2.2. Factores de virulencia y respuesta inmune frente a S. Pyogenes

2.2.1. Factores de virulencia

S. pyogenes despliega diversos factores de virulencia que permiten la colonización, la infección y la diseminación por los tejidos del huésped y, además, la evasión a la respuesta inmune.

Para colonizar al huésped, secreta adhesinas como el ácido lipoteicoico (LTA) y proteínas M, fundamentales para adherirse a las proteínas de la matriz extracelular (MEC) que envuelven la pared de las células epiteliales, que está predominantemente compuesta de fibronectina, laminina o colágeno (Vercellotti GM, 1985). S. pyogenes penetra al interior de las células epiteliales humanas a través de los complejos adhesina-MEC que interactúan con las integrinas heterodímeras αβ de las paredes celulares del huésped. Fibronectina se une a α5β1, laminina se une a α1β1, α2β1, α3β1, α6β1 y α7β1, y colágeno se une a α2β1 (Dupuy AG, 2008). Esta interacción transmite señales de peligro desde las moléculas de la MEC a las integrinas, lo que origina la cascada de señales celulares de la respuesta inmune innata (Grabovskaya KB, 1980; Cue D, 1998). Algunas de las uniones son débiles y reversibles, mientras S. pyogenes está en fase de portador, pero otras son irreversibles y consisten en enlaces covalentes que unen fuertemente las adhesinas bacterianas con los receptores de la superficie celular homólogos, lo que convierte al patógeno en invasor y causa infección (Hasty DL, 1992).

Para provocar daño tisular S. Pyogenes segrega exotoxinas tipo I o tipo II. Las tipo I incluyen los denominados superantígenos como exotoxina pirogéna estreptocócica B (SpeB). Los superantígenos son potentes inmunoestimulantes que activan los receptores de superficie de las células presentadoras de antígenos (MCF, CPA) y estimula los receptores de los linfocitos T, provocando su proliferación clonal y la producción desmesurada de citocinas proinflamatorias (IL1, IL8 y TNFα) produciendo una “tormenta de citocinas”. Estas no sólo causan destrucción tisular, sino que suelen causar fiebre e infecciones graves por S. pyogenes como la fascitis necrotizante o el shock y la insuficiencia multiorgánica características del síndrome de shock tóxico estreptocócico (SSTE) (Wilde S, 2021) (ver más adelante, factores de virulencia de S. Aureus). La SpeB es también una proteasa de cisteína capaz de producir la escisión de la IgG unida a S. pyogenes, interfiriendo así con su opsonización y destrucción por los fagocitos. Pertenecen igualmente a la familia de superantígenos las SpeA y SpeC codificadas por bacteriófagos (conocidas históricamente como toxinas de la escarlatina). Entre las exotoxinas tipo II destacamos las hemolisinas como la estreptolisina O y la estreptolisina S, citolisinas con capacidad para lisar eritrocitos, leucocitos y plaquetas. La estreptolisina O es una exotoxina formadora de poros en la pared celular de la célula diana. Además de su capacidad lítica, también es inmunogénica. La medición de anticuerpos anti-SLO (ASLO), en el suero humano es un indicador de infección estreptocócica reciente, aunque son poco valorables en pacientes con impétigo, en los que la respuesta ASLO es muy débil y no sirve ni para el diagnóstico ni para el seguimiento (Barnett T, 2022). La citotoxicidad de SLO se potencia por la traslocación de NAD-glicohidrolasa (NAD-asa) al citosol de las células epiteliales humanas causando una muerte celular programada (apoptosis). La combinación de SLO y NADasa puede provocar, asimismo, la activación del inflamasoma que resulta en la producción de IL-1β (un sello distintivo de la defensa inmune innata del huésped contra la infección por S. pyogenes) (Timmer AM, 2009). En los MCF, se ha demostrado que la formación de poros por SLO es el activador principal del inflamasoma y de la consiguiente producción de IL-1β mediante un mecanismo que no requiere NADasa (Richter J, 2021). Se ha demostrado, además, que SLO modifica el estallido oxidativo, la degranulación y la respuesta a la IL-8 de los neutrófilos, lo que aumenta la resistencia de S. pyogenes a la destrucción mediada por neutrófilos (Uchiyama S, 2015). La estreptolisina S (SLS) es una toxina citolítica pequeña que es responsable de la β-hemólisis característica que rodea a las colonias de S. pyogenes cultivadas en placas de agar sangre (Nizet V, 2002). Como citolisina, SLS también es capaz de lisar un amplio espectro de células incluyendo eritrocitos, linfocitos, neutrófilos y plaquetas, además de orgánulos subcelulares (p.ej., lisosomas y mitocondrias). En los MCF, la SLS puede inducir la muerte celular a través del aumento de la actividad de la glucógeno sintasa quinasa-3β que resulta en daño mitocondrial (Tsao N, 2019). En los queratinocitos epiteliales, se ha demostrado que el SLS inhibe específicamente la señalización de Akt, lo que induce la activación de la cascada p38 MAPK, una señal proinflamatoria de la vía NF-kB y de una necrosis celular programada independiente de caspasas (Flaherty RA, 2015). SLS es importante para la patogénesis de infecciones invasivas de tejidos blandos, incluida la fascitis necrotizante. En el ratón, se ha observado que S. pyogenes sobreexpresa SLS, junto con SpeB y una DNasa secretada (Hirose Y, 2019). También se ha demostrado que SLS actúa específicamente sobre las neuronas nociceptoras Trpv1+ sensibles al dolor que probablemente son las responsables del dolor intenso experimentado durante las primeras etapas de la fascitis necrotizante (Pinho-Ribeiro FA, 2018). También se consideran exotoxinas tipo II cuatro enzimas degradadoras de ADN (DNasas A, B, C y D).

Actúan igualmente como factores de virulencia las enzimas que facilitan la diseminación de estreptococos a través de los planos tisulares: la hialuronidasa, que degrada el ácido hialurónico presente en la sustancia fundamental del tejido conectivo (Coleman M, 2021), la estreptoquinasa, que promueve la disolución de coágulos (Barnett T, 2022), la peptidasa de C5a (Duarte F, 2024), que escinde específicamente la quimiotaxina humana C5a y se une a la fibronectina para facilitar la diseminación del microorganismo.

En el interior de las células, S. pyogenes puede mantener la supervivencia y replicación mediante sofisticadas estrategias de evasión inmune (produce lisis de eritrocitos y usa sus membranas como camuflaje, adopta una resistencia a los péptidos antimicrobianos y es capaz de evadir la fagocitosis y escapar de las trampas extracelulares de neutrófilos (NET), mediante la secreción de factores de virulencia como la estreptolisina O, la nicotinamida-adenina dinucleotidasa (NAD) y la exotoxina pirogénica estreptocócica B, que permiten a S. pyogenes sobrepasar la fagocitosis y la inflamación (Su MSW, 2024). En condiciones normales, las células humanas utilizan la fagocitosis como un medio para la obtención de nutrientes, pero también la pueden desarrollar para el mantenimiento de la homeostasis tisular o para la protección contra los patógenos. Las células mejor preparadas para la fagocitosis son los denominados fagocitos profesionales (neutrófilos, macrófagos, monocitos y células dendríticas). Una vez S. pyogenes atraviesa la epidermis, tanto las células inmunes intraepidérmicas como los propios queratinocitos segregan citocinas proinflamatorias y quimiotácticas para atraer a los fagocitos. Para sobrevivir a la fagocitosis, S. pyogenes la intenta evadir por varios mecanismos. Al inicio de la fagocitosis, S. pyogenes evita el reclutamiento de fagocitos (MCF y NTF) y anula la opsonización mediada por anticuerpos, mediante la producción de los factores de virulencia SpeB, ScpA y Plr/SDH/GAPDH, que degradan eficazmente los quimioatrayentes derivados del complemento C3a y C5a (McKenna S, 2023). Tras su internalización en los fagocitos, S. pyogenes puede causar muerte celular mediante la formación de poros que originan fugas a través de la membrana. SLO y β-hemolisina de S. pyogenes (estreptolisina S, SLS) son proteínas citocidas que forman poros para alterar la integridad de la membrana celular y con ello permitir la entrada y salida de iones (Sierig G, 2003). Otro mecanismo de muerte celular es la piroptosis. SLO y SpeA provocan la rápida formación del inflamasoma NLRP3 y la maduración y secreción de IL-1β dependiente de caspasa-1 durante la infección (Harder J, 2009). SpeB participa en la escisión directa de la gasdermina A (GSDMA, otra proteína formadora de poros, presente en las células epiteliales de la piel y del tracto gastrointestinal superior, y modula la piroptosis inflamatoria mediada por GSDMA en los queratinocitos. Las proteínas M1 pueden también causar piroptosis en los macrófagos, al actuar como una segunda señal para la activación del inflamasoma NLRP3 dependiente de caspasa-1 (Broz P, 2020; Keestra-Gounder AM, 2023). En la etapa final de la fagocitosis, S. pyogenes escapa de las trampas extracelulares de los neutrófilos (NET) que realizan ataques suicidas contra los S. Pyogenes para contenerlos y eliminarlos. Las NET están compuestas por una mezcla de proteínas granulares, péptidos antimicrobianos y componentes nucleares (cromatina e histonas) y su liberación se conoce como NETosis, un proceso que utiliza las vías dependientes e independientes de la NADPH oxidasa (NOX2) (Khan MA, 2017). La NETosis suicida dependiente de NOX2, que tarda horas en completarse, comprime las membranas plasmáticas rotas y extruye el contenido de ADN hacia el espacio extracelular. Por el contrario, la NETosis vital independiente de NOX2 ocurre en minutos y se acompaña de una modificación de la estructura de la cromatina por las histonas. Los neutrófilos, incluso desposeídos del ADN, son capaces de realizar la fagocitosis y la consiguiente destrucción bacteriana. Sin embargo, la ADNasa estreptodornasa (Sda1), portadora del fago S. pyogenes (un lisógeno), degrada el contenido de ADN del NET, lo que permite que S. pyogenes escape de su atrapamiento (Buchanan JT, 2006).

2.2.2. Respuesta inmune

La piel es un tejido inmunocompetente (ver “Sistema inmune cutáneo” en el tema 01 “Estructura y funciones de la piel”). La epidermis está compuesta principalmente por unas células estructurales, los queratinocitos (90%), y por células que derivan de la cresta neural, los melanocitos (5%), que sintetizan la melanina que nos protege de la radiación ultravioleta, mientras que el resto lo forman las células de Langerhans (2-3%) y las células linfoides innatas, ambas derivadas de la médula ósea, y las células de Merkel, queratinocitos modificados que están en estrecho contacto con terminaciones nerviosas sensitivas y tienen relación con el sentido del tacto.

Una de las principales funciones de los queratinocitos es la de actuar como barrera física, impidiendo la penetración de sustancias químicas nocivas del medio ambiente, al tiempo que evita la pérdida transepidérmica de agua. Sin esta función nos deshidrataríamos en minutos. Pero también actúa como barrera inmune, ya que es la parte más externa de nuestro organismo, la que está en contacto continuo con microrganismos patógenos y alérgenos ambientales, por lo que alberga el sistema inmune cutáneo. Los propios queratinocitos contienen receptores de antígenos y secretan citocinas. En la piel residen, además, varios tipos de células inmunitarias como las células linfoides innatas (CLI) y las células de Langerhans (CL) en la epidermis, y los mastocitos (MCT), los macrófagos (MCF) y las células dendríticas (CD) imbuidos en la dermis. Todas estas células se comunican entre sí y con el entorno mediante mediadores solubles, las citocinas (interleucinas y quimiocinas) y segregan interleucinas e interferones como productos para destruir los microorganismos. Este entramado celular actúa como centinela y forma una primera barrera de defensa de respuesta rápida (sistema inmune innato) frente a las múltiples agresiones que sufre la piel. Habitualmente se refuerzan con los neutrófilos (NTF) reclutados de la sangre. Cuando los microorganismos superan esta primera barrera, las células dendríticas presentan los antígenos a los linfocitos T y B y los activan en los ganglios linfáticos regionales (GLR), dando lugar a la inmunidad adaptativa o adquirida, de tipo celular o humoral. Las CD son células que median entre estos dos sistemas, gracias a las sinapsis inmunes que se producen en los ganglios linfáticos. También contribuyen a la muralla defensiva la gran cantidad de microorganismos comensales que constituyen el microbioma cutáneo y secretan los péptidos antimicrobianos (Naik S, 2022).

En el caso de las infecciones por S. pyogenes y S. aureus, en muchas ocasiones la inmunidad innata es suficiente para contener la infección. Cuando esto no sucede, la inducción de inmunidad humoral es insuficiente para conferir protección completa. La evidencia de estudios en pacientes inmunodeprimidos y en modelos murinos respalda el importante papel de la inmunidad mediada por células T para proporcionar respuestas protectoras (Armentrout EI, 2020). Una vez pasada la primoinfección, suelen quedar en el tejido las células T de memoria residentes (TMR), que confieren protección temporal, pero no definitiva ni completa, frente a infecciones posteriores (Braun C, 2024).

La respuesta inmune frente a S. pyogenes está formada por un entramado complejo de células, citocinas y anticuerpos. Si la reacción es muy intensa se puede causar, por mimetismo antigénico, enfermedades autoinmunes como la fiebre reumática o la glomerulonefritis postestreptocócica. Por otra parte, en la lucha por la supervivencia, S. pyogenes ha desarrollado estrategias variadas para burlar el sistema inmunitario del huésped: secreta proteínas o toxinas para bloquearlo. El primero en reaccionar es el sistema inmune innato, con el complemento para marcar el patógeno, la inflamación para destruirlo y los fagocitos profesionales para digerir los detritus bacterianos y las células inmunes dañadas durante la batalla. Si el sistema inmune innato no logra controlar la infección, es sobrepasado, se desarrollan anticuerpos y/o células T específicas del sistema inmune adquirido, algunas de las cuales persisten en forma de memoria para responder rápidamente a nuevas infecciones. El sistema inmune innato (SII) comprende una multitud de receptores PRR (pattern recognition receptors) capaces de reconocer y captar patrones moleculares que se repiten en los patógenos (PAMP, pathogen associated molecular patters), tanto de las superficies celulares (ácido lipoteicoico, lipopolisacáridos, peptidoglicano) como intracelulares (como el ARN monocatenario o el ADN). Entre los PRR destacan los receptores transmembrana tipo Toll (TLR) o los de lectina tipo C (CLR), y los citosólicos tipo NOD (NLR). Los primeros detectan en general bacterias, virus y hongos, mientras que los segundos están especializados en la detección de bacterias intracelulares y virus. Estos receptores se expresan en células de la inmunidad innata (macrófagos y células dendríticas en especial, pero también en las células epiteliales de la piel y las mucosas), que van aprendiendo y se preparan constantemente para detectar los diferentes patógenos microbianos invasores.

Como se ha comentado anteriormente, tras la adherencia de las anexinas, como el ácido lipoteicoico bacteriano, a proteínas de la matriz extracelular del huésped, como la fibronectina, se inicia la infección. La penetración de S. Pyogenes induce a los queratinocitos a secretar citocinas proinflamatorias y quimiotácticas (como las de la vía NF-κB) que atraen neutrófilos (NTF), macrófagos (MCF) y células dendríticas (CD) al sitio de la infección, lo que pone en marcha la respuesta inmune innata. Ésta comienza cuando los receptores de reconocimiento de patrones (PRR) (en particular los de tipo Toll 2, TLR2) presentes en la superficie de los queratinocitos y los macrófagos, se unen a los patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) propios de S. pyogenes (en concreto el ARN) (Fieber C, 2015). Ello produce el encendido de la vía de señales MyD88 que finaliza más abajo con la producción y segregación de citocinas proinflamatorias como el TNF y los interferones tipo I (IFNγ). La secreción de estas citocinas atrae más células inmunes innatas (MCF, CD y NTF) hacia el foco inflamatorio y activa el sistema del complemento.

Una vez activado, el sistema del complemento desencadena una serie de respuestas celulares para eliminar patógenos extraños. Sus principales funciones incluyen el reconocimiento de patógenos, la opsonización o “marcado” de los mismos para el inicio de la fagocitosis y la inflamación, los ataques a la membrana bacteriana y la regulación de las respuestas de las células T y B (Reis ES, 2019). Para la opsonofagocitosis, parece ser más efectiva la vía clásica ya que en el ratón deficiente en C1q se produce una infección por S. pyogenes rápida y progresiva (Yuste J, 2006), mientras las proteínas C3a y C5a constituyen el núcleo del sistema dado que, junto a la IL8 (CXCL8), son los principales factores para la quimioatracción de neutrófilos. Ahora bien, S. pyogenes posee dos proteasas de serina, CEP de S. pyogenes (SpyCEP) y peptidasa de C5a, expresadas en su envoltura celular, que escinden la quimiocina CXCL8 y el fragmento del complemento C5a, respectivamente para neutralizar su actividad (McKenna S, 2022).

Las infecciones bacterianas comúnmente causan inflamación como mecanismo de protección del huésped, mediante el reclutamiento de células inmunes para contrarrestar la replicación y diseminación bacteriana. En concreto, la infección invasiva por S. pyogenes produce una respuesta inflamatoria robusta que, si es muy intensa, puede llegar a provocar una “tormenta de citocinas” y daño tisular grave, e incluso reacciones autoinmunes (Norrby-Teglund A, 2000; Kim ML, 2018). La inflamación comienza con la formación de inflamasomas y la señal de inicio deriva de la activación de los PRR por los PAMP. Es un mecanismo bien caracterizado para la activación de la respuesta inmune innata. Los inflamasomas son complejos proteicos que se localizan en el citoplasma de las células inmunes innatas (MCF, NTF, CD). Se componen de proteínas sensoras de peligro (p.ej., microorganismos o células dañadas) NLRP3, NLRC4, AIM2, proteínas adaptadoras y efectoras, entre las que destacan la caspasa-1. Se denominan inflamasomas “canónicos” cuando se caracterizan por la maduración y secreción de citocinas IL-1β e IL-18 dependientes de caspasa-1. Éstas se escinden de sus precursores proinflamatorias pro-IL-1β y pro-IL-18 por la acción de dicha caspasa, la cual también escinde la gasdermina D (GSDMD), una proteína formadora de poros, que se inserta en la membrana de las células infectadas e induce piroptosis con la ayuda de IL-1β e IL-18 secretadas (Liu X, 2016). NLRP3 es el único inflamasoma canónico está involucrado en la infección por S. pyogenes (Valderrama JA, 2017). También se puede conseguir la maduración de pro-IL-1β a través de un mecanismo independiente de NLRP3. Se ha identificado que la proteasa de cisteína SpeB escinde pro-IL-1β extracelular secretada por los queratinocitos para producir IL-1β biológicamente activa e inducir una respuesta inflamatoria durante la infección por S. Pyogenes (Johnson AF, 2023). En el interior de las células, SpeB escinde pro-IL-1β sin la participación de la caspasa-1 para desencadenar la maduración y liberación de IL-1β. La co-localización de SpeB e IL-1β en la célula, y la inducción de la señal de IL-1β después de la co-expresión de SpeB y pro-IL-1β, respaldan firmemente el papel intracelular de SpeB en la inflamación derivada de IL-1β (LaRock CN, 2016; LaRock DL, 2020).

Una vez captado, S. pyogenes es internalizado mediante fagocitosis para formar los fagosomas. Éstos evolucionan y maduran formando un compartimento cada vez más acidificado. Posteriormente se fusionan con el lisosoma para convertirse en fagolisosomas donde destruir eficazmente los patógenos invasores (Lee HJ, 2020). Gracias a la fagocitosis, MCF, NTF y CD participan en el procesamiento y destrucción de los patógenos microbianos, pero también en la presentación de antígenos a los linfocitos T para iniciar las respuestas inmunitarias adaptativas. La fagocitosis es también es fundamental en la conexión entre la inmunidad innata y la adaptativa.

En la destrucción de S. pyogenes, se ha sugerido que el sistema inmune innato es más importante que el adaptativo. Sin embargo, se ha observado que los humanos son muy susceptibles a las infecciones piógenas durante las primeras etapas de la vida, pero menos en la edad adulta (McGregor R, 2023), lo que indica que la inmunidad adquirida, que se desarrolla gradualmente durante la vida, podría sustituir en parte a la inmunidad innata. La efectividad de las inmunoglobulinas intravenosas (IGiv) como terapia adyuvante en infecciones graves por S. pyogenes corrobora la importancia de la inmunidad adaptativa (Johansson L, 2010). También se ha descubierto una contribución fundamental de las células Th17 productoras de IL-17 en la eliminación de S. pyogenes en un modelo murino de faringitis (Wang B, 2010). Estas células Th17 se desarrollaron solo tras la inmunización repetida de ratones, lo que implica que estas células eran específicas del antígeno (Ag). En un estudio sobre la respuesta inmune adquirida realizado en un grupo que incluía adultos y niños, la mayoría de adultos mostraron inmunidad contra dos antígenos de S. Pyogenes: la peptidasa C5a estreptocócica y la SLO. En cuanto a la inmunidad celular, la respuesta consistió principalmente en dos subgrupos de linfocitos T Th1: los subgrupos TNF-α(+) e IL-2(+). La inmunidad humoral estuvo dominada por IgG1 e IgG3, mientras que el isotipo IgG4 asociado a Th2 solo se detectó en cantidades muy bajas. Los niveles de IgG3 se correlacionaron significativamente con IFN-γ, pero no con IL-5, IL-13, IL-17 ni TNF-α. Los niños mostraron un patrón similar de liberación de citocinas específicas de Ag, pero presentaron niveles significativamente más bajos de IgG3 e IFN-γ en comparación con los adultos. Se concluyó que la respuesta inmunitaria humana contra S. pyogenes consiste en una robusta respuesta de memoria celular Th1 en combinación con una inmunidad humoral dominada por IgG1/IgG3 que aumenta con la edad (Mortensen R, 2015).