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9.3: Defensas naturales contra la infección

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    Hay dos formas básicas en que el cuerpo defiende contra los patógenos: la inmunidad innata inespecífica y la inmunidad adaptativa específica.

    Inmunidad Innata Inespecífica

    La inmunidad innata inespecífica es un sistema de defensas en el organismo que se dirige de manera inespecífica a patógenos invasores. Se le llama “innato” porque está presente desde el momento en que nacemos. La inmunidad innata inespecífica incluye defensas físicas, defensas químicas y defensas celulares. [1]

    Defensas Físicas

    Las defensas físicas son la forma más básica de defensa del organismo contra la infección. Incluyen barreras físicas a los microbios, como la piel y las membranas mucosas, así como defensas mecánicas que eliminan físicamente microbios y desechos de áreas del cuerpo donde podrían causar daño o infección. Además, el microbioma de una persona brinda protección física contra enfermedades ya que la flora normal compite con patógenos por nutrientes y sitios de unión celular. [2]

    Piel

    Una de las barreras físicas más importantes del cuerpo es la barrera cutánea, que está compuesta por tres capas de células estrechamente empaquetadas. Ver Figura 9.5 [3] para una ilustración de las capas de piel. La capa superior de la piel llamada epidermis consiste en células que están llenas de queratina. La queratina hace que la superficie de la piel sea mecánicamente resistente y resistente a la degradación por bacterias. Las infecciones pueden ocurrir cuando se rompe la barrera cutánea, permitiendo la entrada de patógenos oportunistas que infectan el tejido cutáneo que rodea la herida y posiblemente se diseminan a tejidos más profundos. [4]

    Imagen que muestra capas de piel, con etiquetas
    Figura 9.5 Capas de piel

    Membranas mucosas

    Las membranas mucosas que recubren la nariz, la boca, los pulmones y los tractos urinarios y digestivos proporcionan otra barrera inespecífica contra posibles patógenos. Las membranas mucosas consisten en una capa de células epiteliales unidas por uniones estrechas. Las células epiteliales secretan una sustancia húmeda y pegajosa llamada mucosa. La mucosa cubre y protege las frágiles capas celulares debajo de ella y también atrapa desechos, incluidos los microbios. Las secreciones mucosas también contienen péptidos antimicrobianos. [5]

    En muchas regiones del cuerpo, las acciones mecánicas eliminan el moco (junto con los microbios atrapados o muertos) del cuerpo o lejos de posibles sitios de infección. Por ejemplo, en el sistema respiratorio, la inhalación puede traer microbios, polvo, esporas de moho y otros pequeños desechos transportados por el aire al cuerpo. Este residuo queda atrapado en el moco que recubre el tracto respiratorio. Las células epiteliales que recubren las partes superiores del tracto respiratorio tienen apéndices similares a pelos conocidos como cilios. El movimiento de los cilios expulsa el moco cargado de escombros hacia afuera y lejos de los pulmones. Luego, el moco expulsado se traga y se destruye en el estómago, se tose o se estornuda. Este sistema de extracción suele llamarse la escalera mecánica mucociliar. La interrupción de la escalera mecánica mucociliar por los efectos dañinos del tabaquismo puede conducir a una mayor colonización de bacterias en el tracto respiratorio inferior e infecciones frecuentes, lo que resalta la importancia de esta barrera física para las defensas del huésped. [6] Ver Figura 9.6 [7] para una imagen de una escalera mecánica mucociliar magnificada.

    Imagen que muestra la escalera mecánica mucociliar
    Figura 9.6 Escalera Mucociliar

    Al igual que el tracto respiratorio, el tracto digestivo es un portal de entrada a través del 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 con células epiteliales, intercaladas con células caliciformes secretoras de moco. Este moco se mezcla con el material recibido del estómago, atrapando microbios y desechos transmitidos por los alimentos, y la acción mecánica de la peristalsis (una serie de contracciones musculares en el tracto digestivo) mueve esta mezcla a través de los intestinos y la excreta en las heces. [8] Por esta razón, las heces pueden contener microorganismos que pueden causar la propagación de la infección; por lo tanto, una buena higiene de las manos es vital.

    Endotelia

    Las células epiteliales que recubren el tracto urogenital, los vasos sanguíneos, los vasos linfáticos y otros tejidos se conocen como endotelia. Estas celdas fuertemente empaquetadas proporcionan una barrera efectiva de primera línea contra los invasores. El endotelio de la barrera hematoencefálica, por ejemplo, protege el sistema nervioso central (SNC) de los microorganismos. La infección del SNC puede conducir rápidamente a una inflamación grave y a menudo fatal. La protección de la barrera hematoencefálica mantiene estéril el líquido cefalorraquídeo que rodea el cerebro y la médula espinal. [9] Ver Figura 9.7 [10] para una ilustración de la barrera hematoencefálica.

    Imagen que muestra los componentes de la barrera hematoencefálica, con etiquetas
    Figura 9.7 Barrera hematoencefálica

    Defensas Mecánicas

    Además de las barreras físicas que mantienen alejados a los microbios, el cuerpo cuenta con varias defensas mecánicas que eliminan físicamente los patógenos del organismo y evitan que se establezcan. Por ejemplo, la acción de rubor de la orina y las lágrimas sirve para llevar a los microbios lejos del cuerpo. La acción de rubor de la orina es responsable del ambiente normalmente estéril del tracto urinario. Los ojos tienen barreras físicas adicionales y mecanismos mecánicos para prevenir infecciones. Las pestañas y los párpados evitan que el polvo y los microorganismos aerotransportados lleguen a la superficie del ojo. Cualquier microbios o escombros que lo hagan pasar por estas barreras físicas son expulsados por la acción mecánica de parpadear, que baña el ojo en lágrimas, lavando los escombros. [11] Ver Figura 9.8 [12] para una imagen de las pestañas de un bebé que evitan que el polvo llegue a la superficie del ojo.

    Imagen que muestra primer plano de pestañas de niño pequeño.
    Figura 9.8 Las pestañas son defensas mecánicas

    Microbioma

    La flora normal que contribuye al microbioma de un individuo sirve como una importante defensa de primera línea contra patógenos invasores. A través de su ocupación de sitios de unión celular y la competencia por los nutrientes disponibles, la flora normal previene los primeros pasos de unión y proliferación de patógenos requeridos para el establecimiento de una infección. Por ejemplo, en la vagina, la flora normal compite con patógenos oportunistas como Candida albicans. Esta competencia previene la infección por levaduras limitando la disponibilidad de nutrientes e inhibiendo el crecimiento de Candida, manteniendo a su población bajo control. Competiciones similares ocurren entre flora normal y patógenos potenciales en la piel, en el tracto respiratorio superior y en el tracto gastrointestinal. [13]

    La importancia de la flora normal en las defensas del huésped se destaca por la mayor susceptibilidad de una persona a enfermedades infecciosas cuando su microbioma es alterado o eliminado. Por ejemplo, el tratamiento con antibióticos puede agotar significativamente la flora normal del tracto gastrointestinal, proporcionando una ventaja para que bacterias patógenas como Clostridium difficile (C-diff) colonicen y causen infección diarreica. La diarrea causada por C-diff puede ser grave y potencialmente letal. De hecho, una estrategia reciente para el tratamiento de las infecciones C-diff recurrentes es el trasplante fecal que implica la transferencia de material fecal de un donante a los intestinos del paciente como método para restaurar su flora normal. [14]

    Defensas Químicas

    Además de las defensas físicas, nuestro sistema inmune innato inespecífico utiliza varios mediadores químicos que inhiben a los invasores microbianos. El término mediadores químicos abarca una amplia gama de sustancias que se encuentran en diversos fluidos y tejidos en todo el cuerpo. Por ejemplo, las glándulas sebáceas en la dermis secretan un aceite llamado sebo que se libera sobre la superficie de la piel a través de los folículos pilosos. El sebo proporciona una capa adicional de defensa al ayudar a sellar el poro del folículo piloso y evitar que las bacterias en la superficie de la piel invadan las glándulas sudoríparas y el tejido circundante. Los factores ambientales pueden afectar estas defensas químicas de la piel. Por ejemplo, la baja humedad en el invierno hace que la piel sea más seca y susceptible a patógenos normalmente inhibidos por el bajo pH de la piel. La aplicación de humectante para la piel restaura la humedad y los aceites esenciales a la piel y ayuda a evitar que la piel seca se infecte. [15]

    Ejemplos de otras defensas químicas son enzimas, nivel de pH y mediadores químicos. Las enzimas en la saliva y el tracto digestivo eliminan la mayoría de los patógenos que logran sobrevivir al ambiente ácido del estómago. En el tracto urinario, la ligera acidez de la orina inhibe el crecimiento de patógenos potenciales en el tracto urinario. El tracto respiratorio también utiliza diversos mediadores químicos en las fosas nasales, tráquea y pulmones que tienen propiedades antibacterianas. [16]

    Mediadores de Proteína Plasma

    Además de las defensas físicas, mecánicas y químicas, también hay factores inmunes innatos inespecíficos en el plasma, la porción líquida de la sangre, como las proteínas de fase aguda, las proteínas del complemento y las citocinas. Estos mediadores de proteínas plasmáticas contribuyen a la respuesta inflamatoria. [17]

    Un ejemplo de una proteína en fase aguda es la proteína C reactiva. Los altos niveles de proteína C reactiva indican que se está produciendo una infección grave u otra afección médica que cause inflamación. [18]

    Las proteínas del complemento siempre están presentes en la sangre y los fluidos tisulares, lo que permite que se activen rápidamente. Ayudan en la destrucción de patógenos perforando sus membranas externas (lisis celular) o haciéndolas más atractivas para las células fagocíticas como los macrófagos. [19]

    Las citocinas son proteínas que afectan la interacción y comunicación entre las células. Cuando un patógeno ingresa al cuerpo, la primera célula inmune que nota al patógeno es como el director de una orquesta. Esa célula dirige todas las demás células inmunes creando y enviando mensajes (citocinas) al resto de los órganos o células del cuerpo para responder e iniciar la inflamación. Demasiadas citocinas pueden tener un efecto negativo y resultar en lo que se conoce como tormenta de citocinas. [20], [21] Una tormenta de citocinas es una reacción inmune severa en la que el cuerpo libera demasiadas citocinas en la sangre demasiado rápido. Una tormenta de citocinas puede ocurrir como resultado de una infección, afección autoinmune u otra enfermedad. Los signos y síntomas incluyen fiebre alta, inflamación, fatiga severa y náuseas. Una tormenta de citocinas puede ser grave o potencialmente mortal y provocar insuficiencia orgánica múltiple. Por ejemplo, muchas complicaciones y muertes por COVID-19 fueron causadas por una tormenta de citocinas. [22], [23]

    Inflamación

    La inflamación es una respuesta desencadenada por una cascada de mediadores químicos y ocurre cuando los patógenos violan con éxito el sistema inmunitario innato inespecífico o cuando se produce una lesión. Aunque la inflamación suele percibirse como una consecuencia negativa de una lesión o enfermedad, es un proceso necesario que recluta defensas celulares necesarias para eliminar patógenos, eliminar células dañadas y muertas e iniciar mecanismos de reparación. La inflamación excesiva, sin embargo, puede resultar en daño tisular local, y en casos severos, como la sepsis, puede llegar a ser mortal. [24]

    Una respuesta inmediata a la lesión tisular es la inflamación aguda. La vasoconstricción ocurre para minimizar la pérdida de sangre si se ha producido una lesión. A la vasoconstricción le sigue la vasodilatación con aumento de la permeabilidad de los vasos sanguíneos debido a la liberación de histamina por los mastocitos. La histamina contribuye a los cinco signos observables de la respuesta inflamatoria: eritema (enrojecimiento), edema (hinchazón), calor, dolor y alteración de la función. También se asocia con una afluencia de fagocitos en el sitio de lesión y/o infección. Véase la Figura 9.9 [25] para una ilustración de la respuesta inflamatoria, con (a) demostrando cuándo los mastocitos detectan lesiones en células cercanas y liberan histamina, iniciando una respuesta inflamatoria y (b) ilustrando dónde la histamina aumenta el flujo sanguíneo al sitio de la herida y el aumento de la permeabilidad vascular asociado permite que fluidos, proteínas, fagocitos y otras células inmunes ingresen al tejido infectado. Estos hechos resultan en la hinchazón y enrojecimiento del sitio lesionado. El aumento del flujo sanguíneo al sitio lesionado hace que se sienta caliente. La inflamación también se asocia con dolor debido a estos eventos que estimulan los receptores del dolor nervioso en el tejido. Luego se recluta a la zona un número creciente de neutrófilos para combatir patógenos. A medida que avanza la lucha, los glóbulos blancos son reclutados en la zona, y se forma pus a partir de la acumulación de neutrófilos, células muertas, fluidos tisulares y linfa. Por lo general, después de unos días, los macrófagos limpian este pus. [26] Durante la lesión, si este proceso inflamatorio inespecífico no mata con éxito a los patógenos, se produce la infección.

    Imagen que muestra respuesta inflamatoria, con etiquetas
    Figura 9.9 Respuesta inflamatoria

    Fiebre

    Una fiebre es parte de la respuesta inflamatoria que se extiende más allá del sitio de infección y afecta a todo el cuerpo, resultando en un aumento general de la temperatura corporal. Al igual que otras formas de inflamación, una fiebre potencia las defensas inmunitarias innatas inespecíficas al estimular a los glóbulos blancos para matar patógenos. El aumento de la temperatura corporal también inhibe el crecimiento de muchos patógenos. Durante la fiebre, la piel del paciente puede aparecer pálida debido a la vasoconstricción de los vasos sanguíneos en la piel para desviar el flujo sanguíneo lejos de las extremidades, minimizar la pérdida de calor y elevar la temperatura central del cuerpo. El hipotálamo también estimula el escalofrío de los músculos para generar calor y elevar la temperatura central. [27]

    Se cree que una fiebre baja ayuda a un individuo a superar una enfermedad. Sin embargo, en algunos casos, esta respuesta inmune puede ser demasiado fuerte, provocando daños en tejidos y órganos y, en casos severos, incluso la muerte. Por ejemplo, Staphylococcus aureus y Streptococcus pyogenes son capaces de producir superantígenos que causan síndrome de choque tóxico y escarlatina, respectivamente. Ambos padecimientos están asociados con fiebres extremadamente altas superiores a 42 °C (108 °F) que deben manejarse para evitar lesiones y muerte tisular. [28]

    Cuando se rompe la fiebre, el hipotálamo estimula la vasodilatación, lo que resulta en un retorno del flujo sanguíneo a la piel y una posterior liberación de calor del cuerpo. El hipotálamo también estimula la sudoración, que enfría la piel a medida que se evapora el sudor. [29]

    Inmunidad adaptativa específica

    Ahora que hemos discutido varias defensas innatas inespecíficas contra un patógeno, hablemos de la inmunidad adaptativa específica. La inmunidad adaptativa específica es la respuesta inmune que se activa cuando la respuesta inmune innata inespecífica es insuficiente para controlar una infección. Existen dos tipos de respuestas adaptativas: la respuesta inmune mediada por células, que es llevada a cabo por las células T, y la respuesta inmune humoral, que es controlada por células B activadas y anticuerpos. [30]

    Las células B maduran en la médula ósea. Las células B producen proteínas en forma de Y llamadas anticuerpos que son específicas de cada patógeno y se bloquean en su superficie y la marcan para su destrucción por otras células inmunes. Las cinco clases de anticuerpos son IgG, IgM, IgA, IgD e IgE. También se convierten en células B de memoria. [31]

    Las células T maduran en el timo. Las células T se clasifican en tres clases: células T colaboradoras, células T reguladoras y células T citotóxicas. Las células T colaboradoras estimulan a las células B para producir anticuerpos y ayudan a desarrollar células asesinas. Las células T asesinas matan directamente a las células que ya han sido infectadas por un patógeno. Las células T también utilizan citocinas como moléculas mensajeras para enviar instrucciones químicas al resto del sistema inmunológico para aumentar su respuesta. [32]

    La inmunidad adaptativa específica también crea células de memoria para cada patógeno específico que proporciona al huésped protección a largo plazo contra la reinfección con ese patógeno. En la reexposición, estas células de memoria facilitan una respuesta inmune eficiente y rápida. Por ejemplo, cuando un individuo se recupera de la varicela, el cuerpo desarrolla un recuerdo del virus varicela-zóster que específicamente lo protegerá de la reinfección si vuelve a estar expuesto al virus. [33]

    Ver Figura 9.10 [34] para una ilustración de la inmunidad innata y la inmunidad adaptativa específica que ocurre en respuesta a que un patógeno ingresa al cuerpo por la nariz.

    Imagen que muestra la inmunidad innata y la inmunidad adaptativa específica que ocurre en respuesta a que un patógeno ingresa al cuerpo por la nariz
    Figura 9.10 Inmunidad innata e inmunidad adaptativa específica
    1. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [1]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    2. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [2]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    3. “OSC_Microbio_17_02_Skin.jpg” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en https://openstax.org/books/microbiology@9.8/pages/17-1-physical-defenses.
    4. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [3]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    5. El Consorcio Integrativo de la Red de Investigación HMP (iHMP). (2019). Proctor, L. M., Creasy, H. H., et. al. El proyecto integrador del microbioma humano. Naturaleza, 569, 641—648. [4]https://doi.org/10.1038/s41586-019-1238-8
    6. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [5]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    7. “Bronchiolar_epithelium_3_-_SEM.jpg” de Charles Daghlian está licenciado por [6]CC0
    8. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [7]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    9. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [8]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    10. “Protective_barriers_of_the_brain.jpg” de Stolp H. B., Liddelow S. A., Sá-Pereira I., Dziegielewska K. M., & Saunders N. R. está licenciado bajo CC BY-SA 3.0
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    15. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [12]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    16. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [13]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    17. Este trabajo es un derivado de Microbiología por OpenStax y está licenciado bajo CC BY 4.0. Accede de forma gratuita en [14]https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction
    18. Este trabajo es un derivado de Concepts of Biology - 1st Canadian Edition by Molnar & Gair y está licenciado bajo CC BY 4.0.
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