Microbiología

La inmunidad innata inespecífica puede caracterizarse como un sistema multifacético de defensas que ataca a los patógenos invasores en manera. En este capítulo hemos dividido las numerosas defensas que componen este sistema en tres categorías: defensas físicas, defensas químicas y defensas celulares. Sin embargo, es importante tener en cuenta que estas defensas no funcionan de forma independiente y las categorías a menudo se superponen. La Tabla 1 proporciona una descripción general de las defensas inespecíficas discutidas en este capítulo.

Las defensas físicas proporcionan la forma más básica de defensa no específica del cuerpo. Incluyen barreras físicas a los microbios, como la piel y las membranas mucosas, así como defensas mecánicas que eliminan físicamente los microbios y los desechos de las áreas del cuerpo donde podrían causar daño o infección. Además, el microbioma proporciona una medida de protección física contra enfermedades, ya que los microbios de la microbiota normal compiten con los patógenos por los nutrientes y los sitios de unión celular necesarios para causar una infección.

Barreras físicas

Las barreras físicas juegan un papel importante en la prevención de que los microbios lleguen a los tejidos susceptibles a la infección. A nivel celular, las barreras consisten en células que están estrechamente unidas para evitar que los invasores atraviesen tejidos más profundos. Por ejemplo, las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos tienen uniones de célula a célula muy estrechas, lo que impide que los microbios accedan al torrente sanguíneo. Las uniones celulares generalmente están compuestas por proteínas de la membrana celular que pueden conectarse con la matriz extracelular o con proteínas complementarias de células vecinas. Los tejidos de varias partes del cuerpo tienen diferentes tipos de uniones celulares. Estos incluyen uniones estrechas, desmosomas y uniones gap, como se ilustra en la Figura 1. Los microorganismos invasores pueden intentar descomponer estas sustancias químicamente, utilizando enzimas como las proteasas que pueden causar daño estructural para crear un punto de entrada para patógenos.

Figura 1. Hay varios tipos de uniones celulares en el tejido humano, tres de los cuales se muestran aquí. Las uniones estrechas remachan dos celdas adyacentes juntas, evitando o limitando el intercambio de material a través de los espacios entre ellas. Los desmosomas tienen fibras intermedias que actúan como cordones de zapatos, uniendo dos células, permitiendo que pequeños materiales pasen a través de los espacios resultantes. Las uniones gap son canales entre dos células que permiten su comunicación a través de señales. (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

The Skin Barrier

Figura 2. Haga clic para ampliar la imagen. La piel humana tiene tres capas, la epidermis, la dermis y la hipodermis, que proporcionan una barrera gruesa entre los microbios fuera del cuerpo y los tejidos más profundos. Las células muertas de la piel en la superficie de la epidermis se desprenden continuamente, llevándose consigo microbios en la superficie de la piel. (crédito: modificación del trabajo de los Institutos Nacionales de Salud)

Una de las barreras físicas más importantes del cuerpo es la barrera cutánea, que se compone de tres capas de células muy compactas. La capa superior delgada se llama epidermis. Una segunda capa más gruesa, llamada dermis, contiene folículos pilosos, glándulas sudoríparas, nervios y vasos sanguíneos. Una capa de tejido graso llamada hipodermis se encuentra debajo de la dermis y contiene vasos sanguíneos y linfáticos (Figura 2).

La capa superior de piel, la epidermis, está formada por células repletas de queratina. Estas células muertas permanecen como una capa densa y estrechamente unida de cáscaras de células llenas de proteínas en la superficie de la piel. La queratina hace que la superficie de la piel sea mecánicamente resistente y resistente a la degradación por las enzimas bacterianas.Los ácidos grasos en la superficie de la piel crean un ambiente seco, salado y ácido que inhibe el crecimiento de algunos microbios y es altamente resistente a la degradación por enzimas bacterianas. Además, las células muertas de la epidermis se desprenden con frecuencia, junto con los microbios que puedan estar adheridos a ellas. Las células derramadas de la piel se reemplazan continuamente con nuevas células de abajo, proporcionando una nueva barrera que pronto se eliminará de la misma manera.

Las infecciones pueden ocurrir cuando la barrera cutánea se ve comprometida o rota. Una herida puede servir como un punto de entrada para patógenos oportunistas, que pueden infectar el tejido de la piel que rodea la herida y posiblemente extenderse a tejidos más profundos.

Cada rosa tiene su espina

Mike, un jardinero del sur de California, notó recientemente un pequeño bulto rojo en su antebrazo izquierdo. Inicialmente, no le dio mucha importancia, pero pronto se hizo más grande y luego se ulceró (se abrió), convirtiéndose en una lesión dolorosa que se extendía por gran parte de su antebrazo (Figura 3). Fue a un centro de atención de urgencia, donde un médico le preguntó sobre su ocupación. Cuando dijo que era paisajista, el médico sospechó de inmediato un caso de esporotricosis, un tipo de infección por hongos conocida como enfermedad del jardinero de rosas porque a menudo afecta a los paisajistas y entusiastas de la jardinería.

Figura 3. La enfermedad del jardinero de rosas puede ocurrir cuando el hongo Sporothrix schenkii atraviesa la piel a través de pequeños cortes, como los que pueden causar las espinas. (crédito a la izquierda: modificación del trabajo de Elisa Self; crédito a la derecha: modificación del trabajo a los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)

En la mayoría de las condiciones, los hongos no pueden producir infecciones de la piel en individuos sanos. Los hongos desarrollan filamentos conocidos como hifas, que no son particularmente invasivos y pueden mantenerse a raya fácilmente mediante las barreras físicas de la piel y las membranas mucosas. Sin embargo, pequeñas heridas en la piel, como las causadas por las espinas, pueden proporcionar una apertura para patógenos oportunistas como Sporothrix schenkii, un hongo que habita en el suelo y el agente causante de la enfermedad del jardinero de rosas. Una vez que rompe la barrera cutánea, S. schenkii puede infectar la piel y los tejidos subyacentes, produciendo lesiones ulceradas como las de Mike. Para agravar las cosas, otros patógenos pueden ingresar al tejido infectado, causando infecciones bacterianas secundarias.

Afortunadamente, la enfermedad del jardinero de rosas es tratable. El médico de Mike le recetó algunos medicamentos antimicóticos, así como un curso de antibióticos para combatir las infecciones bacterianas secundarias. Sus lesiones finalmente sanaron y Mike regresó al trabajo con una nueva apreciación por los guantes y la ropa protectora.

Membranas mucosas

Las membranas mucosas que recubren la nariz, la boca y los pulmones. , y los tractos urinario y digestivo proporcionan otra barrera inespecífica contra patógenos potenciales. Las membranas mucosas consisten en una capa de células epiteliales unidas por uniones estrechas. Las células epiteliales secretan una sustancia húmeda y pegajosa llamada moco, que cubre y protege las capas celulares más frágiles que se encuentran debajo y atrapa los desechos y las partículas, incluidos los microbios. Las secreciones de moco también contienen péptidos antimicrobianos.

Figura 4. Esta micrografía electrónica de barrido muestra epitelio ciliado y no ciliado. células de la tráquea humana. La escalera mecánica mucociliar empuja la mucosidad lejos de los pulmones, junto con cualquier residuo o microorganismo que pueda quedar atrapado en la mucosidad pegajosa, y la mucosidad sube al esófago donde se puede eliminar al tragar.

En muchas regiones del cuerpo, las acciones mecánicas sirven para eliminar la mucosidad (junto con los microbios atrapados o muertos) del cuerpo o lejos de los sitios potenciales de infección. Por ejemplo, en el sistema respiratorio, la inhalación puede traer microbios, polvo, esporas de moho y otros desechos pequeños transportados por el aire al cuerpo. Estos desechos quedan atrapados en el moco que recubre el tracto respiratorio, una capa conocida como manto mucociliar. Las células epiteliales que recubren las partes superiores del tracto respiratorio se denominan células epiteliales ciliadas porque tienen apéndices en forma de pelo conocidos como cilios. El movimiento de los cilios impulsa el moco cargado de desechos hacia afuera y lejos de los pulmones. El moco expulsado luego se traga y se destruye en el estómago, o se tose o estornuda (Figura 4). Este sistema de eliminación a menudo se denomina escalera mecánica mucociliar.

La escalera mecánica mucociliar es una barrera tan eficaz para los microbios que durante mucho tiempo se consideró que los pulmones, la parte más baja (y más sensible) del tracto respiratorio un ambiente estéril en individuos sanos. Solo recientemente una investigación ha sugerido que los pulmones sanos pueden tener una microbiota normal pequeña.La interrupción de la escalera mecánica mucociliar por los efectos dañinos del tabaquismo o enfermedades como la fibrosis quística puede provocar una mayor colonización de bacterias en el tracto respiratorio inferior e infecciones frecuentes, lo que destaca la importancia de esta barrera física para las defensas del huésped.

Al igual que el tracto respiratorio, el tracto digestivo es una puerta de entrada a través de la cual los microbios ingresan al cuerpo, y las membranas mucosas que recubren el tracto digestivo proporcionan una barrera física inespecífica contra los microbios ingeridos. El tracto intestinal está revestido de células epiteliales, intercaladas con células caliciformes secretoras de moco (Figura 5). Este moco se mezcla con el material recibido del estómago, atrapando microbios y desechos transmitidos por los alimentos. La acción mecánica de la peristalsis, una serie de contracciones musculares en el tracto digestivo, mueve el moco desprendido y otros materiales a través de los intestinos, el recto y el ano, excretando el material en las heces.

Figura 5. Las células caliciformes producen y secretan moco. Las flechas en esta micrografía apuntan a las células caliciformes secretoras de moco (aumento 1600⨯) en el epitelio intestinal. (micrografía de crédito: micrografía proporcionada por Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Endotelia

Las células epiteliales que recubren el tracto urogenital, vasos sanguíneos, vasos linfáticos y algunos otros tejidos se conocen como endotelio. Estas células compactas proporcionan una barrera de primera línea particularmente eficaz contra los invasores. La endotelia de la barrera hematoencefálica, por ejemplo, protege el sistema nervioso central (SNC), que está formado por el cerebro y la médula espinal. El SNC es una de las áreas más sensibles e importantes del cuerpo, ya que la infección microbiana del SNC puede provocar rápidamente una inflamación grave y, a menudo, mortal. Las uniones celulares en los vasos sanguíneos que viajan a través del SNC son algunas de las más estrechas y resistentes del cuerpo, lo que evita que los microbios transitorios en el torrente sanguíneo ingresen al SNC. Esto mantiene estéril el líquido cefalorraquídeo que rodea y baña el cerebro y la médula espinal en condiciones normales.

Defensas mecánicas

Además de las barreras físicas que mantienen fuera a los microbios, el cuerpo tiene una serie de defensas mecánicas que eliminan físicamente los patógenos del cuerpo, evitando que se establezcan. Ya hemos discutido varios ejemplos de defensas mecánicas, incluida la eliminación de células de la piel, la expulsión de moco a través de la escalera mecánica mucociliar y la excreción de heces a través de la peristalsis intestinal. Otros ejemplos importantes de defensas mecánicas incluyen la acción de enjuagar la orina y las lágrimas, que sirven para llevar los microbios fuera del cuerpo. La acción de enjuagar la orina es en gran parte responsable del entorno normalmente estéril del tracto urinario, que incluye los riñones, los uréteres y la vejiga urinaria. La orina que sale del cuerpo elimina los microorganismos transitorios y evita que se establezcan. Los ojos también tienen barreras físicas y mecanismos mecánicos para prevenir infecciones. Las pestañas y los párpados evitan que el polvo y los microorganismos en el aire lleguen a la superficie del ojo. Los microbios o desechos que atraviesan estas barreras físicas pueden ser eliminados por la acción mecánica del parpadeo, que baña el ojo en lágrimas y elimina los desechos (Figura 6).

Figura 6. Las lágrimas eliminan los microbios de la superficie del ojo. La orina elimina los microbios del tracto urinario a su paso; como resultado, el sistema urinario es normalmente estéril.

Microbioma

En varias regiones del cuerpo, la microbiota residente sirve como una importante defensa de primera línea contra patógenos invasores. Mediante la ocupación de los sitios de unión celular y la competencia por los nutrientes disponibles, la microbiota residente previene los primeros pasos críticos de adhesión y proliferación de patógenos necesarios para el establecimiento de una infección. Por ejemplo, en la vagina, los miembros de la microbiota residente compiten con patógenos oportunistas como la levadura Candida. Esta competencia previene las infecciones limitando la disponibilidad de nutrientes, inhibiendo así el crecimiento de Candida, manteniendo su población bajo control. Se producen competiciones similares entre la microbiota y los patógenos potenciales en la piel, en el tracto respiratorio superior y en el tracto gastrointestinal. Como se discutirá más adelante en este capítulo, la microbiota residente también contribuye a las defensas químicas de las defensas innatas inespecíficas del huésped.

La importancia de la microbiota normal en las defensas del huésped se destaca por la mayor susceptibilidad a enfermedades infecciosas cuando la microbiota se altera o se elimina. El tratamiento con antibióticos puede agotar significativamente la microbiota normal del tracto gastrointestinal, proporcionando una ventaja para que las bacterias patógenas colonicen y provoquen una infección diarreica. En el caso de la diarrea causada por Clostridium difficile, la infección puede ser grave y potencialmente letal. Una estrategia para tratar las infecciones por C. difficile es el trasplante fecal, que implica la transferencia de materia fecal de un donante (examinado en busca de patógenos potenciales) a los intestinos del paciente receptor como un método para restaurar la microbiota normal y combatir las infecciones por C. difficile.

La Tabla 2 proporciona un resumen de las defensas físicas discutidas en esta sección.