Biologia universitária — 3.º ano · Bachelor Year 3

15Imunidade Inata e Inflamação

Uma farpa sob a pele leva consigo dez mil bactérias que vão dobrar a cada meia hora. Em minutos os vasos ao redor dilatam e vazam; em uma hora os primeiros neutrófilos já se espremeram para fora do sangue e rastejam rumo aos invasores ao longo de uma trilha química; em um dia o local está vermelho, quente, inchado e dolorido — os quatro sinais da inflamação que Celso listou há dois mil anos — e as bactérias estão mortas, devoradas vivas por células que as reconheceram como estranhas sem nunca as ter encontrado antes. Isto é a imunidade inata: a defesa que todo animal tem, pronta antes da infecção, codificada no genoma em vez de aprendida. Ela é rápida, é ela que mata a maioria dos invasores, e é ela que avisa a imunidade aprendida, mais lenta, do próximo capítulo de que há algo a aprender. Seus excessos — o choque séptico, a inflamação crônica, as febres das doenças autoinflamatórias — são tão instrutivos quanto seus êxitos.

15.1 Camadas e células

Definição 15.1 (Imunidade inata)

A imunidade inata é o conjunto de defesas presentes antes de qualquer exposição, codificadas por genes de linhagem germinativa que não se rearranjam, que reconhecem características conservadas dos micróbios em vez de indivíduos específicos, que agem em minutos a horas e que (com ressalvas) não têm memória. Sua primeira camada são as barreiras: a queratina da pele, o muco e os cílios das vias aéreas, o ácido do estômago, o fluxo da urina e das lágrimas, a enzima lisozima que corta o peptidoglicano, os peptídeos antimicrobianos (defensinas, catelicidinas) que perfuram as membranas microbianas, e o microbioma comensal que ocupa os nichos (Capítulo 14). Suas células, todas da linhagem mieloide exceto a última: os neutrófilos, $60\,\%$ dos leucócitos do sangue, $10^{11}$ produzidos por dia, vivendo um dia, os primeiros a chegar e os principais matadores de bactérias; os macrófagos, residentes longevos de todos os tecidos (células de Kupffer no fígado, micróglia no cérebro, macrófagos alveolares no pulmão) que comem, fazem a limpeza e dão o alarme; as células dendríticas, que amostram os tecidos e levam o que encontram aos linfonodos; os mastócitos, basófilos e eosinófilos, armados contra parasitas e responsáveis pela alergia; e as células natural killer (NK), linfócitos que matam à primeira vista células infectadas ou transformadas.

Evidência. Metchnikoff (1882), em Messina, enfiou um espinho de roseira numa larva transparente de estrela-do-mar e viu, na manhã seguinte, células móveis aglomeradas em volta dele; ele já tinha visto as mesmas células englobarem partículas de alimento e grãos de corante, e propôs que englobavam micróbios também — os fagócitos, agentes de uma defesa do hospedeiro que ele passou a rastrear em todo animal que conseguiu encontrar, da ameba ao homem. Dividiu o prêmio Nobel de 1908 com Ehrlich, cujos anticorpos representavam a visão oposta, humoral; ambos tinham razão, e um século depois as duas metades da imunidade se revelaram um só sistema, com a metade inata instruindo a adaptativa. ∎

Élie Metchnikoff, que observou fagócitos se juntarem em torno de um espinho numa larva de estrela-do-mar e fundou a imunologia celular (Library of Congress, domínio público). No centro: um neutrófilo englobando bactérias. À direita: um macrófago espalhando suas membranas ondulantes sobre uma superfície.

15.2 Reconhecer o inimigo

Definição 15.2 (Reconhecimento de padrões)

As células inatas reconhecem padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs): moléculas comuns a classes inteiras de micróbios, essenciais para eles e ausentes no hospedeiro — o lipopolissacarídeo das paredes Gram-negativas, o peptidoglicano e o ácido lipoteicoico das Gram-positivas, a flagelina, os $\beta$ -glicanos fúngicos, o RNA de fita dupla, o RNA sem capuz 5 $'$ , o DNA com CpG não metilado, o DNA no citosol. Os receptores são os receptores de reconhecimento de padrões (PRRs), algumas dezenas ao todo, cada um codificado por um gene: os receptores do tipo Toll (TLRs) na superfície e nos endossomos (TLR4 para o lipopolissacarídeo, TLR5 para a flagelina, TLR3 para o RNA de fita dupla, TLR9 para o DNA CpG); as proteínas citosólicas NOD para fragmentos de peptidoglicano, RIG-I para o RNA viral, cGAS–STING para o DNA citosólico; as lectinas do tipo C para os açúcares fúngicos. Os mesmos receptores, ou outros das mesmas famílias, reconhecem padrões moleculares associados a danos (DAMPs) liberados por células lesadas — ATP, ácido úrico, a proteína nuclear HMGB1, DNA mitocondrial —, de modo que uma lesão estéril também inflama. A ligação ativa os fatores de transcrição NF- $\kappa$ B e os fatores reguladores de interferon, que ligam citocinas, quimiocinas, moléculas de adesão e genes antimicrobianos em menos de uma hora; um subconjunto dos sensores citosólicos monta o inflamassomo, uma plataforma que ativa a caspase-1 para cortar a interleucina-1 $\beta$ em sua forma ativa e disparar a morte inflamatória chamada piroptose (Capítulo 10).

Evidência. Janeway propôs em 1989 que o sistema imune adaptativo não responde ao antígeno sozinho, mas precisa de um sinal de receptores inatos que tenham reconhecido padrões microbianos — a explicação de por que as vacinas precisam de adjuvantes, “o segredinho sujo do imunologista”. Hoffmann (1996) descobriu que Drosophila sem o receptor Toll, conhecido por seu papel no padrão embrionário, não conseguia montar uma resposta antifúngica e morria coberta de mofo; Beutler (1998) mapeou a resistência ao lipopolissacarídeo de uma linhagem de camundongos, que sobrevivia a doses de endotoxina letais para as demais e não conseguia eliminar infecções por Gram-negativas, até uma mutação no homólogo de mamífero TLR4. O receptor da endotoxina, procurado por cinquenta anos, era um Toll. ∎

Três braços do reconhecimento de padrões. Um receptor do tipo Toll de superfície ligado ao lipopolissacarídeo sinaliza através do NF-B até as citocinas inflamatórias; sensores citosólicos de ácido nucleico viral induzem o interferon; o inflamassomo transforma o precursor estocado da interleucina-1 na citocina ativa. — Três braços do reconhecimento de padrões. Um receptor do tipo Toll de superfície ligado ao lipopolissacarídeo sinaliza através do NF- $\kappa$ B até as citocinas inflamatórias; sensores citosólicos de ácido nucleico viral induzem o interferon; o inflamassomo transforma o precursor estocado da interleucina-1 na citocina ativa.

Definição 15.3 (Complemento)

O complemento é um sistema de cerca de trinta proteínas plasmáticas, $10\,\%$ das globulinas do soro, que marca e destrói micróbios por uma cascata de ativações proteolíticas. Três vias convergem para a clivagem da proteína central C3: a via clássica, iniciada pela C1q que se liga a anticorpos sobre uma superfície (ou à proteína C reativa, ou a células apoptóticas); a via das lectinas, iniciada pela lectina ligante de manose que reconhece açúcares microbianos; e a via alternativa, em que a C3 se hidrolisa espontaneamente a uma taxa baixa e a C3b resultante se prende a qualquer superfície que encontre. Cada via constrói uma convertase de C3, uma enzima que cliva mais C3; a C3b que ela deposita covalentemente sobre a superfície constrói, por sua vez, mais convertase — uma alça de amplificação —, de modo que uma bactéria fica revestida de milhões de C3b em minutos. A C3b é uma opsonina: os fagócitos têm receptores para ela e comem aquilo que ela reveste. Os pequenos fragmentos C3a e C5a são anafilatoxinas que dilatam vasos, atraem neutrófilos e ativam mastócitos. E a C5b monta C6–C9 no complexo de ataque à membrana, um poro de $10\,\mathrm{nm}$ que lisa bactérias Gram-negativas e vírus envelopados. As células do hospedeiro são poupadas porque carregam reguladores — o fator H, o CD55, o CD59 — que desmontam a convertase e bloqueiam o poro em suas próprias superfícies; os micróbios, que não os têm, são consumidos pela alça.

Teorema 15.4 (A alça do complemento como discriminador cinético)

Seja $B(t)$ o número de moléculas de C3b depositadas sobre uma superfície. A C3b é depositada a uma pequena taxa constante $k_{0}$ pela ativação espontânea da C3, e cada C3b depositada constrói convertase que deposita mais, à taxa $a$ por C3b por segundo, enquanto os reguladores (do hospedeiro) e o decaimento removem atividade de convertase à taxa $d$ por C3b por segundo:

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

Sobre uma superfície em que $a > d$ — um micróbio, sem reguladores —, $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr]\bigl(e^{(a-d)t} - 1\bigr)$ cresce exponencialmente com constante de tempo $1/(a - d)$ ; sobre uma superfície do hospedeiro, em que $d > a$ , $B$ se aproxima do pequeno valor estacionário $k_{0}/(d - a)$ . As mesmas moléculas, nas mesmas concentrações, depositam um milhão de C3b sobre uma bactéria em poucos minutos e algumas dezenas sobre a célula ao lado dela: a distinção entre o próprio e o não próprio não é feita pelo reconhecimento, mas pelo sinal de $a - d$ .

Demonstração. A equação é linear com coeficientes constantes. Para $a \ne d$ o ponto fixo é $B^{*} = -k_{0}/(a-d)$ ; escrevendo $B = B^{*} + u$ , $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = (a-d)u$ , de modo que $u = u_{0}e^{(a-d)t}$ e, com $B(0) = 0$ , $B(t) = \bigl[k_{0}/(a-d)\bigr](e^{(a-d)t} - 1)$ . Para $a > d$ isso cresce sem limite (até acabar a C3 ou a superfície); para $a < d$ a exponencial decai e $B \to k_{0}/(d-a) > 0$ . Com $k_{0} = 1$ por segundo e $a - d = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ numa bactéria, $B(2\,\mathrm{min}) = 10(e^{12} - 1) \approx 1.6\times 10^{6}$ ; com $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ numa célula do hospedeiro, $B^{*} = 10$ . ∎

A alça do complemento sobre duas superfícies, com k_0 = 1 por segundo e |a - d| = 0.1\, s-1: sobre um micróbio sem reguladores a C3b cresce exponencialmente e chega a um milhão em dois minutos; sobre uma célula do hospedeiro, com reguladores, estabiliza em dez. — A alça do complemento sobre duas superfícies, com $k_{0} = 1$ por segundo e $|a - d| = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ : sobre um micróbio sem reguladores a C3b cresce exponencialmente e chega a um milhão em dois minutos; sobre uma célula do hospedeiro, com reguladores, estabiliza em dez.

O complemento. Três rotas constroem uma convertase de C3; a C3b que ela deposita constrói mais (a alça do teorema), e a C3b depositada opsoniza, os fragmentos inflamam e o complexo terminal lisa. As células do hospedeiro carregam reguladores que cortam a alça (e, com o CD59, bloqueiam o poro) em suas próprias membranas.

15.3 Inflamação

Definição 15.5 (Inflamação aguda)

A inflamação é a resposta de um tecido vascularizado à lesão ou à infecção, orquestrada pelas citocinas — as pequenas proteínas de sinalização das células imunes, aqui sobretudo o TNF, a interleucina-1 e a interleucina-6 dos macrófagos ativados — e pelas quimiocinas, as citocinas que dirigem a migração. Suas etapas explicam os sinais de Celso. A histamina dos mastócitos, o óxido nítrico e as prostaglandinas dilatam as arteríolas: rubor e calor. O endotélio das vênulas se contrai e deixa vazar plasma, cujas proteínas — complemento, anticorpos, fatores de coagulação — inundam o tecido: tumor. A bradicinina e a prostaglandina E $_{2}$ sensibilizam as terminações nervosas: dor. E os leucócitos chegam por extravasamento: o TNF e a interleucina-1 fazem o endotélio expor selectinas, nas quais os neutrófilos que passam se prendem e rolam; as quimiocinas (interleucina-8) na superfície endotelial ativam as integrinas dos neutrófilos, que se ligam firmemente às moléculas de adesão endoteliais e param a célula; e o neutrófilo se espreme entre as células endoteliais e segue o gradiente de quimiocina até o tecido — toda a sequência em poucos minutos, a até um milhão de células por hora num local infectado.

O extravasamento. As citocinas dos macrófagos teciduais tornam pegajosa a parede da vênula; um neutrófilo que passa se prende às selectinas e rola, é parado por suas integrinas, espreme-se entre as células endoteliais e segue o gradiente de quimiocina até as bactérias.

Proposição 15.6 (A febre, a fase aguda e a resolução)

A interleucina-1, o TNF e a interleucina-6 também agem à distância. No hipotálamo induzem a prostaglandina E $_{2}$ , que eleva o ponto de ajuste da temperatura corporal: a febre, que retarda muitas bactérias, acelera as próprias reações das células imunes e custa cerca de $12\,\%$ a mais de metabolismo por grau. No fígado induzem as proteínas de fase aguda — a proteína C reativa, que se liga à fosfocolina bacteriana, ativa o complemento e sobe mil vezes em dois dias, a medida de inflamação do clínico; o fibrinogênio; a lectina ligante de manose; e a hepcidina, que tranca o ferro longe dos micróbios que dele precisam. Na medula liberam neutrófilos e aceleram sua produção. A inflamação existe para acabar: à medida que o estímulo é eliminado, os mediadores lipídicos passam das prostaglandinas às lipoxinas e resolvinas, os neutrófilos morrem por apoptose e são comidos pelos macrófagos, que então passam a um programa de reparo, secretando fatores de crescimento e interleucina-10 — a resolução. Quando o estímulo persiste (um bacilo da tuberculose que não pode ser morto, um cristal, um autoantígeno), a resposta se torna crônica: os macrófagos muram o local num granuloma, os fibroblastos depositam cicatriz e o tecido é destruído por sua própria defesa.

Exemplo 15.7 (Sepse)

A inflamação confinada a uma farpa é uma cura; as mesmas reações por todo o corpo são uma catástrofe. Quando bactérias ou seu lipopolissacarídeo chegam ao sangue em quantidade, os macrófagos de toda parte liberam TNF e interleucina-1 ao mesmo tempo: todos os vasos dilatam e vazam, a pressão arterial despenca, a coagulação é ativada em dez mil capilares e consome os fatores de coagulação, e os órgãos, sem perfusão, falham — o choque séptico, que mata de um quarto a metade daqueles a quem acomete, uns onze milhões de pessoas por ano. Alguns microgramas de lipopolissacarídeo injetados num voluntário produzem febre, calafrios e queda da pressão arterial em duas horas; um camundongo sem TLR4 ignora uma dose cem vezes letal. A doença é a resposta do hospedeiro, e os antibióticos que matam as bactérias podem piorá-la por algumas horas, ao liberar mais endotoxina.

Inflamação aguda em volta de um arranhão de espinho: rubor e calor dos vasos dilatados, inchaço do plasma vazado e a dor que mantém o membro imóvel — a resposta local que, generalizada ao corpo inteiro, é o choque séptico.

15.4 Matar

Definição 15.8 (Fagocitose e explosão respiratória)

Um fagócito prende sua presa por receptores de opsoninas — a C3b e as regiões constantes dos anticorpos — ou diretamente por receptores de padrões, envolve-a em membrana e fecha o fagossomo, que se funde com grânulos e lisossomos. A morte vem por vários meios ao mesmo tempo. A explosão respiratória: a enzima NADPH oxidase, montada na membrana do fagossomo, bombeia elétrons para o oxigênio e faz superóxido, que vira peróxido de hidrogênio, que a mieloperoxidase converte, com cloreto, em hipoclorito — água sanitária, em concentração milimolar, dentro de um compartimento de um micrômetro. O óxido nítrico da NO sintase induzível, que com o superóxido dá peroxinitrito. Ácido, até pH 5. Lisozima, proteases, lactoferrina que priva a presa de ferro e defensinas que a perfuram. Um neutrófilo que não consegue comer o que encontra — uma hifa fúngica, um aglomerado — pode expelir sua própria cromatina como uma rede pegajosa de DNA e proteínas de grânulo, uma armadilha extracelular de neutrófilos, e morrer ao fazê-lo. As crianças que herdam uma NADPH oxidase defeituosa (doença granulomatosa crônica) sofrem abscessos e granulomas de repetição por bactérias e fungos que fagócitos comuns matam sem dificuldade: a explosão não é opcional.

Definição 15.9 (Células natural killer e interferon)

Os vírus se escondem dentro das células, onde o complemento e os fagócitos não os alcançam. As células natural killer patrulham em busca de células que pararam de exibir o MHC de classe I — a “ausência do próprio” de uma célula cujo ocupante viral ou tumoral desligou a apresentação de antígeno para escapar das células T (Capítulo 16) — e de proteínas de estresse que células infectadas e transformadas põem em sua superfície; receptores inibitórios do MHC I e receptores ativadores dos ligantes de estresse são somados, e a célula que desequilibra a balança é morta em minutos pela perforina e pelas granzimas injetadas nela, que disparam sua apoptose. Os interferons do tipo I ( $\alpha$ e $\beta$ ) são feitos por qualquer célula cuja RIG-I ou cGAS tenha detectado ácido nucleico viral; secretados, ligam-se a receptores das células vizinhas e, pela via JAK–STAT, induzem centenas de genes que põem essas células num estado antiviral: uma quinase que desliga a tradução quando encontra RNA de fita dupla, uma nuclease que degrada RNA, proteínas que bloqueiam a entrada e a montagem virais, e mais MHC I para mostrar às células T o que há dentro. A célula que fez o interferon pode morrer; suas vizinhas ficam avisadas. O interferon foi descoberto por Isaacs e Lindenmann (1957) como o fator, presente no meio de células infectadas por vírus, que tornava resistentes células novas, e é a razão pela qual uma célula infectada por um vírus resiste a um segundo.

Método 15.10 (Medir a inflamação e a função dos fagócitos)

À beira do leito: (1) a proteína C reativa no soro, por imunoensaio — abaixo de $5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ em repouso, dezenas numa infecção viral, centenas numa sepse bacteriana, caindo em poucos dias com tratamento eficaz; (2) a contagem de neutrófilos, elevada na infecção bacteriana, com formas imaturas liberadas cedo pela medula; (3) a velocidade de hemossedimentação, um substituto lento do fibrinogênio. Para os fagócitos: (4) o teste do nitroazul de tetrazólio ou da di-hidrorrodamina, em que neutrófilos estimulados in vitro reduzem um corante se sua NADPH oxidase funciona — o diagnóstico da doença granulomatosa crônica numa manhã; (5) um ensaio de quimiotaxia, contando as células que migram através de um filtro em direção a uma quimiocina.

15.5 Da inata à adaptativa, e por toda a vida

Proposição 15.11 (A decisão da célula dendrítica)

A imunidade adaptativa não começa sozinha. Uma célula dendrítica num tecido come o que encontra; se seus receptores de padrões são disparados — por micróbio ou por dano —, ela amadurece: para de comer, migra pelos linfáticos até o linfonodo de drenagem, exibe em moléculas de MHC os peptídeos daquilo que comeu e expõe moléculas coestimuladoras (B7) e citocinas que dizem a uma célula T que reconheça o peptídeo para responder, e como (Capítulo 16). Uma célula T que vê seu peptídeo numa célula dendrítica sem coestimulação é desligada. O reconhecimento inato decide, assim, se um antígeno merece uma resposta, e as citocinas que a célula dendrítica faz — decididas por quais receptores de padrões dispararam — decidem se a resposta é dirigida a vírus, bactérias ou vermes. Um adjuvante é um ligante de receptor de padrões acrescentado a uma vacina para fornecer esse sinal; o alume e as nanopartículas lipídicas das vacinas modernas funcionam por disparar isso.

Observação 15.12 (A imunidade inata em toda parte, e sua memória)

Todo organismo multicelular tem imunidade inata, e as plantas, os fungos e os invertebrados não têm outra coisa. As plantas reconhecem flagelina e quitina com quinases receptoras e montam uma resposta em dois níveis (Capítulo 22); os insetos têm Toll e peptídeos antimicrobianos; até as bactérias têm enzimas de restrição e CRISPR (Capítulo 6). O dogma de que a imunidade inata não tem memória se abrandou: um monócito que encontrou $\beta$ -glicano ou a vacina BCG é epigeneticamente reprogramado (Capítulo 1) para responder mais fortemente a micróbios sem relação alguma durante meses — a imunidade treinada, que explica por que o BCG reduz a mortalidade infantil por infecções que não a tuberculose. E o excesso do sistema é uma doença do nosso tempo: a inflamação estéril movida por cristais de ácido úrico (gota), cristais de colesterol na parede arterial (aterosclerose), amiloide no cérebro, e a inflamação de baixo grau da obesidade e da velhice.

15.6 Exercícios

Exercício 15.1 ★

Liste quatro barreiras e cinco tipos celulares da imunidade inata, com uma função de cada.

Solução

Solução de Exercício 15.1.

Barreiras: a queratina da pele (mecânica), o muco e os cílios das vias aéreas (aprisionamento e remoção), o ácido do estômago (mata os micróbios engolidos), a lisozima e as defensinas das secreções (lisam e perfuram), o microbioma comensal (ocupa os nichos). Células: neutrófilos (matam bactérias por fagocitose), macrófagos (comem, fazem a limpeza, dão o alarme), células dendríticas (levam o antígeno aos linfonodos e iniciam as respostas adaptativas), mastócitos (liberam histamina, inflamam), células natural killer (matam células infectadas e transformadas).

Exercício 15.2 ★

O que faz de uma molécula um bom padrão molecular associado a patógenos? Dê três exemplos e o receptor de cada um.

Solução

Solução de Exercício 15.2.

Ser compartilhada por uma classe inteira de micróbios, ser essencial para eles (de modo que não possa ser perdida para escapar) e estar ausente no hospedeiro. Lipopolissacarídeo — TLR4; flagelina — TLR5; RNA de fita dupla — TLR3 (e RIG-I no citosol); DNA CpG não metilado — TLR9; fragmentos de peptidoglicano — proteínas NOD; $\beta$ -glicano — dectina-1.

Exercício 15.3 ★

Explique cada um dos quatro sinais de Celso por um mediador e uma alteração vascular ou neural.

Solução

Solução de Exercício 15.3.

Rubor: dilatação arteriolar pela histamina, pelo óxido nítrico e pelas prostaglandinas. Calor: o mesmo aumento do fluxo sanguíneo. Tumor: vazamento venular de plasma após a contração endotelial (histamina, C3a, C5a). Dor: a bradicinina e a prostaglandina E $_{2}$ sensibilizando os nociceptores, mais a pressão do inchaço.

Exercício 15.4 ★

Nomeie as três vias do complemento, o que dispara cada uma e os três desfechos da clivagem da C3.

Solução

Solução de Exercício 15.4.

Clássica: a C1q ligando-se a anticorpo (ou à proteína C reativa) sobre uma superfície. Das lectinas: a lectina ligante de manose sobre açúcares microbianos. Alternativa: a ativação espontânea da C3 e a deposição de C3b sobre qualquer superfície desprotegida. Desfechos: a C3b opsoniza para a fagocitose; a C3a e a C5a inflamam e recrutam; a C5b inicia o complexo de ataque à membrana, que lisa.

Exercício 15.5 ★★

No modelo do complemento com $k_{0} = 2$ por segundo, $a = 0.15\,\mathrm{s}^{-1}$ e $d = 0.05\,\mathrm{s}^{-1}$ sobre um micróbio, quantas C3b são depositadas depois de $60\,\mathrm{s}$ ? E depois de $90\,\mathrm{s}$ ? Sobre uma célula do hospedeiro com $a = 0.05$ e $d = 0.15$ , qual é o estado estacionário?

Solução

Solução de Exercício 15.5.

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

Exercício 15.6 ★★

Ordene os eventos do extravasamento, nomeie a classe de moléculas de cada etapa e preveja o fenótipo de uma criança cujos neutrófilos não têm integrinas $\beta_{2}$ (deficiência de adesão leucocitária).

Solução

Solução de Exercício 15.6.

Rolamento sobre as selectinas (lectinas que ligam carboidrato); sinalização por quimiocina que ativa as integrinas; adesão firme das integrinas às moléculas de adesão endoteliais (ICAM); transmigração entre as células endoteliais; quimiotaxia ao longo do gradiente. Sem integrinas $\beta_{2}$ os neutrófilos rolam mas nunca param nem atravessam: acumulam-se no sangue (contagens altíssimas), as infecções se repetem sem formar pus, as feridas cicatrizam mal e o cordão umbilical cai tarde.

Exercício 15.7 ★★

Os neutrófilos de um paciente falham no teste da di-hidrorrodamina. Qual é o diagnóstico, que reação está faltando e que infecções você espera? Por que se formam granulomas?

Solução

Solução de Exercício 15.7.

Doença granulomatosa crônica: a NADPH oxidase é defeituosa, de modo que não se faz superóxido, peróxido de hidrogênio nem hipoclorito no fagossomo. Infecções por organismos que destroem seu próprio peróxido de hidrogênio (catalase-positivos): Staphylococcus aureus, Aspergillus, Burkholderia, Serratia, Nocardia. Formam-se granulomas porque os macrófagos englobam micróbios que não conseguem matar e os muram, com recrutamento contínuo, numa lesão crônica.

Exercício 15.8 ★★

Explique o reconhecimento da ausência do próprio e preveja o que acontece com uma célula tumoral que (a) perde o MHC I para escapar das células T, (b) mantém o MHC I mas exibe ligantes de estresse.

Solução

Solução de Exercício 15.8.

Os receptores inibitórios contam o MHC I; os ativadores contam os ligantes de estresse; a célula morre se a ativação superar a inibição. (a) Perder o MHC I remove a inibição: a célula natural killer a mata — o preço de escapar das células T. (b) Com o MHC I mantido mas ligantes de estresse expostos, a ativação ainda pode vencer e a célula é morta; os tumores, por isso, muitas vezes descartam ou suprimem os ligantes de estresse.

Exercício 15.9 ★★

Por que uma vacina de proteína pura induz pouca imunidade, e o que acrescenta um adjuvante? Relacione com o argumento de Janeway.

Solução

Solução de Exercício 15.9.

Uma proteína pura não traz nenhum padrão de patógeno, de modo que as células dendríticas que a captam não amadurecem, apresentam-na sem coestimulação, e as células T que a reconhecem são desligadas ou a ignoram. Um adjuvante — alume, um lipídio, um ligante de receptor do tipo Toll — dispara os receptores de padrões, amadurece a célula dendrítica e fornece o segundo sinal. É o argumento de Janeway: o sistema adaptativo responde ao antígeno apenas quando o sistema inato diz que o antígeno veio com um micróbio.

Exercício 15.10 ★★★

A febre custa $12\,\%$ do metabolismo de repouso por grau e retarda a duplicação de uma bactéria de $30\,\mathrm{min}$ a $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ para $45\,\mathrm{min}$ a $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Ao longo de um dia de infecção, calcule a população bacteriana a partir de $10^{4}$ com e sem febre (ignorando a morte), e a energia extra para uma pessoa de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ . A febre vale a pena? De que depende a resposta?

Solução

Solução de Exercício 15.10.

Sem febre, $48$ duplicações: $10^{4}\times 2^{48} \approx 3\times 10^{18}$ (um absurdo que mostra que quem decide o desfecho é a morte, e não o crescimento). Com febre, $32$ duplicações: $4\times 10^{13}$ — um fator $2^{16} \approx 65\,000$ de bactérias a menos para os neutrófilos enfrentarem. Custo: $3\times 0.12\times 8 = 2.9\,\mathrm{MJ}$ por dia, uma refeição farta. Vale a pena quando o patógeno é retardado e o hospedeiro tem reservas; não vale quando o patógeno cresce igualmente bem a $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ou quando o hospedeiro passa fome, ou quando a própria febre se aproxima de temperaturas perigosas.

Exercício 15.11 ★★★

Algumas bactérias ligam o fator H à sua superfície; outras clivam a C3b ou descartam sua cápsula. Usando o Teorema 15.4, explique cada uma como uma mudança de $a$ ou de $d$ , e diga qual é a defesa mais econômica para o micróbio.

Solução

Solução de Exercício 15.11.

Ligar o fator H recruta o próprio regulador do hospedeiro: $d$ sobe acima de $a$ e a alça decai sobre o micróbio como sobre uma célula do hospedeiro. Clivar a C3b remove a convertase depositada: de novo uma elevação de $d$ . Uma cápsula apresenta uma superfície sobre a qual a convertase se forma mal, baixando $a$ , e esconde dos receptores dos fagócitos a C3b que é depositada. A mais barata: uma única proteína de superfície que liga o fator H, que o hospedeiro fornece de graça e que faz o trabalho.

Exercício 15.12 ★★★

Argumente, com os mecanismos deste capítulo, por que a mesma resposta é adaptativa numa farpa e letal na corrente sanguínea, e por que os fármacos que bloqueiam o TNF ajudam na artrite reumatoide mas aumentam o risco de tuberculose.

Solução

Solução de Exercício 15.12.

Numa farpa, a dilatação, o vazamento e o recrutamento envolvem alguns mililitros de vasos e entregam defesa onde ela é necessária; os mesmos mediadores lançados em toda a circulação dilatam todos os vasos e fazem vazar todos os capilares, de modo que a pressão despenca e a coagulação é disparada em toda parte — a fisiologia é idêntica, a escala é letal. O TNF move a inflamação sinovial da artrite reumatoide, e por isso bloqueá-lo alivia a doença; mas o TNF é também o que mantém os macrófagos organizados nos granulomas que contêm bacilos da tuberculose dormentes, e bloqueá-lo deixa a tuberculose latente escapar.

15.7 Problema: Uma Farpa

Problema 15.1

Problema de fim de semana — dez mil bactérias sob a pele em corrida contra os neutrófilos enviados ao seu encontro, revestidas de complemento pela aritmética da alça, combatidas com febre ao seu preço metabólico e, na corrente sanguínea, transformadas na fisiologia do choque, terminando nas bactérias restantes após seis horas, na C3b sobre cada uma e no custo de um dia de febre

Dados: $10^{4}$ bactérias inoculadas, dobrando a cada $40\,\mathrm{min}$ ; os neutrófilos chegam a partir de $1\,\mathrm{h}$ a $2\times 10^{4}$ por hora, cada um matando $20$ bactérias e depois morrendo. Complemento: $k_{0} = 1$ por segundo por bactéria, $a - d = 0.08\,\mathrm{s}^{-1}$ sobre as bactérias, $d - a = 0.1\,\mathrm{s}^{-1}$ sobre as células do hospedeiro; a superfície de uma bactéria comporta no máximo $2\times 10^{6}$ C3b. Febre: $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ custa $24\,\%$ de um metabolismo de $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ e alonga o tempo de duplicação bacteriano para $60\,\mathrm{min}$ . Sepse: $10^{9}$ bactérias em $5\,\mathrm{L}$ de sangue, $3\times 10^{6}$ moléculas de lipopolissacarídeo por bactéria; a sinalização do TLR4 satura em $10^{-9}$ mol/L de lipopolissacarídeo.

Parte I — A corrida.

Quantas bactérias há a $1\,\mathrm{h}$ , quando chegam os primeiros neutrófilos, se nenhuma foi morta?
Entre $1\,\mathrm{h}$ e $2\,\mathrm{h}$ , quantos neutrófilos chegam e quantas bactérias eles conseguem matar? Compare com o crescimento bacteriano nessa hora a partir da contagem da questão 1.
Continue hora a hora (crescimento e, em seguida, morte ao fim de cada hora) até $6\,\mathrm{h}$ . Quando a população atinge o pico e quantas restam a $6\,\mathrm{h}$ ?
Refaça com uma chegada de neutrófilos atrasada para $3\,\mathrm{h}$ . O que acontece até $6\,\mathrm{h}$ ? Comente o valor da rapidez.
Quantos neutrófilos mortos se acumulam até o momento em que as bactérias desaparecem na questão 3? O que é o pus e por que ele precisa ser removido?
Uma pessoa com um décimo da contagem normal de neutrófilos (neutropenia após quimioterapia): refaça a questão 3 e explique por que tais pacientes recebem antibióticos à primeira febre.

Parte II — O revestimento.

Pelo teorema, quantas C3b são depositadas sobre uma bactéria depois de $30\,\mathrm{s}$ , $60\,\mathrm{s}$ e $120\,\mathrm{s}$ ?
Quando a superfície satura?
Numa célula do hospedeiro ao lado dela, qual é o número estacionário de C3b?
A bactéria adquire uma cápsula que reduz $a$ à metade, de modo que $a - d = 0.03$ . Recalcule a C3b a $120\,\mathrm{s}$ . O que a cápsula lhe compra?
Quantas C3b carrega, na saturação, todo o inóculo de $10^{4}$ bactérias, e que fração isso representa das $2\times 10^{16}$ moléculas de C3 de um litro de plasma?
Um paciente não tem C3. Que vias são afetadas e que infecções se seguem? Um paciente não tem C9: por que o fenótipo é mais brando e restrito a um único gênero?

Parte III — A febre.

Quanta energia extra custam dois dias de febre a $+2\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , em megajoules e em gramas de gordura ( $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ )?
Refaça a questão 1 na temperatura de febre: quantas bactérias há a $1\,\mathrm{h}$ ? Por qual fator a febre reduziu a população que os neutrófilos encontram?
No modelo da questão 3, com o tempo de duplicação mais longo, quando as bactérias desaparecem?
A proteína C reativa sobe de $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ para $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ em dois dias. Com um volume plasmático de $3\,\mathrm{L}$ e uma massa molecular de $115\,\mathrm{kDa}$ , quantas moléculas o fígado produziu, e quantas por segundo?
Os antipiréticos bloqueiam a síntese de prostaglandinas. O que fazem com o ponto de ajuste, com o conforto do paciente e, pelos números acima, com a infecção?
Por que uma febre de $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ é perigosa quando $39\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ não é, e o que impede o ponto de ajuste de subir indefinidamente?

Parte IV — O choque.

Moléculas de lipopolissacarídeo no sangue do paciente séptico e sua concentração em mol/L.
Compare com a concentração saturante para o TLR4. Todos os macrófagos do corpo estão ativados?
Cada um dos $10^{11}$ macrófagos do corpo libera $1000$ moléculas de TNF por segundo durante uma hora. Quantos moles de TNF, e que concentração em $15\,\mathrm{L}$ de líquido extracelular? (O TNF age a $1 \times 10^{-11}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .)
Explique a queda da pressão arterial e a falência dos rins a partir dos mecanismos locais da inflamação.
O antibiótico dado na admissão mata as bactérias em uma hora. Por que o paciente pode piorar antes de melhorar, e o que limita a utilidade dos anticorpos anti-TNF na sepse?
Uma linhagem de camundongos não tem TLR4. Preveja sua resposta ao lipopolissacarídeo injetado e a uma infecção viva por Gram-negativas, e explique o paradoxo aparente.
Resuma: as bactérias restantes a $6\,\mathrm{h}$ (questão 3), a C3b sobre uma bactéria a $120\,\mathrm{s}$ (questão 7) e o custo de dois dias de febre (questão 13).

Solução

Solução de Problema 15.1.

1. Uma hora são $1.5$ duplicações: $10^{4}\times 2^{1.5} \approx 2.8\times 10^{4}$ . 2. $2\times 10^{4}$ neutrófilos matam até $4\times 10^{5}$ ; as bactérias crescem apenas de $2.8\times 10^{4}$ a $8\times 10^{4}$ : a morte supera o crescimento em cinco vezes. 3. Hora 2: $8\times 10^{4}$ antes da matança, nenhuma depois. A população atinge o pico em cerca de $8\times 10^{4}$ perto de $2\,\mathrm{h}$ e é zero daí em diante; nenhuma resta a $6\,\mathrm{h}$ . 4. Chegada a $3\,\mathrm{h}$ : $10^{4}\times 2^{4.5} = 2.3\times 10^{5}$ nesse momento. 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: $7.9\times 10^{5} - 4\times 10^{5} = 3.9\times 10^{5}$ e subindo — os neutrófilos já não acompanham, e forma-se um abscesso. Duas horas de atraso transformam uma cura numa infecção crônica. 5. $8\times 10^{4}/20 = 4000$ neutrófilos morrem matando, mais os $2\times 10^{4}$ que chegaram e morrem de qualquer modo em um dia. O pus são neutrófilos mortos, bactérias mortas e tecido liquefeito; os macrófagos o removem comendo os cadáveres, ou ele precisa ser drenado. 6. Chegadas de $2000$ por hora, que matam $4\times 10^{4}$ : 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, $2\times 10^{5} - 4\times 10^{4} = 1.6\times 10^{5}$ — crescendo sem limite. O paciente não consegue conter um inóculo trivial, de modo que os antibióticos têm de fazer a matança desde o primeiro sinal. 7. $B = 12.5(e^{0.08t} - 1)$ : a $30\,\mathrm{s}$ , $125$ ; a $60\,\mathrm{s}$ , $1500$ ; a $120\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{5}$ . 8. $e^{0.08t} = 1.6\times 10^{5}$ : $t = 12/0.08 = 150\,\mathrm{s}$ . 9. $k_{0}/(d - a) = 10$ . 10. $B(120) = 33(e^{3.6} - 1) \approx 1200$ , $150$ vezes menos. A cápsula compra minutos — tempo para se multiplicar, e proteção até que cheguem anticorpos para iniciar a via clássica sobre a própria cápsula. 11. $10^{4}\times 2\times 10^{6} = 2\times 10^{10}$ C3b: um milionésimo da C3 do plasma. 12. Sem C3, as três vias param em seu passo comum: nenhuma opsonização, nenhuma anafilatoxina, nenhuma lise — infecções graves e recorrentes por bactérias encapsuladas. Sem C9 perde-se apenas o poro terminal; a opsonização e a inflamação funcionam, e o fenótipo são infecções recorrentes por Neisseria, o único gênero que os fagócitos controlam mal e a lise controla bem. 13. $2\times 0.24\times 8 = 3.8\,\mathrm{MJ}$ , cerca de $100\,\mathrm{g}$ de gordura. 14. Uma duplicação na hora: $2\times 10^{4}$ em vez de $2.8\times 10^{4}$ , um fator $1.4$ . 15. Hora 2: $4\times 10^{4}$ antes da matança, nenhuma depois — eliminadas a $2\,\mathrm{h}$ , como antes; a contribuição da febre importa quando o suprimento de neutrófilos é marginal, como nas questões 4 e 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; ao longo de $172\,800\,\mathrm{s}$ , $1.8\times 10^{13}$ por segundo. 17. Eles baixam o ponto de ajuste de volta para perto de $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , o paciente se sente melhor e as bactérias dobram um pouco mais depressa; neste modelo os neutrófilos ainda vencem, e as evidências de que os antipiréticos pioram infecções comuns são fracas. 18. Acima de cerca de $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ as proteínas começam a desnaturar, as enzimas falham e os neurônios disparam errado (convulsões); $42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ é letal. O ponto de ajuste é mantido abaixo disso por criógenos — interleucina-10, vasopressina, glicocorticoides — e pelo teto da ação das prostaglandinas no hipotálamo. 19. $10^{9}\times 3\times 10^{6} = 3\times 10^{15}$ moléculas $= 5\times 10^{-9}$ mol em $5\,\mathrm{L}$ : $1 \times 10^{-9}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . 20. Igual à concentração saturante: todos os macrófagos do corpo são ativados ao máximo de uma só vez. 21. $10^{11}\times 1000\times 3600 = 3.6\times 10^{17}$ moléculas $= 6\times 10^{-7}$ mol; em $15\,\mathrm{L}$ , $4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ — quatro mil vezes a concentração ativa. 22. Toda arteríola dilata e toda vênula vaza: o volume de sangue se acumula nos vasos alargados e escapa para os tecidos, de modo que a pressão cai; os rins, mal perfundidos, param de filtrar; e a coagulação disparada em milhares de capilares os obstrui e consome os fatores de coagulação. 23. As Gram-negativas mortas liberam de uma vez todo o seu lipopolissacarídeo, um bolus para o TLR4, de modo que a onda de citocinas pode piorar por horas. O anti-TNF falha porque, na hora do choque, a cascata já passou do TNF — a interleucina-1, a interleucina-6 e a coagulação já estão em curso — e porque o TNF é necessário para controlar as bactérias: o problema é o momento, e não o alvo. 24. O lipopolissacarídeo injetado nada faz ao camundongo sem TLR4, que sobrevive a doses letais para camundongos normais; uma infecção viva por Gram-negativas o mata, porque ele não consegue detectar as bactérias cedo e montar a inflamação que as contém. O paradoxo se dissolve: o detector que causa o choque é o detector que fornece a defesa. 25. Nenhuma bactéria resta a $6\,\mathrm{h}$ (todas mortas até $2\,\mathrm{h}$ ); cerca de $1.8\times 10^{5}$ C3b por bactéria a $120\,\mathrm{s}$ ; dois dias de febre custam $3.8\,\mathrm{MJ}$ , uns $100\,\mathrm{g}$ de gordura.

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