléculas pequeñas a través de membranas (transportadores ABC), de modo que de nuevo el sistema adaptativo ha adecuado un sistema preexistente para sus propias necesidades.

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

185

Virus de la gripe H1, NuP1 Valoración de citotoxicidad Célula blanco

Resultado Virus

Célula T CD8 (CTL)

Ninguno A

A

A

A

No hay muerte

H1, NuP1

Muerte

H1, NuP2 No hay muerte

H2, NuP1

Muerte

Figura 5-8 Ubicación celular de proteínas reconocidas por células T citotóxicas CD8. Diferentes cepas de virus de la gripe expresan distintas formas de un número relativamente pequeño de proteínas. Una de ellas es la nucleoproteína (NuP) que nunca se expresa sobre la superficie de células infectadas. Se infectó a ratones con una cepa del virus, y sus CTL se probaron respecto a la capacidad para matar células blanco infectadas en cultivo. Las células blanco fueron infectadas con cepas de virus que compartieron diferentes proteínas variantes con el virus original usado para infectar los ratones. En algunos casos se encontró que para hacer a las células blanco sensibles a muerte, la única proteína que necesitó ser idéntica en los dos virus fue NuP. En esa época fue un enigma real. De cualquier modo, ahora se entiende que la proteína NuP es degradada dentro de la célula, y los péptidos que la componen están alrededor de moléculas del MHC clase I y son transportados hacia la superficie celular, donde estos complejos pueden ser reconocidos por CTL.

5.2.4.3

El complejo de carga de péptido y edición de péptido

Una vez que el péptido ha sido transportado hacia el RER, puede unirse a una molécula del MHC clase I. Las moléculas del MHC clase I recién formadas están fijas al TAP mediante un complejo que incluye una molécula llamada tapasina para formar el complejo de carga de péptido. Otras moléculas asociadas con este complejo actúan como chaperones para controlar la retención, estabilidad y estructura de las moléculas del MHC clase I. La tapasina también puede aumentar la probabilidad de que la molécula del MHC encuentre péptidos transportados porque el espectro de complejos de péptido-MHC expresados en ratones con deleción (knockout) del gen que codifica para tapasina y en ratones naturales es diferente. También puede ocurrir modificación adicional del péptido por medio de enzimas presentes en el RER, como ERAP1. Si finalmente se forma un complejo de péptido-MHC estable, es transportado hacia afuera del RER por medio del aparato de Golgi hacia la superficie celular. Es importante apreciar que la edición de péptido ocurre en toda la vía de la carga de péptido en el MHC clase I, desde inmunoproteasomas, hasta TAP y tapasina, para ayudar a sesgar el espectro de péptidos hacia los que tienen mejor capacidad para unirse a moléculas del MHC clase I, a veces mediante mecanismos que aún no están claros. La

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edición de péptido también ocurre a diferentes etapas de la vía del MHC clase II (véase más adelante). 5.2.5 Procesamiento de antígeno y presentación por el MHC clase II Alrededor del momento en que Zinkernagel y Doherty estuvieron investigando las respuestas inmunitarias a virus (véase antes), otros grupos estuvieron examinando la base genética de la respuesta inmunitaria a proteínas en ratones. Para simplificar los experimentos usaron polímeros sintéticos de números pequeños de aminoácidos. Cuando diferentes cepas de ratones fueron inmunizadas con estos antígenos artificiales, pudieron clasificarse como con respuesta alta o baja en términos de las respuestas de anticuerpos que montaron en el momento de la estimulación secundaria. De nuevo, experimentos de crianza clásicos mostraron que un número pequeño de genes que controlan la capacidad de respuesta estuvieron codificados en el MHC, los cuales se llamaron originalmente genes que codifican para la respuesta inmunitaria (IR) y, por ende, sus productos llegaron a conocerse como antígenos asociados a IR (Ia). Ahora se sabe que son antígenos

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186

Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

1

Ubiquitina

6

Complejo de péptido-MHC clase I

Proteína citosólica

MHC clase I

5 Aparato de Golgi 4 Complejo de carga de péptido

Tapasina 2

3

Proteasoma TAP -2M Péptidos

Cadena pesada del MHC clase I Citoplasma Retículo endoplasmático rugoso

Membrana plasmática

Figura 5-9 Vía de péptido-complejo principal de histocompatibilidad clase I. 1) Proteínas citosólicas, a menudo fijas a ubiquitina, 2) son dirigidas hacia proteasomas (modificados como inmunoproteasoma; que no se muestra) donde son degradadas. 3) Péptidos de tamaños apropiados son transportados hacia el RER por transportadores de TAP dependientes de ATP. 4) Estos últimos se asocian, por medio de tapasina, a moléculas del MHC clase I recién montadas, con 2-microglobulina asociada, para formar el complejo de carga de péptido. Péptidos idóneos pueden unirse a las moléculas del MHC, 5) que a continuación son liberadas y 6) transportadas a través del aparato de Golgi a la membrana plasmática. (El complejo de carga de péptido también contiene proteínas chaperón; que no se muestran.)

del MHC clase II clásicos. Estos datos tempranos podrían explicarse al nivel de la APC, con base en si los polipéptidos sintéticos fueron capaces o no de unirse a los alelos particulares de moléculas del MHC clase II. Con todo, también podrían explicarse estos resultados en el ámbito de la célula T; puesto que las moléculas del MHC clase II del timo controlan los repertorios de células T producidos en diferentes cepas de ratones (sección 5.5.2), podrían determinar si las células T que se desarrollan pueden reconocer o no estos complejos de péptido-MHC. 5.2.5.1

como cloroquina, de nuevo se inhibió la presentación. Las DC y quizá las células B muestran cierta especialización en términos de las proteasas usadas y su regulación, pero los principios son en gran parte los mismos independientemente del tipo de célula involucrado. En términos generales, los péptidos que se originan a partir de la vía endosomal, sea que se deriven o no de proteínas propias o de agentes infecciosos como bacterias fagocitadas, se conocen como antígenos exógenos. En general, éstos se unen a moléculas del MHC clase II clásicas, y son presentados a células T CD4.

Degradación endosomal de antígenos extraños

Los péptidos que se unen a moléculas del MHC clase II son generados en la vía endosomal, en contraste con los que se unen al MHC clase I que se originan en el citosol. Casi todas las células tienen mecanismos para captar proteínas extracelulares y degradarlas en la vía endosomal, y el sistema inmunitario adaptativo usa estos mecanismos para la generación de péptidos de unión a MHC clase II. Las proteínas son captadas mediante endocitosis de fase fluida o mediada por receptor, o por medio de fagocitosis, y degradadas por enzimas lisosomales en las vesículas progresivamente acidificadas de la vía endosomal. La importancia de las proteasas lisosomales se mostró en experimentos en los cuales se añadieron inhibidores de proteasa a cultivos de APC con proteínas enteras, y se encontró que la presentación al MHC clase II estuvo inhibida. Las proteasas lisosomales actúan a pH bajo, y si el pH endosomal aumentó al añadir bases débiles,

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P5.8. La cloroquina, añadida a cultivos de APC y proteína, inhibe con fuerza la presentación de antígeno. ¿Hay razones posibles que podrían explicar esto que no sean la inhibición de la proteólisis? ¿Cómo podría intentarse montar experimentos control para excluir las otras razones posibles?

5.2.5.2

Carga de péptido en la vía del MHC clase II

Las proteínas exógenas son desintegradas en la vía endocítica, pero ¿cómo quedan unidas a moléculas del MHC clase II? Las moléculas del MHC clase II son sintetizadas en el RER; aun así, a diferencia de muchas proteínas, las moléculas del MHC clase II no viajan directamente a la membrana plasmática. Necesitan interactuar con péptidos, los cuales están presentes en la vía endosomal; por ende, las moléculas del MHC clase II son dirigidas

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

a la vía endocítica, que es una función de la cadena invariante con la cual están asociadas inicialmente. La cadena invariante es sintetizada en el RER, y forma un complejo con moléculas del MHC clase II recién sintetizadas. Una secuencia de direccionamiento en la cola citoplasmática de la cadena invariante dirige el complejo por medio del aparato de Golgi hacia la vía endosomal, donde puede muestrear péptidos en diferentes partes de la vía (figura 5-10). Otra función crucial de la cadena invariante es bloquear los surcos de unión a péptido de moléculas del MHC clase II; esto es importante porque asegura que los péptidos suministrados al ER para unión a moléculas del MHC clase I (véase antes) son incapaces de unirse a moléculas clase II recién sintetizadas y, por ende, asegura que estas vías estén separadas desde el punto de vista funcional. De cualquier modo, una vez que las moléculas clase II son suministradas a los endosomas en maduración, las proteasas empiezan a dividir la cadena invariante en sitios específicos, hasta que queda una porción única (CLIP) y sigue bloqueando el surco de unión a péptido. Está claro que los péptidos que provienen de antígenos extraños no pueden unirse a moléculas clase II sino hasta que ésta es liberada. A veces esto puede suceder de manera espontánea; no obstante, en otros casos la liberación de CLIP requiere una molécula relacionada con el MHC clase II diferen-

te —HLA-DM en seres humanos o H-2M en ratones— que está restringida a la vía endosomal. De hecho, esta clase de molécula relacionada con la clase II (que sólo está presente en endosomas) probablemente desempeña un papel catalítico más general en la selección de péptido para unión al surco, quizá al mantener una conformación más abierta del surco de unión a péptido hasta que se une un péptido de alta afinidad. La molécula del MHC clase II que porta péptido ahora puede ser transportada a la membrana plasmática, donde en potencia puede ser reconocida por células T CD4. En algunas células, en particular células B y algunas DC, la función de HLA-DM o H-2M está regulada por otra molécula relacionada con la clase II, HLA-DO en seres humanos o H-2O en ratones (recuadro 5.4). P5.9. ¿Por qué podría ser importante tener mecanismos que aumentan la probabilidad de que los péptidos se unan con afinidad alta a moléculas clase II en las condiciones ácidas de la vía endosomal? P5.10. ¿Cómo podría intentarse mostrar que la cola citoplasmática de la cadena invariante fue la encargada de dirigir moléculas del MHC clase II hacia el sistema endosomal?

Retículo endoplasmático rugoso Cadenas del MHC clase II

Vesícula endocítica Proteasas lisosomales

1 Cadena invariante (li)

3 Aparato de Golgi

2 MHC clase II montado Secuencia direccionadora

187

Proteína que fue objeto de endocitosis 5

6

Péptido

MHC clase II

Liberación de CLIP 4 Degrada- CLIP ción de li

li

HLA-DM (Surco bloqueado) Membrana plasmática

Figura 5-10 El procesamiento de péptido-complejo principal de histocompatibilidad clase II. Las proteínas en la vía endocítica son desintegradas a péptidos por proteasas lisosomales. Entretanto, 1) se sintetizan cadenas ,  e invariantes del MHC clase II y 2) se montan en el RER. 3) La cadena invariante bloquea el surco de unión a péptido en la molécula del MHC y dirige el complejo, a través del aparato de Golgi, hacia la vía endocítica. 4) Ahí, la cadena invariante es digerida por pasos hasta dejar un fragmento pequeño, CLIP, que bloquea el surco. 5) El CLIP a continuación se disocia de manera espontánea, o la disociación es facilitada por una molécula relacionada con el MHC clase II, HLA-DM de ser humano (o H-2M de ratón), que además promueve el intercambio de péptido hasta que un péptido de afinidad alta se une al surco. 6) A continuación el complejo de péptido-MHC puede ser transportado hacia la membrana plasmática.

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

5.2.6 Presentación cruzada Casi todos los virus son muy selectivos en términos del o los tipos de células que pueden infectar (tropismo, sección 2.2.2.1). A partir de experimentos de depleción y de transferencia adoptiva se sabe que las células T CD8 son cruciales para la recuperación luego de muchas infecciones virales, y que las células T CD8 reconocen complejos de MHC clase I-péptido derivados de proteínas citoplasmáticas. Se sabe que, en general, las DC son las principales APC, si no es que las únicas, que activan con eficacia células T vírgenes in vivo (sección 5.4.1). Esto suscita un problema real: ¿cómo puede una DC presentar antígenos de todos los diferentes virus que podrían infectar una especie dada? Podría ser que las DC pueden ser infectadas por todos los virus; sin embargo, dado el tropismo viral, esto implicaría que las DC necesitan expresar todas las moléculas de superficie celular usadas por los virus como receptores, lo cual está claro que es poco probable. Empero, al menos un subgrupo de DC ha encontrado por evolución una solución diferente a este problema; estas células pueden suministrar péptidos exógenos derivados de la vía endosomal a moléculas del MHC clase I en lugar de a moléculas del MHC clase II como normalmente lo harían. Dicho proceso se conoce como

presentación cruzada, lo que significa que las DC pueden activar células T CD8 a virus que no infectan de manera activa las DC. Aunque se han propuesto varios mecanismos para explicar la presentación cruzada, aún es un área controvertida. Por ejemplo, se ha sugerido que, para que ocurra esto, los antígenos fagocitados necesitan ser suministrados a endosomas especializados, y que los antígenos solubles, internalizados mediante endocitosis mediada por receptor, podrían ser dirigidos hacia una vía o la otra dependiendo del receptor real involucrado. En algunos casos, proteínas completas, y en otros péptidos, parecen ser transportados desde la vía endocítica hacia el citosol (figura 5-11). P5.11. ¿Cómo podría determinarse si la presentación cruzada requiere TAP para el suministro de péptidos al RER?

5.2.7 Subversión del procesamiento de antígeno por agentes patógenos Si un agente patógeno porta genes que le permiten evitar, evadir o por lo demás subvertir un componente particular de la inmunidad, ésta es evidencia sugestiva de la importancia de ese componente

Recuadro 5-4 Caracterización de la biosíntesis del complejo principal de histocompatibilidad clase II Las moléculas del MHC clase II se sintetizan en el RER, pero aparecen sobre la superficie celular portando péptidos que se derivan de proteínas desintegradas en el sistema endosomal. ¿Cómo puede estudiarse esto? Para entenderlo es necesario investigar la historia de vida de moléculas dentro de una célula: qué sitios ocupan, cómo llegan ahí, durante cuánto tiempo permanecen ahí. Se han usado varios métodos complementarios. El marcado para experimentos de pulso-caza permite dar seguimiento a una cohorte de proteínas a través de una célula. Se hacen crecer células en un medio que contiene un aminoácido radiactivo, por ejemplo, [35S]-metionina, el cual quedará incorporado en cualquier proteína que se esté sintetizando en ese momento. Si el residuo radiactivo sólo está presente durante un tiempo corto (esto es, las células son pulsadas con él), la cohorte de proteínas sintetizadas en este momento estará marcada. Si a continuación se cultivan las células en ausencia de la marca durante periodos adicionales (esto es, la marca se caza), la cohorte de proteínas marcadas migrará por la célula hacia su destino final. Para determinar la ubicación de la cohorte con proteína marcada, puede usarse fraccionamiento celular. Se rompen las células, y los orgánulos se separan del citosol usando sus propiedades fisicoquímicas (p. ej., densidad, tamaño o carga). Para aislar las proteínas marcadas de interés a partir de células fraccionadas, puede usarse inmunoprecipitación (capítulo 4, figura 4-7). Todas las proteínas se solubilizan (p. ej., por medio de detergente), y se añaden a la mezcla cuentas cubiertas con un anticuerpo específico para la proteína de interés. La proteína particular se unirá a las cuentas, y después puede separarse mediante centrifugación (inmunoprecipitación, a veces llamada por los sajones “pull-down”). En condiciones iónicas alteradas la proteína se separará del

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anticuerpo y se puede procesar con electroforesis y caracterizar sobre un gel. De manera alternativa, para determinar la ubicación de moléculas dentro de una célula, se usa microscopia. Puede usarse microscopia de fluorescencia y electrónica para localizar moléculas dentro de células al detectar la unión de anticuerpos marcados con colorantes fluorescentes o partículas de oro, respectivamente, en distintos orgánulos y compartimentos. Un ejemplo del uso de estos métodos es el descubrimiento de la cadena invariante. Cuando se efectúa inmunoprecipitación de moléculas del MHC clase II recién sintetizadas, además de las dos cadenas conocidas del MHC clase II ( y ), se inmunoprecipitó otra cadena con movilidad electroforética diferente. La movilidad de las cadenas  y  es variable en diferentes cepas de ratones, lo que refleja sus diferentes formas alélicas, pero la tercera cadena siempre mostró la misma movilidad y, por ende, se llamó la cadena invariante. Al precipitar moléculas del MHC clase II después de diferentes periodos de caza, fue posible seguir su vía biosintética a través de la célula. Lo que quedó claro fue que, a medida que el complejo de MHC clase II-cadena invariante se movió a través de la célula, la cadena invariante quedó degradada por pasos. La cristalografía de rayos X mostró que la cadena invariante recién formada se unió a molécula del MHC clase II, y que parte de la cadena invariante (CLIP) se unió al surco de unión a péptido de la molécula del MHC, y lo bloqueó. P5.12. ¿Cómo podrían investigarse diferentes moléculas que pueden estar asociadas con moléculas del MHC clase I en diferentes etapas en su ciclo de vida dentro de una célula, como en el RER?

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5.2

Complejo principal de histocompatibilidad (MHC) y presentación de antígeno

MHC clase II

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MHC clase I Membrana plasmática

4 Proteína exógena MHC clase II

1 Péptido Endosoma 3

Proteasoma

2

TAP

Retículo endoplasmático rugoso

Figura 5-11 Presentación cruzada. En algunas DC, péptidos provenientes de proteínas que fueron objeto de endocitosis pueden desplegarse sobre moléculas del MHC clase I; lo anterior se conoce como presentación cruzada. Los mecanismos aún no se entienden por completo. 1) Proteínas o 2) péptidos pueden salir de la vía endocítica hacia el citosol. 3) De manera alternativa, los endosomas pueden adquirir MHC clase I, posiblemente desde el RER, lo que permite unión de péptido directa. 4) La presentación cruzada permite que péptidos derivados de microbios en tejidos periféricos sean presentados sobre moléculas del MHC clase I a células T CD8, sin la necesidad de que las DC estén infectadas de manera activa. Esas DC también pueden presentar péptidos exógenos sobre MHC clase II lo que permite además activación de célula T CD4 por medio de la ruta normal.

en la resistencia a la infección. Ningún agente patógeno portaría estos genes extra si no le dieran una ventaja selectiva. Muchos virus patógenos pueden interferir con las vías de procesamiento del MHC clases tanto I como II. Tan sólo como un ejemplo, el CMV del ser humano porta más de 100 genes que no son esenciales para su crecimiento in vitro, y que, así, podrían estar involucrados en diferentes mecanismos de subversión inmunitaria. En relación con procesamiento por MHC clase I, este virus codifica para proteínas que pueden, por ejemplo, inhibir el transporte de péptido por TAP (US6), hacer que las proteínas del MHC clase I se retengan en el RER (US3) o inducir la translocación de moléculas del MHC clase I recién sintetizadas de regreso hacia el citoplasma, y degradación de las mismas por proteosomas (US2 y US11). Por supuesto, si una célula infectada regula en dirección descendente la expresión de MHC clase I, se convierte en un blanco potencial para células NK (sección 1.4.4). El CMV del ser humano sortea esto al codificar además una proteína señuelo tipo MHC clase I que se expresa sobre la superficie de la célula infectada e inhibe la activación de células NK. Con todo, no debe creerse que el CMV del ser humano sólo usa subversión del MHC clase I: también puede interferir con el procesamiento y la presentación por MHC clase II, con la actividad de citocinas y quimiocinas, y con complemento y anticuerpos. Muchos otros virus portan un rango similar de genes de subversión inmunitaria.

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5.2.8 Presentación de antígenos lipídicos por moléculas CD1 Los antígenos microbianos no se limitan a proteínas simples. Pueden contener carbohidratos (p. ej., glucopéptidos) o lípidos (p. ej., glucolípidos). Mientras que los péptidos y algunos glucopéptidos antigénicos son presentados por medio de moléculas del MHC clásicas a células T convencionales, los antígenos que contienen lípido pueden ser presentados por un grupo diferente de moléculas, las moléculas CD1, a ciertos tipos de células T no convencionales. 5.2.8.1

Moléculas CD1

Las moléculas CD1 tienen estructura y función parecidas a las del MHC, pero son codificadas fuera del MHC. Desde el punto de vista estructural, en términos de sus dominios y su asociación con 2-microglobulina, son muy similares a las moléculas del MHC clase I clásicas. La diferencia clave es, sin embargo, que las moléculas CD1 poseen surcos de unión a antígeno hidrofóbicos que pueden dar cabida a moléculas que contienen lípido, como glucolípidos. Empero, desde el punto de vista funcional las moléculas CD1 semejan moléculas del MHC clase II, por cuanto adquieren sus antígenos que contienen lípido a partir de compartimentos endosomales. Estos compartimentos no sólo contienen proteasas, sino también lipasas, lo que significa que pueden ser degradadas

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

moléculas que contienen tanto proteína como lípido provenientes de microbios fagocitados; por ende, las moléculas CD1 pueden adquirir moléculas que contienen lípido a partir de endosomas. Con todo, aún hay mucho por aprender acerca de la función de las moléculas CD1 y sus funciones en la inmunidad. En seres humanos, cinco genes codifican para diferentes grupos de moléculas CD1 (CDla-e) divididas en dos grupos; se cree que CD1 desempeña un papel regulador en la carga de lípido. Algunas de estas moléculas se reciclan entre la membrana plasmática y endosomas tempranos o tardíos, o entre distintos endosomas. Esto se aplica en particular para las moléculas del grupo 1 (CD1a-c) que después pueden presentar lípidos microbianos, como los de micobacterias, a algunas células T , así como a algunas células de  no convencionales que se entienden poco. Los ligandos naturales para las moléculas del grupo 2 (CD1d) se desconocen en su mayor parte. Aun así, lo que está quedando claro es que las moléculas CD1d que, por ejemplo, pueden ser expresadas por DC o macrófagos, presentan estos antígenos lipídicos a un subgrupo especializado de células y NKT no convencionales (véase más adelante). Parece suceder lo mismo en ratones, que de hecho sólo tienen dos genes que codifican para CD1, ambos relacionados con CD1d de seres humanos (figura 5-12).

5.2.8.2

Células NKT invariantes (iNKT)

Algunos linfocitos, llamados células NKT, expresan TCR , CD4 y una molécula llamada NK1.1, que se identificó por vez primera sobre células NK (sección 4.4.5). Un subgrupo de ellos es poco común por cuanto expresa un TCR que es relativamente invariante: éstos contienen disposiciones canónicas de V24-J18 con V11 en seres humanos, y V14-J18 con V8 en ratones. Por ende, este subgrupo se denomina células NKT canónicas o invariantes (iNKT). Gran parte del entendimiento de estas células, que aún es incompleto, ha sido auxiliado por el dato fortuito de que un componente lipídico de esponjas marinas, la -galactosilceramida (-GalCer), puede estimular estas células para que secreten IFN-. En ratones, hay grandes números de células iNKT en el hígado, mientras que otros tipos de células NKT se encuentran en la médula ósea, el bazo, los ganglios linfáticos o el epitelio del intestino. Las células iNKT semejan células activadas o efectoras, y secretan con rapidez IFN- e interleucina (IL)-4 cuando son estimuladas in vitro con, por ejemplo, -GalCer. De cualquier modo, la función real de las células iNKT (y, de hecho, la de otros tipos de células NKT) en la defensa del huésped es oscura. La evidencia más directa proviene de estudios de ratones

Complejo de CD1-lípido extraño

Complejo de CD1-lípido propio

Membrana plasmática

Antígeno

2 1 Glucolípido o fosfolípidos

Endosoma

CD1 -2M CD1

Cadena invariante

Retículo endoplasmático rugoso

Figura 5-12 La vía de lípido-CD1. Las moléculas CD1 son similares desde el punto de vista estructural a las moléculas del MHC clase I clásicas, pero poseen un surco hidrofóbico, que permite que se unan moléculas que contienen lípido. A diferencia de las moléculas del MHC clase I clásicas, las moléculas CD1 pueden asociarse con la cadena invariante, y son dirigidas hacia la vía endosomal. Pueden adquirir moléculas que contienen lípido a diferentes etapas de su historia de vida, incluso el RER (1) y el endosoma (2). Diferentes moléculas CD1 trafican a través de diferentes endosomas. Los ligandos naturales de moléculas CD1 pueden incluir glucolípidos derivados de paredes celulares de micobacterias, y fosfolípidos. Los glucolípidos unidos a moléculas CD1 pueden ser presentados a células T no convencionales, como células iNKT en el caso de CD1d de ser humano.

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5.3

Activación de linfocitos T

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Recuadro 5-5 Síndrome del linfocito desnudo Algunos pacientes muy raros que se presentan con una incidencia aumentada de infección, se encuentra que tienen expresión de moléculas del MHC muy reducida o nula. En casos en los cuales la expresión del MHC clase I es defectuosa (síndrome tipo 1), los pacientes pueden tener una molécula TAP mutante. Se predeciría que estos pacientes sufrirían infección viral aumentada porque sus células T CD8 no podrían reconocer células infectadas por virus. De hecho, estos pacientes por lo general están asintomáticos durante los primeros años de vida, pero más tarde sufren infecciones bacterianas crónicas de las vías respiratorias superiores. Se trata de un misterio real porque muchas otras evidencias apoyan la función de las células T CD8 y del MHC clase I en la infección viral; quizá la más persuasiva es el número de diferentes maneras en las cuales los virus pueden interferir con la expresión del MHC clase I —los cuales no portarían esta carga genética extra si no les confiriera una ventaja selectiva—. Tales observaciones clínicas son difíciles de explicar,

con deleción (knockout) que carecen del gen que codifica para J18, en los cuales no hay desarrollo de células iNKT. Estos ratones son incapaces de eliminar infecciones por un tipo específico de microbio, las -proteobacterias, que son organismos gramnegativos que no expresan lipopolisacárido (LPS). Algunas glucosilceramidas presentadas por CD1d provenientes de estas bacterias, pueden activar células iNKT in vitro. Es una hipótesis interesante que las células iNKT podrían haber evolucionado para combatir microbios que no pueden actuar como agonistas de TLR, o que evaden el reconocimiento por TLR. No obstante, otros estudios en ratones con deficiencia de NKT o de CD1 han sugerido que las células iNKT también pueden estar involucradas en la defensa contra micobacterias y parásitos del paludismo en el hígado. P5.13. ¿Cómo podría intentarse identificar un ligando natural para una molécula CD1?

5.3 Activación de linfocitos T 5.3.1 Base anatómica de las respuestas de células T Una vez introducidas las células T, el MHC y las APC ahora se revisará brevemente la activación de células T in vivo, que se comenta con mayor detalle en la sección 3.4.2.3. En contraste con respuestas inmunitarias innatas, que son iniciadas en tejidos periféricos, todas las respuestas de células T (primarias) son iniciadas en órganos linfoides secundarios. En resumen, las células T  vírgenes, después de salir del timo, patrullan los órganos linfoides secundarios, probablemente de manera bastante al azar. Cuando encuentran moléculas apropiadas en vénulas

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pero de nuevo sirven para ilustrar qué tanto no se entiende acerca de la inmunología. Los pacientes con falta de expresión del MHC clase II (síndrome tipo 2) o de MHC clases tanto I como II (tipo 3) también son muy raros. En estos casos, la deficiencia del MHC clase II por lo general se debe a un defecto en genes que regulan la expresión del MHC clase II, en particular el transactivador clase II (CIITA, un miembro de la familia de receptor tipo NOD [NLR]; capítulo 4). Dichos pacientes por lo general muestran inmunodeficiencia combinada grave (SCID), y es probable que mueran en etapas tempranas de la niñez a menos que reciban un trasplante de médula ósea. La observación de que la deficiencia del MHC clase II lleva a enfermedad clínica más grave que la deficiencia del MHC clase I quizá es de esperarse dada la importancia fundamental de las células T CD4 en la inmunidad adaptativa a la infección.

endoteliales altas (HEV) en ganglios linfáticos o placas de Peyer, o en sinusoides en el bazo, se adhieren y migran hacia el órgano. Esta migración es dirigida por moléculas de adhesión expresadas sobre el linfocito, por ejemplo, la L-selectina, y el endotelio, por ejemplo, adresina de ganglio linfático periférico (PNAd). Pasan algunas horas en las áreas de células T de los órganos, y a continuación salen y migran, de manera directa (bazo) o indirecta por medio de la linfa (ganglios y placas de Peyer) hacia la sangre. Al mismo tiempo, las DC están migrando desde sitios de infección periféricos hacia las áreas de células T de órganos linfoides secundarios. Cuando las células T llegan a las áreas de células T, forman adhesiones a corto plazo a las DC. Si sus receptores de antígeno no se unen con suficiente afinidad a cualquier combinación de MHC y péptido sobre la superficie de la DC, se liberan por sí mismas de la DC y avanzan. De esta manera, interrogan varias DC antes de salir del órgano, entran a la sangre y a continuación migran hacia otros tejidos linfoides secundarios; ese patrón de recirculación de linfocitos puede seguir adelante durante periodos muy prolongados. Sin embargo, si una célula T reconoce un complejo de péptido-MHC con suficiente afinidad, hace una interacción duradera con una DC; estas interacciones pueden visualizarse mediante la técnica de microscopia intravital (recuadro 3-3) en la cual eventos celulares que están ocurriendo en órganos y tejidos vivos pueden observarse con un microscopio durante periodos de horas. Finalmente pueden dar lugar a activación de la célula T. Casi todas las células T activadas abandonan el tejido linfoide secundario (aunque las células T auxiliares foliculares migran hacia los folículos de células B) y viajan de regreso hacia tejidos periféricos. En general, las células T activadas migran hacia tejidos inflamados de una manera no específica para antígeno. Empero, en algunos casos su migración puede ser dirigida hacia tipos particulares de tejido. Así, las células T CD4 activadas en tejidos linfoides de mucosas tienden a migrar de regreso hacia mucosas; expresan la integrina 47 que reconoce la molécula de

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

adhesión celular adresina de mucosa (MadCAM) sobre el endotelio de la mucosa. De modo similar, las células T activadas en ganglios que drenan la piel tienden a migrar de regreso hacia la piel; expresan diferentes receptores para las adresinas vasculares (sección 3.3.3.2) en este sitio. Una vez activada, la célula T ahora puede reconocer cualquier célula que exprese su combinación de péptido-MHC cognada (no sólo las DC), y llevar a cabo su función. P5.14. Las células endoteliales expresan moléculas del MHC clase I. ¿Esto podría tener alguna función en la dirección de la migración de células T CD8 específicas para antígeno, además de las señales de código postal habituales (sección 3.3.3.2)? Antes de que puedan funcionar en la inmunidad, las células T necesitan ser activadas, y después recibir instrucciones respecto a cuáles funciones efectoras deben adquirir, dependiendo del tipo de infección que ha ocurrido. Tal es la función tanto del TCR como de otras moléculas sobre la superficie de la célula T que generan señales de activación adicionales, y de citocinas que contribuyen de manera significativa a regular la diferenciación de células T. Es importante percatarse de que en el estado estable, en ausencia de inflamación u otras formas de peligro, las células T que reconocen antígeno por lo general mueren (lo que da pie a tolerancia) o en el caso de algunas células T CD4 pueden convertirse en células reguladoras. Sólo es en presencia de coestimulación adecuada como pueden convertirse en células efectoras activadas por completo. 5.3.2 Requerimientos moleculares para la activación de células T La especificidad antigénica de la activación de células T está determinada por la interacción del TCR y el complejo de péptido-MHC. ¿Cuál podría ser la consecuencia si ése fuera el único requisito para la activación de células T? Recuerde que casi todas las moléculas del MHC tienen unidos péptidos propios, y que todas las DC estarán expresando péptidos que provienen de componentes celulares normales. En el caso de las que migran desde el intestino, también expresarán péptidos que provienen de proteínas alimentarias o de bacterias comensales. ¿No habría una probabilidad real de generar enfermedades autoinmunitarias o hipersensibilidad alimentaria si el único requisito para la activación de células T fuera el reconocimiento de péptido-MHC? Casi sin duda es algo bueno que la activación de células T sea más bien más compleja. Ahora está claro que una célula T virgen o en reposo requiere al menos dos grupos de señales para quedar activada. El primer grupo de señales es suministrado por péptido-MHC por medio del TCR y su complejo CD3 asociado; esto a veces se llama la señal 1. El segundo grupo de señales se conoce como coestimulación, y puede comprender varias moléculas diferentes sobre la APC que interactúan con moléculas complementarias sobre la célula T. Esto en general se llama la señal 2. Otras moléculas asociadas a célula y factores secretados (citocinas) determinan cómo una célula T activada se diferenciará, por ejemplo, si se hará polarizada a Th1, Th2 o Th17 (señal 3), y adónde migrará (esto último quizá podría denominarse señal 4) (figura 5-13 y recuadro 5-6).

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5.3.3 Anatomía molecular de la activación de célula T Cuando las células T se examinaron usando microscopia de fluorescencia durante el proceso de activación, se observó que cada una formaba conexiones muy estrechas, llamadas la sinapsis inmunológica, con APC; esta sinapsis tiene una estructura característica que consta de anillos concéntricos en los cuales diferentes moléculas están ordenadas en distintas áreas de la sinapsis. En el área central están los TCR, las moléculas CD4 o CD8 asociadas que interactúan con el MHC, y la molécula coestimulatoria CD28 que interactúa con CD80 y CD86. Fuera de esta área central están las moléculas de adhesión, LFA-1 sobre la célula T que interactúan, por ejemplo, con la molécula de adhesión intercelular (ICAM-1) sobre la APC. Es importante que CD45, una molécula involucrada en la inhibición de la activación, es una molécula muy grande y está excluida del área central de la sinapsis, al igual que otras moléculas grandes, como CD43. El cuadro se complica debido a la identificación de balsas de lípido que contienen agrupaciones focales de moléculas que pueden mostrar coalescencia para formar la sinapsis. La sinapsis no es un conjunto fijo de moléculas. Las moléculas como el TCR y moléculas del MHC están continuamente entrando y saliendo, quizá para facilitar que el TCR se reúna con su péptido-MHC cognado (figura 5-14). P5.15. ¿Cómo podría intentarse estimar la concentración de una molécula secretada particular en la sinapsis inmunológica?

P5.16. ¿La sinapsis inmunológica podría estar implicada en la infección además de estar involucrada en la activación de célula T o la función de la misma?

5.3.3.1 Función del TCR y otras moléculas en la activación de célula T

Las cadenas  de los TCR de células T convencionales se asocian con varias otras proteínas en la membrana celular —llamadas en conjunto CD3— cuya principal función es la transducción de señal. CD3 consta de seis cadenas polipeptídicas (una cadena , una , dos  y dos ). La unión de TCR a péptido-MHC finalmente conduce a fosforilación de motivos de activación de inmunorreceptor (ITAM) en las porciones citoplasmáticas de las cadenas CD3. La unión subsiguiente de componentes emisores de señales intracelulares a estos ITAM a continuación desencadena la cascada bioquímica que lleva a los cambios de las funciones celulares que se reconocen como las etapas tempranas de la activación de células T. Muchos receptores emisores de señales pasan por dimerización como un componente esencial de la emisión de señales, lo cual probablemente es imposible para los TCR porque la frecuencia de complejos péptido-MHC cognados es demasiado baja. Más bien parece que la concentración de TCR y moléculas del MHC en la sinapsis permite que ocurran suficientes interacciones cognadas para sumarse y generar la fuerza general requerida de emisión de señales. Para células T vírgenes se estima que esto requiere cientos de interacciones cognadas, pero para células T de memoria/activadas quizá basten tan pocas como una a 10 interacciones. Además del TCR y CD3, CD4 y CD8 también están implicados en la activación de células T; su función es unirse de forma directa a moléculas

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5.3

Célula presentadora de antígeno (que carece de coestimulación)

Activación de linfocitos T

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Célula dendrítica activada

MHC clase II

CD80, 86 (B7)

CD4 TcR

CD4

CD3

CD8 Interacciones de citocinas y molécula de membrana

CD3 TcR Señal 1

Anergia/muerte (tolerancia)

Célula T CD4 virgen

Treg inducida (regulación)

Señal 1

Señal 2 Señal 3

Célula T CD4 activada

Célula T CD4 efectora (Th1, Th2, Th17, etc.)

Figura 5-13 Coestimulación de células T CD4. Las células T CD4 vírgenes pueden perder su capacidad de respuesta (hacerse anérgicas), morir (sufrir apoptosis) o diferenciarse hacia células T reguladoras (Treg) si reconocen un complejo de péptido-MHC sobre una APC en ausencia de estímulos adicionales (señal 1 sola). Esto puede llevar a tolerancia específica para antígeno. No obstante, si la célula T recibe además señales positivas por medio de CD28, desde miembros de la familia B7 CD80, o CD86, o ambos, quedará activada por completo (señal 1 más señal 2). (En contraste, señales negativas suministradas por moléculas como CTLA-4 o PD1 pueden inhibir la activación de célula T; no se muestra esto.) Las DC activadas (maduras) son la fuente habitual de esas señales coestimulatorias para la activación inicial de células T CD4 vírgenes. Otras señales regulan el tipo de respuesta efectora que aparece, como hacia células Th1 en contraposición con Th2 (señal 3). Las células T también pueden recibir instrucciones respecto a dónde deben migrar (señal 4: que no se muestra).

del MHC (MHC clases II y I, respectivamente). CD4 y CD8 están asociados con una tirosina cinasa intracelular, Lck, que desempeña un papel muy importante en el inicio de la emisión de señales intracelulares. Las interacciones de CD4 o CD8 con moléculas del MHC, y de LFA-1 con ICAM, así como otras interacciones entre moléculas de adhesión, también pueden influir sobre el número de interacciones TCR-MHC necesarias para que se desencadene la activación. Es importante que la activación de células T se encuentre estrechamente regulada. CD45 es una proteína expresada en diferentes isoformas sobre todos los leucocitos. En las células T, CD45 actúa como una proteína tirosina fosfatasa que se encarga

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en parte de mantener a raya la activación de célula T al regular la fosforilación por Lck y otras cinasas. 5.3.3.2 Emisión de señales intracelulares en la activación de célula T Señal 1: reconocimiento por célula T CD4 de complejos de péptido-MHC ¿De qué modo la generación de una señal por me-

dio del TCR y CD3 da pie a cambios de la expresión génica? En esencia los motivos ITAM son fosforilados por Lck, asociados con CD4 o CD8, esto permite la unión y activación de otras

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Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

Recuadro 5-6 Caracterización de los receptores de célula T La naturaleza molecular del TCR fue controvertida durante muchos años, ¿era una inmunoglobulina o una molécula tipo inmunoglobulina, o algo por completo nuevo? La respuesta provino de métodos bastante diferentes. En un método, investigadores emitieron la hipótesis de que el TCR sería singular para una clona única de células T, y que podrían generarse anticuerpos monoclonales específicos para su sitio de unión a antígeno singular. Para probarlo se necesitaron grandes números de células T con expresión del mismo TCR en todas, lo cual se logró al usar hibridomas de células T: células T únicas de especificidad conocida se fusionan con células de linfoma de células T (tumorales) en un procedimiento similar al usado para sintetizar anticuerpos monoclonales con células B. Estos hibridomas de células T pueden hacerse crecer como clonas, y se dividen de manera espontánea, lo que permite la producción de números muy grandes de células. Se hicieron paneles de anticuerpos monoclonales contra un hibridoma único, y se investigaron para anticuerpos que sólo se unieron al hibridoma que habían usado para inmunizar. Encontraron ese tipo de anticuerpos, que denominaron clonotípicos, y pudieron usarlos para aislar la molécula a la cual se unieron y para obtener información estructural. Lo an-

terior mostró que las moléculas fueron tipo inmunoglobulina, pero que no fueron anticuerpos. En otro método, investigadores emitieron la hipótesis de que el TCR se formaría por un reordenamiento genético similar al que ya se sabía que ocurre en células B, que no se expresaría en células B, pero que la mayoría de las proteínas sería idéntica en células B y T. Por ende, idearon estrategias para identificar esos genes. Un ejemplo es la hibridación por sustracción en la cual cDNA derivado de mRNA de célula T es hibridado (unido) a mRNA de célula B, y cDNA de célula B que no se une a mRNA de célula B, pero que se une a mRNA de célula T, se examinó respecto a reordenamiento. Dos grupos usaron esta clase de método para identificar genes que codifican para TCR en seres humanos y ratones, respectivamente. Cuando otro grupo secuenció una cadena de TCR de ser humano identificada mediante anticuerpos clonotípicos, la secuencia fue idéntica a la predicha a partir del análisis genético. Así, dos métodos bastante distintos contribuyeron al descubrimiento del TCR. Fue algún tiempo más tarde cuando la estructura cristalina del TCR se resolvió, y quedó claro cómo interactúa con el complejo de péptido-MHC.

Célula dendrítica

MHC clase II CD80/86 (B7) Integrina

CD4

CD43

TcR

CD28

CD45

CD3

Célula T CD4

Figura 5-14 La sinapsis inmunológica. Cuando una célula T CD4 interactúa con una DC, el citoesqueleto de ambas células se reorganiza para formar una zona de interacción célula-célula estrecha. Se trata de la sinapsis inmunológica en la cual diferentes grupos de moléculas están dispuestos en anillos concéntricos. Las moléculas involucradas en la activación de célula T —el TCR y MHC, y moléculas coestimulatorias— están concentradas en las áreas centrales, y están rodeadas por moléculas de adhesión. Algunas moléculas grandes, como CD45, que tienen funciones inhibitorias, y CD43, que pueden servir como una molécula barrera que impide el contacto estrecho entre células, quedan excluidas de la sinapsis. Ese tipo de sinapsis también se forma cuando otras células de la inmunidad adaptativa interactúan, por ejemplo, células T CD4 con células B y células T CD8 (CTL) con células blanco; no se muestra esto.

moléculas como ZAP70 que fosforila una proteína armazón asociada a membrana, grande, llamada LAT. Lo anterior une varias moléculas adaptadoras y emisoras de señales, lo que conduce a muchos eventos torrente abajo, entre ellos activación de factores de transcripción esenciales. Los principales resultados comprenden cambios en el citoesqueleto, que llevan a interacciones más

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estrechas entre la célula T y la APC, y el inicio de la secreción de citocina —en particular IL-2—, el factor de crecimiento fundamental para células T en las etapas tempranas de su activación (figura 5-15). Los cambios inducidos en el citoesqueleto son principalmente en la polimerización de actina. Una molécula fundamental

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5.3

Activación de linfocitos T

195

Coestimulación por CD28

TCR

CDR3 Señal 2

Señal 1

(MAPK, etc.)

WASP

Rac

PLC-1

Ras DAG

MAPK

PKC

PI-3K IP3

Calcineurina

Akt mTOR

Actina

AP-1

NFB

NFAT

Crecimiento, proliferación, supervivencia

Figura 5-15 Vías de emisión de señales intracelulares para la activación de células T. Un esquema altamente sobresimplificado de algunas vías de emisión de señales intracelulares importantes involucradas en las células T. Señal 1. La ligadura de complejos de péptido-MHC (y correconocimiento por CD4 o CD8; no se muestra esto) inicia emisión de señales por medio del complejo CD3 que activa múltiples vías torrente abajo. Varias de ellas llevan a la activación y la translocación nuclear de los factores de transcripción AP-1, NF- B y NF-AT; los dos últimos por medio de vías que involucran DAG e IP3, respectivamente. La Rac está involucrada en la activación del citoesqueleto de actina (que también involucra WASP). Señal 2. La emisión de señales adicional desde CD28 aumenta la activación de factores de transcripción clave y la vía de la PI3 cinasa (que involucra mTOR) que regula el crecimiento, la proliferación y la supervivencia de células T. Véanse más detalles en el texto.

en esta cadena es la proteína del síndrome de Wiskott-Aldrich (WASP), que es expresada en células hematopoyéticas. En el síndrome de Wiskott-Aldrich, la proteína WASP es defectuosa, y los pacientes son susceptibles a infecciones bacterianas, virales y micóticas. Defectos en varios tipos de célula pueden contribuir a esta enfermedad, pero queda claro que la activación de células T se encuentra afectada. La avidez de la interacción de célula TAPC también es aumentada por emisión de señales desde el TCR, que lleva a afinidad aumentada de adhesión LFA-1-ICAM. La secreción de IL-2 está regulada por la actividad de varios factores de transcripción. Diferentes vías torrente abajo de la LAT generan estos factores. Una enzima fosfolipasa hidroliza un fosfolípido de membrana para generar dos mediadores lípidos, el diacilglicerol (DAG) y el trifosfato de inositol (IP3); éstos estimulan vías separadas. El DAG estimula dos vías que finalmente llevan a la activación de los factores de transcripción AP-1 y NF B. El IP3 estimula ondas de flujos de calcio en la célula, y el calcio activa la proteína fosfatasa, calcineurina, que desfosforila el factor de transcripción NF-AT y lo activa. La activación de la transcripción del gen que codifica para IL-2 requiere ocupación simultánea de su región promotora del gen por diferentes factores de transcripción; esto significa que la IL-2 sólo es sintetizada cuando hay fuerte emisión de señales desde el TCR. Con todo, esta disposición de señales es insuficiente para inducir secreción de IL-2. En lugar de eso hay un requerimiento de señales adicionales generadas por coestimulación (señal 2).

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P5.17. ¿Por qué la activación robusta de la síntesis de IL-2 requiere emisión de señales fuertes? Señal 2: coestimulación de células T CD4 El sistema coestimulatorio de mayor importancia comprende dos moléculas sobre la APC: CD80 y CD86 (conocidas en conjunto como B7), que se unen a una molécula importante desde el punto de vista funcional que es expresada de manera constitutiva por células T vírgenes, CD28. Se cree que la emisión de señales por medio de CD28 conduce a activación más robusta de células T al amplificar vías existentes que en un inicio son desencadenadas por ligadura de TCR y probablemente por inducir vías adicionales. Por ejemplo, la cola citoplasmática de CD28 puede quedar fosforilada por cinasas activadas por TCR, y después activa la vía de la fosfatidilinositol 3-cinasa (PI3)/Akt; esta vía involucra el “blanco de la rapamicina en mamíferos” (mTOR) que regula la síntesis de proteína durante el ciclo celular. En general, la emisión de señales por medio de CD28 activa por completo el gen que codifica para IL-2, lo que da pie a secreción robusta y sostenida de citocina. De este modo, CD28 media el suministro de señales coestimulatorias positivas a la célula T. Además, la emisión de señales por medio de CD28 está involucrada en asas de retroacción que pueden amplificar la función. Por ejemplo, llevan a inducción de ligando CD40 sobre la célula T CD4 activada que entonces puede interactuar con CD40 sobre DC para estimular la expresión de otras moléculas coestimulatorias (véase células T CD8, más adelante). CD40 y el

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196

Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

ligando de CD40 son miembros de la familia de factor de necrosis tumoral (TNF)-receptor de TNF. Las respuestas de célula T finalmente necesitan ser desactivadas. Las células T activadas expresan cada vez más una molécula llamada CTLA-4 (otro miembro de la superfamilia de inmunoglobulina) que también se une a B7 y compite con CD28. En contraste con CD28, la CTLA-4 media el suministro de señales coestimulatorias negativas a la célula T, lo que inhibe respuestas adicionales, al igual que varios otros receptores, como PD-1 que se une a otro miembro de la familia B7, el ligando PD-1, B7H1. La importancia de la CTLA-4 en la regulación negativa de respuestas de célula T es subrayada por ratones con deleción (knockout) del gen que codifica para CTLA-4, que muestran proliferación descontrolada de linfocitos, y por la observación de que puede haber presencia de variantes de CTLA-4 en algunas enfermedades autoinmunitarias. Los pacientes y los ratones con defectos de Fas o del ligando Fas, involucrados en la apoptosis de linfocitos, pueden mostrar enfermedades autoinmunitarias linfoproliferativas similares. 5.3.3.3 Defectos, evasión y manipulación de la emisión de señales de células T

¿Cómo se sabe que las interacciones moleculares antes descritas son importantes? La evidencia proviene de varias fuentes, incluso inmunodeficiencias de seres humanos y de ratones, las acciones de fármacos inmunosupresores, y las estrategias usadas por los agentes patógenos para interferir con la emisión de señales. Las mutaciones en moléculas emisoras de señales de células T pueden llevar a inmunodeficiencias en seres humanos. Un ejemplo es WASP (véase antes), que es crucial para la inmunidad de células tanto T como B, y los defectos llevan a infecciones bacterianas, virales y micóticas recurrentes. Otro es los defectos en ZAP 70 que llevan a falta de células T CD8 circulantes y falta de capacidad de respuesta de células T CD4, lo que causa una forma de inmunodeficiencia combinada grave (SCID).

interferir con la activación de células T de varias maneras. De este modo, la unión de la proteína de envoltura gp120 a CD4 inhibe la fosforilación de proteína tirosina y la movilización de calcio después de ligadura a TCR, y la NEF puede unirse a varias proteínas emisoras de señales, entre ellas Lck y PI3-cinasa. El virus del herpes simple (HSV), después de infectar una célula, bloquea los eventos de emisión de señales torrente abajo que siguen a la activación de LAT. Se ha sugerido que algunos virus, entre ellos el HIV y el virus sincitial respiratorio, también pueden interferir con la formación de la sinapsis inmunológica y, así, inhibir la activación de células T. El hecho de que estos agentes patógenos codifican genes que son capaces de causar esa interferencia es una evidencia fuerte para la importancia de estas vías emisoras de señales y la activación de células T para la defensa contra infección. Por último, se notará que algunos agentes patógenos pueden estimular activación de célula T policlonal robusta, más que realizar inhibición de la función. Bacterias piógenas como Staphylococcus aureus, por ejemplo, secretan toxinas llamadas exotoxinas, las cuales pueden unirse a regiones compartidas de diferentes cadenas de TCR , y a regiones conservadas de moléculas del MHC clase II, y actuar como superantígenos, lo que estimula considerable activación de células T CD4 y la producción de cifras altas de citocinas (una tormenta de citocinas) que puede llevar a choque e incluso la muerte. No está por completo claro hasta qué grado lo anterior representa un mecanismo de subversión o evasión microbiano, o simplemente es una coincidencia desafortunada para el huésped.

Inmunodeficiencias

Agentes inmunosupresores Los glucocorticoides usados para inmunosupresión tienen muchos efectos, pero éstos incluyen inhibición de la activación de NF- B. La ciclosporina y el tacrolimus (FK506) son inhibidores de la calcineurina que se usan como inmunosupresores para prevenir rechazo de trasplante; estos fármacos inhiben el NF-AT que en circunstancias normales es activado luego de la unión de TCR a complejos de péptido-MHC. La rapamicina (sirolimus), otro fármaco que se utiliza para prevenir rechazo, inhibe mTOR, que es activado durante la coestimulación por medio de CD28. Los efectos inhibitorios e inmunosupresores de estos agentes demuestran la importancia de estas vías respectivas para la activación de células T, y de las células T para mediar rechazo de aloinjerto (capítulo 7).

Un vasto número de agentes patógenos puede interferir con la emisión de señales intracelulares en las células T; por ejemplo, Helicobacter pylori, el organismo causal de úlceras gástricas, codifica para una proteína VacA que bloquea la capacidad de la calcineurina para activar el factor de transcripción NF-AT. (La VacA también interfiere con la función de la cadena invariante del MHC clase II en el procesamiento de antígeno y la presentación del mismo.) Como otro ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia humana (HIV) puede

Estrategias de evasión microbianas

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5.4 Funciones efectoras y de memoria de células T en la infección 5.4.1 DC y activación y polarización de células T Las DC desempeñan funciones cruciales en la activación de células T, la fundamental estriba en la activación de células T vírgenes, en particular células T CD4. Para hacer esto adquieren antígeno de diversas maneras, lo transportan a las áreas de células T de tejidos linfoides secundarios, y presentan péptidos procesados a las células T vírgenes. También transducen información desde la periferia que regula la diferenciación de células T. Se han identificado varios tipos de DC, con funciones y propiedades diferentes (figura 5-16 y recuadro 5-7). 5.4.1.1

DC clásicas

Las DC clásicas se forman a partir de precursores en la médula ósea. Pueden surgir a partir tanto de progenitores linfoides comunes (CLP) como de progenitores mieloides comunes (CMP). Las DC que se originan a partir de ambas líneas pueden migrar desde la sangre hacia tejidos periféricos, donde pasan un corto tiempo (algunos días) antes de emigrar por medio de la linfa aferente hacia ganglios linfáticos. En los tejidos periféricos, las DC están especializadas para adquirir antígenos y, por ende, expresan diversos receptores endocíticos; estos antígenos pueden expresarse después como complejos de péptido-MHC para el reconocimiento de células T. También expresan receptores de

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5.4

Médula ósea y sangre

Funciones efectoras y de memoria de células T en la infección

Tejido periférico normal

197

Órganos linfoides secundarios

DC clásica migratoria DC clásica migratoria (p. ej., corazón, riñón) DC clásica residente Precursores de DC

Células de Langerhans (p. ej., piel)

Célula de Langerhans migratoria

DC derivada de monocito migratoria Monocito

DC derivada de monocitos (p. ej., sitios inflamatorios) DC plasmacitoide

Precursor

Figura 5-16 Poblaciones de células dendríticas. Las DC clásicas y las DC plasmacitoides surgen a partir de células precursoras diferentes. Algunos precursores de DC clásicas entran a tejidos periféricos y a continuación migran hacia tejidos linfoides secundarios; una vía similar es seguida por células de Langerhans especializadas de la piel. Otros precursores clásicos entran a ganglios linfáticos directamente desde la sangre, y comprenden una población de DC residente en ganglios linfáticos separada. Las DC también pueden desarrollarse a partir de monocitos que son reclutados hacia sitios de inflamación, y pueden migrar también hacia tejidos linfoides secundarios. Las DC plasmacitoides son una población separada que puede migrar directamente desde la sangre hacia tejidos linfoides secundarios (o hacia tejidos periféricos y tumores en situaciones de enfermedad; no se muestra esto). Estas células no deben confundirse con las DC foliculares (FDC), que no se relacionan en absoluto en origen o en función (no se muestra esto).

Recuadro 5-7 Células dendríticas y el inicio de respuestas de células T Se ha desarrollado una técnica en ratones que permite matar de manera selectiva DC. La toxina diftérica (DTX) mata células de ser humano porque puede unirse a una molécula particular, el receptor de DTX, sobre la superficie celular. Las células de ratón no expresan el receptor de DTX y, por ende, en circunstancias normales son resistentes a la toxina. Aun así, es posible generar ratones transgénicos que expresan el receptor humano para DTX. Si se alimenta a los ratones con DTX (p. ej., en su agua de bebida), cualquier célula que exprese DTX será muerta; por ende, si pudiera expresarse DTX de manera específica en DC, sería posible matarlas de manera selectiva y evaluar la capacidad subsiguiente de estos ratones para montar diferentes tipos de respuestas inmunitarias. Para tener una proteína particular expresada en una célula tiene que estar bajo el control de un promotor específico —un tramo de DNA que yace torrente arriba del gen y controla la transcripción del mismo—. CD11c

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es una proteína expresada de manera (casi) exclusiva sobre DC, de modo que se crearon ratones sometidos a procesos de ingeniería genética, en los cuales el gen que codifica para el receptor de DTX humano se colocó bajo el control del promotor CD11c. Así, el gen se expresó de manera casi exclusiva en DC y, por ende, sólo las DC expresaron el receptor de DTX. Cuando los investigadores inyectaron DTX en estos ratones, las DC en realidad fueron muertas. Cuando trataron de inmunizar estos ratones después de matar las DC, no pudieron generar respuestas dependientes de células T (TD). A últimas fechas se han identificado en seres humanos deficiencias naturales muy raras de DC (que a menudo incluyen otros tipos de células, como monocitos). Estas deficiencias llevan a incremento de la susceptibilidad a infección y, en algunos casos, a enfermedad autoinmunitaria.

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198

Capítulo 5

Inmunidad mediada por células T

reconocimiento de patrón (PRR) que, de manera directa o indirecta, llevan a regulación ascendente de moléculas coestimulatorias, como CD86, necesarias para la activación de células T. En fecha más reciente también se ha identificado otro precursor restringido a DC. Estos últimos precursores entran a la sangre, y algunos migran directamente hacia áreas de células T de tejidos linfoides secundarios para hacerse DC residentes en ganglios linfáticos, por ejemplo; no se entienden por completo sus funciones. 5.4.1.2

DC derivadas de monocitos

Además de desarrollarse a partir de múltiples tipos de precursores de DC (véase antes), las DC también pueden diferenciarse a partir de un subgrupo importante de monocitos inflamatorios circulantes. Durante la inflamación, se reclutan monocitos hacia el tejido inflamado, donde pueden desarrollarse hacia DC o macrófagos, dependiendo de indicios ambientales que no se entienden por completo. Por ende, pueden liberarse en números mayores a partir de tejidos inflamados, y migrar hacia ganglios linfáticos. Estas DC están activadas (expresan cifras altas de moléculas coestimulatorias), y son capaces de inducir activación completa de células T vírgenes. En ciertas circunstancias, es posible que algunas de estas DC derivadas de monocitos también puedan convertirse en potentes secretores de TNF- y óxido nítrico que se forma a partir de óxido nítrico sintasa inducible (iNOS); por ende, éstas se conocen como DC productoras de TNF y de iNOS (TIP). El descubrimiento de que las DC podían desarrollarse a partir de monocitos preparó el camino para la generación de grandes números de DC en cultivo que podrían usarse para propósitos terapéuticos (p. ej., vacunas para cáncer; secciones 5.6.2 y 7.6.5). Típicamente, los monocitos se aíslan a partir de sangre periférica de ser humano, y se cultivan durante varios días en presencia de citocinas, en particular factor estimulante de colonias de granulocitos-macrófagos (GM-CSF) e IL-4 (esta última suprime su diferenciación hacia macrófagos); estas DC derivadas de monocitos después se pueden recolectar, y usar para estudios experimentales y clínicos. También pueden generarse DC usando técnicas similares a partir de células de la médula ósea, y en particular para estudios en ratones. Aún no está claro hasta qué grado estas poblaciones de DC generadas de manera artificial reflejan las poblaciones naturales, pero han revolucionado este campo porque las DC sólo pueden aislarse a partir de tejidos en números comparativamente bajos. 5.4.1.4

P5.18. ¿Por qué el ser humano necesitaría tantos tipos diferentes de DC?

Células de Langerhans

Las células de Langerhans son DC especializadas que están presentes en la epidermis, y células relacionadas están presentes en otros epitelios escamosos estratificados, como el de la vagina. Difieren de otras DC en que representan una población que se renueva por sí misma, de vida muy prolongada; sus funciones fisiológicas en las respuestas inmunitarias aún son inciertas. Si la piel está inflamada, migran con rapidez hacia los ganglios linfáticos de drenaje, como lo hacen otros tipos de DC, pero hay cierta evidencia de que pueden desempeñar papeles más importantes en el desencadenamiento de respuestas celulares que de respuestas de anticuerpos. 5.4.1.3

den detectarse en algunos tejidos periféricos, como la piel en estados patológicos y en ciertos tipos de tumor. Su propiedad más prominente quizá es su capacidad para secretar cantidades muy grandes de IFN tipo I en respuesta a infección viral. También pueden regular la activación de células T por secreción de citocinas como la IL-6 y TNF-, pero sus funciones como APC directas aún no están claros, y son controvertidos.

DC plasmacitoides

Las DC plasmacitoides (pDC) en circunstancias normales están presentes en órganos linfoides secundarios, aunque también pue-

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5.4.2 Funciones efectoras de células T CD4 5.4.2.1

Células T CD4 en el estado estable

En condiciones de estado estable, las DC clásicas están migrando de manera continua desde tejidos periféricos hacia ganglios linfáticos; esas DC tienen cifras altas de MHC clase II de superficie, pero cifras bajas de moléculas coestimulatorias. Los antígenos que presentan a células T son proteínas propias, o extrañas inocuas (como las de los alimentos). Si una célula T CD4 virgen reconoce complejos de péptido-MHC cognados con suficiente avidez como para generar emisión de señales por medio del TCR, pero recibe coestimulación baja, puede mostrar activación parcial, pero después pierde la capacidad de respuesta (anergia) o muere; se trata de uno de los mecanismos de tolerancia. En otras condiciones, que no se entienden por completo, pero que pueden comprender la influencia del factor de crecimiento transformante (TGF)-, la célula T puede quedar activada, pero después presenta las características de una célula T reguladora, capaz de matar DC o por lo demás evitar la activación de otras células T (sección 5.5.5). 5.4.2.2

Células T CD4 en el estado no estable

Si hay inflamación en tejidos periféricos, las DC quedan por completo activadas y serán capaces de iniciar el desarrollo de función efectora en otras células. De cualquier modo, no hay una vía única para la generación de función efectora de célula T. En la actualidad se sabe de las vías de células Th0, Th1, Th2, Th17 y Tfh, y se han sugerido otros subgrupos polarizados. Las DC activadas expresan cifras altas de moléculas coestimulatorias, son capaces de impulsar células T CD4 hacia activación completa, y pueden ser programadas para inducir estos diferentes tipos de respuesta en estas células T. No obstante, hay otras influencias potenciales sobre la diferenciación de células T CD4 que no están asociadas a DC de manera directa, y que aún se entienden poco. Los autores no intentarán comentar esto con detalle, pero tratarán de dar cierta idea de la complejidad (sección 3.4.2.3). Cuando un agente patógeno infecta un tejido periférico (p. ej., el intestino), muchas células y sistemas quedarán perturbados (sección 4.2). Las células residentes —células epiteliales, DC, macrófagos residentes, mastocitos y células del estroma como fibroblastos— pueden ser estimuladas para que secreten citocinas u otros mediadores. La inflamación, dependiendo de su naturaleza, reclutará neutrófilos y monocitos que pueden diferenciarse hacia macrófagos inflamatorios o nuevas DC, o en otras situaciones reclutará eosinófilos y basófilos. Muchas de estas células, si no es que todas, son capaces de migrar hacia los ganglios linfáticos de drenaje. La linfa, que drena hacia ganglios linfáticos, contendrá citocinas y otros mediadores. Tam-

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5.4

bién se ha mostrado que los mastocitos pueden liberar partículas que contienen mediador hacia la linfa. Todas éstas pueden llegar al ganglio linfático, y en potencia pueden influir sobre la célula T durante su activación. Se están empezando a entender algunas de las influencias más importantes sobre la diferenciación de células T por medio de experimentos en ratones con deleción (knockout), e in vitro, pero aún hay muchas áreas de incertidumbre. Por ejemplo, las células T también pueden expresar receptores tipo toll (TLR; sección 4.2.2). Hipotéticamente, al menos éstos podrían emitir señales a la célula T, en respuesta a agonistas transportados en la linfa, por ejemplo, y empezar a sesgar la célula hacia una vía de diferenciación particular antes de que la célula reciba instrucciones completas provenientes de DC migratorias u otros tipos de célula. A continuación se comentan algunos destinos posibles de una célula T CD4 activada, y lo que se sabe y se desconoce acerca de la regulación de esta diferenciación.

Funciones efectoras y de memoria de células T en la infección

que están secretando varias citocinas diferentes (p. ej., IFN- e IL-4) que, individualmente, se asocian con respuestas polarizadas. Aunque a menudo se asume que la etapa Th0 es intermedia en la diferenciación de células T CD4, esto puede no ser así. Cuando células T CD4 de ser humano específicas para toxoide tetánico se clonaron a partir de individuos inmunizados, a menudo mostraron un patrón Th0 de secreción de citocina, aun cuando la última inmunización había ocurrido mucho tiempo atrás. Así, Th0 podría ser una etapa terminal para las células T CD4. Esto puede tener sentido: si las respuestas siempre fueran por completo polarizadas hacia Th1 o Th2, un agente patógeno podría adquirir por evolución mecanismos para subvertir estas respuestas. Quizá es mejor que el sistema inmunitario genere un panel amplio de respuestas efectoras, de modo que pueda generarse una respuesta polarizada más rápida dependiendo de la infección que ocurre (figura 5-17). 5.4.2.4

5.4.2.3

Células Th0

Cuando una célula T CD4 es activada inicialmente se inicia un grupo grande de cambios de la expresión génica. En etapas muy tempranas, la célula T empieza a secretar IL-2, y expresa el receptor de IL-2 (la IL-2 es un factor de crecimiento de células T, y esto permite estimulación autocrina). Las células T CD4 activadas en esta etapa a veces se llaman células Th0. Cuando se examinan poblaciones de células T recién activadas se encuentra Célula dendrítica

199

Células Th1 y Th2

Cuando clonas de células T CD4 provenientes de ratones se estimularon repetidas veces in vitro con APC en presencia de diferentes citocinas, las células T quedaron polarizadas en términos de las citocinas que secretaron. Las células T cultivadas en presencia de IL-12 se hicieron secretoras de IFN- (células Th1). En contraste, las células T cultivadas con IL-4 quedaron polarizadas para secretar IL-4, IL-5 e IL-13 (células Th2). Entonces quedó claro que las células T CD4 vírgenes pueden adoptar varias otras vías

Microbio Receptor de IL-2 de alta afinidad TLR

Proliferación

Expansión clonal

IL-2 B7 (CD80, 86)

Señal 2

CD28

MHC clase II

TcR

Secreción de citocinas Señal 1

Receptor de IL-2 de alta afinidad

IL-2 Célula T CD4 virgen

Supervivencia

Célula T CD4 activada

Figura 5-17 Inducción de células T CD4 Th0. Las DC adquieren antígenos microbianos y los presentan, como complejos de péptido-MHC II, a células T CD4. En respuesta a la emisión de señales por medio de TLR, por ejemplo, también regulan en dirección ascendente CD80 y CD86 (B7) que proporcionan coestimulación para la activación de células T vírgenes. Estas señales estimulan la célula T para que exprese el receptor IL-2 de alta afinidad (CD25) y para que secrete IL-2. La IL-2 actúa de una manera autocrina para inducir mecanismos antiapoptóticos y para estimular la proliferación. El resultado es supervivencia aumentada y expansión clonal de la célula T activada, que puede secretar citocinas tanto Th1 como Th2. Algunas células T CD4 pueden permanecer como células Th0, sin diferenciación adicional.

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Capítulo 5

200

Inmunidad mediada por células T

de diferenciación después de la activación, las cuales incluyen células Th17 y células T reguladoras (Treg), e in vivo también se encuentra un subgrupo separado de células Tfh. Sin embargo, quizá no sea la lista final, pues siguen describiéndose subgrupos que al parecer son nuevos. Lo que es importante es que cada subgrupo de células T CD4 es inducido por diferentes patrones de citocinas, expresa un rango diferente de moléculas emisoras de señales (incluso factores de transcripción específicos para subgrupo), secreta un patrón particular de citocinas, y expresa receptores de quimiocina separados que le permiten migrar hacia sitios específicos en el organismo. Dos parámetros cruciales que controlan la polarización de células T son las citocinas a las cuales quedan expuestas durante activación, y la dosis de antígeno que detectan. Efectos de las citocinas sobre la polarización de células T Las acciones de las citocinas sobre células T vírgenes activadas desempeñan un papel muy importante en la determinación de sus vías de diferenciación subsiguientes, aunque las interacciones de membrana plasmática entre células también pueden contribuir de manera significativa. A partir de experimentos in vitro e in vivo, llevados a cabo en su mayor parte en ratones, se ha mostrado que las citocinas cruciales para la inducción de Th1 son IL-12, IL-18 e IFN-, y para Th2, IL-4. (No se entienden por completo las citocinas respectivas que polarizan células Th17, pero incluyen IL-6, TGF- e IL-23 que se necesitan para la supervivencia; para Treg, TGF- e IL-2, y para Tfh, IL-6 e IL-21.) Lo que también está claro es que esta diferenciación se acompaña de la activación de factoEtapas tempranas

TGF-

Treg

FoxP3

TGF-

res de transcripción maestros que están restringidos a un subgrupo particular. Así, las células Th1 expresan T-bet, mientras que las Th2 expresan GATA-3. (En contraste, las células Th17 expresan RORt, muchas Treg expresan FoxP3, y las Tfh expresan Bcl-6.) En términos generales, si se efectúa transfección hacia células T de genes que codifican para estos factores de transcripción, dichas células desarrollan las propiedades de las células a partir de las cuales se obtuvieron los factores, lo que proporciona evidencia de sus papeles clave en la polarización. Las funciones de diferentes citocinas polarizantes en la defensa del ser humano contra infección son difíciles de definir con exactitud pero, para dar un ejemplo, los niños con defectos de la IL-12 o su receptor tienen susceptibilidad aumentada a infecciones por micobacterias y Salmonella. ¿De dónde provienen las citocinas polarizantes cruciales, y cómo son inducidas? Queda claro que la fuente más importante de IL-12 pueden ser las DC mismas, y quizá los macrófagos. Empero, la fuente de IL-4 aún es controvertida. Las DC no secretan IL-4, pero los mastocitos y los basófilos pueden secretar esta citocina: otras fuentes celulares sugeridas comprenden células NKT. Puede ser que las DC se requieran inicialmente para activar una célula T virgen, pero que la IL-4 secretada localmente por una célula como un basófilo a continuación impulsa diferenciación Th2 (figura 5-18). P5.19. ¿Cómo podría empezar a identificarse con exactitud el tipo de célula que es la secretora crucial de IL-4 en el inicio de polarización Th2? TGF-

ROR-␥␶

Th17

Gata-3

Th2

IL-6

Virus Bacterias

PRR

Hongos Protozoarios Helmintos ICOS IL-12 Ligando ICOS

Th1

T-bet

IFN-

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Etapas más tardías

IL-4

Figura 5-18 Regulación de la diferenciación de células T CD4 por células dendríticas. Las DC son reguladores importantes tanto de la activación como de la diferenciación de células T CD4. Diferentes citocinas, y quizá moléculas de superficie celular, como ICOS expresadas por DC, inducen patrones separados de expresión génica en células T vírgenes que muestran respuesta; se presentan algunos ejemplos clave. Dichos estímulos inician vías de emisión de señales que activan factores de transcripción que son distintivos de una vía de diferenciación particular; éstos se muestran en los núcleos de las células T. Contribuciones de otros tipos de células probablemente también tienen mucha importancia. Por ejemplo, el IFN- contribuye a activación Th1, y puede originarse a partir de células NK; la IL-4 es crucial para la diferenciación Th2, y puede provenir de mastocitos, basófilos o células iNKT, y el TGF-, importante para células tanto Treg como Th17, puede ser producido por muchos tipos de células, incluso DC.

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5.4

Efectos de la dosis de antígeno sobre la diferenciación de células T CD4 ¿De qué modo la dosis de antígeno administrada a un

animal afecta la activación de células T CD4 y la diferenciación de las mismas? No es sólo una pregunta académica porque influirá sobre la manera en que se diseñan vacunas y se administran. Experimentos tempranos mostraron que si se trató a ratones con una dosis baja de flagelina bacteriana, montaron respuestas de DTH que estuvieron sesgadas hacia Th1. Con todo, las dosis más altas sesgaron la respuesta hacia la síntesis de anticuerpos, posiblemente una respuesta Th2. En fecha más reciente, en experimentos en los que se evalúa la activación in vitro se han usado células T CD4 con TCR transgénicos específicos para un péptido de ovoalbúmina. Las DC que presentan concentraciones muy bajas o muy altas del péptido sesgaron la respuesta hacia Th2, mientras que las dosis intermedias la sesgaron hacia Th1. En una infección real, ratones BALB/c infectados con una dosis intermedia del parásito protozoo Leishmania major generan una respuesta con sesgo Th2, y no pueden controlar la infección (véase más adelante). Aun así, si los ratones BALB/c son infectados con una dosis muy baja del parásito, generan una respuesta Th1 protectora. El antígeno administrado por vía oral también puede tener efectos diferenciales. Dosis por vía oral intermedias o altas de ovoalbúmina llevan a capacidad de respuesta sistémica menor que la normal al antígeno, lo cual se conoce como tolerancia oral. De cualquier modo, las dosis muy bajas inducen una respuesta Th1 activa (recuadro 5-8). Tales observaciones muestran que hay mucho que no se entiende acerca de la regulación de la polarización de células T CD4. También es necesario considerar qué sucede en una infección real, en términos de las cantidades de antígeno que llegan

Funciones efectoras y de memoria de células T en la infección

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a las células T CD4 vírgenes. Una infección real nunca imitará la administración de un bolo único de un antígeno. Al inicio de la infección sólo cantidades muy pequeñas de antígeno llegarán a las células T vírgenes, pero a medida que el microbio se multiplica, las cantidades de antígeno aumentarán, probablemente de manera exponencial. Quizá el modelo más informativo podría ser usar una infección real, pero transferir de manera adoptiva células T transgénicas específicas para un péptido microbiano, y analizar su activación en momentos distintos después de la infección. Sin embargo, en el mundo real las cosas serán muy diferentes; muchas clonas de células T diferentes, con distinta avidez, mostrarán respuesta y contribuirán a la respuesta general. Funciones de células Th1 y Th2 Las funciones efectoras de las células T CD4 activadas parecen principalmente requerirse para reclutar otras células o regular la actividad de las mismas (algunas también pueden adquirir la capacidad de matar otras células, por ejemplo, mediante expresión de ligando Fas; véase más adelante). Por ende, para la síntesis de anticuerpos contra antígenos proteínicos, la ayuda de células T CD4 es esencial (sección 1.4.5.3). Las células tanto Th1 como Th2 pueden proporcionar ayuda para que las células B sinteticen anticuerpos. Los anticuerpos sintetizados por células B que reciben ayuda Th1 se restringen a ciertos isotipos de IgG, en particular los isotipos que pueden unirse fuertemente a receptores de Fc (FcR) activadores sobre neutrófilos y macrófagos. Así, estos isotipos son opsoninas importantes para la protección contra bacterias piógenas. Las otras dos funciones importantes de las células T CD4 Th1 activadas yacen en la activación de macrófagos y en el suministro de ayuda en la

Recuadro 5-8 Evidencia para respuestas polarizadas en rato