Patogenicitat microbiana: mecanismes de colonització de l'hoste

Al llarg de l’evolució, els microorganismes han estat capaços de colonitzar gaire bé tots els medis possibles. Ho han aconseguit gràcies a les adaptacions que desenvolupen, segons les condicions en què es troben. Una d’aquestes adaptacions consisteix a establir una relació amb un altre organisme, que pot ser beneficiosa per tots dos (simbiosi) o només pel microorganisme (parasitisme). En el cas que aquesta relació només sigui beneficiosa pel microorganisme, aquest s’anomenarà patogen i causarà dany en l’altre organisme (hoste). Per colonitzar l’hoste, els patògens utilitzen diferents mecanismes de colonització:

Unió a la cèl·lula hoste

Figura 1. Reconeixement de les PAMP del
patogen per part de les PRR del macròfag.

Els bacteris patògens són capaços d'unir-se específicament a les cèl·lules epitelials de l'hoste, mitjançant interaccions macromoleculars entre la seva superfície i la superfície de les cèl·lules que infecta.

Aquesta unió específica es realitza mitjançant polisacàrids, proteïnes o carbohidrats que la cèl·lula bacteriana sintetitza. Aquests, s'acumulen externament a la seva paret cel·lular formant una massa difosa de fibres de polímers penetrables (capa mucosa)  o una capa més densa i ben definida (càpsula bacteriana). Aquestes estructures serveixen tant per adherir-se a les cèl·lules de l’hoste, com per protegir-se dels seus mecanismes de defensa. (1)

Protecció contra la fagocitosi

Un dels mecanismes de defensa de l’hoste és la fagocitosi mitjançant macròfags. El macròfag reconeix el patogen gràcies a molècules reconeixedores de proteïnes (PRR), que reconeixen les estructures moleculars relacionades als patògens (PAMP). La interacció entre la PRR i la PAMP desencadena en el macròfag la producció de compostos tòxics oxigenats que causen la mort del bacteri (Figura 1). (2)

Alguns patògens han desenvolupat mecanismes per neutralitzar aquests productes tòxics:

• Staphylococcus aureus produeix uns pigments carotenoides que neutralitzen els compostos oxigenats i prevenen la seva mort. (3)
• Mycobacterium tuberculosis és capaç de créixer i persistir dins les cèl·lules fagocítiques, utilitzant els glicolípids de la seva paret cel·lular per absorbir els compostos tòxics d'oxigen més letals.
• Streptococcus pyogenes i Staphylococcus aureus produeixen leucocidines en ser digerits pel macròfag, unes proteïnes que provoquen la seva mort.
• Streptococcus pneumoniae és virulent si té una càpsula bacteriana gruixuda que li confereix capacitat protectora perquè evita la unió del macròfag a la seva superfície.
• Streptococcus pyogenes produeix també proteïnes M (Figura 2) que es dipositen sobre el grup carboxil de la membrana cel·lular interna, formant una capa en l'exterior. La seva funció principal és impedir l'opsonització, que milloraria la unió entre l'antigen i l'anticòs per afavorir el reconeixement per part del macròfag.

Figura 2. Proteïnes M d'Streptococcus pyogenes.

Protecció contra el sistema immunitari
Els microorganismes que sobreviuen a la fagocitosi (defensa inespecífica) s'han d'enfrontar a la defensa específica, el sistema immunitari. Per fer-ho, poden modificar els seus antígens genèticament i eludir el seu reconeixement per part de l'hoste, evitant que aquest produeixi els anticossos específics. També poden sintetitzar proteases, uns enzims que destrueixen els anticossos IgA de les superfícies epitelials de l'hoste i que permeten al patogen colonitzar les superfícies mucoses amb més facilitat. (4)

Pili i fímbries

Els pilis i les fímbries són estructures proteiques de la superfície bacteriana que s’adhereixen a glicoproteïnes de la membrana de les cèl·lules afectades, generant un ancoratge.

Figura 3. Estructura de les fímbries i les proteïnes adhesines.

Les fímbries esta formales per filamentos retes de proteïnes distribuïts en gran quantitat per tota la superficie del bacteri. Aquests filaments contenen pilines, unes proteïnes amb gran variabilitat antigènica, és a dir, que produeixen molts anticossos diferents. Aquesta àmplia variabilitat antigènica fa que l'hoste no pugui arribar a produir tots els anticossos necessaris per combatre tots els antígens presents. Les fímbries poden adherir-se a les superfícies gràcies a les adhesines (Figura 3), unes proteïnes específiques presents en els seus laterals. (5)
Les adhesines són proteïnes del grup lectines que poden trobar-se en els extrems de les fímbries (ashesines fímbriques), com les fímbries P d'E. coli, o directament unides a la superfície del bacteri (adhesines afímbriques), com l'adhesina HMW de Haemophilius influenzae. (6) Un mateix bacteri pot codificar els diferents tipus d'adhesines i presentar-les alhora o en diferents moments durant la infecció. Això dificulta la resposta de l'organisme per combatre el patogen. (7)

Les fímbries més comunes en espècies patògenes com Escherichia sp. o Salmonella sp. són les fímbries de tipus I , que trobem en el gen fimA, controlat per l'expressió dels gens fimB i fimE. (8) Les soques fimbriades d'Escherichia coli causen més infeccions que les soques no fimbriades. (9)

Els pili són estructures proteiques allargades i acostuma a haver-n’hi un o dos sobre la superfície cel·lular. Tenen una funció d'ancoratge a superfícies i de transmetre informació a altres bacteris per conjugació. Els pilis més freqüents en bacteris patògens són els de tipus IV, que proporcionen un desplaçament al bacteri mitjançant extensions i retraccions, òptim per la mobilitat en els teixits de l'hoste. (10)

Mecanismes de colonització

La taula següent mostra els diferents mecanismes de colonització explicats anteriorment:

Mecanisme	Funció	Exemple
Pigments carotenoides	Neutralitzar compostos oxigenats	Staphylococcus aureus
Glicolípids de la paret cel·lular	Absorbir els compostos tòxics oxigenats	Mycobacterium tuberculosis
Leucocidines	Provocar la mort del fagòcit	Streptococcus pyogenes
Càpsula bacteriana	Evita que el macròfag s’uneixi al bacteri	Streptococcus pneumoniae
Proteïnes M	Impedir l’opsonització	Streptococcus pyogenes
Proteases	Destruir anticossos IgA	E.coli
Pilines (fímbries)	Produir moltes varietats d’antígens	Salmonella sp.
Adhesines (fímbries)	Adherir-se a les glicoproteïnes de la cèl·lula hoste	Salmonella sp.
Pilis	Adherir-se a les superfícies i permetre la conjugació	Escherichia coli

Illes de patogenicitat

Alguns dels gens que codifiquen aquests mecanismes explicats anteriorment es troben en les illes de patogenicitat, seqüències de DNA adquirides al llarg de l'evolució per transferència gènica horitzontal. La presència d'aquestes illes en el gen d’un bacteri incrementa la seva capacitat de virulència respecte a un bacteri que no hagi incorporat aquests fragments de DNA. La incorporació d’aquests fragments es detecta en el cromosoma bacterià per una proporció de Guanina-Citosina inferior a la proporció de la resta del genoma.

En bacteris gramnegatius trobem una illa de patogenicitat amb gens que codifiquen per un mecanisme anomenat type III secretion system o TTS. Aquest, permet al bacteri secretar proteïnes virulentes que inhibeixen el sistema de transmissió de senyals de la cèl·lula infectada. Quan els senyals no es transmeten correctament, la resposta immunitària no es pot activar. També poden afectar els filaments d'actina de la cèl·lula la qual cosa els hi facilita l'adhesió a la seva superfície. (11)

Conclusions
En aquesta recerca hem pogut concloure que els mecanismes de colonització responen a tres objectius principals: adherir-se a l’hoste, penetrar-hi i sobreviure a les defenses d’aquest. Les illes de patogenicitat són un avantatge evolutiu, ja que permeten als microorganismes adquirir gens que faciliten l’assoliment d’aquests objectius. Com més abundants siguin els gens patògens que adquireix un organisme, més gran serà la seva virulència; podrà respondre a les defenses de l’hoste i evitar ser eliminat.

Bibliografia
(1).  Pizarro, J., Cossart, P. (2006). Bacterial Adhesions and Entry into Host Cells: Cell. 124(4), 715-727. Doi: 10.1016/j.cell.2006.02.012
(2). Ribet, D., Cossart, P. (2015). How bacterial pathogens colonize their host and invade deeper tissues: Microbes and infection, 17(3), 173-183. Doi: 10.1016/j.micinf.2015.01.004
(3). Garçon, C., Kelley, W.L. (2009). Staphylococcus aureus: new evidence for intracellular persistence. Trends Microbial, 17, pp. 59-65. Doi: 10.1016/j.tim.2008.11.005

(4).  Ingraham JL., Ingraham CA. (1988). Introducción a la microbiología. Barcelona: Reverté.

(5).  Shaechter M., Ingraham L., Neirdhart F. (2009). Microorganismes: Traducció de la primera edició Nord-Americana. 1a ed. Revertí.
(6). Winn, W., Allen, S., Janda, W., Koneman, E., Procop, G., Schreckenberger, P., Woods, G. (2008). Diagnóstico microbiológico texto y atlans en color: 197. 6a ed. Madrid: Editorial medica Panamericana.
(7). Murray, PR., Rosenthal KS., Pfaller, MA. (2009). Microbiologia Medica. 6a ed. Barcelona: Elsevier.

(8).  Klemm, P. (1986) Two regulatory fim genes, fimB and fimE, control de phase variation of type 1 fimbriae in Escherichia coli. The EMBO Journal. 5(6) 1389-1383.

(9).  Avalos Bizcarra, I. (2016). How type 1 fimbriae help Escherichia coli to evade extracellular antibiotics. Sci. Rep.18109 (6); doi: 10.1038/srep18109.

(10). Madigan MT, Martinko JM, Dunlap PV. & Clark DP. (2009). Brock: Biología de los microorganismos. 12ª ed. Pearson Educación.

(11).  Prescott, Harley, Klein. (2008). Microbiología. 7a ed. Madrid: McGraw Hill.

(12). Granados R, Villaverde MC. (2009). Microbiología: Bacteriología. Características i clasificación bacteriana. Virología. Madrid: editorial parainfo.