Las microbiotas que establecen relaciones mutualísticas con sus huéspedes mamíferos son capaces de influir en una multitud de funciones fisiológicas, a menudo mediante la modulación del sistema inmunológico del huésped. Ciertas bacterias que habitan nichos definidos transmiten señales diferentes que afectan las funciones del sistema inmunológico innato tanto como el adaptativo, lo cual resulta con frecuencia en efectos sistémicos distales al sitio de colonización. Por ejemplo, las bacterias filamentosas segmentadas (SFB) inducen a las células T cooperadores 17 (TH17) en el intestino delgado y pueden desencadenar artritis autoinmune en ratones susceptibles. Algunas especies de Bifidobacterium pueden incrementar el efecto antitumoral dependiente de células T al bloquear la vía de muerte programada 1 (PD-1) y las células T reguladoras (Treg) que se inducen por bacterias pueden tener funciones sistémicas antiinflamatorias.

Existen sólo algunos ejemplos de especies únicas o comunidades definidas de bacterias que pueden ofrecer una perspectiva en los mecanismos mediante los cuales los distintos subtipos de linfocitos se activan y polarizan. Los esfuerzos para cultivar y caracterizar las bacterias comensales de los humanos y evaluar su influencia en el sistema inmunológico del huésped, que de forma típica involucran la colonización de ratones libres de gérmenes, prometen dar herramientas nuevas para investigar cuáles tipos celulares y vías de transmisión de señales son cruciales para la inducción de respuestas inmunológicas distintas. La caracterización de bacterias intestinales cubiertas de IgA de ratones y humanos, las cuales dan un panorama de las bacterias detectadas por el sistema inmunológico adaptativo, también es un avance valioso. Este abordaje se utilizó para identificar bacterias con funciones colitogénicas potenciales en individuos desnutridos e individuos con enfermedad inflamatoria intestinal, así como comparar especies de bacterias que provocan respuestas dependientes e independientes de células T mediadas por IgA en el huésped.

En esta revisión, se describe el progreso hacia la comprensión de cómo la colonización del huésped mamífero por microbios influye en la diversidad funcional y los repertorios de células B y T con énfasis en la diferenciación de células B productoras de IgA y células T que portan el antígeno CD4, en particular células TH17 y Treg que conforman una gran proporción de las células T efectoras de la lámina propia intestinal. Los roles recíprocos de los linfocitos para regular la microbiota, un tema que recibió poca atención, también se describirán de forma breve. Se debe notar que las perspectivas hacia las interacciones de la microbiota con las células inmunológicas del huésped tienden a originarse en estudios de ratones en ambientes controlados, lo cual da exposición limitada a microbios patógenos o microbiota de poblaciones salvajes. El alojamiento de ratones de laboratorio junto con ratones salvajes libres resulta en un aumento constitutivo en células inmunológicas innatas y adaptativas altamente diferenciadas, como las células T de memoria efectoras que portan el antígeno CD8 en ratones de laboratorio. El perfil inmunológico de estos ratones es igual que el de humanos adultos de manera más estrecha que el de ratones en condiciones específicas libres de patógenos. La falla de estos estudios en ratones para predecir las respuestas de humanos al tratamiento podría ser en parte por las diferencias en las microbiotas de las especies.

Interacciones de la microbiota con células B y células T

Algunos estudios sugieren papeles para diversas especies de microbios en la regulación de las ramas del sistema inmunológico adaptativo. Las respuestas inmunológicas adaptativas específicas a antígeno influyen en la relación mutualista entre la microbiota y el huésped, y se dirigen principalmente a los microbios intestinales.

IgA

La IgA en mucosas se secreta a través del epitelio al unirse al receptor polimérico de inmunoglobulina, y después se une a microbios, varios componentes de la dieta y antígenos en la luz intestinal. La IgA recubre y aglutina sus blancos para evitar su interacción directa con el huésped. Esto evita la estimulación potencialmente dañina del sistema inmunológico en membranas mucosas por el contenido de la luz y sirve para regular la composición de la microbiota. Además de dar una barrera física, la IgA puede controlar la expresión de genes microbianos en el intestino. Por ejemplo, en ausencia de la IgA, la bacteria comensal Bacteroides thetaiotaomicron, la cual no suele desencadenar inflamación en el intestino humano, expresa niveles altos de productos génicos involucrados en el metabolismo del óxido nítrico y provoca una respuesta de señales proinflamatorias en el huésped. De manera similar, los ratones deficientes de receptores tipo Toll 5 (TLR5) muestran niveles disminuidos de IgA dirigidos hacia la flagelina, lo que resulta en una expresión aberrante de genes relacionados a flagelos por una amplia gama de microbios comensales. La IgA que se sometió a maduración de afinidad mediante hipermutación somática se une y elige componentes específicos de la microbiota, lo cual lleva a un aumento en la diversidad de la comunidad microbiana y mejora el mutualismo entre la microbiota y el huésped. En apoyo a esta observación, los pacientes deficientes de IgA tienen más bacterias de taxones con propiedades potencialmente inflamatorias. Además, los ratones que portan una mutación llamada AID que permite a la citidina deaminasa inducida por la activación de enzimas mediar el cambio de subclase de IgA sin hipermutación somática, tienen una microbiota disbiótica en el intestino delgado. La selección de la IgA madurada por afinidad específica al microbio es por lo tanto crucial para establecer una microbiota balanceada que por consiguiente puede restringir procesos inflamatorios.

Las células plasmáticas intestinales que producen IgA se pueden generar por mecanismos dependientes e independientes de células T que involucran la cooperación de células epiteliales, células dendríticas y células linfoides innatas (ILCs). En ambas vías, la microbiota intestinal afecta el acúmulo de células que expresan IgA, así como el nivel y la diversidad de la IgA en el lumen. De hecho, las células que expresan IgA en el tejido linfoide, conocido como placas de Peyer y en la lámina propia se reducen de manera importante en animales libres de gérmenes, y la colonización de los ratones libres de gérmenes con microbiota activa de forma rápida la producción de IgA. De manera interesante, algunos miembros de la microbiota, como especies de Suterella, se correlacionan de forma inversa con el nivel de IgA en las heces. Estos miembros degradan tanto la IgA como un péptido requerido para la estabilidad de la IgA en la luz, conocido como componente secretor. Ya que la IgA inducida por la microbiota se dirige hacia los antígenos microbianos, una proporción sustancial de la microbiota se recubre por IgA y se puede detectar y caracterizar mediante citometría de flujo y secuenciación genética de RNA 16s ribosomal. Conocido como IgA-SEQ, este abordaje combinado demostró que la región anatómica determina si la especie particular de bacterias provoca una respuesta mediada por IgA en el huésped. Las bacterias que pueden invadir la capa mucosa interna del intestino y colonizar regiones próximas a las células epiteliales inducen respuestas IgA dependientes de células T de alta afinidad. En particular, las SFB y Mucispirillum se asocian de forma íntima con el epitelio intestinal, donde provocan una respuesta mediada por IgA dependiente de células T y se encuentran altamente recubiertas con IgA. Ya que las SFB tienen una predisposición a inducir la producción de células T_H17, podrían además inducir células foliculares cooperadoras (T_FH) con un fenotipo diferente a los de las células T_FH inducidos por otras bacterias comensales, lo que resulta en una respuesta fuerte de IgA de alta afinidad dependiente de células T_H17. Los ratones que son deficientes de células T debido a la falta de las cadenas beta y gamma del receptor del antígeno de las células T (TCR), así como aquellos que carecen de células TFH y la vía de IgA dependiente de células T debido a inactivación específica de células T del gen Bcl6 en células T CD4⁺, retienen una respuesta mediada por IgA que es específica a antígenos de bacterias comensales –lo que indica que la vía independiente de las células T también se dirige a la microbiota. Sin embargo, esta respuesta se caracteriza fuertemente por la afinidad baja de la IgA a antígenos compartidos por múltiples especies de bacterias.

Las clonas inducidas de células B productoras de IgA persisten por periodos largos, aún después de una exposición transitoria a microbios. Un aumento en la complejidad de la microbiota lleva a un aumento en la diversidad de la reserva de IgA. El repertorio de IgA en el intestino se ajusta de manera dinámica en respuesta a los cambios a la composición de la microbiota. El proceso de adaptación depende principalmente de la reentrada de las clonas de células B a un centro germinal y de una hipermutación somática de las clonas de las células B establecidas en la reserva de células plasmáticas intestinales. Los tipos de microbios intestinales a los cuales se dirige la IgA cambian de acuerdo a la dieta del huésped. Por ejemplo, en ratones colonizados con microbiotas de niños desnutridos alimentados con una dieta pobre en nutrientes, los miembros de las Enterobacteriaceae están altamente recubiertos por IgA. En contraste con ratones colonizados por la misma microbiota, pero con una dieta suficiente de manera nutricional, la IgA se une a taxones fuera de Enterobacteriaceae, aunque es similar la carga de Enterobacteriaceae. La transferencia del consorcio rico en Enterobacteriaceae de microbios recubiertos por IgA lleva a una enteropatía grave caracterizada por la disrupción de la barrera epitelial del intestino y pérdida de peso, lo cual sugiere que las bacterias altamente recubiertas con IgA son colitogénicas. En soporte a esta idea, las bacterias recubiertas por IgA aisladas de pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal promueven el desarrollo exacerbado de forma dramática de colitis inducida por dextran sulfato de sodio. Sin embargo, la enteropatía inducida por bacterias colitogénicas puede evitarse con la administración de especias de bacterias a las que se dirige la IgA de microbiotas sanas, como Akkermansia muciniphila y Clostridium scindens. Las bacterias a las cuales se dirige la IgA por lo tanto no siempre son colitogénicas; incluso podrían ser benéficas al huésped al contribuir a mejorar la función de barrera de la mucosa.

Células T_H17

Se propone que la respuesta de la IgA secretora de alta afinidad depende fuertemente de las células T_H17 que expresan el receptor huérfano relacionado a RAR (ROR)γt19. Estas células son más abundantes en la lámina propia intestinal, donde conforman 30-40% de las células T CD4⁺ de memoria diferenciadas. Las citocinas características de las células T_H17, la interleucina (IL)-17A, la IL-17F y la IL-22, estimulan la producción de proteínas antimicrobianas por las células epiteliales intestinales, así como la formación de uniones estrechas entre estas células. Además, median el transporte de la IgA y el reclutamiento de granulocitos. De manera consecuente, las células T_H17 tienen un papel indispensable en prevenir la infección por diversas especies de bacterias patógenas extracelulares y hongos. De hecho, los defectos genéticos en el eje IL-17 y receptor de IL-17 y el ROR γt in humanos se liga a la susceptibilidad a candidiasis mucocutánea crónica, y una deficiencia de IL17A e IL17F en ratones resulta en infecciones oportunistas de zonas mucocutáneas por Staphylococcus aureus. Sin embargo, las células T_H17 también tienen características patogénicas, en particular después de su estimulación por IL-23 e IL-1B. Las células T_H17 patógenas expresan las citocinas proinflamatorias interferón (IFN) gamma y el factor estimulante de granulocitos y macrófagos (GM-CSF; también conocido como CSF2) y exacerban las enfermedades autoinmunes e inflamatorias. Se requiere IL-23 para la conversión de células T que expresan IL-17 a células T encefalitogénicas y colitogénicas que expresan tanto IL-17 como IFN-gamma o sólo IFN-gamma (conocidas como células exTH17, TH17.1 o TH1*) y para el inicio de la enfermedad en ratones que se someten a colitis y encefalomielitis autoinmune experimental. Aunque tanto las células T_H17 homeostáticas como las células T_H17 patógenas son dependientes de RORγt in combinación con otros factores para su diferenciación, lo que distingue las células T_H17 que promueven la defensa homeostática de la barrera intestinal de aquellas involucradas en la inflamación patogénica es una pregunta importante que sigue sin respuesta.

No está claro si los constituyentes de la microbiota u otros factores ambientales dirigen la diferenciación de células T CD4⁺ no expuestas a células T_H17 homeostáticas o patogénicas. En modelos experimentales, una multitud de factores ambientales demostraron afectar el estado de activación de las células T_H17 intestinales. Por ejemplo, una dieta alta en sal aumenta el número de células T que expresan IL-17A y CD4 en la lámina propia y aumenta el riesgo de autoinmunidad dependiente de células T_H17. Estos fenotipos se atribuyen a la inducción mediada por la sal de la proteína cinasa serina/treonina Sgk1 (SGK1), la cual fosforila y deactiva la proteína cabeza de tenedor-caja- 1, y, por lo tanto, relevar la inhibición de transcripción de IL-17A mediada por RORγt y el receptor de IL-23 y promover la generación de células T_H17 patogénicas.

Los lípidos en la dieta además se implicaron en la promoción de la diferenciación de tanto células T_H17 como células T_reg. Los ácidos grasos de cadena larga como el ácido láurico promueven la diferenciación de células T_H17 e inducen encefalomielitis autoimune experimental más grave, mientras que el ácido graso de cadena corta, el ácido propiónico, protege a los animales de la enfermedad, en parte mediante la inducción de células T_reg. Los ácidos grasos endógenos, que son dependientes de la enzima acetil-CoA carboxilasa 1 para su síntesis, contribuyen a la diferenciación de células T_H17 y el desarrollo de las enfermedades autoinmunes. También se sugirió que un intermediario en la biosíntesis de colesterol actúa como un ligando endógeno para RORgt y las enzimas como CYP51A1 y SC4MOL (también llamado MSMO1), que forman parte de la vía de biosíntesis del colesterol, contribuyen a la diferenciación de células T_H17. Estas enzimas se regulan en células T_H17 patogénicas en su cultivo con ácidos grasos saturados, como ácido palmítico, o con IL-23. En ausencia de IL-23, las células T_H17 no patogénicas expresan la proteína CD5L, un inhibidor de la sintasa de ácido graso y estas células tienen niveles elevados de ácidos grasos poliinsaturados a expensas de los ácidos grasos saturados. El mecanismo para regular genes que son blanco del RORγt en la presencia de diferentes tipos de ácidos grasos sigue no claro, aunque es posible que CD5L restrinja la síntesis de colesterol, lo cual reduce la fuente endógena de ligandos de RORγt y, por lo tanto, el potencial para patogenicidad. Los ácidos grasos que se producen por la microbiota podrían modular de manera similar la actividad de RORgt y por lo tanto gobernar el balance entre los programas homeostáticos y los patógenos de forma potencial de la expresión génica de células T_H17.

La microbiota es la influencia ambiental más prominente en la diferenciación de células T_H17. En ratones libres de gérmenes, las células T_H17 son escasas en la lámina propia y en la piel. La cantidad de células T_H17 en el intestino varía de forma amplia entre instalaciones de animales, aún en ratones genéticamente idénticos que podrían criados en condiciones específicas libres de patógenos, y a menudo refleja si los ratones se colonizaron con SFB. Dichas bacterias son moduladores potentes de las funciones de las células inmunológicas del huésped: así como la inducción de células T_H17 y estimulan síntesis de IgA y la fucosilación del epitelio mediante la activación de células linfoides innatas grupo 3 (ILC3s). Las SFB que son autóctonas para ratones y ratas son miembros específicos para el huésped, distintos de forma genética de la microbiota intestinal. En la monocolonización de ratones o ratas libres de gérmenes, las poblaciones de SFB pueden expandirse en la luz intestinal de cualquier especie; sin embargo, las bacterias se unen a las células epiteliales del intestino delgado e inducen a las células T_H17 en una manera específica de forma estricta al huésped. La interacción física de las SFB con el epitelio intestinal por lo tanto es probablemente esencial para la diferenciación de las células T_H17. La causalidad de la relación entre la adhesión bacteriana al epitelio o la inducción de células T_H17 se apoya más por el análisis de la inducción de células T_H17por las bacterias patogénicas intestinales Citrobacter rodentiumy Escherichia coli O157:H7. En la monocolonización de ratones, estas especies activaron respuestas T_H17, mientras que los mutantes con deficiencias de adhesión no lo hacen. Además, 20 cepas de bacterias aisladas de las heces de personas con colitis ulcerativa exhiben características que permiten su adhesión a las células epiteliales y la inducción de células T_H17 en el colon de ratones.

La colonización con SFB adherentes provoca un programa único de expresión de genes que incluye el aumento de dos isoformas de la proteína sérica amiloide A en las células epiteliales del intestino delgado. Esta inducción se restringe principalmente al íleon terminal, el sitio en el cual las SFB se unen al epitelio. Los genes que codifican la proteína amiloide sérica A se inducen cuando las SFB y las líneas celulares epiteliales se cultivan juntas in vitro, lo cual sugiere que su interacción directa inicia una vía de transmisión de señales que resulta en la expresión génica. En paralelo, las SFB activan las ILC3 para producir IL-22 mediante la expresión intermediaria de IL-23 por células mieloides. La expresión de la amiloide sérica A en las células epiteliales del intestino delgado depende de la secreción de la IL-22 por las ILC3, mediante la fosforilación de transductores de señales y el activador de transcipción 3 (Stat3) en las células epiteliales. La inducción in vivo de la amiloide sérica A podría por lo tanto requerir adhesión de las SFB a las células epiteliales y la activación del receptor de la IL-22.

La polarización de células T_H17 específicas para las SFB ocurre en los ganglios linfáticos mesentéricos, en los cuales la RORgt se aumenta antes de que las células T migran a la lámina propia. La polarización de células T_H17 depende de células CX3CR1⁺ derivadas de monocitos más que de células dendríticas clásicas, aunque se propuso un papel para las células dendríticas que expresan CD103 y CD11b dependientes de Notch2 e IRF4 para su desarrollo. Las células T polarizadas que expresan RORgt y CD4 se distribuyen de forma amplia en el intestino y se pueden encontrar incluso en el bazo, aunque la mayoría de la expresión de IL-17A se limita al íleo, donde la amiloide sérica A parece actuar como adyuvante y contribuye a la inducción de la IL-17A (Fig. 2).

El mecanismo mediante el cual la amiloide sérica A estimula las células T_H17 aún no se resuelve. En un proceso de prealimentación, las células mieloides que incluyen aquellas que portan CX3CR1 pueden responder a la amiloide sérica A al producir citocinas que activan las ILC3, lo cual promueve la diferenciación de las células T_H17. La amiloide sérica A podría además estimular de forma directa las células T al aumentar la función RORγt y aumentar la expresión de IL-17A. La amiloide sérica A es portadora de lipoproteína de alta densidad y retinol y puede llevar estas moléculas inmunomoduladoras a células presentadoras de antígeno y células T. La regulación potente de la diferenciación de células T_H17 por lípidos sugiere que la amiloide sérica A podría funcionar como de manera no convencional para modular las funciones inflamatorias de estas células. En conjunto, estos hallazgos indican que la diferenciación de las células T_H17 dirigidas por las SFB es mediada por un circuito complejo de interacciones entre las células epiteliales, las células dendríticas y las ILC3s para generar células a adquirir funciones efectoras en el microambiente apropiado. Ya que las FBC no se identificaron de forma definitiva en el intestino humano, requiere mayor investigación si este circuito aplica de manera más general a la inducción de células T_H17 mediada por microbiota en humanos.

Células T_H17 intestinales y autoinmunidad

La mayoría de las células T_H17 que se activan por las SFB tienen TCR que se unen de manera específica a antígenos expresados por formas adhesivas de estas bacterias. Se identificaron dos antígenos mayores como responsables de esta inducción. Estos antígenos podrían captarse de forma preferencial por las células del huésped cuando las SFB se adhieren a las células epiteliales. La colonización con estas bacterias, y la inducción consecuente de las células T_H17 con TCR específicos para antígenos de las SFB ayudan a proteger al huésped de especies patógenas intestinales como C. rodentium. Sin embargo, las células T_H17 inducidas por las SFB podrían promover la patogénesis en huéspedes con una predisposición genética para enfermedades autoinmunes. En el modelo múrido de K/BxN de artritis autoinmune, se requiere la colonización con microbios comensales para el desarrollo de la enfermedad. La monocolonización con SFB aumenta la producción de autoanticuerpos y acelera la progresión de la enfermedad mediante la generación de células T_H17, aunque un proceso inducido por la microbiota dependiente de células T_FH puede precipitar la enfermedad. Los ratones que contienen SFB son más susceptibles a la encefalomielitis autoinmune experimental que los ratones libres de gérmenes. En contraste, la presencia de SFB se relaciona en gran manera con un estado libre de diabetes en ratones diabéticos no obesos. La influencia de dichas bacterias en el desarrollo de las enfermedades autoinmunes por lo tanto depende del contexto. Las condiciones que determinan si las células T_H17 tienen un papel benéfico o dañino en el huésped no se comprenden con facilidad. De manera interesante, los ratones libres de gérmenes colonizados con SFB muestran una diferencia específica para el genotipo en la inducción de células T_H17. Por ejemplo, los ratones BALB/c tienen menos células T_H17, pero mayor cantidad y diversidad de IgA fecal que los ratones C57BL/6. Por lo tanto, una combinación de genética y la composición de la microbiota intestinal afecta el estado del sistema inmunológico y la susceptibilidad de un individuo a la enfermedad.

En un modelo K/BxN de artritis autoinmune, las células T_H17 autoreactivas que expresan un TCR transgénico específico para un autoantígeno pueden migrar del intestino al bazo. Las células T_H17 autorreactivas activadas por microbiota pueden contribuir a otros trastornos autoinmunes, como uveítis y encefalomielitis. Aquellas enfermedades autoinmunes mediadas por células T pueden ser causadas por reactividad cruzada entre péptidos microbianos y autoantígenos, un proceso conocido como mimetización molecular (Fig. 2). Este modelo es consistente con el hecho de que los genes del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) son los loci de susceptibilidad genética para múltiples enfermedades autoinmunes. De manera alternativa, las células T_H17 específicas para la microbiota podrían mediar algún tipo de efecto observador. Esto se debe a que los trastornos autoinmunes a menudo afectan a más de un órgano, y los genes que codifican las moléculas de transmisión de señales que actúan en la parte final de la cascada de los TCR son determinantes importantes de susceptibilidad genética a varios trastornos autoinmunes en humanos, como la artritis reumatoide. El modelo de umbral de las células T propone que las células T_H17 intestinales activadas por la microbiota podrían migrar a los ganglios linfáticos de drenaje de los órganos blanco y disminuir el umbral de activación de las células T autorreactivas o disminuir su propio umbral. De hecho, las células T_H17 específicas para las SFB preparadas en los ganglios linfáticos de drenaje intestinal se pueden encontrar en otros ganglios linfáticos y en el bazo. Cuando se producen de manera aberrante en algunos órganos, las moléculas como la amiloide sérica A podrían tener una función adyuvante y contribuir a la actividad aumentada de dichas células T.

El potencial para la inflamación perjudicial sugiere que la respuesta de células T y B a la microbiota intestinal debe regularse de forma estrecha. Esto se logra mediante varios mecanismos, como la disminución de células T y anergia. En este contexto, se encontró que la expresión de moléculas MCH clase II por las ILC3 limita la expansión de las células T_H17. Esto podría ocurrir mediante la presentación de antígenos derivados de bacterias comensales para inducir la apoptosis de células T específicas para antígenos, aunque no se demostró una función presentadora de antígenos de las ILC3. Fuera de este contexto, sin embargo, uno de los mecanismos cruciales para limitar la inflamación intestinal es la inducción de células T_reg CD4⁺ que expresan la proteína cabeza de tenedor-caja P3 (Foxp3).

Inducción de las células T_reg por la microbiota

Las células T_reg que expresan tanto CD4 como Foxp3 se pueden encontrar en cada órgano del cuerpo, y comprenden una proporción alta de las células T de la lámina propia intestinal. Las células T_reg intestinales tienen un papel importante en mantener la tolerancia inmunológica a los antígenos de la dieta y la microbiota intestinal además de inhibir el daño tisular inducido por las respuestas inmunológicas hacia bacterias patógenas como C. rodentium mediado por células T_eff. El intestino contiene tanto células T_reg derivadas del timo (tT_reg) como células T_reg diferenciadas de forma periférica (pT_reg); las células pT_reg se enriquecen de manera sustancial en el colon, expresan principalmente RORγt y por lo general no contienen la proteína Helios dedo de zinc y el receptor neuropilina 1 (Nrp1). Dado que las células pT_reg desaparecen en situaciones libres de gérmenes, probablemente se inducen por la microbiota. Consistente con esto, las células T_reg que expresan RORgt muestran un repertorio restringido de células TCR que proliferan en respuesta a estímulos periféricos, pero sus secuencias de TCR se sobreponen con aquellas de células T CD4⁺ sin Foxp3. Los experimentos que rastrean el destino de las células T inmaduras que expresan un TCR transgénico clonado de células T_reg colónicas demuestran que la expansión y la diferenciación de las células T transgénicas hacia T_reg ocurre en el colon en la presencia de bacterias comensales relacionadas y no en el timo. Una fracción considerable de células T_reg RORγt expresan IL-10, la cual también se produce por otros tipos celulares, como las células reguladoras tipo 1 (Tr1) y las células mieloides, las cuales tienen un papel importante en mantener la homeostasis intestinal. La IL-10 derivada de las células T_reg es esencial para la inhibición de la activación aberrante de células mieloides, células T γδ y células T_H17. Las células T_reg que expresan RORγt también expresan niveles altos de la proteína citotóxica de linfocitos T 4 (CTLA-4) y son más efectivas que las células T_reg RORγt negativas en limitar la patogénesis inmunológica en modelos de colitis. La inactivación condicional de RORγt con el sistema de recombinación Cre-Lox en las células T intestinales Foxp3⁺ en ratones resulta en una inflamación mediada por células T_H2 o en la expansión de células T_H18. Se debe notar que algunas células T_H17 pierden la expresión de IL-17A en la presencia de las SFB y una fracción de esas células exT_H17 expresan Foxp3. Los ratones Cre-Lox Foxp3⁺ en los que se inactivó RORγt podrían por lo tanto reflejar su deficiencia RORγt en células exT_H17, así como células pT_reg inducidas por la microbiota.

El intestino además contiene una subpoblación de células T_reg que expresa el factor de transcripción GATA3. Estas células son diferentes de RORγt + y la mayoría expresa Nrp1 y Helios y no se afectan por la ausencia de microbiota intestinal, lo cual sugiere que se derivan principalmente de células tT_reg. Las células T_reg que expresan GATA3 coexpresan el receptor ST2 de la IL-33 (también conocido como IL1RL1). La IL-33, la cual se produce por las células epiteliales del intestino a niveles elevados bajo condiciones de inflamación, trabaja con la IL-2 y el proceso de acción de ETCR para inducir la expresión de GATA3 en las células T_reg. GATA3 aumenta la expresión de Foxp3 y ST2 en un proceso de prealimentación que promueve la proliferación y el mantenimiento de las células T_reg. Las células T_reg que expresan Foxp3, pero no contienen RORγt ni Nrp1 conforman un tercio de la población de células T_reg y son abundantes en la lámina propia del intestino delgado. Esta subpoblación no se afecta por la ausencia de la microbiota intestinal, pero desaparece en ratones libres de gérmenes que se alimentan con una dieta libre de antígenos. Dichas células por lo tanto parecen ser células pT_reg que se inducen por antígenos de la dieta, y conforman una subpoblación que puede distinguirse de las células pT_reg de células pT_reg RORγt inducidas por la microbiota y de las células tT_reg que expresan GATA2. Los ratones con esta subpoblación ausente exhiben una susceptibilidad aumentada a alergia alimentaria. Ciertas subpoblaciones de pT_reg y tT_reg podrían tener funciones complementarias y dependientes de contexto, como regulación inmunológica en estado estable en respuesta a componentes de la microbiota (por células T_reg RORγt sin Nrp1) y de la dieta (por células T_reg RORγt sin Nrp1) y bajo condiciones inflamatorias activadas por autoantígenos (por células T_reg GATA3+ que expresan Nrp1).

Se empiezan a conocer los papeles desempeñados por miembros individuales o comunidades definidas de la microbiota intestinal en el acúmulo y la maduración funcional de las células T_reg del intestino. Por ejemplo, las cepas que caen en los grupos IV, XIVa y XVIII de Clostridia tienen una fuerte capacidad de inducción del acumulo de células T_reg en el colon (Fig. 3). La administración oral a ratones libres de gérmenes de una mezcla de 46 cepas de Clostridia derivadas de las heces de ratones convencionales lleva a la inducción fuerte de células Treg en el colon. De manera similar, una mezcla de 17 cepas de Clostridia aisladas de una persona sana conduce a la inducción fuerte de células T_reg en el colon de ratones y ratas. Esta mezcla aumenta de manera preferencial el acúmulo de células T_reg que expresan RORγt que carecen de Helios, en lugar de células T_reg que expresan GATA3. Las cepas de Clostridia pueden además facilitar la expresión de IL-10 y CTLA-4 por células T_reg, y los ratones con una abundancia de cepas de Clostridia en sus intestinos muestran resistencia a la colitis experimental. En modelos múridos de enfermedad injerto contra huésped, la introducción de 17 cepas de Clostridia inductora de T_reg disminuyó la gravedad de la enfermedad. Estos Clostridia también estimulan la producción de IL-22 por las ILC3, lo cual ayuda a reforzar la barrera epitelial y reduce la permeabilidad del intestino a las proteínas de la dieta. Los ratones colonizados por una microbiota que incluye Clostridia por lo tanto muestran una respuesta disminuida a alérgenos alimentarios. Las células T_reg inducidas por Clostridia apoyan la producción de IgA intestinal, lo cual contribuye con la diversidad aumentada de la microbiota, en particular, Clostridia.

Una especie de Clostridia, Faecalibacterium prausnitzii, está subrrepresentada en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal, y promueve el acúmulo de células T que expresan IL-10 positivas para CD4 y CD8αα en el colon. Una población de linfocitos del epitelio intestinal positiva para ambos antígenos podría tener un papel inmunorregulador similar en el intestino delgado del ratón. Estas células T dependientes de la microbiota se diferencian en la periferia al perder la expresión del factor de transcripción ThPOK del linaje CD4 y el aumento del factor de transcripción Runx3 para el linaje CD8. Está por determinarse cómo estas células previenen la diferenciación de las células inflamatorias en el intestino delgado.

Un pequeño consorcio de microbios conocido como flora de Schaedler alterada, la cual contiene cepas de Clostridia, también es capaz de aumentar el número de células T_reg en la lámina propia del colon de ratones. El mecanismo preciso mediante el cual Clostridia estimula la inducción de células T_reg en el colon está por elucidarse. Un posible mecanismo es la producción cooperativa de los ácidos grasos de cadena corta mediante la fermentación de la fibra dietética. Por ejemplo, los genomas colectivos de las 17 cepas de Clostridia inductoras de células T_reg contienen múltiples genes que se predice que están involucrados en la biosíntesis de los ácidos grasos de cadena corta. Los ácidos grasos de cadena corta inhiben la expresión de citocinas proinflamatorias en las células dendríticas mediante la inhibición de deacetilasas de histonas (HDAScs) y mediante la activación del receptor de unión a proteína G (GPR)109a (también conocido como HCAR29). Estos además pueden estimular la proliferación de células T_reg de forma directa al activar GPR43 (FFAR2) y la diferenciación de células T CD4⁺ no expuestas hacia células pT_reg mediante la inhibición de HDAC, lo cual resulta en la acetilación de la histona H3 del elemento 1 de la secuencia conservada no codificante (CNS) del gen Foxp3. La estimulación in vitro de las células T_reg con ácidos grasos de cadena corta aumenta la expresión de GPR15, que promueve el reclutamiento de las células T_reg del colon, aunque esto no se demostró in vivo.

Los programas para la inducción de células T_reg también se pueden activar por miembros de la microbiota diferentes a Clostridia. Lactobacillus reuteri y L. murinus mostraron aumentar la proporción de células T_reg en ratones. La infección con Helicobacter hepaticus induce células T_reg productoras de IL-10 que inhiben el desarrollo de colitis en una manera específica para antígenos de H. hepaticus. Bacteroides fragilis aumenta la producción de IL-10 por las células T_reg en el colon, y su actividad es mediada por el polisacárido A70 de su cápsula bacteriana. Las vesículas de la membrana externa que contienen polisacárido A que se liberan por B. fragilis pueden ser captadas por las células dendríticas en el intestino para estimular su producción de IL-10 mediante señales TLR-2. La IL-10 derivada de estas células dendríticas podría entonces también inducir la producción de IL-10 por las células T_reg. Otras especies de Bacteroides, como B. caccae y B. thetaiotaomicron, además inducen el acúmulo de células Foxp3, en particular células pT_reg en el colon que expresan RORγt. De manera colectiva, hay una sobreposición considerable entre la respuesta de células T_reg a Clostridia, Lactobacillus y Bacteroides, lo cual indica que en el intestino convergen diferentes vías de regulación de las células T_reg. La inducción y el mantenimiento de las células T_reg podría ser un mecanismo común y crucial para mantener la relación homeostática y benéfica entre la microbiota y el huésped.

Se sugirió que las células dendríticas tolerogénicas que portan el antígeno CD103 contribuyen a la inducción de las células T_reg. El CSF2 producido por las ILC3 en respuesta a la microbiota podría también actuar sobre las células dendríticas del colon para promover la expansión de las células T_reg. La ablación de la expresión de MHC clase II en células dendríticas convencionales, lo cual incluye células dendríticas CD103⁺, resulta en una disminución en la inducción de células pT_reg y en inflamación espontánea. Los repertorios TCR de células pT_reg y tT_reg difieren de manera sustancial. En un estudio, al menos la mitad de los TCRs que se clonaron de células T_reg del colon y expresaron una línea celular de hibridoma reportado respondieron al contenido tratado en autoclave de los intestinos de ratón, y se estimularon dos clonas de TCR por cepas de Parabacteroides distasonis o por una especie no caracterizada de Clostridia. Consistente con esto, al menos algunas de las células T_reg inducidas por la mezcla de 17 cepas de Clostridia derivada de humanos reaccionó con antígenos de Clostridia. Si existe un papel para la especificidad a antígeno de la tolerancia mediada por células T_reg en las superficies mucosas es una pregunta importante que aún requiere respuesta.

Las células del sistema inmunológico adaptativo que se preparan en la mucosa capaces de detectar microbiota pueden tomar residencia y proteger otras superficies mucosas. Por ejemplo, la vacunación intranasal es efectiva de manera particular para formar respuestas protectoras de células T de memoria contra Chlamydia trachomatis en el tracto reproductor femenino. Sin embargo, cuando la C. trachomatis inactivada por ultravioleta se administra de manera intramucosa, los antígenos se acumulan de forma preferencial en las células dendríticas que expresan CD103 sin CD11b e inducen células T_reg específicas para antígenos y no se crea una inmunidad protectora. En contraste, la inmunización con C. trachomatis inactivada por ultravioleta conjugada a nanopartículas adyuvantes dirigidas a células dendríticas sin CD103 que expresan CD11b dan una respuesta específica efectiva para antígeno de células TH1 de la mucosa. Las respuestas inmunológicas que promueven las bacterias en la mucosa por lo tanto difieren de acuerdo a la vía y el contexto de la administración del antígeno. La comprensión de los mecanismos mediante los cuales los microbios comensales llevan los antígenos para presentación en un contexto inmunogénico contra uno tolerogénico podría permitir el desarrollo de vacunas mucosas efectivas.

Implicaciones para enfermedad y tratamiento

Los miembros de la microbiota intestinal tienen diferentes efectos sobre la homeostasis del sistema inmunológico adaptativo del huésped. Las diferencias entre la composición de la comunidad por lo tanto contribuyen a la variabilidad en las respuestas inmunológicas y la susceptibilidad a infección, enfermedades autoinmunes, alergia y otros trastornos inmunológicos. La comprensión del desarrollo del sistema inmunológico de mucosas y su desregulación en relación a las microbiotas normales y disbióticas es importante para el desarrollo de medicamentos, suplementos probióticos, vacunas y tratamientos antineoplásicos.

Una ventana crucial de tiempo

La microbiota se establece temprano en la vida. De hecho, en ausencia de la microbiota durante este periodo de desarrollo lleva a aumentos en el número de células T asesinas naturales invariables (iNKT) y su susceptibilidad a colitis y asma en modelos animales. La exposición temprana a la microbiota intestinal inhibe la abundancia de células iNKT en el intestino y el pulmón, en parte mediante la inhibición epigenética del gen que codifica para la quimiociona CXCL16. La colonización con bacterias comensales durante el periodo neonatal también resulta en el reclutamiento de células T_reg a las mucosas y la formación de tolerancia de larga duración a los microbios. El tratamiento con antbióticos resulta en un aumento en la susceptibilidad a el asma en ratones perinatales, pero no adultos mediante un descenso en el acumulo de células T_reg en el colon y una respuesta IgE aumentada. En ausencia de colonización por microbiota en edades tempranas, las células B se someten de manera preferencial a un cambio de isotipo de IgE en lugar de IgA. La concentración elevada de IgE en el suero de ratones libres de gérmenes se acompaña de un aumento en los basófilos circulantes y una respuesta exagerada T_H2 mediada por basófilos e inflamación alérgica. La inducción de IgE no se inhibe por la colonización con microbiota de manera posterior en la vida o por colonización temprana con una microbiota de complejidad limitada.

En una cohorte de niños con riesgo alto de atopia y asma se encontró disbiosis de la microbiota caracterizada por la reducción de cuatro géneros específicos de bacterias: Faecalibacterium, Lachnospira, Veillonella y Rothia – conocidas de forma colectiva como FLVR. La colonización de ratones con FLVR mitigó la inflamación de vía aérea en un modelo de asma alérgica, lo cual sugiere el prospecto de que la atopia o el asma se pueden evitar con tratamiento oportuno para corregir la disbiosis. Existe un periodo de ventana crucial temprano en la vida, por lo tanto, durante el cual la exposición a una microbiota diversa es importante de manera extrema para la inhibición de células iNKT y células que expresan IgE, la inducción y la expansión de células T_reg y el establecimiento de una tolerancia sistémica a un espectro amplio de antígenos ambientales.

Disbiosis e inmunidad adaptativa aberrante

La disbiosis de la microbiota puede ser causada por predisposición genética, infecciones y cambios en la dieta y el estado nutricional, así como el uso de antibióticos, agentes que inhiben la secreción de ácido gástrico y antineoplásicos. Aunque existe evidencia convincente que sugiere que la disbiosis causa o promueve la enfermedad, no se comprenden en su totalidad los mecanismos subyacentes. Varios reportes describen la asociación de especies particulares de bacterias con enfermedades autoinmunes e inflamatorias. En un modelo múrido, la administración de una dieta rica en grasa de leche indujo un crecimiento de Bilophila wadsworthia consumidora de ácido taurocólico, lo cual aumenta la respuesta de las células T_H1 y acelera el inicio de la colitis. La E. coli adherente invasiva (AIEC) se observa a menudo en pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal y puede inducir una respuesta activa por células T_H17 en ratones. Las mutaciones en el gen NOD2, encontradas en subgrupos de personas con enfermedad inflamatoria intestinal, se asocian con cambios en la composición de la microbiota intestinal. La deficiencia de Nod2 en ratones resulta en la expansión de la bacteria comensal Bacteroides vulgatus, que se acompaña por una respuesta excesiva de IFN-gamma de los linfocitos intraepiteliales. La colonización de la mucosa intestinal por bacterias de la boca, como Veillonellaceae y Fusobacteriaceae, es uno de los primeros eventos en niños con enfermedad de Crohn de nuevo inicio. De manera similar, hay un aumento en la prevalencia de Prevotella copri en la microbiota fecal de pacientes con artritis reumatoide de nuevo inicio. Sin embargo, la habilidad de estas bacterias para activar la enfermedad no se estableció.

Así como la activación de células T_eff en respuesta a bacterias potencialmente patogénicas, el compromiso en la función de barrera del epitelio y las respuestas alteradas a la microbiota comensal son características importantes de las enfermedades inflamatorias crónicas asociadas con disbiosis. Por ejemplo, la infección con HIV lleva a disbiosis crónica con una reducción en Clostridia y Bacteroidia y un enriquecimiento de los taxones que producen enzimas para el catabolismo del triptófano, y se acompaña de una permeabilidad aumentada de la mucosa, niveles elevados de activación de células T y números menores de células T productoras de IL-17. Estos eventos podrían contribuir de manera colectiva a la inflamación crónica observada en pacientes infectados con VIH. En un modelo múrido, la infección con el protozoario Toxoplasma gondii y la disrupción subsecuente de la barrera epitelial induce células de memoria T_H1 específicas para Clostridia comensal que por lo general induce células T_reg y células B secretoras de IgA. De manera similar, la respuesta a los antígenos de flagelina (conocidos como CBir) expresados por especies comensales del grupo XIVa de Clostridia se detectó en pacientes con enfermedad de Crohn. De manera importante, la transferencia de células T CD4 específicas para CBir en ratones inmunodeficientes que se colonizaron con Clostridia comensal ocasiona colitis grave. La disrupción de la barrera epitelial debido a la interacción compleja entre una microbiota disbiótica y bacterias patógenas podría por lo tanto llevar a respuestas inmunológicas con alteraciones en la regulación contra microbios comensales, inflamación crónica y la estabilización de una comunidad proinflamatoria de microbios.

Inmunoterapia para cáncer

La importancia de la composición de la microbiota en cómo los huéspedes portadores de tumores responden a la quimioterapia o la inmunoterapia de punto de control bloqueado se resaltó en varios estudios. Las reducciones en el crecimiento de sarcomas en ratones posterior al tratamiento con el quimioterapéutico ciclofosfamida se pueden comprometer después de la exposición a antibióticos, y se atribuyen a la pérdida de bacterias comensales inductoras de células T_H17, el crecimiento de las cuales se favorece por la quimioterapia. Sin embargo, se desconoce si las propiedades antitumorales benéficas de las células T_H17 dependientes de la microbiota se aplican de forma amplia. De manera similar, los antibióticos comprometen la respuesta antitumoral que sigue el bloqueo de CTLA-4 en ratones. En este caso, la inmunoterapia anti-CTLA-4 favorece la dominancia de especies de Bacteroides, como B. fragilis y B. thetaiotaomicron, tanto en ratones como humanos. Estas bacterias son benéficas porque pueden mejorar la efectividad del bloqueo de CTLA-4, posiblemente mediante una respuesta antitumoral mediada por células T_H1. En otro modelo múrido, la colonización del intestino con Bifidobacterias contribuye al control de tumores singénicos implantados por células T que expresan CD8 posterior a inmunoterapia anti-PD-L1 para cáncer. El mecanismo para la respuesta antitumoral mejorada podría involucrar la activación de las funciones de células presentadoras de antígeno, seguido por la infiltración mejorada de células T citotóxicas a tumores, aunque queda por determinarse si las células T CD4⁺ reguladas por la microbiota también tienen un papel en la restricción del crecimiento tumoral.

Panorama

Los estudios de cómo las relaciones mutualistas entre las células del sistema inmunológico adaptativo y los miembros de la microbiota afectan la salud y la enfermedad están en su infancia. La mayoría de los esfuerzos aspiran a establecer abordajes reduccionistas que pueden explotarse para elucidar los mecanismos celulares y moleculares. Desde un punto de vista translacional, se establecieron modelos de microbiota humanizada en ratones y cerdos libres de gérmenes. Es posible que estos esfuerzos permitirán el diseño de productos de consorcios bacterianos y metabólicos que activen o inhiban programas específicos de la inmunidad adaptativa, lo cual resultará en el desarrollo de vacunas mejoradas y tratamientos para enfermedades que involucren al sistema inmunológico, como infecciones, autoinmunidad, alergias y cáncer. Debe notarse, sin embargo, que las interacciones entre la microbiota y el huésped están influenciados a una gran extensión por la genética del huésped, la cooperación y la competencia entre microbios patogénicos y comensales y múltiples variables ambientales, como la dieta, los factores circadianos y el clima. El abordaje “un microbio, una respuesta” probablemente tenga que remplazarse por el análisis de sistemas más integradores que requieren el desarrollo de tecnologías avanzadas y herramientas computacionales. La mejor caracterización de los metabolitos u otros efectores microbianos, juntos con la vía de análisis computacional podrían permitir el diseño de organismos sintéticos y productos posbióticos que pueden formar respuestas inmunológicas. La elucidación del papel de los virus y los macrófagos podría dar abordajes a futuro orientados a los componentes de la microbiota o las células del huésped para fines terapéuticos. El papel de la microbiota en formar la inmunidad adaptativa debería por lo tanto tornarse en un área fértil para investigación básica y translacional.