Inmunometabolismo en macrófagos y células dendríticas

Los procesos metabólicos como la glucólisis, el ciclo de Krebs y el metabolismo de ácidos grasos tienen efectos altamente específicos  sobre la función de los macrófagos y las células dendríticas (CD). La manipulación de estas rutas puede alterar dramáticamente el funcionamiento de estas células de manera específica. Los macrófagos y las CD son críticos para la inmunidad innata y adquirida.

La reprogramación metabólica refleja  las respuestas de las células  a cambios críticos  en el ambiente. Por ejemplo, en condiciones de tensión normal de O₂, las células pueden usar la fosforilación oxidativa  para generar ATP. Los componentes críticos de la cadena transportadora de electrones usan NADH y FADH generadas  como resultado de reacciones en el ciclo de Krebs, el cual a su vez es alimentado por la glucosa, los ácidos grasos y la glutamina. Por el contrario, cuando la tensión de O₂ es baja, las células pueden generar ATP a través de la glucolisis, independientemente  de la fosforilación oxidativa, pero esta ruta es altamente dependiente de la glucosa como fuente de energía. Las rutas metabólicas son esenciales para el intercambio  de carbonos  entre azucares, ácidos grasos, ácidos nucleicos y proteínas, por lo tanto la flexibilidad metabólica  puede jugar  un rol crítico cuando cambian las condiciones de oxigenación.  Esto puede ser de gran importancia cuando una célula se enfrenta con diferentes demandas funcionales. En este contexto, un trabajo reciente enfatiza  el hecho que cambios en los eventos metabólicos de las células inmunes  pueden ser iniciados no sólo por los nutrientes y las condiciones de oxigeno, sino también por eventos de reprogramación. Entonces, las células inmunes tienen el potencial  para cambios metabólicos en respuesta a las señales instruccionales recibidas de otras células o por cambios en el ambiente no relacionados   con nutrientes o disponibilidad de oxigeno, como señales peligrosas o antígenos, por ejemplo. 

El “inmunometabolismo” gobierna  el fenotipo  de las células inmunes  a través del control de  eventos transcripcionales y post-transcripcionales que son centrales para la activación.  Esto está muy claro  en los macrófagos, aunque también  es una característica de la polarización  de células T y la activación de CD. Los estudios iniciales  sobre el metabolismo de los leucocitos encontraron evidencia  de un incremento en el consumo de oxigeno  durante la fagocitosis, el cual fue identificado como el sistema NADPH oxidasa generador de radicales de oxigeno. También se observó  que los monocitos usan la glucolisis cuando fagocitan partículas, mientras que los macrófagos usan la fosforilación oxidativa. Más aún, el aumento en la captación de glucosa es un hecho bastante conocido  de los macrófagos activados por lipopolisacaridos (LPS).  Un trabajo más reciente  ha confirmado que un cambio hacia la glucólisis y la síntesis de ácidos grasos y ausencia de ciclo de Krebs y oxidación de ácidos grasos, convierte en proinflamatorio a un macrófago. Esto puede ser activado  agregando  LPS y el cambio metabólico  es critico para aumentar la producción de citoquinas  proinflamatorias, particularmente IL-1β. Una situación similar se observa  en las células T, donde la glucólisis  es necesaria para la función de Th17 (el linfocito inflamatorio), pero si la glucólisis es bloqueada, entonces la célula T se vuelve célula T reguladora, la cual es antiinflamatoria. El cambio hacia la glucólisis  de los macrófagos activados por LPS y las células Th17 es llamado efecto Warbug (o glucólisis aeróbica). La pregunta clave es cómo los cambios  en el metabolismo  y los cambios en los niveles de los metabolitos son capaces de facilitar las actividades especializadas de estas células.

Los macrófagos activados con LPS (también llamados M1 o macrófagos activados clásicamente) son proinflamatorios y tienen un perfil metabólico muy diferente al de los macrófagos activados con IL-4 (también llamados M2 o macrófagos activados alternativamente), los cuales  están más involucrados  en la resolución de la inflamación  y la resistencia a los helmintos. Los macrófagos M1 utilizan el metabolismo de Warburg, mientras los macrófagos M2 utilizan la fosforilación oxidativa. Los procesos que manejan el cambio glucolítico  en los macrófagos M1 son regulados hacia abajo en los macrófagos M2. Un ejemplo es que los macrófagos M1 expresan μ-PFK2, una isoforma de la fosfofructoquinasa-2 que es altamente activa en la promoción de la glucólisis. Por el contrario, los macrófagos M2 expresan la isoforma PFKFB1, la cual es mucho menos  activa. En los macrófagos M2, el ciclo de Krebs tiene primacía sobre la glucólisis. En particular, la oxidación de ácidos grasos es crítica para alimentar al ciclo de Krebs en estas células. La fuente de ácidos grasos para la oxidación son los triglicéridos, los cuales son tomados  por los macrófagos M2  vía CD36 para su hidrólisis  por la lipasa ácida en los lisosomas. La IL-4 induce esta enzima, posiblemente  vía STAT6. Si la lipólisis es inhibida, el macrófago M2  se vuelve menos capaz  para mediar la resistencia a la infección por helmintos.

¿Por qué los macrófagos M1 y M2  adoptan diferentes tipos de metabolismo en su activación? Una posibilidad es que el cambio a la glucolisis en los macrófagos M1  puede ser el adecuado para una activación rápida  como la requerida en  sitios de infección o inflamación, mientras la oxidación de ácidos grasos en los macrófagos M2 puede ser energéticamente mejor para la supervivencia de las células en un período de tiempo comparativamente prolongado. Aunque esta explicación puede tener cierto peso, un estudio reciente indica que la reprogramación de rutas metabólicas después de la activación clásica o alternativa tiene importantes funciones adicionales. El estudio revela que en el macrófagos M1 el ciclo de Krebs es cortado en dos lugares: después del citrato y después del succinato, ambos metabolitos se acumulan y tienen funciones específicas. Es bien conocido que en los macrófagos inflamatorios hay una fuerte inducción  de la enzima citrato sintetasa, lo cual provoca la acumulación de citrato. Por el contrario, el macrófago M2 tiene un ciclo de Krebs intacto y está especializado en generar intermediarios para la glucosilación de proteínas. Estos hallazgos demuestran que la reprogramación metabólica  permite a las células iniciar la síntesis  de importantes y definitivas moléculas  que son esenciales para distintas funciones celulares.

La acumulación de citrato en los macrófagos M1  es especialmente relevante para la producción de tres mediadores que tienen una gran contribución  en el rol proinflamatorio de estas células. Estos mediadores son: NO, ROS y prostaglandinas. Los LPS inducen la expresión del transportador de citrato en las mitocondrias y el citrato es utilizado para sintetizar fosfolípidos, una fuente del ácido araquidónico necesario para la síntesis de prostaglandinas. Para la producción de NO, el citrato puede generar, vía enzima málica y piruvato,  NADPH que puede ser usada por la iNOS para generar NO. La NADPH oxidasa también usa NADPH para generar ROS. La NADPH  también puede ser generada por la ruta pentosa fosfato, la cual es regulada hacia arriba en los macrófagos activados por LPS. Los macrófagos M2 no producen NO debido a un incremento  en la expresión de arginasa que disminuye los niveles de arginina necesaria para la producción de NO.

Otra consecuencia de la acumulación de citrato en los macrófagos M1 es la síntesis de ácido itacónico. El itaconato, un ácido orgánico nonamino, es   el producto  de una enzima codificada por el gen de respuesta inmune 1 (Irg1) y convierte cis-aconitato (derivado del citrato) en ácido itacónico. Este metabolito tiene propiedades antimicrobianas, con un particular efecto que limita la viabilidad de Salmonella typhimurium y Micobacterium  tuberculosis. Este es uno de los mejores ejemplos  de cómo la reprogramación metabólica  influye en la función efectora de los macrófagos: la acumulación de citrato  produce ácido itáconico, el cual limita directamente  la viabilidad de agentes patógenos. 

Una consecuencia de la acumulación de succinato en los macrófagos activados por LPS es la inducción de IL-1β, un mediador inflamatorio. La producción de IL-1β en los macrófagos M1 necesita del efecto Warburg. Para ello se requieren dos señales. La señal 1, manejada por receptores inmunes innatos, induce la transcripción  de pro-IL-1β. La señal 2 activa el inflamasoma y es manejada por múltiples estímulos, incluyendo ATP y varios materiales que son fagocitados. Ambas señales están involucradas en la reprogramación metabólica. Primero, en la señal 1, la acumulación de succinato (posiblemente causada por la inhibición de la succinato deshidrogenasa por el itaconato) provoca la activación de HIF1α (a través de la inhibición de la prolil hidroxilasa). El HIF1α induce directamente a la IL-1β porque el gen promotor  para la IL-1β contiene  un sitio para la unión con  HIF1α. Segundo, el inflamasoma NLRP3 necesita la glucólisis para su función. La hexoquinasa regula la activación de NLRP3 posiblemente a través de efectos sobre las mitocondrias.

Los macrófagos experimentan cambios epigenéticos durante la estimulación,  los cuales producen la preparación para una estimulación posterior. Los cambios metabólicos permiten los cambios epigenéticos que constituyen la base para la preparación. Esto es llamado “inmunidad entrenada” o “memoria inmune innata”. La glucólisis  es un proceso fundamental  en la inmunidad entrenada. Por otra parte, un hallazgo reciente relaciona al receptor nuclear ERRα, un regulador del metabolismo energético y la biogénesis mitocondrial, con la enzima A20, un regulador negativo de la inflamación en múltiples enfermedades humanas como la artritis reumatoidea y el asma. El ERRα se une directamente al promotor del gen A20 e incrementa su expresión. Los ratones con deficiencia de ERRα son altamente susceptibles al shock séptico inducido por LPS y tienen elevada la glucólisis y disminuida la fosforilación oxidativa. El perfil metabólico de   los macrófagos activados por  IL-1β es muy distinto al de los macrófagos activados por LPS/interferón γ, pues el ciclo de Krebs está intacto en esas células. Una característica importante  es el metabolismo  de glutamina a UDP-GlcNAC necesario para la glucosilación  de receptores lectina o manosa, lo cual es requerido para el reconocimiento de los agentes patógenos. La privación de glutamina o la inhibición  de la N-glucosilación disminuyen la polarización  de los macrófagos M2.

Las CD  producen mediadores,  como quimioquinas o citoquinas, que afectan la biología de otras células  en el ambiente. Es decir, son capaces de degradar proteínas que toman del ambiente para presentar epítopes en el contexto de MHC I o MHC II para estimular células T e iniciar la inmunidad adaptativa. El cambio  de célula en reposo  a célula activada  es muy marcado e involucra una transición  en la cual la célula se vuelve más dendrítica, más secretora y más interactiva con otras células. Estos cambios en la biología de las CD son acompañados por  cambios profundos  en el metabolismo celular que son esenciales para el proceso de activación. La activación de las CD en respuesta a agonistas  TLR causa un marcado incremento en el consumo de glucosa y la producción de ácido láctico. La importancia de la glucosa para la activación de las CD  es ilustrada por el hallazgo  que la inhibición de la hexoquinasa, la primera enzima en la ruta de la glucólisis,  bloquea fuertemente el proceso de activación. En las CD, la producción de lactato después de la activación   no refleja que el metabolismo  de Warburg  sea el  mecanismo de producción  de ATP porque durante ese tiempo el ATP es proporcionado por la fosforilación oxidativa. Más bien, la glucolisis satisface la necesidad citrato de las CD activada. El citrato de las mitocondrias llega al citoplasma  a través de transportadores SLC25A y es importante para la síntesis de ácidos grasos, los cuales están relacionados con el requerimiento  de las CD activadas de incrementar el tamaño de los organelos involucrados  en la síntesis y secreción de proteínas como el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi.

El crecimiento celular  requiere un  metabolismo anabólico y esto puede ser regulado por mTORC1 y receptores de factores de crecimiento. En este contexto, se ha demostrado que el inhibidor de mTOR, rapamicina, actúa  sobre CD derivadas de monocitos humanos para inhibir selectivamente la expresión de IL-6, IL-10 y posiblemente TNF para disminuir su inmunogenicidad. No obstante, en algunas circunstancias, la rapamicina puede promover la inmunogenicidad de las CD extendiendo su longevidad. La AMPK, la cual es activada por AMP, antagoniza al mTOR y promueve un metabolismo catabólico, en parte induciendo la expresión de PGC-1α, un regulador clave del metabolismo energético que promueve la biogénesis mitocondrial  y por lo tanto la capacidad  de las células para oxidar ácidos grasos, aminoácidos y glucosa  y generar ATP. La AMPK también promueve la autofagia que es un proceso catabólico. Por otra parte, la activación de la AMPK puede disminuir la capacidad  de las células para producir y presentar complejos péptido antigénico-MHC a las células T, lo que las convierte en tolerogénicas más que antígénicas.  La AMPK puede ser activada no solamente por cambios en la relación AMP/ATP, sino también por cambios a nivel de los receptores de superficie, lo que indica que las señales extracelulares pueden inducir cambios en el metabolismo que dictan la función celular. Por ejemplo, la adiponectina es capaz de inhibir la activación de CD promoviendo la producción de la citoquina antiinflamatoria IL-10 a través de una ruta dependiente de AMPK.  Estos hallazgos  indican que el balance  de inmunogenicidad versus tolerogenicidad de las CD refleja el balance de metabolismo anabólico versus metabolismo catabólico.  En esencia, el metabolismo anabólico puede ser inmunogénico y proinflamatorio mientras el metabolismo catabólico puede ser tolerogénico y antiinflamatorio.

Las CD son capaces de sensar el succinato extracelular a través del receptor de succinato GPR91y aumentar el Ca²⁺ intracelular para promover su activación y su habilidad migratoria. Las CD también pueden responder  a través de receptores acoplados a proteína G específicos  al ácido graso de cadena corta butirato, el cual es un producto de la microbiota intestinal, a la adenosina y al ácido láctico. Estos metabolitos generalmente promueven  la producción de IL-10 por las CD e incrementan la tolerogenicidad.

En conclusión, los macrófagos y las CD  llevan a cabo reprogramación metabólica  en respuesta a factores ambientales como la hipoxia o las alteraciones de nutrientes, y también  en respuesta a señales peligrosas y citoquinas. Por lo tanto, la reprogramación metabólica  no es solamente una consecuencia del nivel de oxígeno y nutrientes, también es manejada por señales inmunes. Está claro que las señales extrínsecas e intrínsecas  pueden regular rutas metabólicas y la disponibilidad de metabolitos afectar cambios  en la función celular. Los metabolitos como el citrato y el succinato  tienen un impacto directo sobre el funcionamiento de los macrófagos. La inmunogenicidad y la tolerogenicidad  de las CD son determinadas por procesos anabólicos y catabólicos, respectivamente.  Las citoquinas y los niveles de nutrientes y oxígeno pueden influir en el balance  de metabolismo anabólico y metabolismo catabólico. El mTOR y la AMPK son importantes reguladores de este balance metabólico. La glucólisis y el ciclo de Krebs  apoyan  procesos biosintéticos que son críticos para la activación de las CD. Por el contrario, la autofagia y la oxidación de ácidos grasos  pueden crear un estado en el cual las CD son tolerogénicas.

Fuente: O`Neill LAJ y Pearce EJ (2016). Immunometabolism governs dendritic cell and macrophage function. Journal of Experimental Medicine 213: 15-23.