Tos: una mirada cercana

2023/09/01 Amuategi Aulestiarte, Jone - Biokimika eta Biologia Molekularra saila (EHU). Biofisika Institutua (UPV/EHU-CSIC) | Alonso Estrada, Rocio - Biofisika Institutua (UPV-EHU-CSIC), Biofisika Bizkaia Fundazioa | Ostolaza Etxabe, Helena - Biokimika eta Biologia Molekularra saila (EHU). Biofisika Institutua (UPV/EHU-CSIC) Iturria: Elhuyar aldizkaria

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En el año 2019, las infecciones de las vías respiratorias bajas mataron 2,4 millones de personas en el mundo [38], siendo los más afectados los niños menores de 5 años y las personas mayores [43]. Los responsables de estas infecciones son virus y/o bacterias patógenas, como la bacteria de la neumonía que causa casi la mitad de las muertes [29, 43]. No podemos dejar de mencionar los virus de la familia Coronaviridae, causantes del resfriado común y de las enfermedades SARS, MERS o COVID-19. En esta revisión, en cualquier caso, hemos asistido a una tos feroz provocada por Bordetella pertussis.

Retorno de una enfermedad antigua

La tos ferina es una enfermedad con un curioso nombre. Sin embargo, desconecta bien el sonido que las personas infectadas producen al respirar entre un episodio de tos y el siguiente. Aunque inicialmente puede parecerse a la tos convencional, los síntomas pueden durar semanas o meses. Puede causar dificultad respiratoria, episodios bruscos de tos y fiebre, entre otros. En los bebés también es frecuente la apnea. Si no se supera la enfermedad en las etapas iniciales, en los casos más graves puede provocar una muerte por neumonía en el 90% de los pacientes [23].

Esta infección sigue afectando y matando a muchos niños en el mundo, pero puede evitar las vacunas [16]. Según el último informe publicado por la Organización Mundial de la Salud (OMS), antes de que las vacunas contra el tos ferina estuvieran disponibles, era una de las enfermedades más frecuentes de la infancia. En las décadas de 1950 y 1960, las campañas de vacunación de alto nivel provocaron una disminución de la incidencia y mortalidad del 90%, al menos en los países indus­trializados (OMS, 2021).

Cada país puede tener su propia campaña de inmunización. Por ejemplo, la página web del Centro Europeo de Control y Prevención de Enfermedades (ECDC) recoge información sobre programas europeos. Sin embargo, en este momento, lo más habitual es que la vacuna triple contra la difteria, los tétanos y la tos ferina se reciba a la vez. Se recoge durante la infancia en tres dosis. Según las diferentes valoraciones mundiales, en 2021 la cobertura inmunitaria de esta vacuna fue del 81%, la más baja desde 2008 [35].

Como hemos dicho, las vacunas que se reciben en la infancia son, en general, muy leves. Además, las vacunas de las madres durante el embarazo han contribuido a evitar la hospitalización y muerte de los niños. En este caso, la madre les pasará los anticuerpos que hayan podido crear a través de la placenta, dando así protección [23].

La tos fermentable es causada por la bacteria Bordetella pertussis y puede contagiarse al contacto con secreciones respiratorias o gotas de saliva. Jules Bordet y Octave Gengou fueron identificados, aislados y sembrados por primera vez en 1906 [4]. Gracias a ello y a otros descubrimientos relacionados con la inmunidad, Bordet recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1919.

A pesar de que la enfermedad es conocida desde hace años, ahora no podemos superarla, ya que la cantidad de contagiados aumenta cada 3-5 años. En la actualidad es un problema de servicios sanitarios públicos de diferentes países. Así, por ejemplo, toda Europa se encuentra en situación de epi­a desde 2011 (ECDC), mientras que en Osakidetza anunció una comparecencia en junio de 2023 en el Consejo Asesor.

La verdad es que desde hace años la OMS manifestó su preocupación y reconoció que el aumento de la enfermedad se está produciendo a nivel mundial. A diferencia de otras infecciones respiratorias, en este caso los brotes no son uniformes, es decir, no están asociados a lugares o estaciones concretas. Estudios epidemiológicos indican que el aumento puede estar asociado a la pérdida de inmunidad [22, 20, 34]. En otras palabras, la inmunidad al cúco­tos es provisional y, por tanto, tiene fecha de caducidad. Según las estimaciones, la inmunidad natural dura hasta los 3,5-30 años, y la adquirida por las vacunas, de 4 a 14 años. Por tanto, una vez pasada la enfermedad es muy frecuente que se vuelva a contagiar. Sin embargo, la gravedad de los síntomas está asociada al tiempo transcurrido desde que se adquirió la inmunidad [46].

A través de las membranas celulares

B. pertussis tiene afinidad específica con la mucosa de las vías respiratorias humanas. Esto significa que tiene la capacidad de pegarse en él. Para invadir y vivir las vías respiratorias alta y baja utiliza diversos factores de virulencia. Algunos le ayudan a adherirse a las células huéspedes, mientras que otros los utiliza para enrollar la capa epitelial y evitar el sistema inmunitario. Si el lector desea más información sobre estos factores de virulencia, le invitamos a leer las revisiones pertinentes [15, 9].

La lista de flóculos que utiliza esta bacteria para atacar es larga. Entre ellos se encuentra la toxina porosa Adenilato Ciclasa, una proteína que ataca a las células del sistema inmune. Así, debilita las defensas humanas y la bacteria puede propagarse fácilmente en el cuerpo [25, 7].

Las toxinas causantes del poro (del inglés Pore-forming toxins) pueden describirse como perforadoras biológicas, ya que forman canales acuosos que adornan la membrana de un lado a otro [8, 30]. Las membranas biológicas son un andamio sólido y dinámico para mantener la integridad y la arquitectura celular. Están compuestos por lípidos, proteínas y azúcares, que separan el medio interno y externo de las células [45]. También regulan qué puede entrar o salir de la célula. Por tanto, su deterioro puede provocar la muerte de la célula [3, 24, 47]. En todos los reinos vitales podemos encontrar algún organismo que produce una toxina porosa: bacterias patógenas, nematodos, hongos, protozoos parásitos, ranas, plantas y organismos más desarrollados [19]. Sin embargo, los mecanismos moleculares utilizados por todas estas toxinas para atacar a las células son similares.

La toxina Adenilato Ciclasa, al igual que otras proteínas causantes del poro, tiene una especial aplicación. Al principio, cuando la bacteria la produce y fluye al medio externo, es soluble en agua y oculta las regiones hidrofóbicas. Por el contrario, cuando la célula se encuentra con el huésped, cambia de aspecto: muestra esas regiones protegidas del agua y se inserta en la membrana [8, 17, 32, 42]. A continuación se unen varias proteínas para formar el poro, formando una estructura más compleja. Así funcionan las colicinas, citolisinas, hemolisinas, la difteria toxina, el antígeno de protección de la toxina antrax o las toxinas poro-motrices de la familia Repeats in ToXins (RTX) [28]. La propia formación del poro es un proceso muy dinámico y, por tanto, difícil de observar. Este es un reto para los investigadores.

¡Lípidos y proteínas, qué par!

Las toxinas porotoras, para su correcta inserción en la membrana celular, suelen estar acompañadas de lípidos de membrana. Los lípidos pueden ajustar directa o indirectamente el proceso. Por un lado, pueden interactuar de forma específica con las proteínas [26, 36, 4o] y por otro, las características biofísicas de la membrana (fluidez, separación de fases, espesor, tensión, etc.) pueden modular [10, 21, 39]. Por tanto, pueden modificar la estructura y función de la proteína.

El colesterol de la membrana, por ejemplo, controla la actividad de múltiples receptores de membranas mediante interacciones específicas. También pueden contener proteínas como receptores de neurotransmisores y transportadores ABC (del inglés ATP-Binding Casse­tte) que conocen específicamente el colesterol. Estas regiones se denominan CRAC (del inglés CholesterRecognition Amino acid Consensus) o CARC inverso, y aunque tienen estructuras muy diversas, utilizan mecanismos similares para asociar al colesterol. Como puede leerse en la literatura, algunos aminoácidos aparecen frecuentemente en estos segmentos siguiendo un patrón ya conocido y descrito [14, 13].

Muchos investigadores se han centrado en la interacción lípidos y proteínas de la membrana. Se trata de un tema de gran interés que aúna disciplinas científicas como la bioquímica, la biofísica, la biología celular o la bioinformática. Nuestro grupo ha analizado en los últimos años la interacción entre el Adenilato Ciclasa to­xina y la membrana, combinando principalmente biofísica y bioquímica. Recientemente hemos demostrado que la actividad tóxica de la proteína depende del colesterol de la membrana [18] y que es una interacción específica entre la proteína y el colesterol [1].

¿Para qué la investigación básica?

El ser humano ha aprendido a convivir con la tos ferina y la situación ha mejorado notablemente desde que las vacunas están disponibles para todos. Esto se debe, sin duda, a la investigación básica y al plan de investigación. La identificación, descripción y comprensión de los instrumentos que utiliza la bacteria para perjudicar a los seres humanos ha sido fundamental para explicar cuáles son los mecanismos moleculares de la enfermedad y poder actuar contra el cúpula.

Las toxinas porosas tienen un carácter variable en función del medio. Cambian de forma muy rápidamente, por lo que es muy difícil poder observar procesos tan dinámicos. Sin embargo, no son mecanismos aislados, sino que también se producen en la naturaleza en proteínas del sistema inmunitario de los vertebrados o en proteínas amiloides [27, 37]. Por tanto, el esfuerzo realizado para comprender estas proteínas puede ayudar a otros ámbitos.

Ya hemos comentado que las toxinas porosas pueden ser realmente nocivas para la salud humana. Por el contrario, se han investigado durante mucho tiempo y, en la actualidad, pueden ser útiles para aplicaciones biotecnológicas de gran futuro y tera: atacar células cancerosas [31], matar bacterias patógenas [5], biosensores para detección [2]… También se ha demostrado que la toxina Adenilato Ciclasa puede ser utilizada como vacuna portadora [6]. El desarrollo de todas estas aplicaciones ha obligado en primer lugar a la comprensión de las normas físico-químicas que se encuentran detrás de estos procesos, lo que requiere una investigación básica. Además, la colaboración y comunicación entre investigadores multidisciplinares facilitará y agilizará sin duda el camino.

Bibliografía

1. Amuategi, J., Alonso, R., y Ostolaza, H. 2022. “Four Cholester-Recognition Motifs in the Pore-Forming and Translocation Domains of Adenylate Cyclase Toxin Are Essential for Invasion of Eukaryotic Cells and Lysis of Erythrocytes”. International Journal of Molecular Sciences, 23(15), Article 15. https://doi.org/10.3390/ijms23158703
2. Anderluh, G., y Lakey, J. H. 2008. “Disparate proteins use similar architectures to damage membranes”. Trends in Biochemical Sciences, 33(10), 482-490. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2008.07.004
3. Bernardes, N., y M. Fialho, A. 2018. “Perturbing the Dynamics and Organization of Cell Membrane Components: A New Paradigm for Cancer-Target Therapies”. International Journal of Molecular Sciences, 19(12), 3871. https://doi.org/10.3390/ijms19123871
4. Bordet J, Gégou O. 1906. “Le microbe de la coqueluche. Ann Inst Pasteur (París). 1906;20:731–41.
5. Brogden, K. A. 2005. “Antimicrobial peptides: Pore formers or metabolic inhibitors in bacteria?” Nature Reviews Microbiology, 3(3), 238–250. https://doi.org/10.1038/nrmicro1098
6. Carneiro, G. B. Castro, J. T., Davi, M., Miyaji, E. N., Ladant, D., y Oliveira, M. L. S. 2023. “Inmune responses and protection against Streptococcus pneumoniae elicited by recombinant Bordetella pertussis adenylate cyclase (CyaA) carrying fragments of pneumococcal surface protein A, PspA”. Vaccine. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2023.05.031
7. Chenal, A. 2018. Introduction to the Toxins Special Issue on the Adenylate Cyclase Toxin. Toxins, 10, 386.
8. Da Peraro, M., y van der Goot, F. G. 2016. Pore-forming toxins: Ancient, but never really out of fashion. Nature Reviews Microbiology, 14(2), Article 2. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2015.3
9. Dorji, D., Mooi, F., Yantorno, O., Deora, R., Graham, R. M., y Mukkur, T. C. (2018). Bordetella Pertussis virulence factors in the continuing evolution of whooping cough vaccines for improved performance. Medical Microbiology and Inmunology, 207(1), 3-26. https://doi.org/10.1007/s00430-017-0524-z
10. Escribá, P. V. González-Ros, J. M. Goñi, F. M. Kinnunen, P. C. J. Vigh, L., Sánchez-Magraner, L. Fernández, A. M. Busquets, X. Horváth, I., y Barceló-Coblijn, G. (2008). Membranes: A meeting point for lipids, proteins and therapies. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 12(3), 829-875. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2008.00281.x
11. Etymología: Bordetella pertussis. (2010). Emerging Infectious Diseases, 16(8), 1278. https://doi.org/10.3201/eid1608.ET1608
12. European Center for Disease Prevention and Control: Pertussis (whooping cough) https://www.ecdc.europa.eu/en/pertussis-whooping-cough 2023-06-19
13. Fantini, J., y Barrantes, F. J. (2013). How cholesters interacts with membrane proteins: An exploration of cholvol-binding sites including CRAC, CARC, and tilted domains. Frontiers in Physiology, 4, 31. https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00031
14. Fantini, J., Di Scala, C., Evans, L. S. Williamson, P. T. F. y Barrantes, F. J. (2016). A mirror code for protein-cholester-interactions in the two leaflets of biological membranes. Scientific Reports, 6(1), Art. 1 https://doi.org/10.1038/srep21907
15. Fedele, G., Bianco, M., y Ausiello, C. M. (2013). The virulence factors of Bordetella pertussis: Talented modulators of host inmune response. Archivum Inmunologiae Et Therapiae Experimentalis, 61(6), 445-457. https://doi.org/10.1007/s00005-013-0242-1
16. Fry, N. C., Campbell, H., y Amirthalingam, G. (2021). JMM Profile: Bordetella pertussis and whooping cough (pertussis): still a significant cause of morbidity and mortality, but vaccine-preventable. Journal of Medical Microbiology, 70(10), 001442. https://doi.org/10.1099/jmm.0.001442
17. Gilbert, R. J. C. Dalla Serra, M., Froelich, C. J. Wallace, M. I, y Anderluh, G. (2014). Membrane pore formation at protein-lipid interfaces. Trends in Biochemical Sciences, 39(11), 510-516 https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.09.002
18. González Bullón, D. Uribe, C. B. Amuategi, J., Martín, C., y Ostolaza, H. (2021). Cholesters stimulates the lytic activity of Adenylate Cyclase Toxin on lipid membranes by promoting toxin oligomerization and formation of pores with a greater effective size. The FEBS Journal, 288(23), 6795-6814. https://doi.org/10.1111/febs.16107
19. Gupta, L. C., Molla, J., y Prabhu, A. A. (2023). Story of Pore-Forming Proteins from Deadly Disease-Causing Agents to Modern Applications with Evolutionary Significance. Molecular Biotechnology. https://doi.org/10.1007/s12033-023-00776-1
20. Gustafsson L, Hessel L, Storsaeter J, Olin P. Long-term follow-up of Swedish children vaccinated with acellular pertussis vaccines at 3, 5 and 12 months of age indicates the need for a booster do 5 to 7 years of age. Pediatrics. 2006 Sep;118(3):134.ajuste: 10.1542/peds.2005-2746. PMID: 16950988.
21. Janmey, P. A., y en Kinnun, P. C. J. (2006). Biophysical properties of lipids and dynamic membranes. Trends in Cell Biology, 16(10), 538-546. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2006.08.009
22. Jenkinson D. Duration of effectiveness of pertussis vaccine: evidence from 10 year community study. BMJ 1988; 296:612–614.
23. Kilgore, P. R. Salim, A. M. Zervos, M. J., y Schmitt, H.-J. (2016). Perussis: Microbiology, Disease, Treatment, and Prevention. Clinical Microbiology Reviews, 29(3), 449-486. https://doi.org/10.1128/CMR.00083-15
24. Kulma, M., y Anderluh, G. (2021). Beyond pore formation: Reorganization of the plasma membrane induced by pore-forming proteins. Cellular and Molecular Life Sciences, 78(17), 6229-6249. https://doi.org/10.1007/s00018-021-03914-7
25. Ladant, D., y Ullmann, A. (1999). Bordetella pertussis adenylate cyclase: Con multiple talento. Trends in Microbiology, 7(4), 172-176. https://doi.org/10.1016/s0966-842x(99)01468-7
26. Laganowsky, A., Reading, E., Allison, T. M. Ulmschneider, M. B. Degiacomi, M. T., Baldwin, A. J. y Robinson, C. V. (2014). Membrane proteins bind lipids selectively to modulate their structure and function. Nature, 510(7503), 172-175 https://doi.org/10.1038/nature13419
27. Lashuel, H. A., y Lansbury, P. T. (2006). Incluso amyloid diseases caused by protein aggregates that mimic bacterial pore-forming toxins? Quarterly Reviews of Biophysics, 39(2), 167-201. https://doi.org/10.1017/S0033583506004422
28. Lata, C., Singh, M., Chatterjee, S., y Chattopadhyay, K. (2022). Membrane Dynamics and Remodelling in Response to the Action of the Membrane-Damaging Pore-Forming Toxins. The Journal of Membrane Biology, 255(2-3), 161-173. https://doi.org/10.1007/s00232-022-00227-z
29. Lukšiic, I., Kearns, P. C., Scott, F., Rudan, I. Campbell, H., y Nair, H. (2013). Viral etiology of hospitalized acute lower respiratory infections in children under 5 years of age—A systematic review and meta-analysis. Croatian Medical Journal, 54(2), 122-134. https://doi.org/10.3325/cmj.2013.54.122
30. >Mondal, A. K., y Chattopadhyay, K. (2020). Taking Toll on Membranes: Curious Cases of Bacterial β-Barrel Pore-Forming Toxins. Biochemistry, 59(2), 163-170. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00783
31. Pahle J, Aumann J, Kobelt D, Walther W (2015) Oncoleaking: use of the pore-forming clostridium perfringens enterotoxin (CPE) for suicide gene therapy. Methods Mol Biol 1317:69–85. justiprecio:10.1007/10001-4939-27-2_5
32. Parker, M. W., y Feil, S. C. (2005). Pore-forming protein toxins: From structure to function.Progress in Biophysics and Molecular Biology, 88(1), 91-142. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2004.01.009
33. Pertussis, WHO: https://www.who.int/health-topics/pertussis#tab=tab_1 (19-06-2023)
34. Quinn HE et al. Pertussis epidemiology in Australia over the decade 1995-2005 –trends by region and age group. Communicable Diseases Intelligence, 2007, 31:205–215.
35. Rachlin, A., Danovaro-Holliday, M. C. Murphy, P., Sodha, S. V, y Wallace, A. S. (2022). Routine Vaccination Coverage—Worldwide, 2021.
36. Renard, K., y Byrne, Morbidity and Mortality Weekly Report, 71(44), 1396-1400. https://doi.org/10.15585/mmwr.mm7144a2B. (2021). Insights into the Role of Membrane Lipids in the Structure, Function and Regulation of Integral Membrane Proteins. International Journal of Molecular Sciences, 22(16), Art. 16 https://doi.org/10.3390/ijms22169026
37. Rosado, C. J. et al. (2007). A common fold mediates defense and bacterial attack. Science, 317(5844), 1548-1551. https://doi.org/10.1126/science.1144706
38. Safiri, S., Mahmoodpoor, A., Kolahi, A. Nejadghaderi, S. A. Sullman, M. J. M. Mansournia, M. A. Ansarin, K., Collins, G. S. Kaufman, J. S., y Abdollahi, M. (2023). Global burden of lower respiratory infections during the last three decades.Frontiers in Public Health, 10, 1028525. https://doi.org/10.3389/fpubh.2022.1028525
39. Sala - Estrada, L. A. Leioa, N., Romo, T. D., y Grossfield, A. (2018). Lipids Alter Rhodopsin Function via Ligand-like and Solvent-like Interactions.Biophysical Journal, 114(2), 355-367. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.11.021
40. Sych, T., Levental, K. R., y Sezgin, E. (2022). Lipid-Protein Interactions in Plasma Membrane Organization and Function. Annual Review of Biophysics, 51, 135-156. https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-090721-072718
41. Surveillance Atlas of Infectious Diseases (ECDC): https://atlas.ecdc.europa.eu/public/index.aspx?Dataset=27etaHealthTopic=38 (2023-06-20)
42. Tilley, S. J. y Saibil, H. R. (2006). El mechanism of pore formation by bacterial toxins. Current Opinion in Structural Biology, 16(2), 230-236. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2006.03.008
43. Troeger et al. Estimates of the global, regional, and national morbidity, mortality, and aetiologies of lower respiratory tract infections in 195 countries: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2015. (2017). The Lancet. Infectious Diseases, 17(11), 1133-1161 https://doi.org/10.1016/S1473-3099(17)30396-1
44. Vaccine Scheduler (ECDC). Pertussis recommended vaccinations: https://vaccine-schedule.ecdc.europa.eu/Scheduler/ByDisease?SelectedDiseaseId=3etaSelectedCountryIdByDisease=-1 (2023-06-20)
45. Watson H. “Biological membranes”. 2015Essays Biochem. 2015;59:43-69. Aj.:10.1042/bse0590043. PMID: 26504250; PMCID: PMC4626904.
46. Wearing, H.J., y Rohani, P. 2009. “Estimating the duration of pertussis inmunity using epidemiological signatures”. PLoS Patastilla. 5(10), e1000647.
47. Zhang, Y. Chen, X., Gueydan, C., y Han, J. 2018. “Plasma membrane changes during programmed cell deaths”. Cell Research, 28(1), Art. 1 https://doi.org/10.1038/cr.2017.133.