Los receptores tipo Toll son sensores del sistema inmune innato

Colaboracion: Dr. Leonardo Mauro

Las endotoxinas de los gramnegativos permitirían que el sistema inmune innato se active para eliminar los pequeños inóculos a los que los seres humanos están expuestos con frecuencia

Introducción
Los vertebrados poseen dos tipos fundamentales de inmunidad. El sistema más antiguo es la fagocitosis, mientras que el más evolucionado es el de los anticuerpos. Con el tiempo se comprendió que la inmunidad adaptativa está subordinada en muchas maneras a la inmunidad innata. Sin la presentación de antígenos por las células mononucleares fagocíticas no se pueden iniciar las respuestas inmunes adaptativas. Las inmunodeficiencias que incluyen defectos de la línea mieloide son a menudo más graves que las relacionadas con defectos del linaje linfoide.
La identidad de los receptores del sistema inmune innato no se conocía hasta hace poco. El descubrimiento del sistema aferente usado por las células inmunes innatas para percibir infección fue un gran avance en la inmunología. La investigación del mecanismo de toxicidad de las exotoxinas llevó a comprender que los receptores tipo Toll (TRR) son sensores esenciales que activan tanto las respuestas inmunes innatas como adaptativas.

Historia
Las endotoxinas fueron identificadas como agentes responsables de fiebre y shock en animales inoculados con preparaciones de Vibrio cholerae muertos o con microorganismos neutralizados con anticuerpos. Más tarde se descubre la naturaleza lipopolisacárida de las endotoxinas, mostrando que es un componente de la membrana externa de las bacterias gramnegativas.
Las endotoxinas son sólo perjudiciales para los mamíferos, ya que las aves adquieren resistencia en la vida embrionaria. Entre los mamíferos, los superiores son más sensibles que los inferiores.
La infusión de endotoxina produce fiebre y neutropenia por marginación de neutrófilos dentro del árbol vascular, muchos de ellos en los pulmones, produciendo distrés respiratorio agudo.
Las endotoxinas también modifican las superficies anticoagulantes del endotelio vascular, permitiendo el depósito de fibrina, con depleción de fibrina plasmática. Hay vasodilatación con hipotensión e hipoperfusión de órganos vitales. La isquemia del tracto intestinal puede producir aflujo de más endotoxinas.
Los lipopolisacáridos (LPS) pueden intercalarse en las membranas celulares creando efectos ionofóricos o de señal en ausencia de receptor. Además, son capaces de interactuar con muchos receptores y pueden tener efectos en la coagulación.
Las investigaciones llevaron a demostrar que en ausencia de sensibilidad a LPS no es posible eliminar las infecciones por gramnegativos. La sensibilización a LPS es un fenómeno que tiene como fin poder lidiar con pequeños inóculos de gramnegativos.

Papel de células hematopoyéticas en la sensibilización a endotoxinas
Si bien las endotoxinas interactúan con diferentes células del organismo, el efecto letal de los LPS parece estar conferido por las de origen hematopoyético. Los macrófagos son de vital importancia en la toxicidad de LPS, y serían las principales células de la respuesta.
El factor de necrosis tumoral (TNF) es uno de los productos secretados por macrófagos activados por endotoxinas. La inmunización pasiva contra TNF causa inhibición del efecto letal de los LPS. El TNF es un potente mediador proinflamatorio, capaz de imitar muchos de los efectos de las endotoxinas (shock, coagulación, lesión tisular). In vitro demostró ser capaz de activar neutrófilos, estimulando la liberación de enzimas proteolíticas y prostanoides, y de alterar las superficies endoteliales favoreciendo la coagulación.

El complejo de señalización RTT
Se vio que CD14 es un receptor relevante de LPS en la superficie de las células mononucleares, y la proteína plasmática LBP es transportadora de LPS. Se pudo demostrar que el gen de LPS codifica el RTT4 altamente específico como mediador de respuestas a endotoxinas. El RTT pertenece a una familia de 10 miembros en los seres humanos, que podrían reconocer diferentes productos microbianos. Existe además un tercer componente, la proteína MD-2, y podrían estar involucrados otros más, desconocidos hasta el momento.

Evolución de los RTT y dominio TIR
Se estudiaron los RTT en las moscas de la fruta para comprender su función y se vio que las protegen de las infecciones fúngicas y por grampositivos. Se observó que en los mamíferos se inducía una proteína de importancia inmunológica a partir de la señal de un receptor relacionado con Toll -una proteína de membrana plasmática bifuncional involucrada en el desarrollo y las respuestas inmunes innatas de Drosophila melanogaster-. Este receptor era uno de dos que reconocen la citoquina inflamatoria IL-1. En el lado citoplasmático, ambas cadenas del receptor tipo I de IL-1 son análogas a Toll. Las señales de la IL-1 atraviesan MyD88, IRAK y NF-KAPPAB, produciendo la activación de varios genes involucrados en la respuesta inflamatoria.
Previamente a la demostración de que RTT4 era el receptor de la LPS en los mamíferos, se vio que la proteína era capaz de activar la translocación de NF-KAPPAB al núcleo, como lo hacen Toll y el receptor de IL-1. Se cree que la función evolutiva de Toll en las moscas de la fruta sería una digresión evolutiva. Aun en otras especies, la conservación del dominio TIR (Toll/receptor de IL-1/resistencia), que comprende la mayor parte del dominio citoplasmático de los RTT, tiene una función de defensa. Parece probable que en las moscas de la fruta el dominio TIR estuviera cooptado con propósitos evolutivos. Algunos organismos encontrarían un atajo a partir de señales NF-KAPPAB hacia cambios evolutivos.
Todos los RTT tienen un dominio citoplasmático compuesto principalmente por un dominio TIR conservado, que puede servir para el estudio de modelos evolutivos. Hasta el momento sólo se identificó RTT4, los sensores de endotoxinas, en mamíferos, que son los únicos muy susceptibles a LPS.

Estructura RTT
Se cree que RTT4 es un homodímero, que podría formar un complejo con MD-2 y CD14 durante la señalización de endotoxinas.
El RTT4 en los seres humanos entra en contacto directo con la molécula agonista.

Transducción de señales a partir del receptor de endotoxinas
Al igual que con la activación de IL-1, la de RTT4 lleva a reclutamiento de MyD88, una proteína relacionada con el dominio TIR, que forma un complejo con IRAK o IRAK4, ambas capaces de transducir la señal LPS. IRAK activa TRAF6, que a su vez activa NIK y TAK1, éste último en un proceso dependiente de TAB1 y TAB2.
TAB1 también puede activar MAPK, permitiendo la activación de TNF. TAK1 fosforila proteínas señalosomas, que a su vez fosforilan IKAPPAB, que permite la translocación de NF-KAPPAB al núcleo.
MAL/Tirap también interactúa con RTT4 para activar MAP quinasa, p38 y NF-KAPPAB.
Muchas de las citoquinas que transducen el efecto de LPS son compartidas con las que transducen el efecto lipopéptido o los efectos del ADN no metilado.
Un fenómeno estudiado es el de la tolerancia a endotoxinas. Se sabe que la estimulación por LPS se asocia con una respuesta (translocación de NF-KAPPAB al núcleo y producción de citoquinas) seguida de un estado refractario. Se observó tolerancia cruzada cuando se usa un primer estímulo con lipopéptidos en lugar de LPS. La tolerancia reflejaría la activación de una vía de retroalimentación en la célula, con parálisis de la respuesta a LPS.

Efectos de las mutaciones en el locus RTT4
El gen que codifica RTT4 está sujeto a débil selección de purificación. Es decir que parece resistir cambios estructurales.
La mayoría de los cambios en la secuencia codificadora de RTT4 son débilmente deletéreos, y no se ven mutaciones frecuentes en los seres humanos. Se observaron raras mutaciones de RTT4 con mayor frecuencia en pacientes con infecciones graves por gramnegativos (sepsis meningocócicas).

Cálculos evolutivos
Los LPS son tóxicos, y su mecanismo de toxicidad ha sido preservado por la evolución. El huésped acepta el riesgo de toxicidad a cambio de poder combatir al enfermedad. Una sola mutación hubiera sido suficiente para eliminar la amenaza de toxicidad de las LPS.
Se debe asumir que el mecanismo sensibilizador de LPS en los mamíferos ha sido retenido para poder detectar pequeños inóculos que activarían mecanismos de respuesta inmune innata, pero no inóculos grandes capaces de activar respuestas perjudiciales y letales. La sensibilidad a LPS indica respuesta protectora a pequeñas cargas microbianas, pero a su vez limita la carga que puede ser tolerada sin letalidad.
Para un determinado microorganismo gramnegativo y un determinado huésped se pueden considerar varias relaciones matemáticas. En primer lugar, el efecto letal de un inóculo se relaciona con su tamaño. Hay una sensibilidad superable a LPS que indica el monto máximo de LPS que puede ser tolerado. Esto se puede estimar determinando la curva de letalidad a LPS in vivo. Al mismo tiempo, la probabilidad de recibir un inóculo por unidad de tiempo se relaciona con el tamaño del inóculo: es más probable recibir inóculos pequeños que grandes. Las especies expuestas a altas concentraciones de LPS en el curso de sus vidas no deben tener sensibilidad exquisita a LPS. Finalmente, la supervivencia a un inóculo de determinado tamaño se puede expresar en función de la sensibilidad a LPS: una sensibilidad extremadamente baja producirá infecciones abrumadoras, mientras que una sensibilidad muy alta producirá la muerte.
Las mutaciones y selecciones logran calcular las respuestas óptimas de determinada especie a los microorganismos, si bien los rápidos cambios que se producen en los gérmenes pueden provocar desequilibrio.

Bloqueo farmacológico de las señales RTT4:
¿Es posible y sería correcto? Los intentos por mitigar la toxicidad de las infecciones con anticuerpos anti-LPS, anti-TNF o bloqueos a nivel de CD14 no dieron buenos resultados.
Sería posible producir antagonistas de las proteínas de señal LPS (RTT4, MD-2, CD14, MyD88, IRAK4), lo que bloquearía la transducción de señales. Se debe demostrar su utilidad clínica.
También se podría realizar un bloqueo global de RTT, especialmente a nivel de MyD88 o IRAK4, pero hay que considerar que, en cierto punto, la parálisis inmune sería perjudicial para el huésped.

Resumen y dificultades futuras
Se sabe que el sensor de LPS es uno de los miembros de una familia de paralogos, algunas de cuyas funciones han sido descifradas. Entre los RTT restantes, aún se desconocen los ligandos microbianos para RTT1, 6, 7, 8 y 10, y la mayoría de las moléculas esenciales en la señalización aún deben ser identificadas, así como la función esencial de los genes relacionados.

Beutler B
Innate Immune Responses to Microbial Poisons: Discovery and Function of the Toll-Like Receptors
Annual Review of Pharmacology and Toxicology 43:609-628 2003