Invest Clin 61(3): 283 - 293, 2020 https://doi.org/10.22209/IC.v61n3a07
Inflamasoma, piroptosis y su posible relación con la fisiopatología de la COVID-19.
Adriana Pedreáñez1, Jesús Mosquera2 y Nelson Muñoz3
1Cátedra de Inmunología, Escuela de Bioanálisis, Facultad de Medicina, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela.
2Instituto de Investigaciones Clínicas “Dr. Américo Negrette”, Facultad de Medicina, Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela.
3Universidad Nacional del Chimborazo. Facultad de Ciencias de la Salud. Riobamba. Ecuador.
Inflammation, pyroptosis and its possible relation to the physiopathology of COVID-19.
Invest Clin 2020; 61 (3): 283-293
Recibido: 03-08-2020 Aceptado: 24-08-2020
Los coronavirus se están estudiando desde hace años, y se sabe que causan en- fermedades en humanos y animales. Previa- mente se habían descrito cuatro coronavi- rus humanos (229E, NL63, OC43 y HKU1), que pueden infectar células del tracto res- piratorio superior y producir síntomas re- lativamente leves (1). Sin embargo, duran- te los últimos 20 años, el ser humano se ha enfrentado a la aparición y la epidemia de tres coronavirus capaces de infectar el tracto respiratorio inferior y causar neumo- nía que podría ser fatal: El coronavirus del síndrome respiratorio agudo severo (SARS- CoV) en 2003, el coronavirus del síndrome respiratorio del Medio Oriente (MERS-CoV) en 2012 y el nuevo coronavirus 2019 (2019- nCoV, posteriormente llamado SARS-CoV-2) (2). Los casos con neumonía causada por el SARS-CoV-2 en Wuhan, China, fueron infor- mados a finales de diciembre de 2019 (3).
El análisis filogenético muestra que el SARS-CoV-2 es un nuevo miembro de la fa- milia Coronaviridae pero distinto del SARS- CoV (identidad de aproximadamente el 79%) y del MERS-CoV (identidad de aproximada- mente el 50%) (4).
El SARS-CoV-2 es el agente causal de la enfermedad por coronavirus 2019 denomi- nada COVID-19. Las características clínicas de esta, son variadas, y pueden manifestar- se desde una infección asintomática hasta una neumonía leve a severa (5). Los sínto- mas habituales de COVID-19 incluyen fiebre (83-98%), tos seca (59-82%), dificultad para
respirar (19-55%) y dolor muscular (11-44%) (6). Algunos pacientes pueden presentar do- lor de garganta, rinorrea, dolor de cabeza y en menor medida, diarrea, náuseas, vómitos y pérdida del olfato y del gusto (7). General- mente, muchos de los pacientes presentan síntomas respiratorios leves (8). Sin em- bargo, los adultos mayores y pacientes con comorbilidades subyacentes, tales como,
hipertensión, enfermedad pulmonar obs- tructiva crónica, diabetes y/o enfermedad cardiovascular, pueden desarrollar cuadros de mayor gravedad como síndrome de difi- cultad respiratoria aguda y shock séptico, lo que podría conducir a la muerte (9).
Estructuralmente, los coronavirus son virus esféricos de 100-160 nm de diámetro, con envoltura de bicapa lipídica, que con- tienen ARN monocatenario de polaridad po- sitiva, que presentan en el extremo 5’ una envoltura metilada y una cola de poliadenina (poli-A) en el extremo 3’ que le aporta esta- bilidad y un gran parecido al ARN mensajero del hospedador, lo que le permite adherirse directamente a los ribosomas para su tra- ducción y producción de proteínas (10,11).
El genoma del virus SARS-CoV-2 codi- fica 4 proteínas estructurales principales: la proteína S (espícula), la proteína E (envoltu- ra), la proteína M (membrana) y la proteína N (nucleocapside).
La proteína S de la espícula, es la res- ponsable de la unión del virus a las células del huésped, y por lo tanto, es la proteína determinante del tropismo del virus. El SARS-CoV-2 utiliza como receptor la enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE-2) para invadir e infectar células. Algunos investiga- dores, han sugerido que además es necesa- ria una proteasa de la célula huésped para permitir la fusión del virus, la proteasa de serina TMPRSS2, una proteína transmem- brana responsable de escindir a la proteína S en dos subunidades distintas S1 y S2; S1 determina la unión al receptor ACE- 2 mien- tras que S2 está relacionada con la fusión de las membranas del virus y la célula huésped. Este es considerado un paso esencial para la introducción y la replicación eficaz del virus en el interior de la célula (12).
ACE-2 se encuentra extensamente dis- tribuida en la superficie de las células tipo II del epitelio alveolar (neumocitos tipo II), así como en células cardíacas, renales, intesti- nales, endoteliales y macrófagos alveolares, lo cual es consistente con el cuadro clínico de la infección (13-15).
El SARS-CoV-2 se transmite principal- mente por contacto directo, a través de pe- queñas gotas de saliva que son expulsadas del tracto respiratorio de una persona infectada, cuando tose o estornuda (16). Aunque las in- fecciones por SARS-CoV-2 pueden ser asinto- máticas o causar síntomas leves en la mayoría de los casos, algunos pacientes pueden pro- gresar a neumonía intersticial y síndrome res- piratorio agudo severo (SRAS) en casi 10-20% de los casos, especialmente en aquellos que tienen mayor edad y comorbilidades. Este subgrupo de pacientes es notable por tener niveles séricos muy altos de citocinas proin- flamatorias, lactato deshidrogenasa, y dímero D, así como, linfopenia, disfunción hepática, tendencia trombótica y coagulación intravas- cular diseminada. Debido a la clara relación entre la infección por el SARS-CoV-2 y el sis- tema inmunitario, nuestro objetivo fue revi- sar la fisiopatología de este virus, con especial referencia a su relación con la tormenta de citocinas y el desarrollo de un cuadro inflama- torio exacerbado, enfocándonos fundamen- talmente en la activación del inflamasoma NLrp3 y la muerte celular por piroptosis.
La infección por SARS-CoV-2 y la des- trucción de las células pulmonares, desenca- denan una respuesta inmunitaria local, con reclutamiento de monocitos/macrófagos que responden a la infección, liberan citoci- nas y preparan respuestas inmunitarias adap- tativas de células T y B. En la mayoría de los casos, este proceso es capaz de resolver la infección; sin embargo, en otros, se produce una respuesta inmunitaria disfuncional, que desencadena una “tormenta de citocinas” la cual induce una inflamación pulmonar generalizada que causa una grave patología pulmonar e incluso sistémica, de tal manera que el cuadro severo que se observa en al- gunos pacientes, no solo es debido al efecto citopático del virus, sino también a la res- puesta exagerada del sistema inmunitario del hospedador (17).
Una de las grandes interrogantes para la comunidad científica, es la gran variabi- lidad de respuesta a la infección por SARS- CoV-2. Mientras que algunos pacientes son asintomáticos o presentan una sintomato- logía leve, otros desarrollan una neumonía severa y en algunos casos, falla multiorgá- nica, coagulación intravascular diseminada, síndrome de activación macrofágica y muer- te. En este respecto, se ha reportado dismi- nución del contaje de células T tanto CD4+ como CD8+ y células NK en pacientes con un curso severo de la enfermedad. Esta lin- fopenia usualmente precede al desarrollo de complicaciones pulmonares (18).
Estudios inmunohistoquímicos reali- zados en biopsias de ganglios y bazo de pa- cientes fallecidos a causa de COVID-19, han demostrado una disminución en el número de células T CD4 y CD8, pero un incremen- to significativo en el número de monocitos y macrófagos infiltrantes. Lo anterior podría en parte explicar la elevada producción de citocinas proinflamatorias como IL -6, IL -1, IL -8 y el factor de necrosis tumoral (TNF), entre otras, que contribuyen a la denomina- da “tormenta de citocinas” (19). Otro hecho interesante es que los estudios inmunopato- lógicos en biopsias de pulmón, revelan que la mayoría de las células inflamatorias in- filtrantes son monocitos, macrófagos y una cantidad moderada de células gigantes mul- tinucleadas asociadas con daño alveolar difu- so (20,21). Todas estas observaciones ponen de manifiesto una respuesta inflamatoria exacerbada, y cada vez es más claro que el sistema inmunitario innato es un factor de- terminante en la respuesta de los pacientes a la infección por el virus.
La inmunidad innata es la primera línea de defensa del organismo, y está caracteri- zada por su habilidad para reconocer y res- ponder ante un amplio rango de patógenos. Las células de la inmunidad innata, como los macrófagos, monocitos, células dendríticas, neutrófilos y células epiteliales expresan re- ceptores de reconocimiento de patrones (PRRs, del inglés pattern recognition recep-
tors) (22). A través de los PRRs, estas células reconocen secuencias microbianas altamen- te conservadas llamadas patrones molecula- res asociados a patógenos (PAMPs, del inglés pathogen-associated molecular patterns) (23).
Las células del sistema inmunitario, no sólo son capaces de reaccionar ante agen- tes extraños potencialmente patogénicos (PAMPs), sino también ante la presencia de patrones moleculares asociados a daño (DAMPs, del inglés danger-associated mo- lecular patterns), tales como cristales de ácido úrico, ATP (trifosfato de adenosina), HMGB1 (del inglés, high mobility group box 1) o proteínas de choque térmico como hsp70 y hsp90, que son liberados por células dañadas o sometidas a estrés celular (24). De esta manera, la inflamación es un meca- nismo de respuesta del sistema inmunitario, cuyo objetivo es controlar las infecciones, evitando que los microorganismos se pro- paguen descontroladamente, favoreciendo su eliminación y la posterior reparación de los tejidos. Sin embargo, alteraciones en los procesos implicados en la inducción de la in- flamación, se han asociado con fenómenos inmunopatológicos que alteran el desarro- llo normal de muchas funciones vitales. Por tal motivo, la inflamación es un proceso de reparación biológica fuertemente controla- do por complejos intracelulares, conocidos como inflamasomas, que actúan como sen- sores y mediadores de la inflamación.
El término inflamasoma fue acuñado por Tschopp y colaboradores en el año 2002, para describir un complejo multiproteico, de alto peso molecular, presente en el citosol de células inmunitarias estimuladas, dicho complejo es capaz de mediar la activación de caspasas inflamatorias, llamadas así por- que sus sustratos principales son citocinas (como pro-IL -1β, pro-IL -18 y eventualmen- te pro-IL -33) (25). Se han descrito varios inflamasomas y hasta ahora estaban defini-
dos por la proteína NLR que contienen: el inflamasoma NLrp1 (NALP1), el inflamaso- ma NLrp3 (NALP3) y el inflamasoma IPAF (NLRC4). Curiosamente, el inflamasoma AIM2, descrito recientemente, no contiene ningún miembro de la familia NLR (26).
Los inflamasomas están relacionados con el reconocimiento de patrones conser- vados de secuencias proteicas a través de los receptores tipo PPR. Estos receptores se subdividen en 4 familias: los receptores tipo Toll (TLRs), los receptores tipo RIG-I (deri- vado del inglés retinoic acid-inducible gene 1), los receptores de carbohidratos tipo lec- tina (CLRs) y los receptores tipo NOD (de- rivado del inglés nucleotide-binding oligo- merization domain) proteínas con dominio de oligomerización y unión a nucleótidos, a los cuales también suele llamárseles (NLR) NOD-like receptor. Estos últimos conforman un grupo especializado de proteínas intrace- lulares capaces de oligomerizarse a través del dominio de oligomerización central co- nocido como NACHT. Están presentes en el citoplasma y se consideran esenciales para detectar patógenos e iniciar la respuesta in- munitaria innata (27,28).
SARS-CoV-2 es un virus de ARN de senti- do positivo. Como tal, sus patrones molecula- res asociados con el patógeno serán reconoci- dos por los receptores de reconocimiento de patrones que detectan ARN, incluidos TLR3, TLR7 y TLR8 en el endosoma, así como los re- ceptores similares al gen I (RIG-I) inducible por ácido retinoico en el citosol (29).
El reconocimiento, a través de la acti- vación de receptores Toll, trae como conse- cuencia la activación del factor de transcrip- ción NF-kB, el cual estimula la producción de citocinas proinflamatorias. Adicional- mente, mediante un mecanismo complejo de señalización y transducción, la activación de los receptores RIG-I activa una familia de factores de transcripción que se denominan IRF (interferon regulatory factor), los cuales pueden translocarse al núcleo. Una vez en el núcleo, estos IRF interaccionan con genes que contienen en sus promotores secuencias
nucleotídicas denominadas ISRE (IFN-sti- mulated response elements) y que conducen a la expresión de los interferones de tipo I (INF-α e IFN-β) y otros genes antivirales im- portantes (29).
Los pacientes que desarrollan un cua-
dro severo de COVID-19, poseen altos nive- les de lactato deshidrogenasa (LDH) en su sangre. Una enzima citosólica que se libera al exterior al romperse la membrana plas- mática (29). La elevación de la LDH está relacionada con un estado inmunosupresivo, probablemente por acción del virus en el in- flamasoma y la inducción de la muerte celu- lar mediante la Piroptosis. Esta es una forma de muerte pragramada con activacion de las capasas inflamatorias (Caspasa 1). La LDH sale de la célula por alteración de la mem- brana de la célula piroptósica en el periodo tardío de la muerte (31).
Este acontecimiento ha traído como consecuencia que muchos investigadores su- gieran la activación del inflamasoma y la con- secuente piroptosis, en la fisiopatología de la COVID-19. Hasta la fecha se sabe que los diferentes inflamasomas, están constituidos por una estructura básica que consiste en un receptor o molécula sensora; una molécula adaptadora y una molécula efectora (32).
El reconocimiento del ligando inflama- torio (PAMPs o DAMPs) por los receptores de reconocimiento de patrones (PRR), in- duce la activación de la porción sensora con su consecuente oligomerización y posterior reclutamiento de una proteína adaptadora conocida como ASC, que consiste en dos dominios plegables: un dominio de pirina (PYD) y un dominio de reclutamiento de cas- pasa (CARD). Estos dominios permiten que el ASC establezca un puente entre el sensor de inflamasoma y la pro-caspasa 1 (33). El autoprocesamiento inducido por la proximi- dad, da como resultado la formación de la proteasa catalíticamente activa caspasa 1, que inicia respuestas posteriores, incluida la activación de la interleucina-1β (IL -1β) e IL - 18, al pasar de su forma de pro-interleucina a interleucina activa (34,35) (Fig. 1).
Fig. 1. El inflamasoma NLrp3 es uno de los más ampliamente estudiados. Está compuesto básicamente por tres estructuras básicas: una secuencia sensora o de reconocimiento, una secuencia adaptadora y una secuencia ejecutora que contiene en un extremo a la Pro-caspasa -1. En presencia de señales específicas como por ejemplo los DAMPs, estas secuencias pueden oligomerizarse para ensamblar un complejo supramolecular que dará origen a la activación de la caspasa 1, la cual posteriormente puede activar a la IL -1β, IL -18 y a la proteína Gasdermina D.
Los inflamasomas han sido reconocidos por su papel crucial en la defensa del hués- ped contra los patógenos (36). Sin embargo, la activación descontrolada del inflamaso- ma, está vinculada al desarrollo de cáncer, enfermedades autoinmunitarias, metabóli- cas y neurodegenerativas. Por lo tanto, el es- tricto control del ensamblaje y señalización del inflamasoma es crucial para permitir que el sistema inmunitario inicie respuestas antimicrobianas e inflamatorias adecuadas (37,38).
Se ha demostrado que hay un aumento excesivo de citocinas proinflamatorias en el suero (p. ej., IL -1β, IL -6, IL -18, IL -33, IL -12,
IFNγ, IL -8, TNF-α y MCP1), de pacientes con
COVID-19 grave, lo que podría representar
un “síndrome de tormenta de citocinas”. Es importante destacar que, al considerar la patogenia que conduce al inicio de una “tormenta” de citocinas en el desarrollo de la patofisiología del SARS-CoV-2, se debe te- ner en cuenta la participación de un podero- so sistema proinflamatorio, el inflamasoma NLrp3, que se expresa en muchas células, incluyendo células de la inmunidad inna- ta, células endoteliales, hematopoyéticas, epiteliales pulmonares, renales y cardíacas (39,40).
El inflamasoma NLrp3 es uno de los mejor caracterizados y más ampliamente estudiados hasta el momento. Su activación ha sido implicada en múltiples enfermeda- des tales como hipertensión, enfermedad
pulmonar obstructiva crónica, diabetes tipo 2 y enfermedad cardiovascular (41-43), así como también en enfermedades virales (44,45). Actualmente no está claro si el SARS-CoV-2 activa el inflamasoma NLrp3. Sin embargo, su predecesor, el coronavirus relacionado con el síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV), posee al menos tres proteínas que activan el inflamasoma NLrp3. La proteína E (de la envoltura) y las proteínas ORF3a y ORF8b, por lo cual, no es descabellado pensar que en la fisiopatología por SARS-CoV-2, este inflamasoma juegue un papel importante. La proteína E induce la liberación de calcio desde el aparato de Golgi al citosol. Mientras que las proteínas ORF3a y ORF8b inducen la salida de potasio al espacio extracelular. Esta alteración en el equilibrio iónico de la célula, promueve el daño mitocondrial, la generación de espe- cies reactivas de oxígeno y la activación del inflamasoma NLpr3, el cual es muy sensible a estos cambios (46,47).
La activación del inflamasoma puede
desencadenar una piroptosis celular, este tipo de muerte celular se caracteriza por la ruptura de la membrana mediada por gas- dermina D y la liberación espontánea de con- tenido citosólico en los espacios extracelula- res. En este contexto, tras la activación del inflamasoma, la caspasa-1 y otras caspasas del inflamasoma como la caspasa-4, la cas- pasa-5 y la caspasa-11 activan la gasdermina- D, una proteína con habilidad para formar grandes poros en la membrana celular (48). Estos poros de gasdermina-D facilitan la secreción de IL -1β e IL -18 y, lo que es más importante, también permiten la entrada si- multánea de moléculas de Na + y agua, lo que trae como consecuencia una edematización celular excesiva hasta el punto de ruptura de la membrana plasmática (49). La piroptosis de los macrófagos que tienen virus fagocita- dos, libera rápidamente una gran cantidad de alarmas, que incluyen partículas virales, citocinas, quimiocinas, LDH, ATP y ROS, lo que provoca una reacción inmediata de las células inmunitarias circundantes y, por lo
tanto, induce una reacción en cadena pirop- tótica. Además, la piroptosis permitiría que los antígenos virales y el ARN se diseminen en la circulación y posiblemente generen complejos inmunitarios y depósitos en órga- nos diana, como los riñones, para iniciar una cascada inflamatoria severa. De tal manera que, la ruptura piroptótica de la membrana celular promueve la liberación de varias mo- léculas de patrones moleculares asociados al daño, biológicamente activas (DAMPs). Esto inicia una secuencia de eventos que condu- cen a la amplificación de la respuesta innata del sistema inmunitario y a la activación de su brazo humoral principal, la cascada del complemento (39).
Recientemente se informó que además de los DAMPs, las proteínas del SARS-CoV-2 pue- den activar directamente el complemento por interacción con la lectina de unión a la manosa (MBL) (50). Es importante destacar que la acti- vación del complemento a través del complejo de proteasa MBL-MASP-2 conduce, en paralelo, a la activación de la cascada de coagulación y en pacientes infectados con SARS-CoV-2, la ac- tivación de la coagulación se correlaciona con un peor pronóstico al conducir a la aparición de eventos trombóticos y, en fases avanzadas, a la coagulación intravascular diseminada. De hecho, la elevación en la concentración sanguí- nea de dímero D es un indicador de evolución grave en estos pacientes (51).
Adicionalmente y para hacer la res- puesta inflamatoria contra SARS-CoV-2 aún más compleja, la identificación de ACE-2 como el receptor de SARS-CoV-2 coloca al Sistema Renina Angiotensina Aldosterona (SRAA), como un elemento clave en la pato- génesis de la COVID-19, debido a que esta proteasa está involucrada en el metabolis- mo de la angiotensina II, la cual se sabe tie- ne un papel preponderante en la respuesta inflamatoria. De hecho, la evidencia cien- tífica indica que el inflamasoma NLrp3 se activa en los pulmones, las células renales y los cardiomiocitos, en respuesta a la es- timulación con angiotensina II vía unión a receptores AT1 (52) (Fig. 2).
Todos estos elementos nos permiten concluir que, la exacerbada respuesta infla- matoria que se aprecia en los pacientes con cuadros severos de COVID-19, podría deberse a una hiperactivación del inflamasoma NLrp3 lo que conduciría a la muerte celular por pi- roptosis y a la liberación de DAMPs, lo cual
traería como consecuencia, la amplificación de la respuesta inflamatoria en donde partici- pan otros mecanismos como la cascada de la coagulación, el sistema de complemento y la activación del sistema renina angiotensina, lo que favorece el desarrollo de complicaciones pulmonares y cardiovasculares.
81824.
Segovia J, Sabbah A, Mgbemena V, Tsai S, Chang T, Berton M, Morris I, Allen I, Ting J, Bose S. TLR2/MyD88/NF-κB pathway, reactive oxygen species, potassium efflux activates NLRP3/asc inflammasome during respiratory syncytial virus infection. PLoS One 2012; 7(1): 1-15.