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INMUNOLOGÍA-CAPÍTULO UNO 

INMUNIDAD INNATA (NO-ESPECÍFICA) 
 

Dr Gene Mayer

Traducido por : Dr Fernando Enríquez-Rincón
    Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN

 

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 CENTRO DE INVESTIGACION Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL  IPN

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OBJETIVOS

Reconocer el significadoi del sistema immune en el combate a la infección y a la enfermedad

Distinguir entre el sistema immune no-específico (innato) y el sistema immune específico (adaptativo)

Entender los mecanismos de combate a la infección/enfermedad (eliminación de patógenos)

Conocer los componentes humorales y celulares de la inmunidad no-específica

 Comprender los mecanismos de acción de los components humorales y celulares de la inmunidad no-específica

Figura 1
El sistema inmune

Figura 2
Células del sistema inmune
 

Figura 3
Desarrollo de las células del sistema inmune
 

INMUNIDAD NO-ESPECÍFICA 

Los elementos del sistema inmune no-específico (innato) (Tabla 2) incluyen a las barreras anatómicas, a moléculas secretorias y a componentes celulares. Entre las barreras mecánicas anatómicas se encuentran la piel y las capas epiteliales internas, el movimiento de los intestinos y  las oscilaciones de los cilios bronco-pulmonares. En asociación con estas superficies protectoras están los agentes químicos y biológicos.  

Barreras anatómicas a la infección 

Factores mecánicos
Las superficies epiteliales forman una barrera física que es bastante impermeable a la mayoría de los agentes infecciosos. Es decir, la piel actúa como nuestra primera línea de defensa contra organismos invasores.  La descamación del epitelio de la piel también ayuda a eliminar bacterias y otros agentes infecciosos que se han adherido a las superficies epiteliales. El movimiento de los cilios o la peristalsis ayuda a conservar las vías respiratorias y tracto gastrointestinal libre de microorganismos. El lavado producido por el flujo de las lágrimas y la saliva ayuda a prevenir las infecciones oculares y bucales respectivamente. El efecto pegajoso del moco que cubre al tracto tanto respiratorio como gastrointestinal ayuda a proteger a los pulmones y al sistema digestivo de las infecciones. 

Factores químicos
Los ácidos grasos del sudor inhiben el crecimiento de bacterias. La lisozima y la fosfolipasa presentes en lágrimas, saliva y secreciones nasales pueden romper la pared cellular de bacterias y desestabilizar sus membranas. El pH ácido del sudor y de las secreciones gástricas previene el crecimiento de bacterias. Las defensinas (proteínas de bajo peso molecular) presentes en pulmón y tracto gastrointestinal tienen actividad antimicrobiana. Los agentes surfactantes en pulmón actúan como opsoninas (substancias que promueven la ingestión de partículas por las células fagocíticas).

Factores biológicos
La flora normal de la piel y tracto gastrointestinal puede evitar la colonización de bacterias patógenas al secretar substancias tóxicas o al competir con los patógenos por los nutrientes o por la adhesión a las superficies celulares.  

Barreras humorales a la infección

Las barreras anatómicas son muy efectivas para evitar la colonización de los tejidos por microorganismos. Sin embargo, cuando se presenta una lesión en los tejidos, las barreras anatómicas se abren y la infección puede ocurrir. Una vez que los agentes infecciosos han penetrado a los tejidos, otro mecanismo de defensa innata entra en juego, la inflamación aguda. Los factores humorales juegan un papel muy importante en la inflamación, la cual se caracteriza por edema y el reclutamiento de células fagocíticas. Estos factores humorales se encuentran en el suero o se forman en el sitio de la infección. 

Sistema del complemento
Este sistema es el principal mecanismo de defensa no-específico humoral (ver capítulo del complemento). Una vez activado el complemento puede ocasionar un incremento de la permeabilidad vascular, reclutamiento de células fagocíticas y a la opsonización  y lisis de las bacterias.

Sistema de Coagulación
Dependiendo de la severidad del daño al tejido, el sistema de coagulación puede ser activado o no. Algunos productos del sistema de coagulación pueden contribuir a las defensas no-específicas debido a su habilidad para incrementar la permeabilidad vascular y actuar como agentes quimiotácticos para las células fagocíticas. Además, algunos de los productos de la coagulación son por sí mismos antimicrobianos. Por ejemplo, la beta –lisina, una proteína producida por las plaquetas durante la coagulación puede lisar muchas bacterias  Gram positivas al actuar como detergente catiónico.

Lactoferrina y transferrina
Al unir hierro, un nutriente esencial par alas bacterias, estas proteínas limitan el crecimiento bacteriano.

Interferones
Los interferones son proteínas que pueden limitar la replicación de los virus en las células

Lisozima
La lisozima degrada la pared celular de las bacterias.

Interleucina-1
La IL-1 induce fiebre y la producción de las proteínas de fase aguda, algunas de las cuales son antimicrobianas porque pueden opsonizar las bacterias. 

  Figura 4A Dos neutrófilos en un frotis de sangre © Bristol Biomedical Image Archive Used with permission

Figura 4B Histopatología de una linfadenopatía debida a la infección por VIH-1. Seno subcapsular. El seno contiene números incrementados de neutrófilos. CDC/Dr. Edwin P. Ewing, Jr. epe1@cdc.gov  

Figura 4C
Neutrófilo – micrografía electrónica. Note los dos lóbulos nucleares y los gránulos azurófilos © Dr Louise Odor, University of South Carolina School of Medicine



 Figura 4D Frotis sanguine mostrando un monocito (izq.) y dos neutrófilos © Bristol Biomedical Image Archive

Figura 5
Macrófago atacando E.coli (SEM x8,800) © Dr Dennis Kunkel (used with permission)
 

Figura 6
Macrófago alveolar (pulmón) atacando  E. coli (SEM x10,000)   © Dr Dennis Kunkel (used with permission)

Figura 6A Eosinófilo en frotis sanguíneo  © Bristol Biomedical Image Archive Used with permission

  Figura 6B
Histopatología de vejiga mostrando huevecillos de Schistosoma haematobium rodeados por intenso infiltrado de eosinófilos CDC/Dr. Edwin P. Ewing, Jr. epe1@cdc.gov

  Figura 7
Histiocitos – Macrófagos residentes de vida larga encontrados en los tejidos © Bristol Biomedical Image Archive Used with permission

Figura 8 Monocito con parásitos de la malaria ingeridos. CDC/Dr. Melvin 

  Figura 9 Respuesta quimiotáctica a estímulos inflamatorios

Barreras celulares a la infección

El reclutamiento de los  eosinófilos  polimorfonucleares  y de los macrófagos a los sitios de la infección es parte de la respuesta inflamatoria. Estas células constituyen la principal línea de defensa en el sistema inmune no específico.  

Neutrófilos
Las células polimorfonucleares (PMNs, figura 4) son reclutados al sitio de la infección en donde fagocitan a los organismos invasores y los destruyen intracelularmente. Además, los PMNs contribuyen al daño colateral del tejido durante la inflamación.

Macrófagos
Los macrófagos tisulares (figuras 5, 6, 7) y los nuevos monocitos reclutados que se diferencian a macrófagos (figuras 4 y 8), también participan en la ingestión y destrucción intracelular de los microorganismos. Adicionalmente, los macrófagos son capaces  de  matar extracelularmente a células infectadas células propias alteradas. Aún más, los macrófagos contribuyen a la reparación de los tejidos y funcionan como células presentadoras de antígeno, las cuales se requieren para la inducción de las respuestas inmunes específicas.

 
Células asesinas naturales (NK) y células asesinas activadas por linfocinas (LAK)
Las células NK y LAK tiene capacidad de matar en forma no-específica tanto a células infectadas por virus como a células tumorales. Estas células citotóxicas no son parte de la respuesta inflamatoria pero son importantes en la inmunidad innata a las infecciones virales y en la vigilancia a tumores.

Eosinófilos
Los eosinófilos (figuras 6a y b) tienen proteínas en sus gránulos que son efectivas para matar a ciertos parásitos.

FAGOCITOSIS Y DESTRUCCIÓN INTRACELULAR

Células fagocíticas 

Neutrófilos/células polimorfonucleares
Los PMNs son células fagocíticas móviles que poseen núcleo lobulado. Pueden ser identificadas por su núcleo característico o por un antígeno presente en la superficie celular denominado CD66. Presentan dos tipos de gránulos cuyo contenido de ambos confieren las propiedades antimicrobianas de estas células. Los gránulos primarios o azurófilos abundantes en los PMNs jóvenes contienen proteínas catiónicas y defensinas que pueden matar a las bacterias, enzimas proteolíticas como elastasa y catepsina G para degradar a las proteínas, lisozima para romper las paredes celulares de las bacterias y, característicamente, la mieloperoxidasa, la cual está involucrada en la generación de compuestos bactericidas. El segundo tipo de gránulos encontrados en los PMNs más maduros son los gránulos secundarios o específicos. Estos contienen lisozima, componentes de la NADPH oxidasa implicados en la generación de productos de oxígeno tóxicos, en forma característica, lactoferrina, una proteína quelante del hierro y una proteína que une B12.   

Monocitos/Macrofagos
Los macrófagos son células que tienen un núcleo característico en forma arriñonada. Se pueden identificar morfológicamente o por la presencia del marcador de superficie CD14. A diferencia de los PMNs no contienen gránulos pero poseen numerosos lisosomas con un contenido similar al de los gránulos de los PMN. 

 

Respuesta de los fagocitos a la infección
 
Los PMNs y fagotitos circulantes responden a señales de “peligro” (SOS) generadas en el sitio de la infección. Las señales SOS incluyen a los péptidos que contienen N-formil-metionina liberados por las bacterias, péptidos del sistema de la coagulación, productos del complemento y citocinas liberadas por los macrófagos que se han confrontado con las bacterias en los tejidos. Algunas de las señales SOS estimulan a las células endoteliales de los vasos adyacentes al sitio de la infección, a expresar moléculas de adhesión celular como la ICAM-1 y selectinas que se unen a componentes de la superficie de los fagotitos y provocan que éstos se adhieran al endotelio. Los vasodilatadores producidos en el sitio de la infección ocasionan la relajación de los sitios de unión entre las células endoteliales con lo que permiten que los fagotitos crucen la barrera epitelial “escurriéndose” entre las células endoteliales en un proceso llamado diapedesis (Figura 9). Una vez en los espacios titulares algunas de las señales SOS atraen al los fagocitos al sitio de la infección por quimiotaxis (movimiento hacia a un aumento del gradiente químico). Las señales SOS también activan a los fagocitos resultando en una fagocitosis aumentada y en la muerte intracelular de los organismos invasores.

Iniciación de la fagocitosis (Figura 10)

Las células fagocíticas tienen una variedad de receptores en sus membranas celulares a través de los cuales se unen los agentes infecciosos. Estos incluyen a:

Los receptores para Fc
Las Bacterias que tienen anticuerpos IgG unidos a su superficie tiene la región Fc expuesta y esta parte de la molécula de Ig es reconocida por el receptor Fc de los fagocitos. La unión al receptor para Fc requiere de la interacción previa del anticuerpo con el antígeno. La unión de las bacterias cubiertas con IgG a los receptores Fc resulta en una fagocitosis aumentada y en la activación de la actividad metabólica de los fagocitos (estallido respiratorio).

Receptores para el complemento
Las células fagocíticas tienen un receptor para el tercer componente del complemento, C3b. la unión de las bacterias cubiertas con el C3b a este receptor resulta también en una fagocitosis aumentada y en la estimulación del estallido respiratorio.

Receptores de limpieza
Estos receptores se unen a una amplia variedad de polianiones presentes en las superficies bacterianas lo que resulta en la fagocitosis de las bacterias.

Receptores tipo Toll
Los fagocitos tienen una variedad de receptores tipo Toll (TLRs) o también llamados receptores de patrones de reconocimiento (PRRs) los cuales reconocen amplios patrones moleculares denominados PAMPS (pathogen associated molecular patterns) que presentan los agentes infecciosos. La unión de agentes infecciosos vía los TLRs resulta en fagocitosis y liberación de citocinas inflamatorias (IL-1, IL-6 y TNF-alpha) por los fagocitos. 

 

Fagocitosis

Después de que una bacteria se adhiere al fagocito, este comienza a extender sus pseudópodos  hacia el microorganismo. Eventualmente los pseudópodos rodean a la bacteria y terminan por engullirla y encerrarla en un  fagosoma. Durante la fagocitosis los gránulos o lisosomas del fagocito se fusionan con el fagosoma vaciando su contenido en este último. El resultado es una bacteria confinada en un fagolisosoma que contiene las sustancias de los gránulos o lisosomas. 
 

ANIMACIÓN 
Quimiotaxis de Neutrófilos 
Low Resolution (Quicktime) 
High Resolution (Quicktime) 
© Mondo Media, San Francisco, Calif., USA  
and The MicrobeLibrary

ANIMACIÓN
Fagocitosis
Quicktime 
© James A. Sullivan, CellsAlive! Video, Charlottesville, Va., USA 
and The MicrobeLibrary

ANIMACIÓN 
Fagocitosis y Patógenos Bacterianos
Interactive Flash Tutorial
© Thomas M. Terry
University of Connecticut
Storrs, CT 06269 USA 
and The MicrobeLibrary

Figure11 
A. Estallido respiratorio: reacciones oxygeno-dependiente, mieloperoxidasa-independiente  

B. Estallido respiratorio: reacciones oxygen-dependiente, mieloperoxidasa-dependiente

 

Estallido respiratorio y muerte intracelular

Durante la fagocitosis hay un aumento en el consumo de glucosa y oxígeno lo cual es referido como el estallido respiratorio. La consecuencia del estallido respiratorio es la producción de un número de compuestos que contienen oxígeno y que pueden matar a las bacterias fagocitadas. Esto es referido como muerte celular dependiente de oxígeno. Además, las bacterias pueden ser destruidas por sustancias pre-formadas liberadas de los gránulos o lisosomas al fusionarse con el fagosoma. Esto se refiere como muerte intracelular independiente de oxígeno.

Muerte intracellular dependiente de oxígeno independiente de mieloperoxidasa (Figura 11A)
Durante la fagocitosis la glucosa es metabolizada por  la vía pentosa monofosfato formándose el NADPH.  El citocromo B que forma parte de los gránulos específicos se combina con la NADPH oxidasa de la membrana  y la activa. La NADPH oxidasa utiliza al oxígeno para oxidar al NADPH. El resultado es la producción del anión superóxido. Parte del anión superóxido es convertido a H2O2  y singlete de oxígeno por la superóxido dismutasa. Adicionalmente, el anión superóxido puede reaccionar con H2O2 resultando en la formación de radicales hidroxilo y más singlete de oxígeno. El resultado de todas estas reacciones  es la producción de los compuestos tóxicos como el anión superóxido (O₂-), H₂O₂,  el singlete de oxígeno (¹O2) y los radicales hidroxidrilo (OH•).

Muerte intracelular dependiente de oxígeno dependiente de mieloperoxidasa (Figura 11B)
A medida que los gránulos azurófilos se fusionan con el fagosoma, la mieloperoxidasa es liberada al fagosoma. La mieloperoxidasa utiliza H₂O₂ y iones haluro (generalmente Cl-) para producir hipoclorito, sustancia sumamente tóxica. Parte del hipoclorito se degrada espontáneamente para dar el singlete de oxígeno. El resultado de estas reacciones es la producción del  hipoclorito (OCl-) y del singlete de oxígeno (¹O2).

Reacciones de destoxificación (Tabla 3)
Los PMNs  y los macrófagos tienen maneras de protegerse ellos mismos de los intermediarios de oxígeno tóxicos. Estas reacciones implican la dismutación del anión superóxido a peróxido de hidrógeno por la superóxido dismutasa y la conversión del peróxido de hidrógeno a agua por la catalasa.

Muerte celular independiente de oxígeno (tabla 4)
Además de los mecanismos de muerte que dependen de oxígeno también hay mecanismos microbicidas independientes de oxígeno en los fagocitos: las proteínas catiónicas (catepsina) liberadas en los fagolisosomas pueden dañar a las membranes bacterianas; la lisozima rompe las paredes celulares de las bacterias; la lactoferrina quela al hierro, lo cual priva a la bacteria de este requerimiento nutricional; las enzimas hidrolíticas degradan proteínas bacterianas. Con lo anterior, incluso los pacientes que tienen defectos en las rutas dependientes de oxígeno son capaces de matar bacterias. Sin embargo, ya que los mecanismos dependientes de oxígeno son mucho más eficientes, los pacientes con deficiencies en estas rutas son más susceptibles y adquieren infecciones más serias. 
 

Tabla 4. Mecanismos de muerte intracellular independientes de oxígeno
Molécula Efectora	Función
Proteínas catiónicas (incluyendo la catepsina)	Daña a las membranas microbianas
Lisozima	Corta al mucopéptido de la pared celular bacteriana
Lactoferrin	Priva de hierro a las bacterias
Enzimas proteolíticas e hidrolíticas	Digiere a los organismos muertos

 

 Figura 12 Muerte dependiente de óxido nítrico

MUERTE DEPENDIENTE DE ÓXIDO NÍTRICO

La unión de las bacterias a los macrófagos particularmente vía receptores tipo Toll, resulta en la producción de TNF-alpha, la cual funciona de manera autocrina para inducir la expresión del gen de la oxido nítrico sintetasa inducible (i-nos ) dando lugar a la producción del óxido nítrico (figura 12). Si la célula es también expuesta al interferón gamma (IFN-gamma) se producirá más óxido nítrico (figura 12). El óxido nítrico liberado por la célula es tóxico y puede matar a los microorganismos cercanos a los macrófagos.

Figura 14
Muerte mediada por células NK de célula blanco opsonizadas

CELULAS ASESINAS NO-ESPECÍFICAS

Varios tipos de células que incluyen a las NK, LAK, K, macrófagos activados y eosinófilos son capaces de matar células blanco extrañas y propias alteradas de manera no-específica. Estas células juegan un papel muy importante en el sistema inmune innato.

Células NK y LAK

Las células asesinas naturales (NK) se conocen también como linfocitos granulares grandes (LGL, por sus siglas en inglés) ya que se asemejan morfológicamente a los linfocitos, excepto que son ligeramente más grandes y tienen numerosos gránulos. Las células NK  se identifican por la presencia de los marcadores de superficie CD56 y CD16 y la ausencia del marcador CD3. Las células NK  son capaces de matar células blanco infectadas con virus y células malignas aunque son relativamente poco eficientes para hacerlo. Sin embargo, cuando se incuban con IL-2 e IFN-gamma, las células NK se convierten en células activadas por linfocinas (LAK, por sus siglas en inglés), las cuales son capaces de matar células malignas. La exposición continua a IL-2 e IFN-gamma capacita a las células LAK para matar a células transformadas así como malignas. La terapia con células LAK es uno de las estrategias para el tratamiento del cáncer.

¿Cómo distinguen las células NK y LAK a las células normales de las infectadas por virus o las malignas?  Las células NK y LAK tienen dos tipos de receptores en su superficie  – un receptor activador de la citotoxicidad (KAR) y un receptor inhibidor de la citotoxicidad (KIR). Cuando el KAR encuentra su ligando, un ligando activador (KAL) en la célula blanco, las células NK o LAK son capaces de matar a las blanco. Sin embargo, si el KIR se une también a su ligando entonces la citotoxicidad es inhibida aunque el KAR se encuentre unido al KAL. Los ligandos del KIR son las moléculas del MHC clase I. Por lo tanto, si una célula blanco expresa moléculas MHC clase I no será destruida por las células NK o LAK aunque ésta tenga KAL que se una al KAR. Las células normales expresan constitutivamente moléculas MHC clase I en su superficie, sin embargo, las células malignas y las infectadas por virus regulan negativamente la expresión de las moléculas MHC clase I. Por lo tanto, las células NK y LAK matan selectivamente células infectadas por virus y células malignas sin afectar a las células normales.

Células K (Figura 14)

Las células asesinas (K) no son un tipo morfológicamente distinto de células. Más bien una célula K es cualquier célula efectora en la citotoxicidad celular dependiente de anticuerpo (ADCC). En la ADCC el anticuerpo actúa como enlace para acercar a la célula K con su blanco y permitir que la citotoxicidad ocurra. Las células K tienen en su superficie receptores para la región Fc de los anticuerpos y por lo tanto pueden reconocer unirse y matar a células blanco cubiertas con anticuerpos específicos. Dentro de las células K que tienen receptores Fc se incluyen a las NK, LAK y macrófagos que tienen receptores Fc para IgG y los eosinófilos, con receptores para Fc de IgE. 

A este punto usted deberá saber lo siguiente:

1. Diferencias entre las funciones inmunes no-específicas y específicas

2. Los componentes humorales del sistema immune no-específico y sus actividades

3. Los componentes celulares del sistema immune no-específico y sus actividades

4. Las rutas de la destrucción intracellular de bacterias por los fagocitos y sus principales características

Regreso a la sección de Inmunológica Microbiología e Inmunología on line