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22.1: Anatomía y Microbiota Normal del Tracto Respiratorio

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    Objetivos de aprendizaje

    • Describir las principales características anatómicas del tracto respiratorio superior e inferior
    • Describir la microbiota normal de las vías respiratorias superiores e inferiores
    • Explicar cómo los microorganismos superan las defensas de las membranas del tracto respiratorio superior e inferior para causar infección
    • Explicar cómo los microbios y el sistema respiratorio interactúan y se modifican entre sí en individuos sanos y durante una infección

    Enfoque Clínico: Parte 1

    John, un hombre de 65 años con asma y diabetes tipo 2, trabaja como asociado de ventas en una tienda local de mejoras para el hogar. Recientemente, comenzó a sentirse bastante enfermo y concertó una cita con su médico de familia. En la clínica, John informó haber experimentado dolor de cabeza, dolor en el pecho, tos y dificultad para respirar. Durante el último día, también había experimentado algunas náuseas y diarrea. Una enfermera le tomó la temperatura y encontró que tenía fiebre de 40 °C (104 °F).

    John sugirió que debía tener un caso de influenza (gripe), y lamentó que hubiera pospuesto recibir su vacuna contra la gripe este año. Después de escuchar la respiración de John a través de un estetoscopio, el médico ordenó una radiografía de tórax y recogió muestras de sangre, orina y esputo.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Con base en esta información, ¿qué factores pueden haber contribuido a la enfermedad de John?

    La función principal de las vías respiratorias es intercambiar gases (oxígeno y dióxido de carbono) para el metabolismo. Sin embargo, la inhalación y la exhalación (particularmente cuando son contundentes) también pueden servir como vehículo de transmisión de patógenos entre individuos.

    Anatomía del Sistema Respiratorio Superior

    El sistema respiratorio puede dividirse conceptualmente en regiones superior e inferior en el punto de la epiglotis, la estructura que sella el sistema respiratorio inferior de la faringe durante la deglución (Figura\(\PageIndex{1}\)). El sistema respiratorio superior está en contacto directo con el ambiente externo. Las fosas nasales (o fosas nasales) son las aberturas externas de la nariz que conducen de nuevo a la cavidad nasal, un gran espacio lleno de aire detrás de las fosas nasales. Estos sitios anatómicos constituyen la abertura primaria y la primera sección del tracto respiratorio, respectivamente. La cavidad nasal está revestida de pelos que atrapan partículas grandes, como el polvo y el polen, y evitan su acceso a tejidos más profundos. La cavidad nasal también está revestida con una membrana mucosa y glándulas de Bowman que producen moco para ayudar a atrapar partículas y microorganismos para su eliminación. La cavidad nasal está conectada a varios otros espacios llenos de aire. Los senos paranasales, un conjunto de cuatro, pequeñas cavidades emparejadas en el cráneo, se comunican con la cavidad nasal a través de una serie de pequeñas aberturas. La nasofaringe es parte de la garganta superior que se extiende desde la cavidad nasal posterior. La nasofaringe transporta aire inhalado por la nariz. El oído medio está conectado a la nasofaringe a través de la trompa de Eustaquio. El oído medio está separado del oído externo por la membrana timpánica, o tímpano. Y finalmente, las glándulas lagrimales drenan a la cavidad nasal a través de los conductos nasolagrimales (conductos lagrimales). Las conexiones abiertas entre estos sitios permiten que los microorganismos se muevan de la cavidad nasal a los senos paranasales, los oídos medios (y la espalda), y hacia abajo hacia el tracto respiratorio inferior desde la nasofaringe.

    La cavidad oral es una abertura secundaria para el tracto respiratorio. Las cavidades oral y nasal se conectan a través de las fauces a la faringe, o garganta. La faringe se puede dividir en tres regiones: la nasofaringe, la orofaringe y la laringofaringe. El aire inhalado por la boca no pasa por la nasofaringe; procede primero a través de la orofaringe y luego a través de la laringofaringe. Las amígdalas palatinas, que consisten en tejido linfoide, se encuentran dentro de la orofaringe. La laringofaringe, la última porción de la faringe, se conecta a la laringe, que contiene el pliegue vocal (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    a) diagrama de oreja; un primer plano muestra los huesos y membranas del oído medio. El tímpano es un disco plano etiquetado membrana timpánica. Detrás de esto se encuentra la cavidad timpánica (oído medio) que contiene los huesos. Una trompa boing hacia abajo desde el oído medio está etiquetada como trompa de Eustaquio (trompa auditiva). b) Un diagrama de una sección transversal de la cabeza. Por encima de la nariz hay un espacio en el hueso etiquetado seno frontal. El espacio en la nariz es la cavidad nasal y un conducto en la nariz es el conducto nasolagrimal. Un espacio en el hueso detrás de la nariz es el seno esfenoidal. En la parte posterior de la nariz se encuentra la abertura de la trompa de Eustaquio (trompa auditiva). Detrás de eso está la amígdala faríngea. Debajo de eso hay un tubo etiquetado nasofaringe que se convierte en la faringe que debido a la orofaringe (detrás de la boca) que se convierte en la laringofaringe, que se convierte en el esófago. Las cuerdas vocales se encuentran justo más allá de la laringofaringe en la laringe un tubo que se convierte en la tráquea. La epiglotis es un colgajo que determina si el material en la faringe viaja al esófago o a la tráquea porque la boca también conduce a la faringe. La boca contiene la lengua. Debajo de la lengua se encuentra la amígdala lingual y en la parte posterior de la boca está la amígdala palatina. En la parte posterior de la boca están los fauces. Delante de la tráquea se encuentra la glándula tiroides.
    Figura\(\PageIndex{1}\): (a) La oreja está conectada al tracto respiratorio superior por la trompa de Eustaquio, la cual se abre a la nasofaringe. b) Las estructuras del tracto respiratorio superior.

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    1. Identificar la secuencia de estructuras anatómicas a través de las cuales los microbios pasarían en su camino desde las narinas hasta la laringe.
    2. ¿Qué dos puntos anatómicos conectan las trompas de Eustaquio?

    Anatomía del Sistema Respiratorio Inferior

    El sistema respiratorio inferior comienza por debajo de la epiglotis en la laringe o caja de voz (Figura\(\PageIndex{2}\)). La tráquea, o tráquea, es un tubo cartilaginoso que se extiende desde la laringe que proporciona un camino sin obstrucciones para que el aire llegue a los pulmones. La tráquea se bifurca en los bronquios izquierdo y derecho a medida que llega a los pulmones. Estos caminos se ramificaron repetidamente para formar redes de tubos más pequeñas y extensas, los bronquiolos. Los bronquiolos terminales formados en esta red arbórea terminan en cul-de-sacs llamados alvéolos. Estas estructuras están rodeadas de redes capilares y son el sitio de intercambio de gases en el sistema respiratorio. Los pulmones humanos contienen del orden de 400,000,000 alvéolos. La superficie externa de los pulmones está protegida con una membrana pleural de doble capa. Esta estructura protege los pulmones y proporciona lubricación para permitir que los pulmones se muevan fácilmente durante la respiración.

    Un dibujoUn dibujo del sistema respiratorio inferior. La epiglotis es un colgajo que puede permitir que el material entre en la laringe. La laringe es un tubo que conduce a la tráquea. La tráquea se ramifica para convertirse en los bronquios primarios. Estas ramificaciones se convierten en los bronquios secundarios, estas ramificaciones se convierten en los bronquios terciarios. Estos se ramificarán para convertirse en los bronquiolos. Los bronquiolos terminales terminan en racimos de forma de balón llamados sacos alveolares. Cada forma de globo es un alvéolo. Los capilares delgados y palmeados cubren el exterior del alvéolo y están conectados a venas pulmonares y arterias pulmonares. El oxígeno del alvéolo viaja al capilar y el dióxido de carbono del capilar viaja al alvéolo del sistema respiratorio inferior. La epiglotis es un colgajo que puede permitir que el material entre en la laringe. La laringe es un tubo que conduce a la tráquea. La tráquea se ramifica para convertirse en los bronquios primarios. Estas ramificaciones se convierten en los bronquios secundarios, estas ramificaciones se convierten en los bronquios terciarios. Estos se ramificarán para convertirse en los bronquiolos. Los bronquiolos terminales terminan en racimos de forma de balón llamados sacos alveolares. Cada forma de globo es un alvéolo. Los capilares delgados y palmeados cubren el exterior del alvéolo y están conectados a venas pulmonares y arterias pulmonares. El oxígeno del alvéolo viaja al capilar y el dióxido de carbono del capilar viaja al alvéolo.
    Figura\(\PageIndex{2}\): En esta ilustración se identifican las estructuras del tracto respiratorio inferior. (crédito: modificación de trabajo por parte del Instituto Nacional del Cáncer)

    Defensas del Sistema Respiratorio

    El revestimiento interno del sistema respiratorio consiste en membranas mucosas (Figura\(\PageIndex{3}\)) y está protegido por múltiples defensas inmunitarias. Las células caliciformes dentro del epitelio respiratorio secretan una capa de moco pegajoso. La viscosidad y acidez de esta secreción inhibe la unión microbiana a las células subyacentes. Además, el tracto respiratorio contiene células epiteliales ciliadas. Los cilios batientes desalojan e impulsan el moco, y los microbios atrapados, hacia arriba hasta la epiglotis, donde serán tragados. La eliminación de microbios de esta manera se conoce como el efecto mucociliar de la escalera mecánica y es un mecanismo importante que evita que los microorganismos inhalados migren más hacia el tracto respiratorio inferior.

    Una micrografía que muestra un espacio en la luz superior etiquetada de la tráquea. Debajo de esto hay celdas largas con un borde de pincel en la parte superior. Estas células se denominan epitelios columnares pseudoestratificados. El borde de pincel es de muchos cilios. Las células en forma de jarrón en esta capa se llaman células caliciformes. Debajo de esta capa se encuentra tejido con pequeñas esferas etiquetadas como glándula seromucosa en la submucosa.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Esta micrografía muestra la estructura de la membrana mucosa del tracto respiratorio. (crédito: modificación de micrografía proporcionada por la Facultad de Medicina Regentes de la Universidad de Michigan © 2012)

    El sistema respiratorio superior está bajo vigilancia constante por el tejido linfoide asociado a la mucosa (MALT), incluyendo las adenoides y las amígdalas. Otras defensas mucosas incluyen anticuerpos secretados (IgA), lisozima, surfactante y péptidos antimicrobianos llamados defensinas. En tanto, el tracto respiratorio inferior está protegido por macrófagos alveolares. Estos fagocitos matan eficientemente a cualquier microbios que logren evadir las otras defensas. La acción combinada de estos factores hace que el tracto respiratorio inferior esté casi desprovisto de microbios colonizados.

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    1. Identificar la secuencia de estructuras anatómicas a través de las cuales los microbios pasarían en su camino desde la laringe hasta los alvéolos.
    2. Nombrar algunas defensas del sistema respiratorio que protejan contra la infección microbiana.

    Microbiota Normal del Sistema Respiratorio

    El tracto respiratorio superior contiene una microbiota abundante y diversa. Los conductos nasales y los senos paranasales son colonizados principalmente por miembros de Firmicutes, Actinobacterias y Proteobacterias. Las bacterias más comunes identificadas incluyen Staphylococcus epidermidis, estreptococos del grupo viridans (VGS), Corynebacterium spp. (difteroides), Propionibacterium spp., y Haemophilus spp. La orofaringe incluye muchos de los mismos aislados que la nariz y los senos paranasales, con la adición de números variables de bacterias como especies de Prevotella, Fusobacterium, Moraxella y Eikenella, así como algunos aislados de hongos Candida. Además, muchos humanos sanos portan asintomáticamente patógenos potenciales en el tracto respiratorio superior. Hasta el 20% de la población porta Staphylococcus aureus en sus fosas nasales. 1 La faringe, también, puede ser colonizada con cepas patógenas de Streptococcus, Haemophilus y Neisseria.

    El tracto respiratorio inferior, por el contrario, está escasamente poblado de microbios. De los organismos identificados en el tracto respiratorio inferior, las especies de Pseudomonas, Streptococcus, Prevotella, Fusobacterium y Veillonella son las más comunes. No está claro en este momento si estas pequeñas poblaciones de bacterias constituyen una microbiota normal o si son transitorias.

    Muchos miembros de la microbiota normal del sistema respiratorio son patógenos oportunistas. Para proliferar y causar daño al huésped, primero deben superar las defensas inmunitarias de los tejidos respiratorios. Muchos patógenos mucosos producen factores de virulencia como las adhesinas que median la unión a las células epiteliales del huésped, o cápsulas de polisacáridos que permiten a los microbios evadir la fagocitosis. Las endotoxinas de bacterias gramnegativas pueden estimular una fuerte respuesta inflamatoria que daña las células respiratorias. Otros patógenos producen exotoxinas, y otros tienen la capacidad de sobrevivir dentro de las células hospedadoras. Una vez establecida una infección de las vías respiratorias, tiende a perjudicar la escalera mecánica mucociliar, limitando la capacidad del cuerpo para expulsar los microbios invasores, facilitando así que los patógenos se multipliquen y se propaguen.

    Se han desarrollado vacunas para muchos de los patógenos bacterianos y virales más graves. Varios de los patógenos respiratorios más importantes y sus vacunas, si están disponibles, se resumen en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Los componentes de estas vacunas se explicarán más adelante en el capítulo.

    Tabla\(\PageIndex{1}\): Algunas enfermedades respiratorias importantes y vacunas
    Enfermedad Patógeno Vacuna (s) Disponible (s) 2
    Pollox/culebrilla Virus varicela-zóster Vacuna contra la varicela (varicela), vacuna contra el herpes zóster (culebrilla)
    Resfriado común Rinovirus Ninguno
    Difteria Corynebacterium diphtheriae DTaP, Tdap, DT, Td, DTP
    Epiglotitis, otitis media Haemophilus influenzae Hib
    Influenza Virus de Influenza Inactivado, FluMist
    Sarampión Virus del sarampión MMR
    Tos ferina Bordetella pertussis DTaP, Tdap
    Neumonía Streptococcus pneumoniae Vacuna neumocócica conjugada (PCV13), vacuna antineumocócica polisacárida (PPSV23)
    Rubéola (sarampión alemán) Virus de la rubéola MMR
    Síndrome respiratorio agudo severo (SARS) Coronavirus asociado al SARS (SARS-CoV) Ninguno
    Tuberculosis Mycobacterium tuberculosis BCG

    Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

    1. ¿Cuáles son algunas bacterias patógenas que forman parte de la microbiota normal del tracto respiratorio?
    2. ¿Qué factores de virulencia utilizan los patógenos para superar la protección inmune de las vías respiratorias?

    Signos y Síntomas de Infección Respiratoria

    Las enfermedades microbianas del sistema respiratorio suelen dar como resultado una respuesta inflamatoria aguda. Estas infecciones pueden agruparse por la ubicación afectada y tener nombres que terminan en “itis”, lo que literalmente significa inflamación de. Por ejemplo, la rinitis es una inflamación de las cavidades nasales, a menudo característica del resfriado común. La rinitis también puede estar asociada con alergias a la fiebre del heno u otros irritantes. La inflamación de los senos paranasales se llama sinusitis La inflamación del oído se llama otitis. La otitis media es una inflamación del oído medio. Una variedad de microbios pueden causar faringitis, comúnmente conocida como dolor de garganta. Una inflamación de la laringe se llama laringitis. La inflamación resultante puede interferir con la función de las cuerdas vocales, causando pérdida de voz. Cuando se inflaman las amígdalas, se llama amigdalitis. Los casos crónicos de amigdalitis pueden tratarse quirúrgicamente con amigdalectomía. Más raramente, la epiglotis puede infectarse, una afección llamada epiglotitis. En el sistema respiratorio inferior, la inflamación de los bronquios resulta en bronquitis. Lo más grave de todo es la neumonía, en la que los alvéolos de los pulmones se infectan y se inflaman. El pus y el edema se acumulan y llenan los alvéolos con líquidos (llamados consolidaciones). Esto reduce la capacidad de los pulmones para intercambiar gases y a menudo resulta en una tos productiva que expulsa flema y moco. Los casos de neumonía pueden variar de leves a potencialmente mortales, y siguen siendo una causa importante de mortalidad en personas muy jóvenes y muy mayores.

    Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

    Describir los síntomas típicos de rinitis, sinusitis, faringitis y laringitis.

    Neumonía asociada al tabaquismo

    Camila es una estudiante de 22 años que ha sido fumador crónico desde hace 5 años. Recientemente, desarrolló una tos persistente que no ha respondido a tratamientos de venta libre. Su médico ordenó una radiografía de tórax para investigar. Los resultados radiológicos fueron consistentes con neumonía. Además, Streptococcus pneumoniae se aisló del esputo de Camila.

    Los fumadores tienen un mayor riesgo de desarrollar neumonía que la población general. Se ha demostrado que varios componentes del humo del tabaco perjudican las defensas inmunitarias de los pulmones. Estos efectos incluyen la alteración de la función de las células epiteliales ciliadas, la inhibición de la fagocitosis y el bloqueo de la acción de los péptidos antimicrobianos. Juntos, estos conducen a una disfunción del efecto de la escalera mecánica mucociliar. Por lo tanto, los organismos atrapados en el moco son capaces de colonizar los pulmones y causar infecciones en lugar de ser expulsados o tragados.

    Conceptos clave y resumen

    • El tracto respiratorio se divide en regiones superior e inferior en la epiglotis.
    • El aire ingresa al tracto respiratorio superior a través de la cavidad nasal y la boca, las cuales conducen ambas a la faringe. El tracto respiratorio inferior se extiende desde la laringe hasta la tráquea antes de ramificarse hacia los bronquios, los cuales se dividen aún más para formar los bronquiolos, que terminan en alvéolos, donde se produce el intercambio de gases.
    • El tracto respiratorio superior está colonizado por una extensa y diversa microbiota normal, muchos de los cuales son patógenos potenciales. Se han encontrado pocos habitantes microbianos en el tracto respiratorio inferior, y estos pueden ser transitorios.
    • Los miembros de la microbiota normal pueden causar infecciones oportunistas, utilizando una variedad de estrategias para superar las defensas innatas inespecíficas (incluyendo la escalera mecánica mucociliar) y las defensas específicas adaptativas del sistema respiratorio.
    • Hay vacunas efectivas disponibles para muchos patógenos respiratorios comunes, tanto bacterianos como virales.
    • La mayoría de las infecciones respiratorias provocan inflamación de los tejidos infectados; a estas afecciones se les da nombres que terminan en -itis, como rinitis, sinusitis, otitis, faringitis y bronquitis.

    Notas al pie

    1. 1 J. Kluytmans et al. “Transporte Nasal de Staphylococcus aureus: Epidemiología, Mecanismos Subyacentes y Riesgos Asociados”. Revisiones de Microbiología Clínica 10 núm. 3 (1997) :505—520.
    2. 2 Nombres completos de las vacunas listadas en la tabla: Haemophilus influenzae tipo B (Hib); difteria, tétanos y tos ferina acelular (DTaP); tétanos, difteria y tos ferina acelular (Tdap); difteria y tétanos (DT); tétanos y difteria (Td); difteria, tos ferina y tétanos (DTP); Bacillus Calmette-Guérin; Sarampión, paperas, rubéola (MMR)

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