Anemia e infecção: A batalha pelo Ferro

Há certo tempo, o metabolismo do Ferro teve um destaque na imunologia, especialmente pela relação entre a Heme Oxygenase (HO-1) e a atividade das células T reguladoras. A HO-1 cataliza a clivagem oxidativa do grupo heme para gerar Ferro livre, monóxido de carbono (CO) e biliverdina. O CO tem um forte efeito regulador da imunidade celular [1], como foi comentado aqui no Blog da SBI no recente post do professor Barral [2].

É amplamente estabelecido que o Ferro é um micronutriente imprescindível para a sobrevivência de microrganismos patogênicos no interior do hospedeiro. Menos conhecidos, porém, permanecem os mecanismos moleculares responsáveis pela interação entre o sistema imune e o sistema de transporte/estoque de Ferro. Boa parte das respostas a esses interrogantes estão sendo geradas graças a estudos sobre a anemia induzida por malária, apesar de ser este um fenômeno comumente  observado em diferentes infeções [3,4], 

Devido às propriedades oxido-redutivas que seus estados de valência lhe conferem, o Ferro participa em inúmeras enzimas presentes na maioria dos sistemas de transporte de oxigênio em todas as formas de vida, e constitui um ponto central na interminável batalha evolucionária entre microrganismos patogênicos e hospedeiros por recursos nutricionais.

Como estratégia geral contra os micróbios (e também para proteger os tecidos do dano oxidativo), os mamíferos evoluíram complexos e eficientes sistemas de retenção direcionados a diminuir o Ferro acessível aos invasores. Nos seres humanos, as proteínas predominantes com estas funções são a transferrina, a lactoferrina, e a ferritina para o Ferro; a haptoglobina para a hemoglobina; e a hemopexina para o heme. Desta forma, quando agentes patogênicos pretendem habitar o trato respiratório, intestinal e gênito-urinário, eles encontram um ambiente com deficiência de Ferro na superfície das mucosas, já que o oligoelemento é quelado pela lactoferrina, uma glicoproteína extracelular do sistema imune inato. Além disso, a lactoferrina está presente em grandes quantidades no leite materno e outros fluidos, ajudando a proteger os epitélios. Ainda, esta proteína é produzida por neutrófilos no local da infecção.

Por outro lado, vários patógenos protozoários desenvolveram mecanismos para obter o Ferro a partir da lactoferrina. Por exemplo, Trichomonas fetus, Trichomonas vaginalis, Toxoplasma gondii e Entamoeba histolytica expressam proteínas de ligação á lactoferrina e usam estas como fontes de Ferro para seu crescimento in vitro. Promastigotas de Leishmania spp também usam uma redutase de superfície capaz de reconhecer e reduzir o Ferro da forma férrica para a forma ferrosa. Assim, diversas estratégias têm sido desenvolvidas por microrganismos patogênicos para ganhar acesso ao Ferro a partir da lactoferrina do hospedeiro e assim sobreviver em ambientes hostis [5, 6].

A Hepcidina (também conhecida como LEAP-1, por liver-expressed antimicrobial peptide) é o principal mecanismo de regulação do Ferro plasmático em mamíferos. Drake-smith e Prentice  publicaram uma revisão na Science [7] sobre a importância deste peptídeo durante um processo infeccioso, explicando como ele está envolvido na retenção do Ferro, no intuito de evitar que se converta em um fator de crescimento para patógenos microbianos, reduzindo sua replicação, e como as bactérias intracelulares são capazes de impedir esta resposta do hospedeiro. 

IL-6, IL-22 e IFN tipo I induzem Hepcidina através de STAT3, principalmente em hepatócitos, mas também em outras células, como macrófagos  A Hepcidina se encontra elevada na malária aguda e contrário ao esperado, não guarda relação direta com os níveis de hemoglobina, mas sim com os níveis de IL-10 e IL-6, e com a carga parasitária [8]. Assim, a hepcidina deveria ser determinada rotineiramente neste tipo de pacientes, e há necessidade de testes diagnósticos de baixo custo para este propósito [9]. Por outro lado, diversos trabalhos destacam os perigos potenciais da suplementação de ferro na anemia induzida por enfermidades infecciosas, especialmente a malária, em que uma sobrecarga de Ferro pode anular os efeitos protetores da hepcidina.

Tem então um cenário interessante para repensar o conceito atual de anemia, especialmente durante infecções, e aprofundar no estudo das interações entre metabolismo de Ferro e o controle da resposta imune, lembrando que às vezes, tolerar uma infeção é uma forma de se defender, de acordo com o conceito recentemente introduzido por David S Schneider  [10, 11]. Além disso, o estudo da Hepcidina em outras infeções que não acometem diretamente as hemácias, poderá trazer novos conceitos e mecanismos da resposta imune para controlar o crescimento do patógeno e a intensidade da resposta inflamatória.

O estudo da coevolução pode auxiliar no controle de doenças infecciosas?

Para responder a esta questão, partimos primeiramente de uma reflexão a respeito da relação patógeno-hospedeiro. Tentamos ir além dos preconceitos e equívocos existentes, usando a evolução como pano de fundo para enxergarmos essa complexa relação ecológica.

Um bom exemplo de coevolução é a microbiota intestinal de mamíferos, tão abordada recentemente, que é constituída de trilhões de microrganismos (Windsor, 1998; Gallo & Hooper, 2012). Estes estabelecem uma relação simbiótica para a sobrevivência de ambas espécies, tendo uma contribuição essencial para o metabolismo dos mamíferos na nutrição e proteção contra organismos patogênicos. A quebra dessa relação pode ocasionar diversas patologias, tais como bacteremia ou inflamação crônica (Hooper & Macpherson, 2010).

O melhor entendimento desse processo de quebra da homeostasia na interação patógeno-hospedeiro, bem como da resposta desencadeada mediante este desafio, se dá por meio da observação  isonômica das macro- e micro-relações envolvidas.

Para se avaliar as macro-relações, é necessário realizar a observação do contato entre parasitos e hospedeiros in natura, o papel dos reservatórios no contexto, as modificações ambientais induzidas pelo homem, uma vez que tais são potenciais fatores de risco na quebra da harmonia destas relações. Como exemplo, podemos citar a construção de usinas hidrelétricas, parques, clubes e praças esportivas proporcionam maior contato da população com a natureza, levando ao desequilibrio das interações, que podem resultar em surtos de doenças infecciosas ocasionadas por aumento de contato com reservatórios epidemiológicos e insetos/artrópodes vetores. Quanto as micro-interações, é necessário uma avaliação minuciosa das mecanismos de virulência dos patógenos, bem como dos fatores desencadeados pelas células imunes mediante os desafios, buscando a compreensão dos motivos que levam a quebra homeostática da relação entre ambas espécies.

Portanto, para se controlar as doenças infecciosas, é importante considerar as diferentes trajetórias evolutivas de cada espécie envolvida, as vias de transmissão utilizadas, bem como os aspectos ecológicos implícitos, para se ter a exata noção da complexa relação que se estabelece, buscando-se assim intervenção mais precisa (e menos empírica) no contexto da patologia induzida.

Neste sentido, vale aqui uma reflexão: Afinal, os patógenos são sempre os vilões da história??

Referências Bibliográficas:

- Windsor, D. A. Controversies in parasitology: Most of the species on Earth are parasites. International Journal for Parasitology. v. 28, p. 1939-1941, 1998.

- Hooper, L. V. & Macpherson, A. J. Immune adaptations that maintain homeostasis with the intestinal microbiota. Nature Reviews Immunology, v. 10, p. 159-169, 2010.
- Gallo, R. L. & Hooper, L. V. Epithelial antimicrobial defense of the skin and intestine. Nature Reviews Immunology, v. 12, p. 503-516, 2012.

Post por:

Caroline Martins Mota, Cecílio Purcino da Silva Souza Neto, Helena Maria Caleiro Acerbi Penha, Lourenço Faria Costa, Patrício da Silva Cardoso Barros, Thaise Lara Texeira.


Texto elaborado como parte integrante da disciplina "Relação Patógeno-Hospedeiro" (IPA63), Programa de Pós-graduação em Imunologia e Parasitologia Aplicadas, Universidade Federal de Uberlândia, coordenada por Prof. Tiago Mineo e Prof. Matias Szabó.

A nada mole vida dos patógenos...

 A relação parasito-hospedeiro, estudada há muito tempo, destaca-se mais no aspecto que aborda o patógeno, sempre o incriminando como “vilão”. Porém, nem tudo são flores para estes seres que também precisam retirar seu sustento de algum lugar, no caso, daquele ser que faz o papel de hospedeiro.

As dificuldades enfrentadas pelos “pobres” parasitos já podem ser destacadas já nos conceitos. Um patógeno, para ser eficaz em seu parasitismo - mais claramente - para ser considerado um ótimo patógeno, precisa desenvolver mecanismos ou fatores de virulência que permitam sua invasão e persistência em determinado hospedeiro. Por outro lado, um ser vivo para ser considerado um bom hospedeiro, não precisa desenvolver mecanismo nenhum, basta ser “refratário” àquele parasito. De outra forma, para um organismo vivo ser “bom” no papel que participa na ecologia das relações, é muito mais fácil “escolher” ser um bom hospedeiro, que nada mais, nada menos, precisa ficar em seu estado “não reativo”, sem gastar energia nenhuma, que ser um bom parasito ou bom patógeno, já que neste caso, será preciso utilizar sempre de novas “armas de ataque e defesa”.

E os obstáculos não ficam por aí... Se pensarmos bem, veremos que estes “pequenos” seres já se deparam com adversidades no ambiente em que se encontram. E que, após localizar o hospedeiro tão sonhado, ainda precisa “rebolar” para conseguir realizar a invasão.

Vamos lá, pensando em um parasito que penetra via epiderme... Este tecido funciona como a grande primeira barreira à invasão. Sem contar, que neste momento, o parasito ainda pode encontrar outro empecilho: o comportamento do hospedeiro! Lambeduras, mordeduras, ato de coçar, a própria autolimpeza ou “grooming” que é bem visto em gatos, e por aí vai... (Nesta altura do campeonato muitos “coitadinhos” já foram eliminados...) Mas continuando, o tegumento, além de representar por si só uma barreira, ainda tem fatores “contribuintes” para a complicação da vida de patógenos que necessitam dessa via para entrar em seu hospedeiro, tais como: queratina, suor e seu pH, secreções sebáceas, justaposição de células (junções intercelulares) e um outro grande exército, contra quem, muitas vezes têm que lutar para adquirir seu espaço: a microbiota normal. Por outro lado, se um parasito consegue a “maravilhosa” proeza de se desenvolver em um vetor, ele pula algumas etapas já citadas e ainda outras que chegaremos... Mas para isso, precisa de mecanismos que favoreçam a sobrevivência também neste vetor.

Em se tratando de mucosa oral, saliva, enzimas (proteases), o próprio epitélio e os movimentos de deglutição fornecem obstáculos suficientes para qualquer parasito pessimista “desistir” ou ser simplesmente eliminado. Ao chegar ao estômago, o patógeno se depara com um grande “poço” de ácido sob o qual tem que sobreviver. Mas venhamos e convenhamos, para alguns dos nossos “amiguinhos”, este ácido é importante para a manutenção do ciclo, como por exemplo, para oocistos de certos parasitos, que dependem desta substância para serem rompidos. Sobrevivendo até aqui e chegando “intactos” ao intestino, aqueles que necessitam entrar além da luz do órgão, encontram novamente um paredão de epitélio, o muco produzido, os movimentos realizados pela musculatura (peristaltismo) e outro grande exército: a microbiota intestinal.

Na mucosa respiratória, estas barreiras aumentam ainda mais, pois além do epitélio ser “especializado” na defesa através da presença de cílios e seus movimentos (turbilhonamento), há ainda os reflexos de tosse e espirro que podem ser ativados dependendo do estímulo. Por outro lado, se o patógeno “prefere” ter como hábitat o trato geniturinário, ainda precisa aprender a lidar com a “grande onda” do fluxo urinário, além de algumas outras barreiras já aqui citadas (pH, microbiota normal e muco) e a descamação que os epitélios sofrem.

Ainda, outras duas vias de entrada para patógenos não menos importantes e que também oferecem barreiras, são o canal auditivo e a mucosa ocular, tendo a secreção de cera e a de lágrima com lisozimas, respectivamente, como barreiras.

Ufa! Não deve ser fácil! E olha que ainda nem chegamos ao exército mais especializado na defesa contra esses tão corajosos soldados. Bem, mas antes do sistema imune adaptativo, alguns parasitos têm de enfrentar a inflamação... Tal processo entendido como sendo a reação de um tecido obrigatoriamente vascularizado frente a um agente agressor, que pode ser um parasito ou não, é uma das chaves para o mecanismo de defesa imune inato. Esta reação fisiológica de um hospedeiro frente a um parasito, pode acabar com a vida de uma “sociedade” inteira destes seres... Alterações de vasos sanguíneos, acúmulos de líquidos, recrutamento de células de combate e acúmulo de substâncias que reforçam ainda mais as anteriores num mecanismo de feedback positivo, tudo isso simultaneamente se junta para eliminar os vilões da relação. E finalmente, depois de sobreviver a estes batalhões da infantaria inflamatória, os parasitos ficam frente a frente com o “poderoso chefão”. 

Claro que como todo “comandante”, o sistema imune adaptativo tem sua ação facilitada por tais barreiras encontradas ao longo do caminho e que já eliminam boa parte das “tropas invasoras”. Mas não se pode negar que é um sistema muito mais capacitado e que se utiliza de “armas” mais complexas. Entretanto, mesmo com toda a sua inteligência, ele muitas vezes é subvertido e acaba sendo utilizado como um “cavalo de Tróia” por patógenos ainda mais espertos... 

Essa nada mole vida de parasitos é “suavizada” ao longo do processo evolutivo, fazendo com que cada vez menos barreiras sejam verdadeiros obstáculos para a colonização do hospedeiro. E até mesmo contra o mais poderoso “chefe” se tem mecanismos de evasão bem eficientes; e isso ocorre porque estamos tratando de milhões de anos de luta para a sobrevivência, para a continuidade de seus ciclos e de suas espécies.

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Nosso objetivo aqui foi destacar a importância das várias barreiras naturais que agem contra patógenos, que são muitas vezes esquecidas. Para pensarmos no quanto a ausência destas podem nos causar danos, levantamos a seguinte situação hipotética: dois indivíduos geneticamente iguais, gêmeos univitelinos, onde um se encontra com perda total de seu tecido epitelial por queimadura generalizada e o outro altamente comprometido imunologicamente com a Síndrome da Imunodeficiência Adquirida (AIDS). Nesse modelo, ambos entrarão em contato com um patógeno oportunista de via epitelial e que em indivíduos “normais” seria rapidamente controlado. Qual dos dois sofreria danos com maior intensidade podendo chegar à morte?

Com a perda da barreira epitelial, ocorrem intensas mudanças locais que favorecem o acesso e a proliferação de patógenos. No hospedeiro com tecidos desvitalizados, proteínas degradadas e diminuição do suprimento de oxigênio, ocorre o favorecimento do parasitismo, pois com a obstrução vascular existe a dificuldade de chegada de componentes celulares do sistema imune, além da exposição de moléculas como fibronectina, fibrinogênio, colágeno e muitas outras às quais patógenos possuem receptores específicos, favorecendo assim, sua ligação e permanência no local.

Mas se pararmos para comparar os dois casos, o paciente que apresenta diminuição da eficiência de sua atividade imune adaptativa, como no caso da AIDS, possui integridade de sua barreira epitelial, que fornece uma proteção natural. O que é evidente é que o tempo de sobrevida destes indivíduos seria diferente; o imunocomprometido possivelmente não precisaria desenvolver uma resposta imune enquanto a barreira epitelial estivesse limitando ou retardando a entrada deste patógeno. Já o indivíduo queimado, por não possuir essa barreira, não restringiria a entrada, proliferação e disseminação do patógeno, sendo necessária uma intensa resposta imune, a qual poderia levá-lo até mesmo a morte... Será?

Ilustrações:

Dênis Batistão

Malária, CK2 e o ciclo circadiano

Uberlândia - a discussão sobre malária tem rendido vários posts aqui no blog ultimamente. Dentre todos, o post sobre a alteração do ciclo circadiano do hospedeiro pelo Plasmodium foi o que me deixou mais intrigado... será que o poder de modulação ou evasão dos parasitos não está restrito ao sistema imune? Como o parasito se beneficiaria disso?

Eis que leio um trabalho demonstrando o papel da proteina quinase CK2 na regulação do ciclo circadiano de mamíferos. CK2, juntamente com CKIe, induz a degradação de PERIOD2 (PER2), controlando o relógio biológico de camundongos. O bloqueio de CK2 induz um descontrole na expressão de genes relacionados ao ciclo circadiano dos animais.

A caseína quinase 2 (CK2) atua em diversos processos celulares como a diferenciação, proliferação e translação, tem papel importante no desenvolvimento do câncer, uma vez que sua fosforilação está associada a forte inibição da apoptose. Sua atuação está intimamente relacionada a cascata CREB/CRE, responsável por ativar genes responsivos ao AMP cíclico (cAMP). Estes fatores transcricionais tem como substrato justamente NF-kB, importantíssimo para o desencadeamento de respostas inflamatórias contra protozoários intracelulares, como o Plasmodium. Apesar desta via de sinalização induzir citocinas pró-inflamatórias como TNF-a, sua atuação é majoritariamente regulatória, inibindo a ativação de genes NF-kB dependentes simultaneamente a geração e manutenção das células T regulatórias (Treg).

Voltando para a malária, sabe-se que o Plasmodium possui seu próprio CK2, o qual é essencial para a sobrevivência de estágios sanguíneos do P. falciparum. Outras estudos já demonstraram a importância da via do cAMP nos diferentes estágios de vida do protozoário.

Baseado nos dados acima expostos, a pergunta que deixo para os blogueiros é a seguinte: a alteração no ciclo circadiano dos hospedeiros é benéfica para o desenvolvimento da malária ou representa apenas um ‘efeito colateral’ dos mecanismos de evasão do parasito?

Trabalhos consultados:

Holland Z, Prudent R, Reiser JB, Cochet C, Doerig C. Functional analysis of protein kinase CK2 of the human malaria parasite Plasmodium falciparum. Eukaryot Cell. 2009 Mar;8(3):388-97.

Lee B, Li A, Hansen KF, Cao R, Yoon JH, Obrietan K. CREB influences timing and entrainment of the SCN circadian clock. J Biol Rhythms. 2010 Dec;25(6):410-20.

Trembley JH, Chen Z, Unger G, Slaton J, Kren BT, Van Waes C, Ahmed K. Emergence of protein kinase CK2 as a key target in cancer therapy. Biofactors. 2010 May-Jun;36(3):187-95.

Tsuchiya Y, Akashi M, Matsuda M, Goto K, Miyata Y, Node K, Nishida E. Involvement of the protein kinase CK2 in the regulation of mammalian circadian rhythms. Sci Signal. 2009 Jun 2;2(73):ra26.

Wen AY, Sakamoto KM, Miller LS. The role of the transcription factor CREB in immune function. J Immunol. 2010 Dec 1;185(11):6413-9.

Wurtz N, Chapus C, Desplans J, Parzy D. cAMP-dependent protein kinase from Plasmodium falciparum: an update. Parasitology. 2011 Jan;138(1):1-25.