El epitelio intestinal, interfase entre el anfitrión y el patógeno (I)

Parte 1 de 2

El epitelio gastrointestinal  (GI) es la superficie mucosa continua más grande en el cuerpo humano. Adicionalmente al papel del tracto gastrointestinal en la digestión y la adquisición de nutrimentos, el epitelio intestinal también es una barrera exclusiva, que separa el mundo microbiano en el lumen intestinal del ambiente aséptico del intersticio.

Estas dos labores diametralmente opuestas, filtrar contra bloquear, son logradas por una capa simple de células epiteliales. Dentro del epitelio, sin embargo, hay varios tipos de células altamente especializadas dedicadas a la regeneración epitelial, la adquisición de nutrimentos, la defensa innata, el transporte de inmunoglobulina y la vigilancia inmunológica.

El epitelio del estómago, del intestino delgado y del intestino grueso, se caracteriza por una arquitectura gástrica de cripta-vello. En general, las criptas están primariamente involucradas en la renovación celular y en la secreción de iones y agua, mientras que las funciones del epitelio velloso están dirigidas a la adquisición de nutrimentos.

Células madre multipotenciales en las llamadas criptas de Lieberkühn originan una serie de progenitores, que subsecuentemente experimentan diferenciación a tipos definidos de células en cada ubicación. Las células diferenciadas migran a lo largo de los ejes de cada vello, experimentando al final muerte celular programada (apoptosis) y posterior liberación al lumen intestinal.

Así, el epitelio está en constante estado de renovación, realizando un cambio total de su superficie cada 5 a 10 días en la mayoría de las especies de mamíferos. De hecho, es estima que el epitelio intestinal libera aproximadamente 1010 células al día. La capacidad para el cambio total rápido y la auto renovación es crítica para mantener la integridad epitelial y la función de barrera, al prevenir la penetración microbiana en células muertas o dañadas de cara al ambiente luminal.

El epitelio intestinal está bajo constante acoso por el mundo microbiano. Unas cuantas horas después del nacimiento, el intestino es colonizado con una flora microbiana que eventualmente consistirá en más de 1014 organismos. Esta población microbiana juega una parte integral en el metabolismo humano y es, en su mayor parte, considerada benéfica (si no esencial) para la salud.

Sin embargo, un número de especies bacterianas que cohabitan el lumen intestinal son patógenos oportunistas y son capaces de causan enfermedades if obtienen acceso al compartimiento sistémico.

Además de la microflora normal, la mucosa intestinal está constantemente expuesta a microorganismos patógenos y enterotoxinas, como consecuencia de la dieta humana normal. Muchos de estos patógenos microbianos están equipados con armamento molecular sofisticado diseñado para auxiliarles en la colonización e invasión de las células epiteliales intestinales. Es por estas razones que el epitelio intestinal tiene varias barreras innatas para evitar la unión y colonización microbiana en las superficies mucosas, y está altamente coordinado tanto con el sistema inmunológico innato como con el adaptable (a través de la secreción de quimiocinas, citocinas y mediadores lípidos) en el caso de que ocurra infección o intoxicación.

Mucosa gástrica

La mucosa glandular del estómago consiste de 3 regiones generales, la zona celular parietal pura, la zona celular muco-parietal y la zona mucosa pura, colocada adyacente al píloro. Cada unidad glandular del estómago consiste de las regiones fosa, istmo, cuello y base, que se extienden desde la superficie luminal a la región adyacente a la submucosa.

Células madre multipotenciales, localizadas en la región media de las fosas, da origen a todos los linajes celulares epiteliales. Las células parietales, responsables de la secreción de ácido clorhídrico (HCl) experimentan una migración bipolar dentro de la unidad gástrica y se encuentran desde la superficie de la región fosa hasta la base de cada unidad gástrica. El bajo pH del estómago provee una barrera inicial para muchos patógenos que pudieran colonizar ubicaciones subsecuentes en el tracto gastrointestinal.

Las células mucosas del cuello secretan una variedad de mucinas, mientras que las células de la fosa y las que dan hacia el lumen del estómago secretan mucha de la capa mucosa de protección. Células cimógenas secretoras de factor intrínseco se elevan desde la línea de células del cuello para residir en la base de las fosas gástricas. Las células enteroendócrinas, también residentes en la base de las unidades gástricas, secretan varios factores hormonales incluyendo gastrina, que regula la secreción epitelial y la motilidad muscular de la víscera.

Sin embargo, ciertas especies de bacterias, Helicobacter pylori en particular, han evolucionado adaptaciones únicas para sobrevivir en este nicho ambiental. H. pylori se une a estructuras de carbohidrato expresadas en la superficie de las células mucosas del cuello. Una potente ureasa es capaz de cubrir al organismo con una capa protectora de ion amonio para permitir un corto período de supervivencia si se expone a los jugos gástricos ácidos.  Un sistema se secreción tipo IV de H. pylori tiene la capacidad de liberar toxinas a células epiteliales objetivo, produciendo daño en el epitelio e inflamación crónica en el estómago.

 

Intestino delgado

El intestino delgado está compuesto de una serosa exterior dura, e capas musculares, cuyas contracciones rítmicas son responsables de la peristalsis, los tejidos conectivos sueltos de la submucosa y el epitelio intestinal arreglado en proyecciones tipo digital conocidas como vellos.

Células multipotenciales residentes en la base de cada vello, en las llamadas criptas de Lieberkühn, dan origen a 4 linajes epiteliales primarios: enterocitos absorbedores, células caliciformes secretoras de mucina, células enteroendócrinas y células de Paneth.  El epitelio está anclado a una hoja continua de matriz extracelular o membrana basal, consistente de una mezcla de colágeno, laminina y fibronectina.

La composición de la membrana basal varía a lo largo del eje cripta-vello, lo que se cree provee señales esenciales para la proliferación, supervivencia y diferenciación del enterocito.

Los constituyentes celulares de las criptas, células madre, células caliciformes, células enteroendócrinas y las células de Paneth, en conjunto, son responsables de la secreción de agua y iones, así como de secreciones exocrinas, paracrinas y endócrinas, mientras que los vellos intestinales son primariamente responsables de la absorción de fluido y nutrimentos.

La migración de células a lo largo del acceso cripta-vello toma de 5 a 7 días y finalmente resulta en la extrusión o descamado de células epiteliales apoptósicas de las puntas de los vellos. Aunque este evento ha sido bien definido desde el punto de visto histológico, los eventos moleculares y celulares exactos asociados con el descamado epitelial se entienden solo parcialmente, ya que aparentemente hay diferencias mecanísticas entre especies. Independientemente de estas diferencias, la extrusión de una sola célula epitelial de la monocapa epitelial necesita la pérdida tanto de la matriz celular como de interacciones celulares.

En el intestino delgado humano, las células que se separan de las puntas de los vellos son caspasa-3 positivo indicando que la apoptosis se inicia junto antes de (o simultáneamente con) la separación de la matriz extracelular. La extrusión de las células apoptósicas se logra sin comprometer la barrera epitelial; a medida que las células son extruidas del epitelio, procesos de las células adyacentes se extienden bajo ellas, y en particular, elementos de unión fuerte proliferan entre las células en extrusión y sus vecinas, lo que parece mover hacia abajo el margen lateral de las células en extrusión a medida que se extiende hacia el lumen.

Las células vecinas son generalmente positivas para cadena ligera de miosina fosforilada, sugiriendo que el descamado intestinal comparte similitudes con la reparación de herida oligocelular. La extrusión involucra anillos actina-miosina formados alrededor de las células moribundas. Se ha propuesto que hay fisuras transitorias en el epitelio pero que son llenados con una substancia impermeable que preserva la integridad del mismo.

Enterocitos absorbedores

Los enterocitos absorbedores son el tipo predominante de célula epitelial en el intestino delgado y son responsables del grueso de la absorción de nutrimentos desde el lumen intestinal.

Los enterocitos absorbedores tienen forma columnar, con una altura de alrededor de 25 µm y un ancho de 8 µm. Los enterocitos están unidos uno al lado del otro en sus aspectos apicales por las llamadas uniones apretadas (TJ, por sus siglas en inglés) o Zonula Occludens, un complejo multiproteínico subcelular que juega dos importantes papeles en la biología epitelial: primero, las TJs sirven como una “barda” que físicamente restringe el movimiento de proteínas (enzimas, canales y transportadores de membrana) entre las bioquímica y morfológicamente distintas membranas de plasma apical y basolateral; en segundo lugar, las TJs forman un sello entre las células, por tanto limitando (y controlando) el transporte paracelular de solutos y macromoléculas. Los patógenos y las toxinas microbianas pueden alterar la integridad e las TJs, permitiendo la penetración de la barrera epitelial.

Las superficies apicales de los enterocitos son estructuras subcelulares altamente especializadas, responsables de la digestión terminal y obtención de proteínas, lípidos esteroles, carbohidratos, vitaminas esenciales y minerales desde el lumen intestinal. Las superficies apicales consisten de microvellos estrechamente empacados (aproximadamente 1 µm de alto y 0.1 µm de ancho) que en conjunto forman la llamada membrana en cepillo, que contiene glicoproteínas, incluyendo enzimas digestivas, y es particularmente rica en glicolípidos. Se ha propuesto que las membranas en cepillo están organizadas en al menos dos tipos distintos de balsas lipídicas que permiten la compartimentalización de enzimas y transportadores y por tanto desempeñando funciones subcelulares específicas.

Adicionalmente, los tipos de microvellos den enterocito están cubiertos con una red gruesa de 400-500 nm llamada glicocáliz filamentoso de frontera en cepillo (FBGG, por sus siglas en inglés) que se cree funciona primariamente en la defensa del anfitrión para limitar el acceso de patógenos a los receptores unidos a la membrana (el FBGG puede visualizarse por microscopio de electrones cuando las mezclas son fijadas simultáneamente con osmio y gluteraldehido).

 

Células caliciformes

Las células caliciformes (también conocidas como células productoras de mucina y células goblet, por el anglicismo) son responsables de la producción de gel mucosa que recubre la superficie del epitelio intestinal.

Estas células, reconocidas por su característica forma de cáliz, están presentes en el intestino delgado y el intestino grueso, y se encuentran a lo largo del eje cripta-vello completo. En los vellos del intestino delgado, las células caliciformes están esparcidas entre enterocitos absorbedores.

Bajo condiciones normales, las células caliciformes individuales secretan mucinas, glicoproteínas de lato peso molecular que consisten en polipéptidos centrales fuertemente decorados con cadenas laterales de oligosacáridos unidas tanto con uniones N- como con O-. Esta secreción basal de mucinas es necesaria tanto para el mantenimiento como para la renovación de la capa mucosa, que es importante tanto en la función epitelial como en la defensa (la capa mucosa ayuda en la lubricación y protección de la mucosa intestinal al tiempo que sirve como un importante mecanismo de defensa contra patógenos y toxinas microbianos).

El gel viscoso de moco limita la difusión de macromoléculas e impide la motilidad de los parásitos y patógenos bacterianos. A través de las cadenas laterales heterogéneas de oligosacáridos ligados por N- y O- en las mucinas, la capa mucosa también provee ligandos “señuelo”  para las adhesinas tipo lectina expresadas por los patógenos y toxinas microbianos, inhibiendo competitivamente estos agentes del acceso a sus receptores en las superficies apicales de los enterocitos.

En situaciones donde el epitelio intestinal es expuesto a patógenos microbianos, toxinas y algunos otros irritantes intraluminales, las células caliciformes pueden liberar mucinas adicionales que están normalmente almacenadas en gránulos que residen en el ápice (apicales).

 

Células enteroendócrinas

Las células enteroendócrinas son una sub-población especializada de células epiteliales “sensorias” que sirven como un enlace entre el lumen intestinal y el sistema nervioso entérico. La función primaria de este tipo de célula epitelial es secretar hormonas y transmisores péptido.

Las células enterocromafinas, por ejemplo, son responsables de la producción y secreción de serotonina (5-hidroxitriptamina), una hormona que regula, entre otras cosas, los reflejos intestinales peristálticos y secretores.

Recientemente, una sub-población de células enteroendócrinas ha sido propuesta como “receptores del gusto”, basándose en análisis de inmunohistoquímica y reacción en cadena de polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés) en tiempo real, demostrando la presencia de moléculas señales del gusto en el intestino delgado de ratones.

 

Células de Paneth

Las células de Paneth migran a la base de la cripta, en donde estás células residen por un promedio de 21-28 días en la mayoría de los mamíferos. Las células de Paneth poseen un aparato secretor pical bien desarrollado. Su localización en la base de la cripta las pone en una posición ideal para entregar factores de crecimiento a las células en división en los compartimientos más altos de la cripta, y a crear gradientes de factores antimicrobianos que limitan, e incluso previenen, la colonización microbiana de las criptas del intestino delgado.

Los factores antimicrobianos calve producidos por las células de Paneth incluyen lisozimas, las criptidinas (α-defensinas) y otras enzimas digestivas con conocidas propiedades antimicrobianas.

 

Otros tipos celulares

Los enterocitos no diferenciados de la cripta son morfológica y bioquímicamente distintos de los enterocitos de los vellos y constituyen una población menor de células dentro de las criptas.

Una característica cardinal de los enterocitos no diferenciados de la cripta es su expresión del receptor polimérico de inmunoglobulina (pIgR, por sus siglas en inglés), el cual es responsable por el transporte unidireccional (basolateral a apical) de inmunoglobulinas A (IgA) y M (IgM) poliméricas desde los fluidos intersticiales hasta el lumen intestinal.

 

Epitelio colónico

A diferencia del intestino delgado con una estructura cripta-vello, el colon consiste de una unidad aplanada cripta-lámina. Las células migratorias atraviesan las criptas epiteliales a la orilla de la lámina y la superficie del epitelio de cara al lumen, en donde son posteriormente pérdidas a través del mismo proceso de apoptosis.

Las criptas epiteliales de Lieberkühn en el colon dan origen a 3 linajes colónicos primarios diferenciados. Los colonocitos absorbedores juegan papeles específicos, dependiendo de su ubicación. El epitelio en el cecum y el colon proximal expresan H+ /K+ ATPasa basolateral que rige la absorción significativa de agua y electrolitos secretados durante la digestión.

Más distalmente, el epitelio saludable es impermeable a agua y electrolitos, contribuyendo a la compactación y paso adicional de la materia fecal.

Como en el intestino delgado, las células caliciformes colónicas secretan varias mucinas que crean una capa viscosa protectora y lubricante sobre el epitelio, impenetrable a muchas especies microbianas, y que contiene carbohidratos estructurales capaces de saturar las adhesiones microbianas.

Las células de Paneth están presentes en el cecum y en el colon proximal de los humanos y otras especies, pero está ausente en el colon del ratón.

Las células epiteliales colónicas son capaces de secretar varios péptidos antimicrobianos, incluyendo β-defensinas y catelicidinas, particularmente durante una infección.

Es de notar que la carga bacteriana en los mamíferos post-natales alcanza sus mayores niveles en el cecum y el colon. La degradación microbiana del material alimenticio residual permite que el anfitrión absorba energía (calorías) adicional que de otra forma no estarían disponibles. En muchos casos, el epitelio cecal está especializado en absorber productos producidos por microbios como ácidos grasos de cadena corta y media.

 

Epitelio asociado al folículo y células M

El epitelio intestinal mantiene una estrecha colaboración con una red inmunológica subyacente, colectivamente llamada sistema inmune mucoso. Esta colaboración es más aparente en los folículos linfoides organizados, presentes a través del intestino delgado y el colon.

En el intestino delgado, estas estructuras macroscópicas consisten de agregados de entre 5 y 10 folículos linfoides conocidos como parches de Peyer, que contienen centros germinales que representan los sitios primarios de diferenciación  e hipermutación celular somática de células B mucosas.

Como los tejidos linfoides asociados a mucosa carecen de linfáticos aferentes, el centro de actividad germinal es regido exclusivamente en respuesta a antígenos presentes en el lumen intestinal. La obtención y transporte transepitelial de antígenos macromoleculares del lumen intestinal a los folículos linfoides organizados es realizado por el llamado epitelio asociado al folículo (FAE, por sus siglas en inglés).

FAE

El FAE es distinto del epitelio velloso tanto en estructura como en función. Mientras que el epitelio velloso está especializado en digestión y absorción de nutrimentos y está dominado por enterocitos absorbedores, células caliciformes secretoras de mucina y células enteroendócrinas, el FAE contiene pocas o ninguna células caliciformes o células enteroendócrinas y tiene niveles reducidos de ciertas enzimas digestivas. También hay algunas pocas células de Paneth productoras de defensina y lisozima en las criptas asociadas al folículo.

Los enterocitos dentro del FAE, como sus contrapartes en los vellos, tienen microvellos bien desarrollados y están cubiertos con una FBGG gruesa, pero no son idénticos a las células de los vellos. Por ejemplo, los enterocitos FAE expresan bajos niveles de hidrolasas asociadas a la membrana, involucradas en funciones digestivas. También es aparente que los patrones de glucosilación de las células epiteliales en el FAE entero difieren de aquellos en los vellos, indicando que la expresión de glucosiltransferasa en FAE es distinta.

Los FAE de los parches de Peyer también expresan quimiocinas (CCL9, CCL20) involucradas en la recirculación de leucocitos y que no son expresados en otro lugar del epitelio del intestino delgado. Finalmente, el FAE no posee pIgR y por lo tanto es incapaz de transporta IgA del intersticio al lumen.

 

Células M

Probablemente la características más distintiva del FAE es la presencia de células M, un tipo único de células epiteliales especializado en la obtención y transporte transepitelial de antígenos particulados, incluyendo partículas y macromoléculas, virus, bacterias y parásitos. De hecho, las células M han sido consideradas la puerta de entrada al tejido linfoide asociado al intestino (GALT, por sus siglas en inglés).

Las superficies apical y basolateral de las células M tienen distintas características que les permiten rápida y eficientemente liberar antígenos mucosos desde el lumen a los folículos linfoides subyacentes. Por ejemplo, las células M carecen de un borde de cepillo y FBBG bien desarrollados, presente en los enterocitos; en consecuencia, las membranas apicales de las células M son más accesibles a las partículas, virus y bacterias que los enterocitos adyacentes.

En los ratones y en los humanos, las superficies apicales de las células M tienen un patrón de glucosilación distinto de los enterocitos FAE y de los enterocitos de los vellos. Las células M también expresan de manera selectiva los receptores  tipo toll (TLRs, por sus siglas en inglés) y los receptores de reconocimiento de patrón (PRRs, por sus siglas en inglés) en sus membranas apicales, lo que puede facilitar el reconocimiento de antígenos y contribuir a la señalización en el ambiente local.

La membrana basolateral de la célula M está profundamente invaginada para formar una gran bolsa intraepitelial que contiene sub-poblaciones especializadas de células ingenuas y de memoria B y T, así como células dendríticas ocasionales. La bolsa lleva la superficie basolateral de la célula M hasta a unos cuantos micrones de la superficie apical, acortando la distancia que las vesículas transcelulares deben viajar para cruzar el epitelio.

La función inmunológica de las poblaciones de células B y T dentro de las bolsas de las células M, no obstante, no es clara. Las células T residentes son principalmente CD4+ y en los humanos la mayoría presenta CD45RO, un marcador superficial típico de las células de memoria T, lo que las distingue de los linfocitos intraepiteliales CD8+ efectores.

La población de células B es una mezcla de células ingenuas (SIgD+) y de memoria (SIgD-) que se cree se originan en los folículos de células B subyacentes.

Se ha propuesto que las bolsas de células M son extensiones de los centros germinales y que las células de memoria B en este nicho pueden estar activamente dedicadas en muestrear antígenos luminales y a presentarlos a células T adyacentes. Las células T activadas expresando CD40L podrían a la vez inducir la supervivencia y proliferación de células de memoria B CD40+.

 

Linfocitos intraepiteliales

Los linfocitos intraepiteliales (IELs, por sus siglas en inglés) comprenden una población diversa de células T que se asocian estrechamente con el epitelio gastrointestinal. La mayoría de estas células son células T γ/δ TCR+ CD8+ tímico-independientes que se originan en los tejidos linfoides asociados al intestino, incluyendo los criptoparches sub-epiteliales y los folículos linfoides aislados (ILFs, por sus siglas en ingles), en donde experimentan selección y diferenciación.

Los IELs expresan comúnmente integrinas α4β7y αEβ7 específicas de la mucosa. La integrina α4β7 media la unión de células T y B  a la molécula de adhesión celular de adresina mucosal (MadCAM, por sus siglas en inglés) en las vénulas endoteliales altas (HEV, por sus siglas en inglés) en los parches de Peyer y en los nodos de linfa mesentéricos, facilitando la entrada de estas células en el compartimiento mucosal.

La integrina αEβ7 media la unión de IELs a las células epiteliales vía su asociación con E-cadherina. αEβ7 también es expresada en poblaciones de células dendríticas y mastocitos. Más del 90 % de los IELs y del 45 al 50 % de las células T de lamina propia encontradas en el intestino delgado del ratón y el humano expresan la integrina αEβ7. En contraste, menos del 5 % de las células mononucleares  de sangre periférica expresan la integrina αEβ7, ilustrando su expresión preferencial en las células T de la mucosa.

Los IELs se intercalan dentro del epitelio y se cree que proveen un medio de vigilancia inmune. Sin embargo, no se ha demostrado un papel primario para las células T γδ TCR+ en la protección del anfitrión de patógenos entéricos Gram-negativo, incluyendo Salmonella typhimurium, Citrobacter rodentium o Yersinia enterocolitica. En contraste defectos en las células T CD4+ o células T αβ TCR+ impactan la inmunidad a los organismos Gram-negativo incluyendo Salmonella spp, Citrobacter rodentium y Yersinia spp entéricas.

Las células T γδ TCR+ han demostrado mejorar el mantenimiento de la función de la barrera epitelial durante infecciones in vitro con Toxoplasma gondii y Salmonella spp. En la ausencia de células T αβ TCR+ CD4+, las células T γδ TCR+ pueden proveer alguna protección contra Salmonella spp y Cryptosporidium parvum, y se han demostrado sus funciones protectoras en infecciones primarias con parásitos intestinales.

Sin embargo, aunque las células T γδ TCR+ incrementan en número durante varios procesos infecciosos in vivo, desde peritonitis bacteriana hasta infecciones primarias o secundarias con patógenos virales o bacterianos,  la identificación de su papel en la defensa del anfitrión in vivo no se ha definido del todo.