La piroptosis es una forma altamente inflamatoria de muerte celular programada lítica que ocurre con mayor frecuencia tras la infección con patógenos intracelulares y es probable que forme parte de la respuesta antimicrobiana . Este proceso promueve la rápida eliminación de diversas infecciones bacterianas, virales, fúngicas y protozoarias al eliminar los nichos de replicación intracelular y mejorar las respuestas defensivas del huésped. La piroptosis puede tener lugar en células inmunes y también se informa que ocurre en queratinocitos y algunas células epiteliales . [1]
El proceso se inicia mediante la formación de un gran complejo supramolecular denominado inflamasoma (también conocido como piroptosoma) ante señales de peligro intracelulares. [2] El inflamasoma activa un conjunto diferente de caspasas en comparación con la apoptosis , por ejemplo, caspasa-1/4/5 en humanos y caspasa-11 en ratones. [3] Estas caspasas contribuyen a la maduración y activación de las citocinas proinflamatorias IL-1β e IL-18, así como a la proteína formadora de poros gasdermina D. La formación de poros provoca la ruptura de la membrana celular y la liberación de citocinas, así como de varias moléculas de patrones moleculares asociados al daño (DAMP), como HMGB-1, ATP y ADN, fuera de la célula. Estas moléculas reclutan más células inmunes y perpetúan aún más la cascada inflamatoria en el tejido. [4] [5]
Sin embargo, en las enfermedades crónicas patógenas, la respuesta inflamatoria no erradica el estímulo primario. Se produce una forma crónica de inflamación que, en última instancia, contribuye al daño tisular. La piroptosis se asocia con enfermedades que incluyen enfermedades autoinflamatorias, metabólicas y cardiovasculares , así como con cáncer y neurodegeneración . Algunos ejemplos de piroptosis incluyen la muerte celular inducida en macrófagos infectados con Salmonella y células T auxiliares infectadas con VIH abortivamente . [6] [7] [8]
Este tipo de muerte celular programada inherentemente proinflamatoria fue denominada piroptosis en 2001 por Molly Brennan y el Dr. Brad T. Cookson, profesor asociado de microbiología y medicina de laboratorio en la Universidad de Washington . [9] El griego piro se refiere a fuego y ptosis significa caída. El término compuesto piroptosis puede entenderse como "caída ardiente", que describe la explosión de señales químicas proinflamatorias de la célula moribunda. La piroptosis tiene una morfología y un mecanismo distintos en comparación con los de otras formas de muerte celular. [10] Se ha sugerido que la infección microbiana fue la principal presión evolutiva para esta vía. [11] Inicialmente se pensó que la formación de inflamasoma era necesaria para la inducción de la piroptosis, pero en 2013, se descubrió la vía no canónica dependiente de caspasa-11, lo que sugiere que los lipopolisacáridos (LPS) pueden desencadenar la piroptosis y las respuestas inflamatorias posteriores independientemente del receptor tipo peaje 4. (TLR4) . [12] En 2015, la gasdermina D (GSDMD) fue identificada como el efector de la piroptosis que forma poros en la membrana celular. [3] [13] En 2021, la estructura de alta resolución del poro GSDMD se resolvió mediante microscopía crioelectrónica (crio-EM). [14] También en 2021, se descubrió que se necesitaba una molécula adicional, NINJ1 , para la ruptura de la membrana plasmática durante la piroptosis. [15]
La piroptosis, como forma de muerte celular programada, tiene muchas diferencias morfológicas en comparación con la apoptosis . Tanto la piroptosis como la apoptosis sufren condensación de cromatina , pero durante la apoptosis, el núcleo se rompe en múltiples cuerpos de cromatina; en la piroptosis, el núcleo permanece intacto. [16] En una célula que sufre piroptosis, se forman poros de gasdermina en la membrana plasmática, lo que resulta en una entrada de agua. [1] [17]
En términos de mecanismo, la piroptosis es activada por caspasas inflamatorias, incluida la caspasa-1/4/5 en humanos y la caspasa-11 en ratones. La caspasa-8 puede actuar como un regulador ascendente de la activación del inflamasoma de manera dependiente del contexto. [18] La activación de caspasa-3 puede tener lugar tanto en apoptosis como en piroptosis. [1] [17]
Aunque tanto la piroptosis como la necroptosis se desencadenan por la formación de poros de la membrana, la piroptosis está más controlada. Las células que se someten a piroptosis exhiben ampollas en la membrana y producen protuberancias conocidas como cuerpos piroptóticos, un proceso que no se encuentra en la necroptosis. [19] Además, la necroptosis funciona de forma independiente de las caspasas. Se propone que tanto la piroptosis como la necroptosis puedan actuar como sistemas de defensa contra patógenos cuando se bloquean las vías apoptóticas.
El sistema inmunológico innato , mediante el uso de receptores de reconocimiento de patrones (PRR) codificados en la línea germinal, puede reconocer una amplia gama de patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) y patrones moleculares asociados a daños (DAMP) tras la infección microbiana. Los ejemplos clásicos de PRR incluyen receptores tipo peaje (TLR) y receptores tipo NOD (NLR). [20] El reconocimiento de PAMP y DAMP desencadena la formación de inflamasomas complejos multiproteicos , que luego activan las caspasas para iniciar la piroptosis. La vía del inflamasoma puede ser canónica o no canónica: la primera utiliza inflamasomas activadores de caspasa-1 y la segunda utiliza otras caspasas. [21]
En la vía canónica del inflamasoma, ciertos PRR endógenos reconocen los PAMP y DAMP. Por ejemplo, las proteínas NLR NLRC4 pueden reconocer la flagelina y los componentes del sistema de secreción tipo III . [22] NLRP3 se activa mediante eventos celulares inducidos por diferentes estímulos de PAMP y DAMP. [23] Algunas proteínas no NLR, como las ausentes en el melanoma 2 (AIM2) y la pirina, también pueden activarse y formar inflamasomas. [21] Además, los PRR que no forman inflamasomas, como los TLR, NOD1 y NOD2, también desempeñan funciones importantes en la piroptosis. Estos receptores regulan positivamente la expresión de citoquinas inflamatorias como IFN α/β, factor de necrosis tumoral (TNF) , IL-6 e IL-12 a través de vías de señalización de NF-κB y MAPK. Además, la pro-IL-1β y la pro-IL-18 se liberan para ser procesadas por la caspasa-1 mediada por cisteína. [24] [25]
Los inflamasomas canónicos contienen principalmente tres componentes: una proteína sensora (PRR), un adaptador ( ASC ) y un efector ( caspasa-1 ). [21] Generalmente, las proteínas NLR formadoras de inflamasomas comparten una estructura similar, varios dominios repetidos ricos en leucina (LRR), un dominio central de oligomerización y unión de nucleótidos (NBD) y un dominio de pirina N-terminal (PYD). NLRP3, por ejemplo, recluta la proteína adaptadora ASC mediante la interacción PYD-PYD. Tanto la procaspasa-1 como la ASC contienen un dominio de reclutamiento y activación de caspasa (CARD), y esta interacción homotípica CARD-CARD permite la escisión autocatalítica y el reensamblaje de la procaspasa-1 para formar caspasa-1 activa. [26] Alternativamente, NLRC4 puede reclutar directamente pro-caspasa-1, ya que tiene una CARD en lugar de un PYD. [27] Además de su formación como un complejo para inducir piroptosis, los inflamasomas también pueden ser componentes integrales de complejos inductores de muerte celular más grandes llamados PANoptosomas para inducir PANoptosis , otra forma inflamatoria de muerte celular.
La caspasa-1 activada es responsable de la escisión de pro-IL-1β y pro-IL-18. Estas citoquinas, una vez procesadas, estarán en su forma biológicamente activa listas para ser liberadas de las células huésped. Además, la caspasa-1 también escinde la gasdermina D citosólica (GSDMD) . GSDMD se puede escindir para producir un dominio N-terminal (GSDMD-N) y un dominio C-terminal (GSDMD-C). GSDMD-N puede oligomerizarse y formar poros transmembrana que tienen un diámetro interno de 10 a 14 nm. [28] Los poros permiten la secreción de IL-1β e IL-18 y diversos contenidos citosólicos al espacio extracelular, y también alteran el gradiente iónico celular. El aumento resultante de la presión osmótica provoca una entrada de agua seguida de hinchazón y explosión de las células. En particular, GSDMD-N es autoinhibido por el dominio C-terminal de GSDMD antes de la escisión para prevenir la lisis celular en condiciones normales. [29] Además, GSDMD-N solo puede insertarse en la membrana interna con composiciones lipídicas específicas, [30] lo que limita su daño a las células vecinas. Actualmente se cree que NINJ1 es necesario para la ruptura de la membrana plasmática durante la piroptosis. [15]
La vía del inflamasoma no canónico se inicia mediante la unión del lipopolisacárido (LPS) de bacterias gramnegativas directamente a la caspasa-4/5 en humanos y a la caspasa-11 en murinos . La unión de LPS a estas caspasas promueve su oligomerización y activación. [12] Estas caspasas pueden escindir GSDMD para liberar GSDMD-N y desencadenar piroptosis. Además, una afluencia de iones de potasio tras la permeabilización de la membrana desencadena la activación de NLRP3, que luego conduce a la formación del inflamasoma NLRP3 y la activación de la caspasa-1. [21] Estos procesos facilitan la escisión de GSDMD y promueven la maduración y liberación de citoquinas proinflamatorias.
Recientemente se ha propuesto una vía alternativa que vincula la apoptosis y la piroptosis. La caspasa-3, una caspasa ejecutora en la apoptosis, puede escindir la gasdermina E (GSDME) para producir un fragmento N-terminal y un fragmento C-terminal de una manera similar a la escisión de GSDMD. [3] Cuando los macrófagos no eliminan las células apoptóticas, p53 regula positivamente la expresión de GSDME. Luego, la caspasa-3 activa GSDME para formar poros en la membrana celular. También se ha descubierto que GSDME puede permeabilizar las membranas mitocondriales para liberar citocromo c , que activa aún más la caspasa-3 y acelera la escisión de GSDME. [31] Este circuito de retroalimentación positiva garantiza que la muerte celular programada se lleve a cabo.
La piroptosis actúa como mecanismo de defensa contra la infección al inducir inflamación patológica. La formación de inflamasomas y la actividad de caspasa-1 determinan el equilibrio entre la resolución de patógenos y la enfermedad.
En una célula sana, la activación de caspasa-1 ayuda a combatir la infección causada por Salmonella y Shigella al introducir la muerte celular para restringir el crecimiento de patógenos. [6] Cuando se detecta la señal de "peligro", las células inactivas se activarán para sufrir piroptosis y producir citocinas inflamatorias IL-1β e IL-18. IL-18 estimulará la producción de IFNγ e inicia el desarrollo de respuestas TH 1. (Las respuestas T H 1 tienden a liberar citocinas que dirigen la eliminación inmediata del patógeno). [32] La activación celular da como resultado un aumento en los niveles de citocinas, lo que aumentará las consecuencias de la inflamación y esto, a su vez, contribuye al desarrollo. de la respuesta adaptativa a medida que avanza la infección. La resolución definitiva eliminará los patógenos.
Por el contrario, la inflamación persistente producirá un exceso de células inmunitarias, lo cual es perjudicial. Si los ciclos de amplificación persisten, se producirán trastornos metabólicos, enfermedades autoinflamatorias y lesiones hepáticas asociadas con la inflamación crónica. [32]
Recientemente, la piroptosis y las vías posteriores se identificaron como objetivos prometedores para el tratamiento de enfermedades graves asociadas a la COVID-19. [33]
Estudios recientes muestran que la piroptosis juega un papel en la fisiopatología de la hemorragia intracerebral, y mitigar la piroptosis podría ser una estrategia de intervención para inhibir la respuesta inflamatoria después de una hemorragia intracerebral. [34]
La piroptosis, como muerte celular programada asociada a la inflamación, tiene amplias implicaciones en varios tipos de cáncer. Principalmente, la piroptosis puede matar células cancerosas e inhibir el desarrollo de tumores en presencia de DAMP endógenos. En algunos casos, GSDMD se puede utilizar como marcador de pronóstico de cánceres. Sin embargo, la producción prolongada de cuerpos inflamatorios puede facilitar la formación de microambientes que favorecen el crecimiento tumoral. [35] Comprender los mecanismos de la piroptosis e identificar las moléculas asociadas a la piroptosis puede ser útil en el tratamiento de diferentes cánceres.
En las células de cáncer gástrico , la presencia de GSDMD puede inhibir los complejos de ciclina A2 / CDK2 , lo que provoca la detención del ciclo celular y, por tanto, inhibe el desarrollo del tumor. Además, la concentración celular de GSDME aumenta cuando las células de cáncer gástrico se tratan con ciertos medicamentos de quimioterapia. Luego, GSDME activa la caspasa-3 y desencadena la muerte celular piroptótica. [17]
El cáncer de cuello uterino puede ser causado por una infección por el virus del papiloma humano (VPH). La proteína AIM2 puede reconocer el ADN viral en el citoplasma y formar el inflamasoma AIM2, que luego se activa mediante una vía de piroptosis canónica dependiente de caspasa-1. La infección por VPH provoca la regulación positiva de la proteína sirtuina 1 , que altera el factor de transcripción de AIM2, RelB . La eliminación de sirtuina 1 regula positivamente la expresión de AIM2 y desencadena la piroptosis. [36]
El nivel de expresión del inflamasoma NLRP3 y la caspasa-1 tiene una relación directa con la gravedad de varios síndromes metabólicos, como la obesidad y la diabetes mellitus tipo II (DM2) . Esto se debe a que el nivel de producción posterior de IL-1β e IL-18, citocinas que alteran la secreción de insulina , se ve afectado por la actividad de la caspasa-1. Entonces el nivel de absorción de glucosa disminuye y la condición se conoce como resistencia a la insulina . [37] La afección se acelera aún más por la destrucción de las células β pancreáticas inducida por IL-1β . [38]
Una mutación en el gen que codifica los inflamasomas conduce a un grupo de enfermedades autoinflamatorias llamadas criopirinopatías. Este grupo incluye el síndrome de Muckle-Wells , el síndrome autoinflamatorio por frío y el síndrome articular y cutáneo neurológico infantil crónico , todos los cuales muestran síntomas de fiebre repentina e inflamación localizada. [39] El gen mutado en tales casos es el NLRP3, lo que impide la activación del inflamasoma y resulta en una producción excesiva de IL-1β. Este efecto se conoce como "ganancia de función". [40]
Estudios recientes demuestran que la piroptosis mediada por caspasa-1 impulsa el agotamiento de las células T CD4 y la inflamación por el VIH , [7] [41] [42] [43] dos eventos característicos que impulsan la progresión de la enfermedad del VIH hacia el SIDA . Aunque la piroptosis contribuye a la capacidad del huésped para limitar y eliminar rápidamente la infección eliminando nichos de replicación intracelular y mejorando las respuestas defensivas mediante la liberación de citocinas proinflamatorias y señales de peligro endógenas, en la inflamación patógena, como la provocada por el VIH-1, esta respuesta beneficiosa no no erradicar el estímulo primario. De hecho, parece crear un círculo vicioso patógeno en el que las células T CD4 moribundas liberan señales inflamatorias que atraen más células hacia los tejidos linfoides infectados para que mueran y produzcan inflamación crónica y lesión tisular. Quizás sea posible romper este ciclo patógeno con inhibidores de caspasa-1 seguros y eficaces. Estos agentes podrían formar una nueva y emocionante terapia "anti-SIDA" para sujetos infectados por el VIH en la que el tratamiento se dirige al huésped en lugar del virus. Es de destacar que los ratones con deficiencia de Caspasa-1 se desarrollan normalmente, [44] [45], argumentando que la inhibición de esta proteína produciría efectos terapéuticos beneficiosos en lugar de perjudiciales en pacientes con VIH.