Biología de la lactoferrina

La lactoferrina (LF) o lactotransferrina es producida por el cuerpo como una secreción de glándulas exocrinas  (como leche materna o lagrimas) y gránulos de neutrófilos humanos. La LF también puede ser ingerida como un nutriente que se encuentra en la leche de mamíferos y actúa como un nutracéutico o nutriente funcional.

   La LF humana es una proteína glucosilada catiónica de 691 aminoácidos, plegada en dos lóbulos globulares (80 kDa) que están conectados por una α-hélice. La LF bovina contiene 689 aminoácidos. La LF fue descubierta y aislada de leche bovina en 1939 y es miembro de la familia transferrina (60% de secuencia de aminoácidos  idéntica con la transferrina sérica). LF y transferrina tienen similares composiciones de aminoácidos, estructura secundaria (incluyendo sus enlaces disulfuro) y terciaria, aunque difieren en términos  de funciones biológicas. Hay tres isoformas diferentes de LF: LF-α es la isoforma que se une al hierro,  mientras LF-β y LF-g tienen actividad ribonucleasa pero no se unen al hierro. La LF  unida al hierro es referida como hololactoferrina y cuando está libre de hierro, apolactoferrina. La estructura terciaria de las dos formas  son significativamente diferentes: la apolactoferrina se caracteriza por una conformación abierta del lóbulo N y una conformación cerrada del lóbulo C, mientras en la hololactoferrina, los dos lóbulos son cerrados. La LF humana y LF bovina poseen una alta secuencia homóloga y tienen actividades    antibacteriana, antimicótica, antiviral, antiparasitaria, antiinflamatoria e inmunomoduladora similares. En consecuencia, es  común usar la forma bovina más que la forma humana recombinante como suplemento. La LF bovina es generalmente reconocida como una sustancia segura por la Food and Drug Administration (FDA, USA) y comercialmente está disponible en grandes cantidades.

   Debido a su similitud con la transferrina, la principal molécula transportadora de hierro en el plasma, la LF-α posee la capacidad de unirse al hierro y puede quelar dos iones férricos (Fe³⁺). La LF une un átomo de hierro férrico en cada uno de sus dos lóbulos. Un atributo importante de la LF es que no libera su hierro, aun a pH 3,5. Esta propiedad asegura que la LF conserve el hierro en el tejido infectado donde generalmente el pH es ácido, lo cual limita la disponibilidad de hierro para los microbios. 

   En los individuos sanos, el hierro es predominante intracelular y secuestrado por la ferritina, o también  como cofactor de citocromos y proteínas FeS y en forma de hemo en la hemoglobina en los eritrocitos. El hierro circulante es tomado rápidamente por la transferrina. Cuando ocurre lisis de eritrocitos y la hemoglobina o el hemo son liberados en la circulación sanguínea, la hemoglobina es capturada por la haptoglobina y el hemo por la hemopexina. En este contexto, la ceruloplasmina ferroxidasa es importante porque la LF puede unirse a la ceruloplasmina y es posible una transferencia directa de hierro férrico entre las dos proteínas. La transferencia de ion férrico  previene la formación de radicales hidroxilos potencialmente tóxicos y la utilización de hierro por las bacterias patógenas. Por tanto, la LF juega un papel importante previniendo que las bacterias adquieran y secuestren el hierro que requieren para su crecimiento y virulencia. La LF también actúa como biomarcador y comúnmente es regulada al alza cuando el huésped sufre de varias clases de enfermedad.

   La LF ejerce sus principales actividades  biológicas mediante la interacción con receptores en las células blanco. En efecto, hay muchos receptores de LF, los cuales han sido detectados en múltiples tejidos y tipos de células, incluyendo células epiteliales intestinales y linfocitos. Los receptores que unen LF incluyen: CD14, proteína relacionada con el receptor de LDL-1 (LRP-1/CD91), intelectina-1 (omentina-1), receptor similar a Toll 2 y 4 (TLR4) y receptor de citoquina 4 (CXCR4). La LF también se une a heparan sulfato proteoglucanos (HSPG), los cuales son moléculas de la superficie celular y la matriz extracelular, y están compuestos por una proteína unida covalentemente a cadenas de glucosaminoglucano (GAG). Estos receptores se expresan en diferentes niveles en varios tejidos, pero la intelectina-1 solamente es expresada en intestino. La entrada de bacterias, productos bacterianos o virus en las células huéspedes también pude ocurrir a través de algunos de estos receptores. Esta unión evoca sistemas de señales y rutas que involucran, entre otros, a la proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), NFκB, proteína activadora-1 (AP-1) y varios factores reguladores de interferón (IRF). Durante la infección, la activación de estas rutas de señalización resulta en una respuesta celular con múltiples componentes citoplasmáticos que en última instancia provocan la activación de una compleja red biomolecular. La fosforilación de sustratos relevantes (enzimas, microtúbulos, histonas y factores de transcripción) juega un rol crucial en la respuesta celular del huésped.

   Los virus y las bacterias interactúan con –y se unen a- HSPG, usando a este proteoglucano como entrada a la célula. La LF actúa como un elemento importante en los mecanismos de defensa del huésped uniéndose a  los receptores, pero también uniéndose a HSPG. Esta capacidad de unión permite a la LF competir con estas moléculas por la ocupación de  los receptores y, por tanto, juega un rol vital en la inmunidad del huésped. La LF también sirve para prevenir la nefrotoxicidad de, por ejemplo, la cisplatina.

   Las moléculas pequeñas requieren de transportadores de solutos de la familia SLC para su captación. La LF, como proteína, es muy grande para esta ruta y en cambio atraviesa la pared del tracto gastrointestinal a través de células epiteliales, especialmente en las placas de Peyer cuando está encapsulada en liposomas, y a la sangre mediante endocitosis. Esta captación ocurre principalmente  por los vasos linfáticos más que por la circulación porta. La LF también puede entrar y ser reabsorbida a partir de la bilis. La LF de la sangre es transportada en el SNC a través del líquido cerebroespinal y la barrera hematoencefálica.

   La LF liberada por los neutrófilos juega un rol importante en la defensa del huésped. La LF también puede aumentar la actividad de las células killer naturales en la defensa inmune y puede restringir la entrada de virus en las células del huésped durante la infección. 10⁶ neutrófilos humanos pueden liberar 15 µg de LF.  Como parte de la respuesta inflamatoria del huésped, los leucocitos,  incluyendo neutrófilos, liberan LF de sus gránulos donde normalmente es almacenada. Los neutrófilos activados también liberan fibras de cromatina, conocidas como trampas extracelulares de neutrófilos (NET), las cuales atrapan y matan bacterias. Estas NET modulan la inflamación aguda y crónica. Las NET también se encuentran en varias condiciones autoinmunes como artritis reumatoidea y lupus eritematoso sistémico. Las fibras NET, además de ADN e histonas, contienen proteínas extranucleares como elastasa, mieloperoxidasa (MPO) y LF. La LF también puede servir como inhibidor intrínseco de NET liberadas en la circulación sanguínea y, por tanto, controlar la liberación de NET.

   La LF es conocida por sus propiedades antibacteriana, antiviral, antimicótica, anti-inflamatoria y anti-carcinogénica. La capacidad de la LF para limitar la disponibilidad de hierro a los microbios es una de sus propiedades antibacterianas cruciales. Sin embargo, las bacterias han desarrollado varias maneras de secuestrar hierro. Las bacterias adquieren hierro a través del reconocimiento mediado por receptor de transferrina, hemopexina, hemoglobina, complejo hemoglobina-haptoglobina y LF. Adicionalmente, las bacterias a través de sideroporos pueden obtener hierro directamente removiéndolo de transferrina, LF o ferritina. El complejo hierro-sideroporo es luego reconocido por receptores de la bacteria. Las funciones inmunes innatas del huésped son apoyadas por la proteína circulante, siderocalina, también conocida como lipocalina asociada a gelatinasa de neutrófilo (NGAL), lipocalina2 o Lcn2, la cual inhibe la adquisición de hierro mediada por sideroporos.

   Aunque la LF tiene varias maneras de contrarrestar las bacterias como parte de su función inmune, también puede ser secuestrada para beneficiar las actividades de las bacterias. Las bacterias pueden remover el hierro férrico de la LF. Este proceso involucra (1) la síntesis de queladores de ion férrico de alta afinidad, (2) la adquisición de hierro de la LF mediada por receptores de la superficie bacteriana, (3) la adquisición de hierro a través de reductasas que reducen iones férricos a ferrosos.

   Varias bacterias Gram-negativas, incluyendo miembros de los géneros Neisseria y Moraxella, han desarrollado sistemas de dos componentes que pueden extraer el hierro de la LF y la ferritina del huésped. Mientras la mayoría de bacterias patógenas adquieren hierro emplean sideroporos para quelar y secuestrar hierro, la Neisseria ha desarrollado una serie de proteínas transportadoras que secuestran directamente el hierro de LF, transferrina y hemoglobina. El sistema comprende un transportador  unido a la membrana que extrae y transporta el hierro a través de la membrana externa y una lipoproteína que maneja LF/ferritina cargadas de hierro hacia el transportador.  Sin embargo, más del 90% de la LF en la leche humana está en la forma de apolactoferritina, la cual compite con la bacteria siderofílica por el ion férrico y altera la proliferación de estos microbios y otros patógenos.

   La LF tiene actividad contra un amplio espectro de virus ADN y ARN e inhibe la entrada de partículas virales en las células del huésped  adhiriéndose directamente a las partículas virales o bloqueando sus receptores celulares. La LF previene la entrada a las células del huésped de virus como herpes simplex virus, papilomavirus humano, virus de inmunodeficiencia humana (VIH) y rotavirus. Estos virus utilizan moléculas comunes en la membrana celular para facilitar su invasión en las células, incluyendo HSPG. Los HSPG proporcionan el primer sitio de anclaje en la superficie celular y ayudan al virus a hacer el primer contacto con las células del huésped. Los HSPG pueden estar unidos a la membrana o en vesículas secretoras y en la matriz extracelular. La LF es capaz de prevenir la internalización de algunos virus uniéndose a HSPG.

   En conclusión, la LF es un nutriente que se encuentra en la leche de mamíferos que tiene beneficios inmunológicos así como también un importante rol antibacteriano y antiviral. La unión de la LF a los HSPG previene el primer contacto entre los virus y las células del huésped y, por tanto, previene la infección posterior. La LF aumenta la actividad de las células killer naturales, estimula la agregación y adhesión de neutrófilos en la defensa inmune y puede restringir la entrada de virus en las células del huésped durante la infección.

Fuente: kell DB et al (2020).  The biology of lactoferrin, an iron-binding protein that can help defend againts viruses and  bacteria. Frontiers in Immunology 11: 1221.