El sistema inmunitario innato o sistema inmunitario no específico [1] es una de las dos principales estrategias de inmunidad (la otra es el sistema inmunitario adaptativo ) en los vertebrados . El sistema inmunitario innato es una estrategia de defensa alternativa y es la respuesta del sistema inmunitario dominante que se encuentra en plantas , hongos , procariotas e invertebrados (ver Más allá de los vertebrados). [2]
Las principales funciones del sistema inmune innato son:
Las barreras anatómicas incluyen barreras físicas, químicas y biológicas. Las superficies epiteliales forman una barrera física que es impermeable a la mayoría de los agentes infecciosos, actuando como la primera línea de defensa contra los organismos invasores. [3] La descamación (desprendimiento) del epitelio de la piel también ayuda a eliminar bacterias y otros agentes infecciosos que se han adherido a la superficie epitelial. La falta de vasos sanguíneos, la incapacidad de la epidermis para retener la humedad y la presencia de glándulas sebáceas en la dermis, produce un entorno inadecuado para la supervivencia de los microbios . [3] En el tracto gastrointestinal y respiratorio , el movimiento debido a la peristalsis o los cilios, respectivamente, ayuda a eliminar los agentes infecciosos. [3] Además, el moco atrapa los agentes infecciosos. [3] La flora intestinal puede prevenir la colonización de bacterias patógenas al secretar sustancias tóxicas o al competir con las bacterias patógenas por nutrientes o sitios de unión a la superficie celular. [3] La acción de lavado de las lágrimas y la saliva ayuda a prevenir la infección de los ojos y la boca. [3]
La inflamación es una de las primeras respuestas del sistema inmunitario a una infección o irritación. La inflamación es estimulada por factores químicos liberados por las células lesionadas. Establece una barrera física contra la propagación de la infección y promueve la curación de cualquier tejido dañado después de la eliminación del patógeno. [5]
El proceso de inflamación aguda es iniciado por células ya presentes en todos los tejidos, principalmente macrófagos residentes , células dendríticas , histiocitos , células de Kupffer y mastocitos . Estas células presentan receptores contenidos en la superficie o dentro de la célula, llamados receptores de reconocimiento de patrones (PRR), que reconocen moléculas que son ampliamente compartidas por patógenos pero distinguibles de las moléculas del huésped, denominadas colectivamente patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP). Al inicio de una infección, quemadura u otras lesiones, estas células experimentan una activación (uno de sus PRR reconoce un PAMP) y liberan mediadores inflamatorios , como citocinas y quimiocinas, que son responsables de los signos clínicos de la inflamación. La activación de PRR y sus consecuencias celulares han sido bien caracterizadas como métodos de muerte celular inflamatoria, que incluyen piroptosis , necroptosis y PANoptosis . Estas vías de muerte celular ayudan a limpiar células infectadas o aberrantes y a liberar contenido celular y mediadores inflamatorios.
Los factores químicos producidos durante la inflamación ( histamina , bradicinina , serotonina , leucotrienos y prostaglandinas ) sensibilizan los receptores del dolor , causan vasodilatación local de los vasos sanguíneos y atraen fagocitos, especialmente neutrófilos. [5] Los neutrófilos luego activan otras partes del sistema inmunológico al liberar factores que convocan leucocitos y linfocitos adicionales. Las citocinas producidas por macrófagos y otras células del sistema inmunológico innato median la respuesta inflamatoria. Estas citocinas incluyen TNF , HMGB1 e IL-1 . [6]
La respuesta inflamatoria se caracteriza por los siguientes síntomas:
El sistema del complemento es una cascada bioquímica del sistema inmunitario que ayuda o "complementa" la capacidad de los anticuerpos para eliminar patógenos o marcarlos para que sean destruidos por otras células. La cascada está compuesta por muchas proteínas plasmáticas, sintetizadas en el hígado , principalmente por los hepatocitos . Las proteínas trabajan juntas para:
Los tres sistemas diferentes del complemento son el clásico, el alternativo y el de lectina.
Los elementos de la cascada del complemento se pueden encontrar en muchas especies no mamíferas, incluidas plantas , aves , peces y algunas especies de invertebrados . [7]
Los glóbulos blancos (GB) también se conocen como leucocitos . La mayoría de los leucocitos se diferencian de otras células del cuerpo en que no están estrechamente asociados a un órgano o tejido en particular; por lo tanto, su función es similar a la de los organismos unicelulares independientes. La mayoría de los leucocitos pueden moverse libremente e interactuar con y capturar restos celulares, partículas extrañas y microorganismos invasores (aunque los macrófagos , los mastocitos y las células dendríticas son menos móviles). A diferencia de muchas otras células, la mayoría de los leucocitos inmunes innatos no pueden dividirse ni reproducirse por sí solos, sino que son productos de células madre hematopoyéticas multipotentes presentes en la médula ósea . [8] [9]
Los leucocitos innatos incluyen: células asesinas naturales , mastocitos, eosinófilos , basófilos ; y las células fagocíticas incluyen macrófagos , neutrófilos y células dendríticas, y funcionan dentro del sistema inmunológico identificando y eliminando patógenos que podrían causar infección. [2]
Los mastocitos son un tipo de célula inmunitaria innata que reside en el tejido conectivo y en las membranas mucosas. Están íntimamente asociados con la cicatrización de heridas y la defensa contra patógenos, pero también se asocian a menudo con alergia y anafilaxia . [5] Cuando se activan, los mastocitos liberan rápidamente gránulos característicos, ricos en histamina y heparina , junto con varios mediadores hormonales y quimiocinas , o citocinas quimiotácticas en el medio ambiente. La histamina dilata los vasos sanguíneos , causando los signos característicos de la inflamación, y recluta neutrófilos y macrófagos. [5]
La palabra 'fagocito' significa literalmente 'célula devoradora'. Se trata de células inmunes que engullen, o ' fagocitan ', patógenos o partículas. Para engullir una partícula o patógeno, un fagocito extiende porciones de su membrana plasmática , envolviendo la membrana alrededor de la partícula hasta que queda envuelta (es decir, la partícula ahora está dentro de la célula). Una vez dentro de la célula, el patógeno invasor queda contenido dentro de un fagosoma , que se fusiona con un lisosoma . [2] El lisosoma contiene enzimas y ácidos que matan y digieren la partícula u organismo. En general, los fagocitos patrullan el cuerpo en busca de patógenos, pero también son capaces de reaccionar a un grupo de señales moleculares altamente especializadas producidas por otras células, llamadas citocinas . Las células fagocíticas del sistema inmunológico incluyen macrófagos, neutrófilos y células dendríticas.
La fagocitosis de las células del propio huésped es habitual como parte del desarrollo y mantenimiento normal de los tejidos. Cuando las células del huésped mueren, ya sea por apoptosis o por una lesión celular debida a una infección, las células fagocíticas son responsables de su eliminación del sitio afectado. [9] Al ayudar a eliminar las células muertas que preceden al crecimiento y desarrollo de nuevas células sanas, la fagocitosis es una parte importante del proceso de curación tras una lesión tisular.
Los macrófagos, del griego, que significa "grandes comedores", son grandes leucocitos fagocíticos, que pueden moverse más allá del sistema vascular migrando a través de las paredes de los vasos capilares y entrando en las áreas entre las células en busca de patógenos invasores. En los tejidos, los macrófagos específicos de órganos se diferencian de las células fagocíticas presentes en la sangre llamadas monocitos . Los macrófagos son los fagocitos más eficientes y pueden fagocitar cantidades sustanciales de bacterias u otras células o microbios. [2] La unión de moléculas bacterianas a receptores en la superficie de un macrófago lo desencadena para engullir y destruir las bacterias a través de la generación de un " estallido respiratorio ", lo que provoca la liberación de especies reactivas de oxígeno . Los patógenos también estimulan al macrófago para producir quimiocinas, que convocan a otras células al sitio de la infección. [2]
Los neutrófilos, junto con los eosinófilos y los basófilos , se conocen como granulocitos debido a la presencia de gránulos en su citoplasma, o como células polimorfonucleares (PMN) debido a sus distintivos núcleos lobulados . Los gránulos de neutrófilos contienen una variedad de sustancias tóxicas que matan o inhiben el crecimiento de bacterias y hongos. Al igual que los macrófagos, los neutrófilos atacan a los patógenos activando un estallido respiratorio . Los principales productos del estallido respiratorio de los neutrófilos son agentes oxidantes fuertes que incluyen peróxido de hidrógeno , radicales libres de oxígeno e hipoclorito . Los neutrófilos son el tipo de fagocito más abundante, normalmente representan el 50-60% del total de leucocitos circulantes, y suelen ser las primeras células en llegar al sitio de una infección. [5] La médula ósea de un adulto sano normal produce más de 100 mil millones de neutrófilos por día, y más de 10 veces esa cantidad por día durante la inflamación aguda . [5]
Las células dendríticas (CD) son células fagocíticas presentes en los tejidos que están en contacto con el ambiente externo, principalmente la piel (donde a menudo se las llama células de Langerhans ), y el revestimiento mucoso interno de la nariz , los pulmones , el estómago y los intestinos . [9] Se llaman así por su parecido con las dendritas neuronales , pero las células dendríticas no están conectadas al sistema nervioso . Las células dendríticas son muy importantes en el proceso de presentación de antígenos , y sirven como enlace entre los sistemas inmunes innato y adaptativo .
Los basófilos y los eosinófilos son células relacionadas con los neutrófilos. Cuando se activan por un contacto con un patógeno, los basófilos liberadores de histamina son importantes en la defensa contra los parásitos y desempeñan un papel en las reacciones alérgicas , como el asma . [2] Tras la activación, los eosinófilos secretan una variedad de proteínas y radicales libres altamente tóxicos que son muy eficaces para matar parásitos, pero que también pueden dañar el tejido durante una reacción alérgica. Por lo tanto, la activación y liberación de toxinas por parte de los eosinófilos están estrictamente reguladas para evitar cualquier destrucción inapropiada de los tejidos. [5]
Las células asesinas naturales (células NK) no atacan directamente a los microbios invasores. En cambio, las células NK destruyen las células huésped comprometidas, como las células tumorales o las células infectadas por virus, reconociendo a dichas células por una condición conocida como "falta de identidad". Este término describe células con niveles anormalmente bajos de un marcador de superficie celular llamado MHC I ( complejo mayor de histocompatibilidad ), una situación que puede surgir en infecciones virales de células huésped. [10] Se las denominó "asesinas naturales" debido a la noción inicial de que no requieren activación para matar células que "faltan de identidad". La composición del MHC en la superficie de las células dañadas se altera y las células NK se activan al reconocer esto. Las células corporales normales no son reconocidas ni atacadas por las células NK porque expresan antígenos MHC propios intactos. Esos antígenos MHC son reconocidos por los receptores de inmunoglobulina de células asesinas (KIR) que ralentizan la reacción de las células NK. La línea celular NK-92 no expresa KIR y se desarrolló para la terapia tumoral. [11] [12] [13] [14]
Al igual que otros subconjuntos de células T "no convencionales" que portan receptores de células T invariantes (TCR), como las células T Natural Killer restringidas a CD1d , las células T γδ exhiben características que las colocan en el límite entre la inmunidad innata y adaptativa. Las células T γδ pueden considerarse un componente de la inmunidad adaptativa en el sentido de que reorganizan los genes TCR para producir diversidad de unión y desarrollar un fenotipo de memoria . Los diversos subconjuntos pueden considerarse parte del sistema inmunológico innato donde un TCR restringido o receptores NK pueden usarse como un receptor de reconocimiento de patrones . Por ejemplo, según este paradigma, un gran número de células T Vγ9/Vδ2 responden en cuestión de horas a moléculas comunes producidas por microbios, y las células T Vδ1 intraepiteliales altamente restringidas responderán a células epiteliales estresadas.
El sistema de coagulación se superpone con el sistema inmunológico. Algunos productos del sistema de coagulación pueden contribuir a las defensas no específicas a través de su capacidad para aumentar la permeabilidad vascular y actuar como agentes quimiotácticos para las células fagocíticas . Además, algunos de los productos del sistema de coagulación son directamente antimicrobianos . Por ejemplo, la beta-lisina , una proteína producida por las plaquetas durante la coagulación , puede causar la lisis de muchas bacterias Gram-positivas al actuar como un detergente catiónico. [3] Muchas proteínas de fase aguda de la inflamación están involucradas en el sistema de coagulación.
Los niveles elevados de lactoferrina y transferrina inhiben el crecimiento bacteriano al unirse al hierro, un nutriente bacteriano esencial. [3]
La respuesta inmune innata a las lesiones infecciosas y estériles está modulada por circuitos neuronales que controlan el período de producción de citocinas. El reflejo inflamatorio es un circuito neuronal prototípico que controla la producción de citocinas en el bazo . [15] Los potenciales de acción transmitidos a través del nervio vago al bazo median la liberación de acetilcolina , el neurotransmisor que inhibe la liberación de citocinas al interactuar con los receptores nicotínicos de acetilcolina alfa7 ( CHRNA7 ) expresados en las células productoras de citocinas. [16] El arco motor del reflejo inflamatorio se denomina vía antiinflamatoria colinérgica .
Las partes del sistema inmune innato muestran especificidad para diferentes patógenos.
Las células del sistema inmune innato impiden el libre crecimiento de microorganismos dentro del cuerpo, pero muchos patógenos han desarrollado mecanismos para evadirlo. [21] [22]
Una estrategia es la replicación intracelular, como la practicada por Mycobacterium tuberculosis , o el uso de una cápsula protectora, que evita la lisis por complemento y por fagocitos, como en Salmonella . [23] Las especies de Bacteroides son normalmente bacterias mutualistas , que constituyen una parte sustancial de la flora gastrointestinal de los mamíferos . [24] Especies como B. fragilis son patógenos oportunistas , que causan infecciones de la cavidad peritoneal . Inhiben la fagocitosis al afectar los receptores de los fagocitos utilizados para engullir bacterias. También pueden imitar a las células huésped para que el sistema inmunológico no las reconozca como extrañas. Staphylococcus aureus inhibe la capacidad del fagocito para responder a las señales de quimiocinas. M. tuberculosis , Streptococcus pyogenes y Bacillus anthracis utilizan mecanismos que matan directamente al fagocito. [ cita requerida ]
Las bacterias y los hongos pueden formar biopelículas complejas que los protegen de las células inmunes y las proteínas; las biopelículas están presentes en las infecciones crónicas por Pseudomonas aeruginosa y Burkholderia cenocepacia características de la fibrosis quística . [25]
Los interferones tipo I (IFN), secretados principalmente por células dendríticas , [26] desempeñan un papel central en la defensa antiviral del huésped y en el estado antiviral de una célula. [27] Los componentes virales son reconocidos por diferentes receptores: los receptores tipo Toll se encuentran en la membrana endosómica y reconocen ARN bicatenario (dsRNA), los receptores MDA5 y RIG-I se encuentran en el citoplasma y reconocen dsRNA largo y dsRNA que contiene fosfato respectivamente. [28] Cuando los receptores citoplasmáticos MDA5 y RIG-I reconocen un virus, la conformación entre el dominio de reclutamiento de caspasa (CARD) y el adaptador MAVS que contiene CARD cambia. Paralelamente, cuando los TLR en los compartimentos endocíticos reconocen un virus, se induce la activación de la proteína adaptadora TRIF . Ambas vías convergen en el reclutamiento y activación del complejo IKKε/TBK-1, induciendo la dimerización de los factores de transcripción IRF3 e IRF7 , que son translocados en el núcleo, donde inducen la producción de IFN con la presencia de un factor de transcripción particular y activan el factor de transcripción 2. El IFN es secretado a través de vesículas secretoras , donde puede activar receptores tanto en la célula de la que fue liberado ( autocrino ) como en células cercanas (paracrino). Esto induce la expresión de cientos de genes estimulados por interferón. Esto conduce a la producción de proteínas antivirales , como la proteína quinasa R , que inhibe la síntesis de proteínas virales, o la familia de las 2′,5′-oligoadenilato sintetasas , que degrada el ARN viral. [27]
Algunos virus evaden esto al producir moléculas que interfieren con la producción de IFN. Por ejemplo, el virus de la influenza A produce la proteína NS1 , que puede unirse al ARN viral y del huésped, interactuar con las proteínas de señalización inmunitaria o bloquear su activación por ubiquitinación , inhibiendo así la producción de IFN de tipo I. [29] La influenza A también bloquea la activación de la proteína quinasa R y el establecimiento del estado antiviral. [30] El virus del dengue también inhibe la producción de IFN de tipo I al bloquear la fosforilación de IRF-3 utilizando el complejo de proteasa NS2B3 . [31]
Las bacterias (y quizás otros organismos procariotas ) utilizan un mecanismo de defensa único, llamado sistema de modificación de la restricción , para protegerse de los patógenos, como los bacteriófagos . En este sistema, las bacterias producen enzimas , llamadas endonucleasas de restricción , que atacan y destruyen regiones específicas del ADN viral de los bacteriófagos invasores. La metilación del ADN del propio huésped lo marca como "propio" y evita que sea atacado por las endonucleasas. [32] Las endonucleasas de restricción y el sistema de modificación de la restricción existen exclusivamente en procariotas. [33]
Los invertebrados no poseen linfocitos ni un sistema inmunológico humoral basado en anticuerpos, y es probable que un sistema inmunológico adaptativo multicomponente surgiera con los primeros vertebrados. [34] Sin embargo, los invertebrados poseen mecanismos que parecen ser precursores de estos aspectos de la inmunidad de los vertebrados. Los receptores de reconocimiento de patrones (PRR) son proteínas utilizadas por casi todos los organismos para identificar moléculas asociadas con patógenos microbianos. Los TLR son una clase importante de receptor de reconocimiento de patrones, que existe en todos los celomados (animales con una cavidad corporal), incluidos los humanos. [35] El sistema del complemento existe en la mayoría de las formas de vida. Algunos invertebrados, incluidos varios insectos, cangrejos y gusanos , utilizan una forma modificada de la respuesta del complemento conocida como sistema de profenoloxidasa (proPO). [34]
Los péptidos antimicrobianos son un componente conservado evolutivamente de la respuesta inmunitaria innata que se encuentra en todas las clases de vida y representan la principal forma de inmunidad sistémica de los invertebrados . Varias especies de insectos producen péptidos antimicrobianos conocidos como defensinas y cecropinas .
En los invertebrados, los PRR desencadenan cascadas proteolíticas que degradan proteínas y controlan muchos de los mecanismos del sistema inmunitario innato de los invertebrados, incluida la coagulación de la hemolinfa y la melanización . Las cascadas proteolíticas son componentes importantes del sistema inmunitario de los invertebrados porque se activan más rápidamente que otras reacciones inmunitarias innatas porque no dependen de cambios genéticos. Las cascadas proteolíticas funcionan tanto en vertebrados como en invertebrados, aunque se utilizan proteínas diferentes en todas ellas. [36]
En la hemolinfa, que constituye el líquido del sistema circulatorio de los artrópodos , un líquido gelatinoso rodea a los invasores patógenos, de forma similar a como lo hace la sangre en otros animales. Varias proteínas y mecanismos están involucrados en la coagulación de los invertebrados. En los crustáceos, la transglutaminasa de las células sanguíneas y las proteínas plasmáticas móviles componen el sistema de coagulación, donde la transglutaminasa polimeriza subunidades de 210 kDa de una proteína de coagulación plasmática. Por otro lado, en el sistema de coagulación del cangrejo herradura , los componentes de las cascadas proteolíticas se almacenan como formas inactivas en los gránulos de los hemocitos, que se liberan cuando entran moléculas extrañas, como los lipopolisacáridos . [36]
Los miembros de cada clase de patógeno que infecta a los humanos también infectan a las plantas. Aunque las especies patógenas exactas varían según la especie infectada, las bacterias, los hongos, los virus, los nematodos y los insectos pueden causar enfermedades en las plantas . Al igual que ocurre con los animales, las plantas atacadas por insectos u otros patógenos utilizan un conjunto de respuestas metabólicas complejas que conducen a la formación de compuestos químicos defensivos que combaten la infección o hacen que la planta sea menos atractiva para los insectos y otros herbívoros . [37] (véase: defensa de las plantas contra la herbivoría ).
Al igual que los invertebrados, las plantas no generan respuestas de anticuerpos o de células T ni poseen células móviles que detecten y ataquen a los patógenos. Además, en caso de infección, algunas partes de las plantas se consideran desechables y reemplazables, algo que pocos animales pueden hacer. Aislar o descartar una parte de una planta ayuda a detener la propagación de la infección. [37]
La mayoría de las respuestas inmunes de las plantas involucran señales químicas sistémicas enviadas a través de una planta. Las plantas usan PRR para reconocer firmas microbianas conservadas. Este reconocimiento desencadena una respuesta inmune. Los primeros receptores vegetales de firmas microbianas conservadas se identificaron en el arroz (XA21, 1995) [38] [39] y en Arabidopsis ( FLS2 , 2000). [40] Las plantas también tienen receptores inmunes que reconocen efectores patógenos variables. Estos incluyen la clase de proteínas NBS-LRR. Cuando una parte de una planta se infecta con un patógeno microbiano o viral, en caso de una interacción incompatible desencadenada por elicitores específicos, la planta produce una respuesta hipersensible localizada (HR), en la que las células en el sitio de la infección experimentan una apoptosis rápida para prevenir la propagación a otras partes de la planta. La HR tiene algunas similitudes con la piroptosis animal , como un requisito de actividad proteolítica similar a la caspasa -1 de VPEγ, una proteasa de cisteína que regula el desmontaje celular durante la muerte celular. [41]
Las proteínas de "resistencia" (R), codificadas por los genes R , están ampliamente presentes en las plantas y detectan patógenos. Estas proteínas contienen dominios similares a los receptores tipo NOD y los TLR. La resistencia sistémica adquirida (SAR) es un tipo de respuesta defensiva que hace que toda la planta sea resistente a un amplio espectro de agentes infecciosos. [42] La SAR implica la producción de mensajeros químicos , como el ácido salicílico o el ácido jasmónico . Algunos de estos viajan a través de la planta y envían señales a otras células para que produzcan compuestos defensivos para proteger las partes no infectadas, por ejemplo, las hojas. [43] El ácido salicílico en sí, aunque indispensable para la expresión de SAR, no es la señal translocada responsable de la respuesta sistémica. La evidencia reciente indica un papel de los jasmonatos en la transmisión de la señal a las porciones distales de la planta. Los mecanismos de silenciamiento del ARN son importantes en la respuesta sistémica de la planta, ya que pueden bloquear la replicación del virus. [44] La respuesta del ácido jasmónico se estimula en hojas dañadas por insectos e implica la producción de metil jasmonato . [37]
base de datos de proteínas y sus interacciones en el sistema inmunológico innato.sistema