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12.1.3: Factores de virulencia - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  • Explicar cómo los factores de virulencia contribuyen a los signos y síntomas de las enfermedades infecciosas.
  • Diferenciar entre endotoxinas y exotoxinas.
  • Describir y diferenciar entre varios tipos de exotoxinas.
  • Describir los mecanismos que utilizan los virus para la adhesión y la variación antigénica.

En la sección anterior, explicamos que algunos patógenos son más virulentos que otros. Esto se debe al factor de virulencia únicos producidos por patógenos individuales, que determinan la extensión y gravedad de la enfermedad que pueden causar. Los factores de virulencia de un patógeno están codificados por genes que pueden identificarse utilizando los postulados moleculares de Koch. Cuando se inactivan genes que codifican factores de virulencia, la virulencia en el patógeno disminuye. En esta sección, examinamos varios tipos y ejemplos específicos de factores de virulencia y cómo contribuyen a cada paso de la patogénesis.

Factores de virulencia para la adhesión

Como se discutió en la sección anterior, los dos primeros pasos en la patogénesis son la exposición y la adhesión. Recuerde que una adhesina es una proteína o glicoproteína que se encuentra en la superficie de un patógeno y que se adhiere a los receptores de la célula huésped. Las adhesinas se encuentran en patógenos bacterianos, virales, fúngicos y protozoarios. Un ejemplo de adhesina bacteriana es la adhesina fimbrial de tipo 1, una molécula que se encuentra en las puntas de las fimbrias de E. coli (ETEC). Recuerde que las fimbrias son cerdas proteicas parecidas a pelos en la superficie celular. La adhesina fimbrial de tipo 1 permite que las fimbrias de las células ETEC se unan a los glicanos manosa expresados ​​en las células epiteliales intestinales. La tabla ( PageIndex {1} ) enumera las adhesinas comunes que se encuentran en algunos de los patógenos que hemos discutido o veremos más adelante en este capítulo.

Tabla ( PageIndex {1} ): Algunas adhesinas bacterianas y sus sitios de conexión de host
PatógenoEnfermedadAdhesinSitio adjunto
Streptococcus pyogenesFaringitis estreptocócicaProteína FCélulas epiteliales respiratorias
Streptococcus mutansCaries dentalAdhesin P1Dientes
Neisseria gonorrhoeaeGonorreaPili tipo IVCélulas epiteliales uretrales
Enterotoxigénico E. coli (ETEC)Diarrea del viajeroFimbrias tipo 1Células epiteliales intestinales
Vibrio choleraeCóleraPili de N-metilfenilalaninaCélulas epiteliales intestinales

PARTE 3

La presencia de bacterias en la sangre de Michael es un signo de infección, ya que la sangre normalmente es estéril. No hay indicios de que la bacteria haya entrado en la sangre a través de una lesión. En cambio, parece que la puerta de entrada fue la ruta gastrointestinal. Basándose en los síntomas de Michael, los resultados de su análisis de sangre y el hecho de que Michael era el único en la familia que comía los hot dogs, el médico sospecha que Michael sufre de un caso de listeriosis.

Listeria monocytogenes, el patógeno intracelular facultativo que causa la listeriosis, es un contaminante común en alimentos listos para consumir, como fiambres y productos lácteos. Una vez ingeridas, estas bacterias invaden las células epiteliales intestinales y se trasladan al hígado, donde crecen dentro de las células hepáticas. La listeriosis es mortal en aproximadamente una de cada cinco personas sanas normales y las tasas de mortalidad son ligeramente más altas en pacientes con afecciones preexistentes que debilitan la respuesta inmunitaria. Un grupo de genes de virulencia codificados en una isla de patogenicidad es responsable de la patogenicidad de L. monocytogenes. Estos genes están regulados por un factor de transcripción conocido como factor de liberación de cadena peptídica 1 (PrfA). Uno de los genes regulados por PrfA es hyl, que codifica una toxina conocida como listeriolisina O (LLO), que permite que la bacteria escape de las vacuolas al entrar en una célula huésped. Un segundo gen regulado por PrfA es actA, que codifica una proteína de superficie conocida como proteína inductora de ensamblaje de actina (ActA). ActA se expresa en la superficie de Listeria y polimeriza la actina del huésped. Esto permite que la bacteria produzca colas de actina, se mueva por el citoplasma de la célula y se propague de una célula a otra sin salir al compartimento extracelular.

La condición de Michael ha comenzado a empeorar. Ahora está experimentando rigidez en el cuello y hemiparesia (debilidad de un lado del cuerpo). Preocupado por la propagación de la infección, el médico decide realizar pruebas adicionales para determinar qué está causando estos nuevos síntomas.

Ejercicio ( PageIndex {1} )

  1. ¿Qué tipo de patógeno causa la listeriosis y qué factores de virulencia contribuyen a los signos y síntomas que experimenta Michael?
  2. ¿Es probable que la infección se propague de la sangre de Michael? Si es así, ¿cómo podría esto explicar sus nuevos síntomas?

Exoenzimas y toxinas bacterianas como factores de virulencia

Después de la exposición y la adhesión, el siguiente paso en la patogénesis es la invasión, que puede involucrar enzimas y toxinas. Muchos patógenos logran la invasión ingresando al torrente sanguíneo, un medio eficaz de diseminación porque los vasos sanguíneos pasan cerca de todas las células del cuerpo. La desventaja de este mecanismo de dispersión es que la sangre también incluye numerosos elementos del sistema inmunológico. Se utilizan varios términos que terminan en –emia para describir la presencia de patógenos en el torrente sanguíneo. La presencia de bacterias en la sangre se llama bacteriemia. La bacteriemia que involucra piógenos (bacterias formadoras de pus) se llama piemia. Cuando se encuentran virus en la sangre, se denomina viremia. El término toxemia describe la condición en la que se encuentran toxinas en la sangre. Si las bacterias están presentes y se multiplican en la sangre, esta condición se llama septicemia.

Los pacientes con septicemia se describen como sépticos, lo que puede provocar un shock, una disminución de la presión arterial que pone en peligro la vida (presión sistólica <90 mm Hg) que impide que las células y los órganos reciban suficiente oxígeno y nutrientes. Algunas bacterias pueden causar un shock a través de la liberación de toxinas (factores de virulencia que pueden causar daño tisular) y provocar presión arterial baja. Las bacterias gramnegativas son engullidas por los fagocitos del sistema inmunológico, que luego liberan el factor de necrosis tumoral, una molécula involucrada en la inflamación y la fiebre. El factor de necrosis tumoral se une a los capilares sanguíneos para aumentar su permeabilidad, lo que permite que los líquidos pasen de los vasos sanguíneos a los tejidos y provoquen hinchazón o edema (Figura ( PageIndex {1} )). Con altas concentraciones de factor de necrosis tumoral, la reacción inflamatoria es grave y se pierde suficiente líquido del sistema circulatorio para que la presión arterial disminuya a niveles peligrosamente bajos. Esto puede tener consecuencias nefastas porque el corazón, los pulmones y los riñones dependen de la presión arterial normal para funcionar correctamente; por tanto, pueden producirse insuficiencia multiorgánica, shock y muerte.

Exoenzimas

Algunos patógenos producen enzimas extracelulares o exoenzimass, que les permiten invadir las células huésped y tejidos más profundos. Las exoenzimas tienen una amplia variedad de objetivos. Algunas clases generales de exoenzimas y patógenos asociados se enumeran en la Tabla ( PageIndex {2} ). Cada una de estas exoenzimas funciona en el contexto de una estructura de tejido particular para facilitar la invasión o apoyar su propio crecimiento y defenderse del sistema inmunológico. Por ejemplo, la hialuronidasa S, una enzima producida por patógenos como Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, y Clostridium perfringens, degrada el glucósido hilauronano (ácido hialurónico), que actúa como cemento intercelular entre las células adyacentes en el tejido conectivo (Figura ( PageIndex {2} )). Esto permite que el patógeno pase a través de las capas de tejido en la puerta de entrada y se disemine a otras partes del cuerpo (Figura ( PageIndex {2} )).

Tabla ( PageIndex {2} ): algunas clases de exoenzimas y sus objetivos
ClaseEjemploFunción
GlicohidrolasasHialuronidasa S en Staphylococcus aureusDegrada el ácido hialurónico que une las células para promover la propagación a través de los tejidos.
NucleasasDNAsa producida por S. aureusDegrada el ADN liberado por las células moribundas (bacterias y células huésped) que pueden atrapar las bacterias, promoviendo así la propagación.
FosfolipasasFosfolipasa C de Bacillus AnthracisDegrada la bicapa de fosfolípidos de las células huésped, lo que provoca la lisis celular y degrada la membrana de los fagosomas para permitir el escape al citoplasma.
ProteasasColagenasa en Clostridium perfringensDegrada el colágeno en el tejido conectivo para promover la propagación.

Nucleasas producidas por patógenos, como la DNAsa producida por S. aureus, degradan el ADN extracelular como medio de escape y propagación a través de los tejidos. A medida que las células bacterianas y del huésped mueren en el sitio de la infección, lisan y liberan su contenido intracelular. El cromosoma de ADN es la más grande de las moléculas intracelulares y masas de ADN extracelular pueden atrapar bacterias y prevenir su propagación. S. aureus produce una ADNasa para degradar la malla de ADN extracelular para que pueda escapar y extenderse a los tejidos adyacentes. Esta estrategia también es utilizada por S. aureus y otros patógenos para degradar y escapar de las redes de ADN extracelular producidas por los fagocitos del sistema inmunológico para atrapar las bacterias.

Las enzimas que degradan los fosfolípidos de las membranas celulares se denominan fosfolipasas. Sus acciones son específicas con respecto al tipo de fosfolípidos sobre los que actúan y dónde escinden enzimáticamente las moléculas. El patógeno responsable del ántrax, B. anthracis, produce fosfolipasa C.Cuando B. anthracis es ingerido por las células fagocíticas del sistema inmunológico, la fosfolipasa C degrada la membrana del fagosoma antes de que pueda fusionarse con el lisosoma, permitiendo que el patógeno escape al citoplasma y se multiplique. Las fosfolipasas también pueden dirigirse a la membrana que encierra el fagosoma dentro de las células fagocíticas. Como se describió anteriormente en este capítulo, este es el mecanismo utilizado por patógenos intracelulares como L. monocytogenes y Rickettsia para escapar del fagosoma y multiplicarse dentro del citoplasma de las células fagocíticas. El papel de las fosfolipasas en la virulencia bacteriana no se limita al escape fagosómico. Muchos patógenos producen fosfolipasas que degradan las membranas celulares y provocan la lisis de las células diana. Estas fosfolipasas están involucradas en la lisis de glóbulos rojos, glóbulos blancos y células tisulares.

Los patógenos bacterianos también producen varias enzimas que digieren proteínas o proteasas. Las proteasas se pueden clasificar según su sustrato diana (p. Ej., Serina proteasas diana de proteínas con el aminoácido serina) o si contienen metales en su sitio activo (p. Ej., Las metaloproteasas de zinc contienen un ión de zinc, que es necesario para la actividad enzimática).

Un ejemplo de una proteasa que contiene un ion metálico es la exoenzima colagenasa. La colagenasa digiere el colágeno, la proteína dominante en el tejido conectivo. El colágeno se puede encontrar en la matriz extracelular, especialmente cerca de las membranas mucosas, los vasos sanguíneos, los nervios y las capas de la piel. Similar a la hialuronidasa, la colagenasa permite que el patógeno penetre y se propague a través del tejido del huésped al digerir esta proteína del tejido conectivo. La colagenasa producida por la bacteria grampositiva. Clostridium perfringens, por ejemplo, permite que la bacteria se abra paso a través de las capas de tejido y luego ingrese y se multiplique en la sangre (septicemia). C. perfringens luego usa toxinas y una fosfolipasa para causar lisis y necrosis celular. Una vez que las células huésped han muerto, la bacteria produce gas fermentando los carbohidratos del músculo. La necrosis generalizada del tejido y el gas que la acompaña son característicos de la afección conocida como gangrena gaseosa (Figura ( PageIndex {3} )).

Toxinas

Además de las exoenzimas, ciertos patógenos pueden producir toxinas.s, venenos biológicos que ayudan en su capacidad para invadir y causar daño a los tejidos. La capacidad de un patógeno para producir toxinas que causen daño a las células huésped se llama toxigenicidad.

Las toxinas se pueden clasificar como endotoxinas o exotoxinas. El lipopolisacárido (LPS) que se encuentra en la membrana externa de las bacterias gramnegativas se llama endotoxina (Figura ( PageIndex {4} )). Durante la infección y la enfermedad, los patógenos bacterianos gramnegativos liberan endotoxina cuando la célula muere, lo que resulta en la desintegración de la membrana, o cuando la bacteria sufre una fisión binaria. El componente lipídico de la endotoxina, el lípido A, es responsable de las propiedades tóxicas de la molécula de LPS. El lípido A se conserva relativamente en diferentes géneros de bacterias gramnegativas; por lo tanto, las propiedades tóxicas del lípido A son similares independientemente del patógeno gramnegativo. De manera similar a la del factor de necrosis tumoral, el lípido A desencadena la respuesta inflamatoria del sistema inmunológico (consulte Inflamación y fiebre). Si la concentración de endotoxina en el cuerpo es baja, la respuesta inflamatoria puede proporcionar al huésped una defensa eficaz contra la infección; por otro lado, las concentraciones elevadas de endotoxina en la sangre pueden provocar una respuesta inflamatoria excesiva, lo que lleva a una caída grave de la presión arterial, insuficiencia multiorgánica y la muerte.

Un método clásico de detección de endotoxinas es mediante el uso de Limulus Prueba de lisado de amebocitos (LAL). En este procedimiento, las células sanguíneas (amebocitos) del cangrejo herradura (Limulus polyphemus) se mezcla con el suero de un paciente. Los amebocitos reaccionarán a la presencia de cualquier endotoxina. Esta reacción se puede observar cromogénicamente (color) o buscando que se produzca coagulación (reacción de coagulación) dentro del suero. Un método alternativo que se ha utilizado es un ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA) que usa anticuerpos para detectar la presencia de endotoxina.

A diferencia del lípido A tóxico de la endotoxina, la exotoxinas son moléculas de proteínas producidas por una amplia variedad de bacterias patógenas vivas. Aunque algunos patógenos gramnegativos producen exotoxinas, la mayoría son producidas por patógenos grampositivos. Las exotoxinas se diferencian de las endotoxinas en varias otras características clave, resumidas en la Tabla ( PageIndex {3} ). A diferencia de la endotoxina, que estimula una respuesta inflamatoria sistémica general cuando se libera, las exotoxinas son mucho más específicas en su acción y en las células con las que interactúan. Cada exotoxina se dirige a receptores específicos en células específicas y daña esas células a través de mecanismos moleculares únicos. La endotoxina permanece estable a altas temperaturas y requiere calentamiento a 121 ° C (250 ° F) durante 45 minutos para inactivarse. Por el contrario, la mayoría de las exotoxinas son termolábiles debido a su estructura proteica y muchas se desnaturalizan (inactivan) a temperaturas superiores a 41 ° C (106 ° F). Como se discutió anteriormente, la endotoxina puede estimular una respuesta inflamatoria letal a concentraciones muy altas y tiene un LD medido50 de 0,24 mg / kg. Por el contrario, concentraciones muy pequeñas de exotoxinas pueden ser letales. Por ejemplo, la toxina botulínica, que causa botulismo, tiene un LD50 de 0,000001 mg / kg (240.000 veces más letal que la endotoxina).

Tabla ( PageIndex {3} ): Comparación de endotoxinas y exotoxinas producidas por bacterias
CaracterísticaEndotoxinaExotoxina
FuenteBacterias Gram-negativoBacterias grampositivas (principalmente) y gramnegativas
ComposiciónLípido A componente de lipopolisacáridoProteína
Efecto en el anfitriónSíntomas sistémicos generales de inflamación y fiebre.Daño específico a las células que depende de la focalización de las células mediada por receptores y de los mecanismos de acción específicos
Estabilidad térmicaEstable al calorLa mayoría son termolábiles, pero algunas son termoestables.
LD50ElevadoBajo

Las exotoxinas se pueden agrupar en tres categorías según su objetivo: direccionamiento intracelular, alteración de la membrana y superantígenos. La tabla ( PageIndex {4} ) proporciona ejemplos de toxinas bien caracterizadas dentro de cada una de estas tres categorías.

Tabla ( PageIndex {4} ): Algunas exotoxinas comunes y patógenos bacterianos asociados
CategoríaEjemploPatógenoMecanismo y enfermedad
Toxinas que se dirigen a las células intracelularesToxina del cóleraVibrio choleraeActivación de la adenilato ciclasa en las células intestinales, lo que provoca un aumento de los niveles de monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) y la secreción de líquidos y electrolitos fuera de la célula, lo que provoca diarrea.
Toxina tetánicaClostridium tetaniInhibe la liberación de neurotransmisores inhibidores en el sistema nervioso central, causando parálisis espástica.
Toxina botulínicaClostridium botulinumInhibe la liberación del neurotransmisor acetilcolina de las neuronas, lo que resulta en parálisis flácida.
Toxina diftéricaCorynebacterium diphtheriaeInhibición de la síntesis de proteínas, causando muerte celular.
Toxinas que alteran la membranaEstreptolisinaStreptococcus pyogenesProteínas que se ensamblan en los poros de las membranas celulares, alterando su función y matando la célula.
Neumolisinasteotococos neumonia
Alfa-toxinaStaphylococcus aureus
Alfa-toxinaClostridium perfringensFosfolipasas que degradan los fosfolípidos de la membrana celular, alterando la función de la membrana y matando a la célula.
Fosfolipasa CPseudomonas aeruginosa
Beta-toxinaStaphylococcus aureus
SuperantígenosToxina del síndrome de choque tóxicoStaphylococcus aureusEstimula la activación excesiva de las células del sistema inmunológico y la liberación de citocinas (mediadores químicos) de las células del sistema inmunológico. El resultado son fiebre, inflamación y shock potencialmente mortales.
Exotoxina mitogénica estreptocócicaStreptococcus pyogenes
Toxinas pirogénicas estreptocócicasStreptococcus pyogenes

La toxina diana intracelulars constan de dos componentes: A para la actividad y B para la unión. Por lo tanto, estos tipos de toxinas se conocen como exotoxinas A-B (Figura ( PageIndex {5} )). El componente B es responsable de la especificidad celular de la toxina y media la unión inicial de la toxina a receptores específicos de la superficie celular. Una vez que la toxina A-B se une a la célula huésped, entra en la célula por endocitosis y queda atrapada en una vacuola. Las subunidades A y B se separan a medida que la vacuola se acidifica. Luego, la subunidad A ingresa al citoplasma celular e interfiere con la función celular interna específica a la que se dirige.

Cuatro ejemplos únicos de toxinas A-B son las toxinas difteria, cólera, botulínica y tétanos. La toxina diftérica es producida por la bacteria grampositiva. Corynebacterium diphtheriae, el agente causante de la difteria nasofaríngea y cutánea. Después de que la subunidad A de la toxina diftérica se separa y obtiene acceso al citoplasma, facilita la transferencia de difosfato de adenosina (ADP) -ribosa a una proteína de factor de elongación (EF-2) que se necesita para la síntesis de proteínas. Por lo tanto, la toxina diftérica inhibe la síntesis de proteínas en la célula huésped y finalmente mata a la célula (Figura ( PageIndex {6} )).

La toxina del cólera es una enterotoxina producida por la bacteria gramnegativa. Vibrio cholerae y está compuesto por una subunidad A y cinco subunidades B. El mecanismo de acción de la toxina del cólera es complejo. Las subunidades B se unen a receptores en la célula epitelial intestinal del intestino delgado. Después de ingresar al citoplasma de la célula epitelial, la subunidad A activa una proteína G intracelular. La proteína G activada, a su vez, conduce a la activación de la enzima adenil ciclasa, que comienza a producir un aumento en la concentración de AMP cíclico (una molécula mensajera secundaria). El aumento de cAMP altera la fisiología normal de las células epiteliales intestinales y hace que segreguen cantidades excesivas de líquido y electrolitos en la luz del tracto intestinal, lo que da como resultado una diarrea grave en "heces de agua de arroz" característica del cólera.

La toxina botulínica (también conocida como botox) es una neurotoxina producida por la bacteria grampositiva. Clostridium botulinum. Es la sustancia más agudamente tóxica conocida hasta la fecha. La toxina se compone de una subunidad A ligera y una subunidad B de la cadena proteica pesada. La subunidad B se une a las neuronas para permitir que la toxina botulínica ingrese a las neuronas en la unión neuromuscular. La subunidad A actúa como una proteasa, escindiendo las proteínas involucradas en la liberación neuronal de acetilcolina, una molécula neurotransmisora. Normalmente, las neuronas liberan acetilcolina para inducir las contracciones de las fibras musculares. La capacidad de la toxina para bloquear la liberación de acetilcolina da como resultado la inhibición de las contracciones musculares, lo que conduce a la relajación muscular. Esto tiene el potencial de dejar de respirar y causar la muerte. Debido a su acción, las concentraciones bajas de botox se utilizan para procedimientos cosméticos y médicos, incluida la eliminación de arrugas y el tratamiento de la vejiga hiperactiva.

Haga clic en este enlace para ver una animación de cómo funciona la toxina del cólera.

Haga clic en este enlace para ver una animación de cómo funciona la toxina botulínica.

Otra neurotoxina es la toxina del tétanos, que es producida por la bacteria grampositiva. Clostridium tetani. Esta toxina también tiene una subunidad A ligera y una subunidad B de cadena proteica pesada. A diferencia de la toxina botulínica, la toxina del tétanos se une a las interneuronas inhibidoras, que son responsables de la liberación de los neurotransmisores inhibidores glicina y ácido gamma-aminobutírico (GABA). Normalmente, estos neurotransmisores se unen a las neuronas en la unión neuromuscular, lo que inhibe la liberación de acetilcolina. La toxina del tétanos inhibe la liberación de glicina y GABA de la interneurona, lo que produce una contracción muscular permanente. El primer síntoma suele ser rigidez de la mandíbula (trismo). Siguen espasmos musculares violentos en otras partes del cuerpo, que generalmente culminan con insuficiencia respiratoria y muerte. La figura ( PageIndex {7} ) muestra las acciones de las toxinas botulínica y tetánica.

Las toxinas que alteran la membrana afectan la función de la membrana celular ya sea formando poros o alterando la bicapa de fosfolípidos en las membranas de la célula huésped. Dos tipos de exotoxinas que alteran la membrana son la hemolisinas y leucocidinas, que forman poros en las membranas celulares, provocando fugas del contenido citoplásmico y lisis celular. Originalmente se pensó que estas toxinas se dirigían a los glóbulos rojos (eritrocitos) y los glóbulos blancos (leucocitos), respectivamente, pero ahora sabemos que también pueden afectar a otras células. La bacteria grampositiva Streptococcus pyogenes produce estreptolisinas, hemolisinas solubles en agua que se unen a los restos de colesterol en la membrana de la célula huésped para formar un poro. Los dos tipos de estreptolisinas, O y S, se clasifican por su capacidad para causar hemólisis en los eritrocitos en ausencia o presencia de oxígeno. La estreptolisina O no es activa en presencia de oxígeno, mientras que la estreptolisina S lo es en presencia de oxígeno. Otras toxinas importantes que alteran la membrana formadora de poros incluyen la toxina alfa de Staphylococcus aureus y neumolisina de steotococos neumonia.

Las fosfolipasas bacterianas son toxinas que alteran la membrana.s que degradan la bicapa de fosfolípidos de las membranas celulares en lugar de formar poros. Ya hemos discutido las fosfolipasas asociadas con B. anthracis, L. pneumophila, y Rickettsia especies que permiten que estas bacterias efectúen la lisis de los fagosomas. Estas mismas fosfolipasas también son hemolisinas. Otras fosfolipasas que funcionan como hemolisinas incluyen la toxina alfa de Clostridium perfringens, fosfolipasa C de P. aeruginosay toxina beta de Staphylococcus aureus.

Algunas cepas de S. aureus también producen una leucocidina llamada leucocidina Panton-Valentine (PVL). La PVL consta de dos subunidades, S y F. El componente S actúa como la subunidad B de una exotoxina A-B ya que se une a los glicolípidos de la membrana plasmática externa de las células animales. El componente F actúa como la subunidad A de una exotoxina A-B y lleva la actividad enzimática. La toxina se inserta y se ensambla en un poro de la membrana. Los genes que codifican PVL están presentes con mayor frecuencia en S. aureus cepas que causan infecciones de la piel y neumonía.1 La PVL promueve las infecciones de la piel al causar edema, eritema (enrojecimiento de la piel debido a la dilatación de los vasos sanguíneos) y necrosis de la piel. También se ha demostrado que la PVL causa neumonía necrosante. La PVL promueve efectos proinflamatorios y citotóxicos sobre los leucocitos alveolares. Esto da como resultado la liberación de enzimas de los leucocitos que, a su vez, causan daño al tejido pulmonar.

La tercera clase de exotoxinas es el superantígeno.s. Se trata de exotoxinas que desencadenan una estimulación excesiva e inespecífica de las células inmunitarias para secretar citocinas (mensajeros químicos). La producción excesiva de citocinas, a menudo llamada tormenta de citocinas, provoca una fuerte respuesta inmunitaria e inflamatoria que puede causar fiebre alta, presión arterial baja, insuficiencia multiorgánica, shock y muerte que ponen en peligro la vida. El superantígeno prototipo es la toxina del síndrome de choque tóxico de S. aureus. La mayoría de los casos de síndrome de choque tóxico están asociados con la colonización vaginal por agentes productores de toxinas. S. aureus en mujeres que menstrúan; sin embargo, también puede ocurrir la colonización de otras partes del cuerpo. Algunas cepas de Streptococcus pyogenes también producen superantígenos; se les conoce como exotoxinas mitogénicas estreptocócicas y toxinas pirogénicas estreptocócicas.

Ejercicio ( PageIndex {2} )

  1. Describe cómo las exoenzimas contribuyen a la invasión bacteriana.
  2. Explique la diferencia entre exotoxinas y endotoxinas.
  3. Nombra las tres clases de exotoxinas.

Factores de virulencia para la supervivencia en el huésped y la evasión inmune

Evadir el sistema inmunológico también es importante para la invasión. Las bacterias utilizan una variedad de factores de virulencia para evadir la fagocitosis por parte de las células del sistema inmunológico. Por ejemplo, muchas bacterias producen cápsulas, que se utilizan en la adhesión, pero también ayudan en la evasión inmunológica al prevenir la ingestión por parte de los fagocitos. La composición de la cápsula evita que las células inmunitarias puedan adherirse y luego fagocitar la célula. Además, la cápsula hace que la célula bacteriana sea mucho más grande, lo que dificulta que las células inmunitarias traguen al patógeno (Figura ( PageIndex {8} )). Una bacteria productora de cápsulas notable es el patógeno grampositivo. steotococos neumonia, que causa neumonía neumocócica, meningitis, septicemia y otras infecciones del tracto respiratorio. Cepas encapsuladas de S. pneumoniae son más virulentas que las cepas no encapsuladas y es más probable que invadan el torrente sanguíneo y causen septicemia y meningitis.

Algunos patógenos también pueden producir proteasas para protegerse contra la fagocitosis. Como se describe en Adaptive Specific Host Defenses, el sistema inmunológico humano produce anticuerpos que se unen a moléculas de superficie que se encuentran en bacterias específicas (por ejemplo, cápsulas, fimbrias, flagelos, LPS). Esta unión inicia la fagocitosis y otros mecanismos de eliminación y eliminación de antibacterianos. Las proteasas combaten la eliminación y eliminación mediada por anticuerpos al atacar y digerir las moléculas de anticuerpos (Figura ( PageIndex {8} )).

Además de las cápsulas y proteasas, algunos patógenos bacterianos producen otros factores de virulencia que les permiten evadir el sistema inmunológico. Las fimbrias de ciertas especies de Estreptococo contienen proteína M, que altera la superficie de Estreptococo e inhibe la fagocitosis bloqueando la unión de las moléculas del complemento que ayudan a los fagocitos a ingerir patógenos bacterianos. La bacteria ácido-resistente Tuberculosis micobacteriana (el agente causante de la tuberculosis) produce una sustancia cerosa conocida como ácido micólico en su envoltura celular. Cuando es engullido por los fagocitos en el pulmón, la capa protectora de ácido micólico permite que la bacteria resista algunos de los mecanismos de muerte dentro del fagolisosoma.

Algunas bacterias producen factores de virulencia que promueven la infección mediante la explotación de moléculas producidas naturalmente por el huésped. Por ejemplo, la mayoría de las cepas de Staphylococcus aureus producen la exoenzima coagulasa, que aprovecha el mecanismo natural de la coagulación de la sangre para evadir el sistema inmunológico. Normalmente, la coagulación de la sangre se desencadena en respuesta al daño de los vasos sanguíneos; las plaquetas comienzan a taponar el coágulo y se produce una cascada de reacciones en las que el fibrinógeno, una proteína soluble producida por el hígado, se escinde en fibrina. La fibrina es una proteína insoluble similar a un hilo que se une a las plaquetas sanguíneas, se entrecruza y se contrae para formar una malla de plaquetas y glóbulos rojos agrupados. El coágulo resultante evita una mayor pérdida de sangre de los vasos sanguíneos dañados. Sin embargo, si las bacterias liberan coagulasa en el torrente sanguíneo, la cascada de fibrinógeno a fibrina se activa en ausencia de daño en los vasos sanguíneos. El coágulo resultante recubre la bacteria en fibrina, protegiendo a la bacteria de la exposición a las células inmunes fagocíticas que circulan en el torrente sanguíneo.

Mientras que la coagulasa hace que la sangre se coagule, las quinasas tienen el efecto opuesto al desencadenar la conversión de plasminógeno en plasmina, que participa en la digestión de los coágulos de fibrina. Al digerir un coágulo, las quinasas permiten que los patógenos atrapados en el coágulo escapen y se propaguen, de manera similar a la forma en que la colagenasa, la hialuronidasa y la DNAsa facilitan la propagación de la infección. Los ejemplos de quinasas incluyen estafiloquinasas y estreptoquinasas, producidas por Estafilococo aureusy Streptococcus pyogenes, respectivamente. Es intrigante que S. aureus puede producir coagulasa para promover la coagulación y estafiloquinasa para estimular la digestión de los coágulos. La acción de la coagulasa proporciona una barrera protectora importante del sistema inmunológico, pero cuando los suministros de nutrientes disminuyen u otras condiciones indican la necesidad de que el patógeno escape y se propague, la producción de estafiloquinasa puede iniciar este proceso.

Un último mecanismo que los patógenos pueden utilizar para protegerse contra el sistema inmunológico se llama variación antigénica, que es la alteración de las proteínas de la superficie para que el sistema inmunológico del huésped ya no reconozca un patógeno. Por ejemplo, la bacteria Borrelia burgdorferi, el agente causante de la enfermedad de Lyme, contiene una lipoproteína de superficie conocida como VlsE. Debido a la recombinación genética durante la replicación y reparación del ADN, esta proteína bacteriana sufre una variación antigénica. Cada vez que se presenta fiebre, la proteína VlsE en B. burgdorferi puede diferir tanto que los anticuerpos contra secuencias previas de VlsE no son eficaces. Se cree que esta variación en el VlsE contribuye a la capacidad B. burgdorferi causar una enfermedad crónica. Otro patógeno bacteriano humano importante que utiliza la variación antigénica para evitar el sistema inmunológico es Neisseria gonorrhoeae, que causa la gonorrea, una enfermedad de transmisión sexual. Esta bacteria es bien conocida por su capacidad de sufrir una variación antigénica de sus pili de tipo IV para evitar las defensas inmunitarias.

Ejercicio ( PageIndex {3} )

  1. Nombra al menos dos formas en las que una cápsula brinda protección contra el sistema inmunológico.
  2. Además de las cápsulas, mencione otros dos factores de virulencia utilizados por las bacterias para evadir el sistema inmunológico.

Resolución

Sobre la base de los síntomas de rigidez en el cuello y hemiparesia de Michael, el médico sospecha que la infección puede haberse extendido a su sistema nervioso. El médico decide ordenar una punción lumbar para buscar cualquier bacteria que pueda haber invadido las meninges y el líquido cefalorraquídeo (LCR), que normalmente sería estéril. Para realizar la punción lumbar, la parte baja de la espalda de Michael se limpia con un antiséptico de yodo y luego se cubre con una sábana esterilizada. La aguja se retira asépticamente del embalaje de plástico sellado del fabricante con las manos enguantadas del médico. Se inserta la aguja y se extrae un pequeño volumen de líquido en un tubo de muestra adjunto. El tubo se retira, se tapa y se coloca una etiqueta preparada con los datos de Michael. Esta muestra STAT (se requiere análisis urgente o inmediato) se divide en tres tubos estériles separados, cada uno con 1 ml de LCR. Estos tubos se llevan inmediatamente al laboratorio del hospital, donde se analizan en los departamentos de química clínica, hematología y microbiología. Los resultados preliminares de los tres departamentos indican que se está produciendo una infección cerebroespinal, y el departamento de microbiología informó la presencia de un bacilo grampositivo en el LCR de Michael.

Estos resultados confirman lo que su médico sospechaba: los nuevos síntomas de Michael son el resultado de la meningitis, una inflamación aguda de las membranas que protegen el cerebro y la médula espinal. Debido a que la meningitis puede poner en peligro la vida y debido a que la primera terapia con antibióticos no fue eficaz para prevenir la propagación de la infección, a Michael se le prescribe un ciclo agresivo de dos antibióticos, ampicilina y gentamicina, para administrar por vía intravenosa. Michael permanece en el hospital durante varios días para recibir atención de apoyo y en observación. Después de una semana, se le permite regresar a casa para reposo en cama y antibióticos orales. Después de 3 semanas de este tratamiento, se recupera por completo.

Virulencia viral

Aunque los patógenos virales no son similares a los patógenos bacterianos en términos de estructura, algunas de las propiedades que contribuyen a su virulencia son similares. Los virus utilizan adhesinas para facilitar la adhesión a las células del huésped, y ciertos virus envueltos dependen de la variación antigénica para evitar las defensas inmunitarias del huésped. Estos factores de virulencia se analizan con más detalle en las siguientes secciones.

Adhesinas virales

One of the first steps in any viral infection is adhesion of the virus to specific receptors on the surface of cells. This process is mediated by adhesins that are part of the viral capsid or membrane envelope. The interaction of viral adhesins with specific cell receptors defines the tropism (preferential targeting) of viruses for specific cells, tissues, and organs in the body. The spike protein hemagglutinin found on Influenzavirus is an example of a viral adhesin; it allows the virus to bind to the sialic acid on the membrane of host respiratory and intestinal cells. Another viral adhesin is the glycoprotein gp20, found on HIV. For HIV to infect cells of the immune system, it must interact with two receptors on the surface of cells. The first interaction involves binding between gp120 and the CD4 cellular marker that is found on some essential immune system cells. However, before viral entry into the cell can occur, a second interaction between gp120 and one of two chemokine receptors (CCR5 and CXCR4) must occur. Table (PageIndex{5}) lists the adhesins for some common viral pathogens and the specific sites to which these adhesins allow viruses to attach.

Table (PageIndex{5}): Some Viral Adhesins and Their Host Attachment Sites
PathogenEnfermedadAdhesinAttachment Site
InfluenzavirusInfluenzaHemagglutininSialic acid of respiratory and intestinal cells
Herpes simplex virus I or IIOral herpes, genital herpesGlycoproteins gB, gC, gDHeparan sulfate on mucosal surfaces of the mouth and genitals
Human immunodeficiency virusHIV/AIDSGlycoprotein gp120CD4 and CCR5 or CXCR4 of immune system cells

Antigenic Variation in Viruses

Antigenic variation also occurs in certain types of enveloped viruses, including influenza viruses, which exhibit two forms of antigenic variation: antigenic drift and antigenic shift (Figure (PageIndex{9})). Antigenic drift is the result of point mutations causing slight changes in the spike proteins hemagglutinin (H) and neuraminidase (N). On the other hand, antigenic shift is a major change in spike proteins due to gene reassortment. This reassortment for antigenic shift occurs typically when two different influenza viruses infect the same host.

The rate of antigenic variation in influenza viruses is very high, making it difficult for the immune system to recognize the many different strains of Influenzavirus. Although the body may develop immunity to one strain through natural exposure or vaccination, antigenic variation results in the continual emergence of new strains that the immune system will not recognize. This is the main reason that vaccines against Influenzavirus must be given annually. Each year’s influenza vaccine provides protection against the most prevalent strains for that year, but new or different strains may be more prevalent the following year.

For another explanation of how antigenic shift and drift occur, watch this video.

Ejercicio ( PageIndex {4} )

  1. Describe the role of adhesins in viral tropism.
  2. Explain the difference between antigenic drift and antigenic shift.

Conceptos clave y resumen

Virulence factors contribute to a pathogen’s ability to cause disease. Exoenzymes y toxins allow pathogens to invade host tissue and cause tissue damage. Exoenzymes are classified according to the macromolecule they target and exotoxins are classified based on their mechanism of action. Bacterial toxins include endotoxin y exotoxins. Endotoxin is the lipid A component of the LPS of the gram-negative cell envelope. Exotoxins are proteins secreted mainly by gram-positive bacteria, but also are secreted by gram-negative bacteria. Bacterial pathogens may evade the host immune response by producing capsules to avoid phagocytosis, surviving the intracellular environment of phagocytes, degrading antibodies, or through antigenic variation. Viral pathogens use adhesins for initiating infections and antigenic variation to avoid immune defenses. Influenza viruses use both antigenic drift y antigenic shift to avoid being recognized by the immune system.

Contribuyente

  • Nina Parker, (Shenandoah University), Mark Schneegurt (Wichita State University), Anh-Hue Thi Tu (Georgia Southwestern State University), Philip Lister (Central New Mexico Community College) y Brian M. Forster (Saint Joseph's University) con muchos autores contribuyentes. Contenido original a través de Openstax (CC BY 4.0; acceso gratuito en https://openstax.org/books/microbiology/pages/1-introduction)


Ver el vídeo: 44. Factores Virulencia (Mayo 2022).


Comentarios:

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