Biología universitaria — tercer año · Bachelor Year 3

15Inmunidad innata e inflamación

Una astilla bajo la piel introduce diez mil bacterias que se duplicarán cada media hora. En cuestión de minutos los vasos de alrededor se dilatan y dejan escapar plasma; en una hora los primeros neutrófilos se han escurrido fuera de la sangre y reptan hacia los intrusos siguiendo un rastro químico; en un día el sitio está rojo, caliente, hinchado y doloroso — los cuatro signos de la inflamación que enumeró Celso hace dos mil años — y las bacterias están muertas, devoradas vivas por células que las reconocieron como ajenas sin haberlas visto nunca antes. Esto es la inmunidad innata: la defensa que tiene todo animal, lista antes de la infección, codificada en el genoma en lugar de aprendida. Es rápida, es la que mata a la mayoría de los invasores, y es la que le dice a la inmunidad aprendida, más lenta, del capítulo siguiente que hay algo que aprender. Sus excesos — el choque séptico, la inflamación crónica, las fiebres de las enfermedades autoinflamatorias — son tan instructivos como sus éxitos.

15.1 Capas y células

Definición 15.1 (Inmunidad innata)

La inmunidad innata es el conjunto de defensas presentes antes de cualquier exposición, codificadas por genes de la línea germinal que no se reordenan, que reconocen rasgos conservados de los microbios y no individuos concretos, que actúan en minutos u horas y que (con matices) carecen de memoria. Su primera capa son las barreras: la queratina de la piel, el moco y los cilios de las vías respiratorias, el ácido del estómago, el arrastre de la orina y de las lágrimas, la enzima lisozima que corta el peptidoglicano, los péptidos antimicrobianos (defensinas, catelicidinas) que perforan las membranas microbianas y el microbioma comensal que ocupa los nichos (Capítulo 14). Sus células, todas del linaje mieloide salvo la última: los neutrófilos, el $60\,\%$ de los leucocitos de la sangre, de los que se fabrican $10^{11}$ al día y que viven un día, los primeros en llegar y los principales verdugos de bacterias; los macrófagos, residentes longevos de todos los tejidos (las células de Kupffer del hígado, la microglía del cerebro, los macrófagos alveolares del pulmón) que comen, limpian y dan la alarma; las células dendríticas, que muestrean los tejidos y llevan lo que encuentran a los ganglios linfáticos; los mastocitos, los basófilos y los eosinófilos, armados contra los parásitos y responsables de la alergia; y los linfocitos citolíticos naturales (NK), linfocitos que matan a primera vista a las células infectadas o transformadas.

Evidencia. Metchnikoff (1882), en Mesina, clavó una espina de rosa en una larva transparente de estrella de mar y vio, a la mañana siguiente, células móviles apiñadas a su alrededor; había visto a esas mismas células engullir partículas de alimento y granos de colorante, y propuso que engullían también microbios — los fagocitos, agentes de una defensa del hospedador que rastreó luego en todos los animales que encontró, de las amebas al hombre. Compartió el premio Nobel de 1908 con Ehrlich, cuyos anticuerpos representaban la visión opuesta, la humoral; ambos tenían razón, y un siglo después se demostró que las dos mitades de la inmunidad son un solo sistema, con la innata instruyendo a la adaptativa. ∎

Élie Metchnikoff, que vio cómo los fagocitos se agolpaban en torno a una espina en una larva de estrella de mar y fundó la inmunología celular (Biblioteca del Congreso, dominio público). Centro: un neutrófilo engullendo bacterias. Derecha: un macrófago extendiendo sus membranas ondulantes sobre una superficie.

15.2 Reconocer al enemigo

Definición 15.2 (Reconocimiento de patrones)

Las células innatas reconocen patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP): moléculas comunes a clases enteras de microbios, esenciales para ellos y ausentes del hospedador — el lipopolisacárido de las paredes gramnegativas, el peptidoglicano y el ácido lipoteicoico de las grampositivas, la flagelina, los $\beta$ -glucanos de los hongos, el ARN de doble hebra, el ARN sin caperuza 5 $'$ , el ADN con CpG sin metilar, el ADN en el citosol. Los receptores son receptores de reconocimiento de patrones (PRR), unas pocas decenas en total, codificados cada uno por un gen: los receptores de tipo Toll (TLR) de la superficie y de los endosomas (TLR4 para el lipopolisacárido, TLR5 para la flagelina, TLR3 para el ARN de doble hebra, TLR9 para el ADN con CpG); las proteínas NOD citosólicas para los fragmentos de peptidoglicano, RIG-I para el ARN vírico, cGAS–STING para el ADN citosólico; las lectinas de tipo C para los azúcares fúngicos. Esos mismos receptores, u otros de las mismas familias, reconocen los patrones moleculares asociados a daño (DAMP) que liberan las células lesionadas — ATP, ácido úrico, la proteína nuclear HMGB1, ADN mitocondrial —, de modo que una lesión estéril también inflama. La unión activa el factor de transcripción NF- $\kappa$ B y los factores reguladores del interferón, que en menos de una hora encienden citocinas, quimiocinas, moléculas de adhesión y genes antimicrobianos; y un subconjunto de los sensores citosólicos ensambla el inflamasoma, una plataforma que activa la caspasa-1 para cortar la interleucina-1 $\beta$ y darle su forma activa y para desencadenar la muerte inflamatoria llamada piroptosis (Capítulo 10).

Evidencia. Janeway propuso en 1989 que el sistema inmunitario adaptativo no responde al antígeno solo, sino que necesita una señal de receptores innatos que hayan reconocido patrones microbianos — la explicación de por qué las vacunas necesitan adyuvantes, “el sucio secretillo del inmunólogo”. Hoffmann (1996) descubrió que las Drosophila sin el receptor Toll, conocido por su papel en el patrón embrionario, no podían montar una respuesta antifúngica y morían cubiertas de moho; Beutler (1998) localizó la resistencia al lipopolisacárido de una cepa de ratón, que sobrevivía a dosis de endotoxina letales para otras y no lograba eliminar las infecciones gramnegativas, en una mutación del homólogo de mamífero TLR4. El receptor de la endotoxina, buscado durante cincuenta años, era un Toll. ∎

Tres brazos del reconocimiento de patrones. Un receptor de tipo Toll de superficie unido por el lipopolisacárido señaliza a través de NF-B hacia las citocinas inflamatorias; los sensores citosólicos de ácido nucleico vírico inducen interferón; y el inflamasoma convierte el precursor almacenado de la interleucina-1 en la citocina activa. — Tres brazos del reconocimiento de patrones. Un receptor de tipo Toll de superficie unido por el lipopolisacárido señaliza a través de NF- $\kappa$ B hacia las citocinas inflamatorias; los sensores citosólicos de ácido nucleico vírico inducen interferón; y el inflamasoma convierte el precursor almacenado de la interleucina-1 en la citocina activa.

Definición 15.3 (Complemento)

El complemento es un sistema de unas treinta proteínas plasmáticas, el $10\,\%$ de las globulinas del suero, que marca y destruye microbios mediante una cascada de activaciones proteolíticas. Tres vías convergen en el corte de la proteína central, C3: la vía clásica, que inicia C1q al unirse a anticuerpos sobre una superficie (o a la proteína C reactiva, o a células apoptóticas); la vía de las lectinas, que inicia la lectina de unión a manosa al reconocer azúcares microbianos; y la vía alternativa, en la que C3 se hidroliza espontáneamente a baja velocidad y el C3b resultante se pega a cualquier superficie que encuentre. Cada vía construye una convertasa de C3, una enzima que corta más C3; el C3b que deposita covalentemente sobre la superficie construye a su vez más convertasa — un bucle de amplificación —, de modo que una bacteria queda recubierta de millones de C3b en cuestión de minutos. El C3b es una opsonina: los fagocitos llevan receptores para él y se comen lo que recubre. Los fragmentos pequeños C3a y C5a son anafilotoxinas que dilatan los vasos, atraen neutrófilos y activan mastocitos. Y C5b ensambla C6–C9 en el complejo de ataque a la membrana, un poro de $10\,\mathrm{nm}$ que lisa bacterias gramnegativas y virus con envoltura. Las células del hospedador se salvan porque llevan reguladores — el factor H, CD55, CD59 — que desmontan la convertasa y bloquean el poro en sus propias superficies; los microbios, que carecen de ellos, son consumidos por el bucle.

Teorema 15.4 (El bucle del complemento como discriminador cinético)

Sea $B(t)$ el número de moléculas de C3b depositadas sobre una superficie. El C3b se deposita a una pequeña velocidad constante $k_{0}$ por el goteo del C3, y cada C3b depositado construye convertasa que deposita más a velocidad $a$ por C3b y segundo, mientras que los reguladores (del hospedador) y la desintegración retiran actividad de convertasa a velocidad $d$ por C3b y segundo:

\frac{\mathrm{d}B}{\mathrm{d}t} = k_{0} + (a - d)\,B .

En una superficie donde $a > d$ — un microbio, sin reguladores —, $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr]\bigl(e^{(a-d)t} - 1\bigr)$ crece exponencialmente con constante de tiempo $1/(a - d)$ ; en una superficie del hospedador, donde $d > a$ , $B$ se acerca al pequeño valor estacionario $k_{0}/(d - a)$ . Las mismas moléculas, a las mismas concentraciones, depositan un millón de C3b sobre una bacteria en unos minutos y unas pocas decenas sobre la célula de al lado: la distinción entre lo propio y lo ajeno no la hace el reconocimiento, sino el signo de $a - d$ .

Demostración. La ecuación es lineal de coeficientes constantes. Para $a \ne d$ el punto fijo es $B^{*} = -k_{0}/(a-d)$ ; escribiendo $B = B^{*} + u$ , $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = (a-d)u$ , luego $u = u_{0}e^{(a-d)t}$ y, con $B(0) = 0$ , $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr](e^{(a-d)t} - 1)$ . Para $a > d$ esto crece sin límite (hasta que se agotan el C3 o la superficie); para $a < d$ la exponencial decae y $B \to k_{0}/(d-a) > 0$ . Con $k_{0} = 1$ por segundo y $a - d = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ en una bacteria, $B(2\,\mathrm{min}) = 10(e^{12} - 1) \approx 1.6\times 10^{6}$ ; con $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ en una célula del hospedador, $B^{*} = 10$ . ∎

El bucle del complemento sobre dos superficies con k_0 = 1 por segundo y |a - d| = 0.1\, s-1: sobre un microbio sin reguladores el C3b crece exponencialmente y llega al millón en dos minutos; sobre una célula del hospedador con reguladores se estabiliza en diez. — El bucle del complemento sobre dos superficies con $k_{0} = 1$ por segundo y $|a - d| = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ : sobre un microbio sin reguladores el C3b crece exponencialmente y llega al millón en dos minutos; sobre una célula del hospedador con reguladores se estabiliza en diez.

El complemento. Tres rutas construyen una convertasa de C3; el C3b que esta deposita construye más (el bucle del teorema), y el C3b depositado opsoniza, los fragmentos inflaman y el complejo terminal lisa. Las células del hospedador llevan reguladores que cortan el bucle (y, con CD59, bloquean el poro) en sus propias membranas.

15.3 La inflamación

Definición 15.5 (Inflamación aguda)

La inflamación es la respuesta de un tejido vascularizado a una lesión o a una infección, orquestada por citocinas — las pequeñas proteínas de señalización de las células inmunitarias, aquí sobre todo el TNF, la interleucina-1 y la interleucina-6 de los macrófagos activados — y por quimiocinas, las citocinas que dirigen la migración. Sus pasos explican los signos de Celso. La histamina de los mastocitos, el óxido nítrico y las prostaglandinas dilatan las arteriolas: el enrojecimiento y el calor. El endotelio de las vénulas se contrae y deja escapar plasma, cuyas proteínas — complemento, anticuerpos, factores de coagulación — inundan el tejido: la hinchazón. La bradicinina y la prostaglandina E $_{2}$ sensibilizan las terminaciones nerviosas: el dolor. Y los leucocitos llegan por extravasación: el TNF y la interleucina-1 hacen que el endotelio muestre selectinas, sobre las que los neutrófilos que pasan se enganchan y ruedan; las quimiocinas (la interleucina-8) de la superficie endotelial activan las integrinas de los neutrófilos, que se unen con fuerza a las moléculas de adhesión endoteliales y detienen la célula; y el neutrófilo se cuela entre las células endoteliales y sigue el gradiente de quimiocina hacia el tejido — toda la secuencia en unos minutos, y hasta un millón de células por hora hacia un sitio infectado.

La extravasación. Las citocinas de los macrófagos del tejido vuelven pegajosa la pared de la vénula; un neutrófilo que pasa se engancha a las selectinas y rueda, sus integrinas lo detienen, se cuela entre las células endoteliales y sigue el gradiente de quimiocina hasta las bacterias.

Proposición 15.6 (Fiebre, fase aguda y resolución)

La interleucina-1, el TNF y la interleucina-6 actúan también a distancia. En el hipotálamo inducen prostaglandina E $_{2}$ , que sube el punto de ajuste de la temperatura corporal: la fiebre, que frena a muchas bacterias, acelera las reacciones de las propias células inmunitarias y cuesta alrededor de un $12\,\%$ más de metabolismo por grado. En el hígado inducen las proteínas de fase aguda — la proteína C reactiva, que une la fosfocolina bacteriana, activa el complemento y sube mil veces en dos días, la medida de la inflamación que usa el clínico; el fibrinógeno; la lectina de unión a manosa; y la hepcidina, que encierra el hierro lejos de los microbios que lo necesitan. En la médula liberan neutrófilos y aceleran su producción. La inflamación está hecha para terminar: a medida que se elimina el estímulo, los mediadores lipídicos pasan de las prostaglandinas a las lipoxinas y las resolvinas, los neutrófilos mueren por apoptosis y los comen los macrófagos, que pasan entonces a un programa de reparación y secretan factores de crecimiento e interleucina-10 — la resolución. Cuando el estímulo persiste (un bacilo tuberculoso al que no se puede matar, un cristal, un autoantígeno), la respuesta se vuelve crónica: los macrófagos amurallan el sitio en un granuloma, los fibroblastos depositan cicatriz y el tejido queda destruido por su propia defensa.

Ejemplo 15.7 (La sepsis)

Una inflamación confinada a una astilla es una cura; esas mismas reacciones por todo el cuerpo son una catástrofe. Cuando las bacterias o su lipopolisacárido llegan a la sangre en cantidad, los macrófagos de todas partes liberan TNF e interleucina-1 a la vez: todos los vasos se dilatan y dejan escapar plasma, la presión arterial se desploma, la coagulación se activa en diez mil capilares y consume los factores de coagulación, y los órganos, privados de perfusión, fallan — el choque séptico, que mata a entre una cuarta parte y la mitad de aquellos a los que golpea, unos once millones de personas al año. Unos pocos microgramos de lipopolisacárido inyectados en un voluntario producen fiebre, escalofríos y una caída de la presión arterial en menos de dos horas; un ratón sin TLR4 se sacude una dosis cien veces letal. La enfermedad es la respuesta del hospedador, y los antibióticos que matan a las bacterias pueden empeorarla durante unas horas al liberar más endotoxina.

Inflamación aguda alrededor del arañazo de una espina: enrojecimiento y calor por los vasos dilatados, hinchazón por el plasma escapado y el dolor que mantiene quieto el miembro — la respuesta local que, generalizada a todo el cuerpo, es el choque séptico.

15.4 Matar

Definición 15.8 (Fagocitosis y estallido respiratorio)

Un fagocito une a su presa mediante receptores de opsoninas — el C3b y las regiones constantes de los anticuerpos — o directamente mediante receptores de patrones, la envuelve en membrana y cierra el fagosoma, que se fusiona con gránulos y lisosomas. La muerte llega por varios medios a la vez. El estallido respiratorio: la enzima NADPH-oxidasa, ensamblada en la membrana del fagosoma, bombea electrones al oxígeno para producir superóxido, que pasa a peróxido de hidrógeno, que la mieloperoxidasa convierte, con cloruro, en hipoclorito — lejía, a concentración milimolar dentro de un compartimento de un micrómetro. Óxido nítrico de la NO-sintasa inducible, que con el superóxido da peroxinitrito. Ácido, hasta pH 5. Lisozima, proteasas, lactoferrina que priva de hierro a la presa y defensinas que la perforan. Un neutrófilo que no puede comerse lo que encuentra — una hifa de hongo, un grumo — puede expulsar su propia cromatina como una red pegajosa de ADN y proteínas de gránulo, una trampa extracelular de neutrófilo, y morir haciéndolo. Los niños que heredan una NADPH-oxidasa defectuosa (la enfermedad granulomatosa crónica) sufren abscesos y granulomas repetidos por bacterias y hongos que los fagocitos corrientes matan sin dificultad: el estallido no es opcional.

Definición 15.9 (Linfocitos citolíticos naturales e interferón)

Los virus se esconden dentro de las células, donde el complemento y los fagocitos no pueden alcanzarlos. Los linfocitos citolíticos naturales patrullan buscando células que han dejado de mostrar MHC de clase I — la “ausencia de lo propio” de una célula cuyo ocupante vírico o tumoral ha apagado la presentación de antígenos para escapar de los linfocitos T (Capítulo 16) — y buscando proteínas de estrés que las células infectadas y transformadas ponen en su superficie; se suman los receptores inhibidores del MHC I y los receptores activadores de los ligandos de estrés, y la célula que desequilibra el balance muere en minutos por la perforina y las granzimas que se le inyectan, que disparan su apoptosis. Los interferones de tipo I ( $\alpha$ y $\beta$ ) los fabrica cualquier célula cuyo RIG-I o cuya cGAS haya detectado ácido nucleico vírico; secretados, se unen a receptores de las células vecinas y, a través de la vía JAK–STAT, inducen centenares de genes que ponen a esas células en un estado antivírico: una quinasa que apaga la traducción cuando se encuentra con ARN de doble hebra, una nucleasa que degrada ARN, proteínas que bloquean la entrada y el ensamblaje víricos y más MHC I para enseñar a los linfocitos T lo que hay dentro. La célula que fabricó el interferón puede morir; sus vecinas quedan avisadas. El interferón lo descubrieron Isaacs y Lindenmann (1957) como el factor del medio de células infectadas por un virus que volvía resistentes a células frescas, y es la razón de que una célula infectada por un virus resista a un segundo.

Método 15.10 (Medir la inflamación y la función de los fagocitos)

A pie de cama: (1) la proteína C reactiva del suero, por inmunoensayo — por debajo de $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ en reposo, decenas en una infección vírica, centenares en una sepsis bacteriana, y cayendo en cuestión de días si el tratamiento es eficaz; (2) el recuento de neutrófilos, elevado en la infección bacteriana, con formas inmaduras liberadas pronto de la médula; (3) la velocidad de sedimentación globular, un indicador lento del fibrinógeno. Para los fagocitos: (4) la prueba del nitroazul de tetrazolio o de la dihidrorrodamina, en la que los neutrófilos estimulados in vitro reducen un colorante si su NADPH-oxidasa funciona — el diagnóstico de la enfermedad granulomatosa crónica en una mañana; (5) un ensayo de quimiotaxis, que cuenta las células que migran a través de un filtro hacia una quimiocina.

15.5 De la innata a la adaptativa, y a lo largo de la vida

Proposición 15.11 (La decisión de la célula dendrítica)

La inmunidad adaptativa no se pone en marcha sola. Una célula dendrítica de un tejido se come lo que encuentra; si se disparan sus receptores de patrones — por un microbio o por un daño —, madura: deja de comer, migra por los linfáticos hasta el ganglio linfático que drena la zona, muestra en moléculas del MHC los péptidos de lo que comió y levanta moléculas coestimuladoras (B7) y citocinas que le dicen a un linfocito T que reconozca el péptido que responda, y cómo (Capítulo 16). Un linfocito T que ve su péptido en una célula dendrítica sin coestimulación queda apagado. El reconocimiento innato decide así si un antígeno merece una respuesta, y las citocinas que fabrica la célula dendrítica — decididas por qué receptores de patrones se dispararon — deciden si la respuesta se dirige contra virus, contra bacterias o contra gusanos. Un adyuvante es un ligando de receptores de patrones añadido a una vacuna para aportar esta señal; el alumbre y las nanopartículas lipídicas de las vacunas modernas funcionan disparándola.

Observación 15.12 (La inmunidad innata en todas partes, y su memoria)

Todo organismo pluricelular tiene inmunidad innata, y las plantas, los hongos y los invertebrados no tienen ninguna otra. Las plantas reconocen la flagelina y la quitina con receptores quinasa y montan una respuesta en dos niveles (Capítulo 22); los insectos tienen Toll y péptidos antimicrobianos; y hasta las bacterias tienen enzimas de restricción y CRISPR (Capítulo 6). El dogma de que la inmunidad innata no tiene memoria se ha ablandado: un monocito que se ha encontrado con $\beta$ -glucano o con la vacuna BCG queda reprogramado epigenéticamente (Capítulo 1) para responder con más fuerza a microbios no emparentados durante meses — la inmunidad entrenada, que explica por qué la BCG baja la mortalidad infantil por infecciones distintas de la tuberculosis. Y el exceso del sistema es una enfermedad de nuestro tiempo: la inflamación estéril que impulsan los cristales de ácido úrico (la gota), los cristales de colesterol de la pared arterial (la aterosclerosis), el amiloide del cerebro y la inflamación de bajo grado de la obesidad y de la vejez.

15.6 Ejercicios

Ejercicio 15.1 ★

Enumérense cuatro barreras y cinco tipos celulares de la inmunidad innata, con una función de cada uno.

Solución

Solución de Ejercicio 15.1.

Barreras: la queratina de la piel (mecánica), el moco y los cilios de las vías respiratorias (atrapan y aclaran), el ácido del estómago (mata los microbios tragados), la lisozima y las defensinas de las secreciones (lisan y perforan) y el microbioma comensal (ocupa los nichos). Células: neutrófilos (matan bacterias por fagocitosis), macrófagos (comen, limpian, dan la alarma), células dendríticas (llevan el antígeno a los ganglios linfáticos e inician las respuestas adaptativas), mastocitos (liberan histamina e inflaman) y linfocitos citolíticos naturales (matan células infectadas y transformadas).

Ejercicio 15.2 ★

¿Qué hace de una molécula un buen patrón molecular asociado a patógenos? Dense tres ejemplos y el receptor de cada uno.

Solución

Solución de Ejercicio 15.2.

Que lo comparta toda una clase de microbios, que les sea esencial (de modo que no puedan perderlo para escapar) y que esté ausente del hospedador. Lipopolisacárido — TLR4; flagelina — TLR5; ARN de doble hebra — TLR3 (y RIG-I en el citosol); ADN con CpG sin metilar — TLR9; fragmentos de peptidoglicano — proteínas NOD; $\beta$ -glucano — dectina-1.

Ejercicio 15.3 ★

Explíquese cada uno de los cuatro signos de Celso con un mediador y un cambio vascular o nervioso.

Solución

Solución de Ejercicio 15.3.

Enrojecimiento: dilatación arteriolar por histamina, óxido nítrico y prostaglandinas. Calor: ese mismo aumento del flujo sanguíneo. Hinchazón: la fuga venular de plasma tras la contracción endotelial (histamina, C3a, C5a). Dolor: la bradicinina y la prostaglandina E $_{2}$ sensibilizando los nociceptores, más la presión de la hinchazón.

Ejercicio 15.4 ★

Nómbrense las tres vías del complemento, qué inicia cada una y los tres resultados del corte del C3.

Solución

Solución de Ejercicio 15.4.

Clásica: C1q uniéndose a un anticuerpo (o a la proteína C reactiva) sobre una superficie. De las lectinas: la lectina de unión a manosa sobre azúcares microbianos. Alternativa: el goteo espontáneo de C3 y el depósito de C3b sobre cualquier superficie desprotegida. Resultados: el C3b opsoniza para la fagocitosis; C3a y C5a inflaman y reclutan; y C5b inicia el complejo de ataque a la membrana que lisa.

Ejercicio 15.5 ★★

En el modelo del complemento con $k_{0} = 2$ por segundo, $a = 0.15\,\mathrm{s}^{-1}$ y $d = 0.05\,\mathrm{s}^{-1}$ en un microbio, ¿cuántos C3b se depositan al cabo de $60\,\mathrm{s}$ ? ¿Y de $90\,\mathrm{s}$ ? En una célula del hospedador con $a = 0.05$ y $d = 0.15$ , ¿cuál es el estado estacionario?

Solución

Solución de Ejercicio 15.5.

$B = [k_{0}/(a-d)](e^{(a-d)t} - 1)$ con $a - d = 0.1$ : a los $60\,\mathrm{s}$ , $20(e^{6} - 1) \approx 8000$ ; a los $90\,\mathrm{s}$ , $20(e^{9} - 1) \approx 1.6\times 10^{5}$ . Célula del hospedador: $k_{0}/(d - a) = 2/0.1 = 20$ .

Ejercicio 15.6 ★★

Ordénense los sucesos de la extravasación, nómbrese la clase de molécula de cada paso y predígase el fenotipo de un niño cuyos neutrófilos carecen de integrinas $\beta_{2}$ (la deficiencia de adhesión leucocitaria).

Solución

Solución de Ejercicio 15.6.

Rodadura sobre selectinas (lectinas que unen glúcidos); señalización por quimiocinas que activa las integrinas; adhesión firme de las integrinas a las moléculas de adhesión endoteliales (ICAM); transmigración entre las células endoteliales; y quimiotaxis a lo largo del gradiente. Sin integrinas $\beta_{2}$ los neutrófilos ruedan pero nunca se detienen ni cruzan: se amontonan en la sangre (recuentos altísimos), las infecciones se repiten sin que se forme pus, las heridas curan mal y el cordón umbilical se desprende tarde.

Ejercicio 15.7 ★★

Los neutrófilos de un paciente no superan la prueba de la dihidrorrodamina. ¿Cuál es el diagnóstico, qué reacción falta y qué infecciones cabe esperar? ¿Por qué se forman granulomas?

Solución

Solución de Ejercicio 15.7.

Enfermedad granulomatosa crónica: la NADPH-oxidasa es defectuosa, de modo que en el fagosoma no se fabrican ni superóxido, ni peróxido de hidrógeno, ni hipoclorito. Infecciones por organismos que destruyen su propio peróxido de hidrógeno (catalasa positivos): Staphylococcus aureus, Aspergillus, Burkholderia, Serratia, Nocardia. Se forman granulomas porque los macrófagos engullen microbios a los que no pueden matar y los amurallan, con reclutamiento continuo, en una lesión crónica.

Ejercicio 15.8 ★★

Explíquese el reconocimiento de la ausencia de lo propio y predígase qué le ocurre a una célula tumoral que (a) pierde el MHC I para escapar de los linfocitos T, (b) conserva el MHC I pero muestra ligandos de estrés.

Solución

Solución de Ejercicio 15.8.

Los receptores inhibidores cuentan MHC I; los activadores cuentan ligandos de estrés; la célula muere si la activación supera a la inhibición. (a) Perder el MHC I elimina la inhibición: el linfocito citolítico natural la mata — el precio de escapar de los linfocitos T. (b) Con el MHC I conservado pero con ligandos de estrés expuestos, la activación puede ganar igualmente y la célula muere; los tumores sueltan o suprimen por eso a menudo los ligandos de estrés.

Ejercicio 15.9 ★★

¿Por qué una vacuna de proteína pura induce poca inmunidad, y qué añade un adyuvante? Relaciónese con el argumento de Janeway.

Solución

Solución de Ejercicio 15.9.

Una proteína pura no lleva ningún patrón de patógeno, de modo que las células dendríticas que la captan no maduran, la presentan sin coestimulación y los linfocitos T que la reconocen quedan apagados o la ignoran. Un adyuvante — alumbre, un lípido, un ligando de receptor de tipo Toll — dispara los receptores de patrones, hace madurar a la célula dendrítica y aporta la segunda señal. Es el argumento de Janeway: el sistema adaptativo responde a un antígeno solo cuando el sistema innato dice que el antígeno venía con un microbio.

Ejercicio 15.10 ★★★

La fiebre cuesta un $12\,\%$ del metabolismo basal por grado y frena la duplicación de una bacteria de $30\,\mathrm{min}$ a $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ a $45\,\mathrm{min}$ a $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . A lo largo de un día de infección, calcúlense la población bacteriana desde $10^{4}$ con y sin fiebre (sin contar la eliminación) y la energía adicional para una persona de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ . ¿Merece la pena la fiebre? ¿De qué depende la respuesta?

Solución

Solución de Ejercicio 15.10.

Sin fiebre, $48$ duplicaciones: $10^{4}\times 2^{48} \approx 3\times 10^{18}$ (un absurdo que muestra que lo que decide el desenlace es la eliminación, no el crecimiento). Con fiebre, $32$ duplicaciones: $4\times 10^{13}$ — un factor $2^{16} \approx 65\,000$ menos de bacterias a las que se enfrentan los neutrófilos. Coste: $3\times 0.12\times 8 = 2.9\,\mathrm{MJ}$ al día, una comida copiosa. Merece la pena cuando el patógeno se frena y el hospedador tiene reservas; no cuando el patógeno crece igual de bien a $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ni cuando el hospedador pasa hambre, ni cuando la propia fiebre se acerca a temperaturas peligrosas.

Ejercicio 15.11 ★★★

Algunas bacterias unen el factor H a su superficie; otras cortan el C3b o sueltan su cápsula. Con el Teorema 15.4, explíquese cada caso como un cambio de $a$ o de $d$ , y dígase cuál es la defensa más económica para el microbio.

Solución

Solución de Ejercicio 15.11.

Unir el factor H recluta al propio regulador del hospedador: $d$ sube por encima de $a$ y el bucle decae en el microbio como en una célula del hospedador. Cortar el C3b elimina la convertasa depositada: de nuevo una subida de $d$ . Una cápsula presenta una superficie sobre la que la convertasa se forma mal, lo que baja $a$ , y esconde de los receptores de los fagocitos el C3b que se deposita. Lo más barato: una sola proteína de superficie que una el factor H, que el hospedador aporta gratis y que hace el trabajo.

Ejercicio 15.12 ★★★

Arguméntese, con los mecanismos de este capítulo, por qué la misma respuesta es adaptativa en una astilla y letal en el torrente sanguíneo, y por qué los fármacos que bloquean el TNF ayudan en la artritis reumatoide pero elevan el riesgo de tuberculosis.

Solución

Solución de Ejercicio 15.12.

En una astilla, la dilatación, la fuga y el reclutamiento afectan a unos pocos mililitros de vasos y llevan la defensa adonde hace falta; esos mismos mediadores liberados en toda la circulación dilatan todos los vasos y hacen escapar plasma de todos los capilares, de modo que la presión se desploma y la coagulación se dispara por doquier — la fisiología es idéntica y la escala es letal. El TNF impulsa la inflamación sinovial de la artritis reumatoide, de modo que bloquearlo alivia la enfermedad; pero el TNF es también lo que mantiene organizados a los macrófagos en los granulomas que contienen a los bacilos tuberculosos latentes, y bloquearlo deja escapar una tuberculosis latente.

15.7 Problema: una astilla

Problema 15.1

Problema de fin de semana — diez mil bacterias bajo la piel compitiendo contra los neutrófilos enviados a su encuentro, recubiertas de complemento por la aritmética del bucle, combatidas con fiebre a su precio metabólico y, en el torrente sanguíneo, convertidas en la fisiología del choque, hasta llegar a las bacterias que quedan al cabo de seis horas, al C3b de cada una y al coste de un día de fiebre

Datos: $10^{4}$ bacterias inoculadas, que se duplican cada $40\,\mathrm{min}$ ; los neutrófilos llegan a partir de $1\,\mathrm{h}$ a razón de $2\times 10^{4}$ por hora, y cada uno mata $20$ bacterias y muere. Complemento: $k_{0} = 1$ por segundo y bacteria, $a - d = 0.08\,\mathrm{s}^{-1}$ en las bacterias y $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ en las células del hospedador; la superficie de una bacteria admite como mucho $2\times 10^{6}$ C3b. Fiebre: $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ cuesta un $24\,\%$ de un metabolismo de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ y alarga el tiempo de duplicación bacteriano a $60\,\mathrm{min}$ . Sepsis: $10^{9}$ bacterias en $5\,\mathrm{L}$ de sangre, con $3\times 10^{6}$ moléculas de lipopolisacárido por bacteria; la señalización por TLR4 satura a $10^{-9}$ mol/L de lipopolisacárido.

Parte I — La carrera.

¿Cuántas bacterias hay a la $1\,\mathrm{h}$ , cuando llegan los primeros neutrófilos, si no se ha matado a ninguna?
Entre la $1\,\mathrm{h}$ y las $2\,\mathrm{h}$ , ¿cuántos neutrófilos llegan y a cuántas bacterias pueden matar? Compárese con el crecimiento bacteriano de esa hora a partir del recuento de la pregunta 1.
Sígase hora a hora (crecimiento y después eliminación al final de cada hora) hasta las $6\,\mathrm{h}$ . ¿Cuándo alcanza su máximo la población, y cuántas quedan a las $6\,\mathrm{h}$ ?
Repítase con una llegada de neutrófilos retrasada hasta las $3\,\mathrm{h}$ . ¿Qué ocurre a las $6\,\mathrm{h}$ ? Coméntese el valor de la rapidez.
¿Cuántos neutrófilos muertos se acumulan para cuando las bacterias han desaparecido en la pregunta 3? ¿Qué es el pus, y por qué hay que eliminarlo?
Una persona con la décima parte del recuento normal de neutrófilos (neutropenia tras la quimioterapia): recalcúlese la pregunta 3 y explíquese por qué a esos pacientes se les dan antibióticos a la primera fiebre.

Parte II — El recubrimiento.

Con el teorema, ¿cuántos C3b se depositan en una bacteria al cabo de $30\,\mathrm{s}$ , $60\,\mathrm{s}$ y $120\,\mathrm{s}$ ?
¿Cuándo satura la superficie?
En una célula del hospedador que esté al lado, ¿cuál es el número estacionario de C3b?
La bacteria adquiere una cápsula que reduce $a$ a la mitad, de modo que $a - d = 0.03$ . Recalcúlese el C3b a los $120\,\mathrm{s}$ . ¿Qué le compra la cápsula?
¿Cuántos C3b lleva en la saturación todo el inóculo de $10^{4}$ bacterias, y qué fracción es eso de las $2\times 10^{16}$ moléculas de C3 de un litro de plasma?
Un paciente carece de C3. ¿Qué vías se ven afectadas, y qué infecciones siguen? Otro carece de C9: ¿por qué es más leve el fenotipo, y limitado a un solo género?

Parte III — La fiebre.

¿Cuánta energía adicional cuestan dos días de fiebre a $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en megajulios y en gramos de grasa ( $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ )?
Rehágase la pregunta 1 a temperatura de fiebre: ¿cuántas bacterias hay a la $1\,\mathrm{h}$ ? ¿Por qué factor ha reducido la fiebre la población con la que se encuentran los neutrófilos?
En el modelo de la pregunta 3, con el tiempo de duplicación más largo, ¿cuándo desaparecen las bacterias?
La proteína C reactiva sube de $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ a $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ en dos días. Con un volumen plasmático de $3\,\mathrm{L}$ y una masa molecular de $115\,\mathrm{kDa}$ , ¿cuántas moléculas ha fabricado el hígado, y cuántas por segundo?
Los antipiréticos bloquean la síntesis de prostaglandinas. ¿Qué le hacen al punto de ajuste, a la comodidad del paciente y, por los números anteriores, a la infección?
¿Por qué es peligrosa una fiebre de $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ cuando $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ no lo es, y qué impide que el punto de ajuste suba indefinidamente?

Parte IV — El choque.

Moléculas de lipopolisacárido en la sangre del paciente séptico, y su concentración en mol/L.
Compárese con la concentración de saturación del TLR4. ¿Están activados todos los macrófagos del cuerpo?
Cada uno de los $10^{11}$ macrófagos del cuerpo libera $1000$ moléculas de TNF por segundo durante una hora. ¿Cuántos moles de TNF, y qué concentración en $15\,\mathrm{L}$ de líquido extracelular? (El TNF actúa a $1 \times 10^{-11}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .)
Explíquense la caída de la presión arterial y el fallo de los riñones a partir de los mecanismos locales de la inflamación.
El antibiótico que se da al ingreso mata las bacterias en una hora. ¿Por qué puede empeorar el paciente antes de mejorar, y qué limita la utilidad de los anticuerpos anti-TNF en la sepsis?
Una cepa de ratón carece de TLR4. Predíganse su respuesta al lipopolisacárido inyectado y a una infección gramnegativa viva, y explíquese la paradoja aparente.
Resúmase: las bacterias que quedan a las $6\,\mathrm{h}$ (pregunta 3), el C3b de una bacteria a los $120\,\mathrm{s}$ (pregunta 7) y el coste de dos días de fiebre (pregunta 13).

Solución

Solución de Problema 15.1.

1. Una hora son $1.5$ duplicaciones: $10^{4}\times 2^{1.5} \approx 2.8\times 10^{4}$ . 2. $2\times 10^{4}$ neutrófilos matan hasta $4\times 10^{5}$ ; las bacterias solo crecen de $2.8\times 10^{4}$ a $8\times 10^{4}$ : la eliminación supera al crecimiento cinco veces. 3. Hora 2: $8\times 10^{4}$ antes de la matanza, ninguna después. La población alcanza su máximo, unas $8\times 10^{4}$ , cerca de las $2\,\mathrm{h}$ y es cero a partir de entonces; no queda ninguna a las $6\,\mathrm{h}$ . 4. Llegada a las $3\,\mathrm{h}$ : $10^{4}\times 2^{4.5} = 2.3\times 10^{5}$ entonces. Hora 4: $6.4\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.4\times 10^{5}$ ; hora 5: $6.8\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 2.8\times 10^{5}$ ; hora 6: $7.9\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 3.9\times 10^{5}$ y subiendo — los neutrófilos ya no dan abasto y se forma un absceso. Dos horas de retraso convierten una curación en una infección crónica. 5. $8\times 10^{4}/20 = 4000$ neutrófilos mueren matando, más los $2\times 10^{4}$ que llegaron y mueren de todos modos en un día. El pus son neutrófilos muertos, bacterias muertas y tejido licuado; los macrófagos lo eliminan comiéndose los cadáveres, o hay que drenarlo. 6. Llegan $2000$ por hora y matan $4\times 10^{4}$ : hora 2, $8\times 10^{4} - 4\times 10^{4} = 4\times 10^{4}$ ; hora 3, $1.1\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 7\times 10^{4}$ ; hora 4, $2\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 1.6\times 10^{5}$ — creciendo sin límite. El paciente no puede contener un inóculo trivial, de modo que los antibióticos han de encargarse de matar desde el primer indicio. 7. $B = 12.5(e^{0.08t} - 1)$ : $30\,\mathrm{s}$ , $125$ ; $60\,\mathrm{s}$ , $1500$ ; $120\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{5}$ . 8. $e^{0.08t} = 1.6\times 10^{5}$ : $t = 12/0.08 = 150\,\mathrm{s}$ . 9. $k_{0}/(d - a) = 10$ . 10. $B(120) = 33(e^{3.6} - 1) \approx 1200$ , $150$ veces menos. La cápsula compra minutos — tiempo para multiplicarse, y protección hasta que lleguen los anticuerpos que inician la vía clásica sobre la propia cápsula. 11. $10^{4}\times 2\times 10^{6} = 2\times 10^{10}$ C3b: una millonésima parte del C3 del plasma. 12. Sin C3 las tres vías se detienen en su paso común: sin opsonización, sin anafilotoxinas y sin lisis — infecciones graves y repetidas por bacterias encapsuladas. Sin C9 solo se pierde el poro terminal; la opsonización y la inflamación funcionan, y el fenotipo son infecciones repetidas por Neisseria, el único género que los fagocitos controlan mal y la lisis controla bien. 13. $2\times 0.24\times 8 = 3.8\,\mathrm{MJ}$ , unos $100\,\mathrm{g}$ de grasa. 14. Una duplicación en la hora: $2\times 10^{4}$ en lugar de $2.8\times 10^{4}$ , un factor $1.4$ . 15. Hora 2: $4\times 10^{4}$ antes de la matanza, ninguna después — desaparecidas a las $2\,\mathrm{h}$ , como antes; la aportación de la fiebre importa cuando el suministro de neutrófilos va justo, como en las preguntas 4 y 6. 16. $199\,\text{mg/L}\times 3\,\text{L} = 0.6\,\mathrm{g}$ ; $0.6/ 115\,000 = 5.2\times 10^{-6}$ mol $= 3.1\times 10^{18}$ moléculas; a lo largo de $172\,800\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{13}$ por segundo. 17. Bajan el punto de ajuste hacia los $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , el paciente se encuentra mejor y las bacterias se duplican algo más deprisa; en este modelo los neutrófilos siguen ganando, y la evidencia de que los antipiréticos empeoran las infecciones corrientes es débil. 18. Por encima de unos $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ las proteínas empiezan a desnaturalizarse, las enzimas fallan y las neuronas disparan mal (convulsiones); $42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ es letal. El punto de ajuste se mantiene por debajo con criógenos — interleucina-10, vasopresina, glucocorticoides — y con el techo de la acción de las prostaglandinas en el hipotálamo. 19. $10^{9}\times 3\times 10^{6} = 3\times 10^{15}$ moléculas $= 5\times 10^{-9}$ mol en $5\,\mathrm{L}$ : $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . 20. Igual a la concentración de saturación: todos los macrófagos del cuerpo quedan activados al máximo a la vez. 21. $10^{11}\times 1000\times 3600 = 3.6\times 10^{17}$ moléculas $= 6\times 10^{-7}$ mol; en $15\,\mathrm{L}$ , $4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ — cuatro mil veces la concentración activa. 22. Todas las arteriolas se dilatan y todas las vénulas dejan escapar plasma: el volumen sanguíneo se remansa en los vasos ensanchados y se escapa a los tejidos, de modo que la presión cae; los riñones, mal perfundidos, dejan de filtrar; y la coagulación disparada en miles de capilares los bloquea y consume los factores de coagulación. 23. Las gramnegativas muertas liberan de golpe todo su lipopolisacárido, un bolo para el TLR4, de modo que la oleada de citocinas puede empeorar durante horas. El anti-TNF fracasa porque, para cuando llega el choque, la cascada ha pasado del TNF — la interleucina-1, la interleucina-6 y la coagulación ya están en marcha — y porque el TNF hace falta para controlar las bacterias: el problema es el momento, no la diana. 24. El lipopolisacárido inyectado no le hace nada al ratón sin TLR4, que sobrevive a dosis letales para los ratones normales; una infección gramnegativa viva lo mata, porque no puede detectar pronto a las bacterias ni montar la inflamación que las contiene. La paradoja se disuelve: el detector que causa el choque es el detector que aporta la defensa. 25. No queda ninguna bacteria a las $6\,\mathrm{h}$ (todas muertas a las $2\,\mathrm{h}$ ); unos $1.8\times 10^{5}$ C3b por bacteria a los $120\,\mathrm{s}$ ; y dos días de fiebre cuestan $3.8\,\mathrm{MJ}$ , unos $100\,\mathrm{g}$ de grasa.

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