Metabolismo de hormonas tiroideas en células inmunes

El metabolismo de hormonas tiroideas (HT)  está relacionado con varios aspectos de la respuesta inmune. En los años recientes, el rol del metabolismo de HT en la función  de células inmunes innatas ha sido estudiado con  detalle y se ha sugerido  que estas células son un importante blanco de la T₃ y que intracelularmente las HT juega un rol esencial en la función de varios tipos  de células del sistema inmune innato. La regulación de los niveles plasmáticos de HT es conducido a través de  un asa endocrino de retroalimentación negativa que involucra al eje hipotálamo-hipófisis-tiroides (HHT). Las neuronas hipofisiotrópicas del núcleo paraventricular  del hipotálamo producen hormona liberadora de tirotropina (TRH), la cual a su vez estimula a las células tirotropas de la hipófisis anterior  a  sintetizar y secretar  hormona estimulante  de la tiroides (TSH). La TSH estimula en la glándula tiroides  la producción de hormonas tiroideas en la forma de tiroxina (T₄) y triyodotironina  (T₃). Estas hormonas son secretadas en la circulación y sus niveles plasmáticos regulan la liberación hipotalámica  de TRH, completando el asa de retroalimentación. La glándula tiroides produce principalmente T₄, la cual funciona como una prohormona y requiere de la  conversión en T3, la forma biológicamente activa, aunque se han reportado en la literatura  acciones directas de la T₄. Esta conversión ocurre a nivel celular y tisular, facilitando la regulación local de la biodisponibilidad de HT.

Las HT son transportadas activamente en la célula por transportadores de HT. Hay varias familias de transportadores de HT incluyendo polipéptidos transportadores de aniones orgánicos (OATP), transportadores monocarboxilato (MCT) y transportadores de aminoácidos neutros grandes (LAT). De estos transportadores, el MCT8 es el único que transporta exclusivamente HT. Los otros transportadores son también capaces de transportar  sustancias adicionales incluyendo esteroides y aminoácidos.  Los estudios en modelos de ratones  transgénicos  y las observaciones  en pacientes con mutaciones patológicas  en los transportadores de HT indican que MCT8, MCT10 y OATP1C1 son los principales transportadores de importancia fisio(pato)lógica in vivo.  El MCT8 transporta preferencialmente T₄, mientras el MCT10 transporta preferencialmente T₃.   El OATP1C1 transporta T3, T4 y rT3 con alta especificidad; sin embargo, tiene la más baja afinidad por T4 de los tres transportadores. La expresión de transportadores es específica de tipo de célula y  diferencias en su distribución se han observado entre humanos y roedores. Después de su transporte en la célula, la TH es metabolizada por las yodotironina desyodasas, una familia de enzimas  que remueven un átomo de yodo del anillo fenólico  o tirosil de la HT. La desyodasa tipo 1 (D1) es capaz  de desyodar tanto al anillo interno como al anillo externo de la HT. Aunque  tiene menor afinidad por la T₃ que las otras desyodasas, es altamente expresada  en el hígado donde  es la principal fuente de T₃ local y es importante para el aclaramiento de rT₃. La desyodasa tipo 2 (D2) es capaz  de desyodar el anillo externo  o fenólico de la HT, lo cual  resulta en la conversión de T₄  en T₃. Aproximadamente 80% de la T₃ extra-tiroidal deriva  de la desyodación periférica  de T₄, principalmente por la D1 en el hígado y la D2 en el músculo esquelético. La desyodasa tipo 3 (D3) es una desyodasa del anillo interno o tirosil  de HT que convierte  T₄ y T₃ en sus respectivos metabolitos  inactivos rT₃ y T₂. Además de la desyodación, hay otras rutas menores  de metabolismo de HT incluyendo sulfatación, glucoronidación y clivaje en el enlace éter.

La ruta clásica a través de la cual las HT ejercen sus efectos biológicos es la unión a receptores nucleares (TR) capaces de iniciar -o inhibir- directamente  la transcripción de genes.  Hay varias isoformas de TR diferencialmente expresadas  de manera específica de tejido y célula. Las isoformas que son capaces de unirse a T₃ son: TRα1, ampliamente expresada  en músculo cardiaco y esquelético, sistema nervioso central y hueso; TRβ1, presente principalmente  en cerebro, hígado y riñón, y TRβ2, expresada en hipotálamo e hipófisis. Adicionalmente, hay evidencia que las TH también actúan vía rutas no genómicas. Las rutas involucradas  en las acciones no genómicas de las HT son iniciadas por la unión  de la HT a un receptor distinto a los TR intracelulares, por ejemplo, el receptor en la membrana plasmática αvβ3. La ruta clásica  de acción de HT y la  ruta rápida  no genómica  activada por HT no son completamente independientes una de otra, las acciones no genómicas pueden afectar los TR intracelulares y en ciertos tipos de células requieren TR.

El sistema inmune innato es responsable de la defensa del huésped contra patógenos invasores. Las células de este sistema  identifican microbios, inician una respuesta inflamatoria y pueden fagocitar  y matar patógenos o reclutar otras células inmunes innatas o adquiridas al sitio de la infección. Las células inmunes innatas  derivan  de stem cells hematopoyéticas en la médula ósea. Estas células pueden ser movilizadas  de la sangre o la médula ósea  al sitio de la infección. Alternativamente, las células inmunes innatas  que viajan de la  medula ósea  al tejido  y ejercen vigilancia contra patógenos invasores son conocidas como células residentes en  tejido. Las células del sistema inmune innato incluyen neutrófilos, monocitos/macrófagos y células dendríticas. 

Los neutrófilos,  las primeras células reclutadas en el sitio de inflamación,  son los más abundantes de los leucocitos  sanguíneos, comprenden 50-75% de los leucocitos circulantes en humanos y son  las células de más corta vida generadas a partir de las strem cells en la médula ósea. Los neutrófilos reconocen a los mediadores inflamatorios, después de lo cual  se adhieren  al endotelio cercano al sitio  de la infección antes de transmigrar  al tejido extravascular. Luego, los neutrófilos extravasculares migran  al lugar de la inflamación donde  pueden matar a los patógenos invasores y secretar mediadores inflamatorios que estimulan la respuesta inmune  y reclutar  otras células inmunes tanto innatas como adquiridas. Los neutrófilos son células altamente especializadas que cuentan con múltiples  mecanismos para matar microbios. Sin embargo, los tres principales mecanismos utilizados  por los neutrófilos son la desgranulación, la producción de especies reactivas  de oxigeno (ROS) y la generación  de trampas extracelulares.  En la fagocitosis de un patógeno, los neutrófilos pueden  liberar varios elementos bactericidas  en el fagosoma. Algunos de estos elementos  son proteínas antimicrobianas y enzimas que son formadas secuencialmente  durante el desarrollo del neutrófilo y almacenadas en gránulos intracelulares.  En la fagocitosis, estos gránulos pueden fusionarse con el fagosoma de la membrana plasmática y liberar su contenido en un proceso conocido como desgranulación. Los neutrófilos también son capaces  de generar ROS en el fagosoma  usando el sistema nicotinamida adenina dinucleótido  fosfato (NADPH) oxidasa. Un importante mecanismo para matar los patógenos es la generación de trampas extracelulares (NET). Las NET están compuestas por cromatina del neutrófilo a la cual se unen  proteínas antimicrobianas y ROS. La liberación de las NET permite a los neutrófilos atrapar  y matar  bacterias extracelulares, pero eventualmente podrían  resultar en la muerte del neutrófilo.

Los monocitos y macrófagos  son células fagocíticas mononucleares. Los monocitos son generados continuamente en al médula ósea por hematopoyesis y liberados en la circulación  donde constituyen 10%  de los leucocitos humanos circulantes. Hay también un considerable  reservorio de monocitos  en el bazo y los pulmones que pueden ser movilizados por demanda. Los monocitos circulantes pueden migrar a los tejidos durante el estado estacionario y durante la inflamación  donde pueden diferenciarse en macrófagos o células dendríticas. Un subtipo alternativo de macrófagos  es el de los macrófagos residentes en  tejido que hasta hace poco tiempo se pensaba que eran continuamente reemplazados a partir del pool de monocitos circulantes. Actualmente, se sabe que derivan de precursores embrionarios  que colonizan los tejidos prenatalmente. Los macrófagos residentes en tejido  comprenden distintas poblaciones de células  cuyo fenotipo difiere fuertemente entre los tejidos. Estas células, incluyendo células de Kupffer y microglías,  son capaces de mantener  su población  en los tejidos adultos mediante  proliferación celular independientemente  de los monocitos circulantes. Después de entrar al tejido, los macrófagos pueden cambiar su fenotipo, lo cual les permite adaptarse a diversos roles.  Este proceso es conocido como polarización. Los macrófagos polarizados generalmente se clasifican en M1, o macrófagos activados clásicamente,  los cuales son células  pro-inflamatorias;  y M2, o macrófagos activados alternativamente, que constituyen un grupo heterogéneo de células  con un perfil  más anti-inflamatorio. Los macrófagos M1 son importantes la defensa antimicrobial y el reclutamiento de neutrófilos y células T en el tejido inflamado. Ellos son capaces de presentar antígenos y provocar una respuesta de células T. La polarización M1 es acompañada por cambios en el metabolismo celular que producen un  incremento en la glucólisis.  Los componentes esenciales de una adecuada función pro-inflamatoria de los macrófagos son la fagocitosis, la generación de ROS por la NADPH oxidasa y la generación  especies reactivas de nitrógeno (RNS)  mediada por la sintetasa de óxido nítrico inducible (iNOS).  Los macrófagos M2 son células tolerogénicas e inmunomoduladoras involucradas en la cicatrización de las heridas y la remodelación tisular. Esto es acompañado por cambios metabólicos que provocan  un aumento de la oxidación de ácidos grasos y la fosforilación oxidativa mitocondrial. Los datos recientes  sugieren que la polarización de los macrófagos  no es un corte claro entre estos fenotipos sino que representa un espectro que se extiende  de pro-inflamatorio  a anti-inflamatorio.

Las células dendríticas (CD) no solo son capaces de fagocitar patógenos sino también de funcionar como células presentadoras de antígenos. Ellas  sirven como puente entre la inmunidad innata y la inmunidad adaptativa y determinan la respuesta  de las células T. La población de CD deriva  del linaje hematopoyético y es muy heterogénea. Actualmente se reconocen  cuatro tipos principales de CD: CD clásicas, CD plasmacitoides, células de Langerhans y CD derivadas de monocitos.  Todos estos tipos de células derivan de un progenitor mieloide  común.  Las CD clásicas  y las CD derivadas de monocitos son células especializadas  en la fagocitosis de patógenos. Las CD no estimuladas o inmaduras  tienen  vida media corta y son reemplazadas continuamente  en la médula ósea.  Después de la activación estas células  experimentan considerables cambios morfológicos y son caracterizadas como CD clásicas maduras.  La activación de CD  es acompañada por  un cambio en el metabolismo celular que favorece la glucólisis  sobre la fosforilación oxidativa. Las CD maduras  son capaces de migrar  a los nodos linfáticos  y presentar antígenos a las células T, iniciando la respuesta inmune adaptativa.  Las CD plasmacitoides  no son fagocíticas y además son ineficientes en la presentación de antígenos. Ellas juegan un rol  importante  en la respuesta inmune  a virus ya que producen grandes cantidades interferón tipo 1. Las células de Langerhans son CD residentes en tejidos de la piel,  similares en muchos aspectos a los macrófagos residentes en tejido pero con capacidad de migrar a los tejidos linfoides.

Los neutrófilos contienen los elementos intracelulares esenciales requeridos para  el metabolismo y la acción de las HT. Los neutrófilos humanos expresan el transportador MCT10 y, una vez activados,  son capaces de llevar a cabo la desyodación de T₃ y T₄. Los neutrófilos también contienen  sitios de unión saturables para T₃ en el núcleo (TRα₁). La D3 está presente en neutrófilos de  humanos y roedores  y se localiza  en el citoplasma  y en los gránulos involucrados en la acción bactericida, aunque recientemente se ha demostrado que los neutrófilos humanos también expresan  D1. La D3 también se ha encontrado en el estadio inicial de las NET. Los niveles circulantes de HT  afectan la generación de ROS por los neutrófilos estimulados in vivo, mientras el hipertiroidismo incrementa la generación de ROS en comparación con controles eutiroideos, el hipotiroidismo tiene el efecto opuesto.  En ambos casos, los cambios en la generación de ROS son (parcialmente) revertidos  con la restauración  de los niveles de HT en el rango normal. Sin embargo, los efectos de la incubación de neutrófilos  con HT in vitro son menos consistentes. Estos resultados conflictivos sugieren que los efectos de la HT  sobre la generación de ROS por los neutrófilos no pueden explicarse  completamente por efectos directos de la HT sobre estas células. Otro mecanismo de acción bactericida de los neutrófilos es el uso de proteínas antibacterianas alojadas en los gránulos  citoplasmáticos de la célula. Una de estas proteínas es la mieloperoxidasa (MPO) y hay estudios que reportan un incremento en la actividad MPO en neutrófilos  derivados de animales hipertiroideos o  incubados con HT in vitro.  Los efectos de los niveles circulantes  de HT  sobre la función de los neutrófilos son mediados   a través de rutas no genómicas. El incremento en la producción de ROS es parcialmente mediado por un receptor acoplado a proteína G desconocido que activa la ruta de la proteína quinasa C e incrementa los niveles intracelulares de Ca²⁺. Por otra parte, el hipertiroidismo no afecta la actividad superóxido dismutasa  ni el contenido de glutatión en los neutrofilos, lo que indica que el incremento en la generación de ROS no se debe a cambios en las defensas antioxidantes.

El metabolismo intracelular de HT  juega un rol esencial  en la función de los neutrófilos  durante la infección y la inflamación. La HT  llega al sitio de la infección bacteriana   y los neutrófilos son capaces  de romper la unión tiroxina-globulina (TBG), incrementando la cantidad  de T₄ disponible extracelularmente. La HT entra al neutrófilo vía transportadores (MCT8 o MCT10) donde es inactivada por la D3. La actividad D3 de los neutrófilos aumenta significativamente en los tejidos inflamados. En este contexto, varios estudios reportan que el metabolismo  de HT por los neutrófilos activados  resulta en la producción  de yoduro libre (I^-), el cual podría ser utilizado por la MPO junto con H₂O₂ para generar hipoyodito (IOH), un compuesto tóxico que es capaz de matar bacterias. Otros estudios  han encontrado que los neutrófilos activados  son capaces de romper el enlace éter  de la T₄, lo cual resulta  en la formación de diyodotirosina (DIT).  Por otra parte, hay reportes que indican que la degradación de HT por los neutrófilos requiere la formación intracelular de ROS.

Los macrófagos contienen varios  elementos esenciales  del metabolismo intracelular de HT. Las macrófagos expresan principalmente MCT10 y en menor extensión MCT8.  Las microglías,  macrófagos residentes en el cerebro,  contienen transportadores LAT2, MCT10 y OATP4a1.  Los macrófagos también expresan D2, TRα₁ y  TRβ. Varios trabajos recientes  han demostrado que los macrófagos de humanos y roedores son capaces de producir  una variante TSHβ funcional, la cual es positivamente regulada por T₃,  es capaz de estimular  al receptor de TSH y, según algunos autores,  juega un rol en la fisiología ósea.  Por otra parte, algunos estudios  reportan  que los macrófagos hipertiroideos estimulados  incrementan la producción de ROS. El tratamiento  de pacientes hipertiroideos con PTU  normaliza la producción de ROS.  La fagocitosis de los macrófagos también es afectada por las concentraciones de HT, la mayoría de estudios reportan  que los altos niveles  de HT provocan  un incremento de la capacidad fagocítica. Este efecto ha sido confirmado  in vitro donde  la incubación de macrófagos  con HT resulta en un incremento de la fagocitosis y la quimiotaxis. La incubación con T3 polariza los macrófagos derivados  de la médula ósea hacia un fenotipo pro-inflamatorio M1 e inhibe la polarización M2. La polarización M1 se acompaña con  un cambio  en la relación TRα₁:TRβ₁, lo cual sugiere que la abundancia relativa  de las isoformas TR  está asociada  con el fenotipo de los macrófagos. El rol de los elementos específicos  del metabolismo intracelular de HT en estos efectos  ha sido estudiado recientemente.  Los resultados indican que  la adecuada regulación  de los niveles intracelulares de HT afecta la función de los macrófagos  a través de una combinación de rutas genómicas y no genómicas. El incremento en la expresión  y actividad de iNOS, la fagocitosis  y la muerte bacteriana son mediados  a través de la unión  de HT a integrinas αvβ3 en la superficie  extracelular de la célula, lo cual resulta  en la rápida activación   de las rutas de señalización  PI3K y ERK1/2.  La  regulación de los niveles intracelulares de HT  también  juega un rol esencial  en la respuesta pro-inflamatoria de los macrófagos. La D2  es inducida en macrófagos  estimulados con endotoxina  bacteriana  (lipopolisacáridos)  junto con TRα₁ y MCT10, lo que indica un desvío  hacia un incremento  de la acción HT durante la inflamación. Estos efectos parecen parcialmente mediados  por rutas genómicas. Más aún, los macrófagos que carecen de TRα exhiben bajo grado de inflamación en comparación con los controles, lo que indica un rol anti-inflamatorio  del TRα. Esto sugiere que la atenuación  de la rápida respuesta  pro-inflamatoria generada por el incremento en los niveles intracelulares de HT podría ser mediada por TRα.

Los macrófagos residentes en tejido  pueden variar ampliamente en fenotipo dependiendo del tejido. El metabolismo  de HT ha sido investigado específicamente  en  las células de Kupffer y las microglías.  Como macrófagos residentes en tejido, las células de Kupffer son esenciales para la homeostasis del hígado.  Este rol está aumentado durante la infección y la inflamación. La administración  de T₃ induce estrés oxidativo  en el hígado. Esto es mediado por las células de Kupffer, las cuales en respuesta a la administración de T₃ in vivo muestran hiperplasia, incremento en la capacidad fagocítica, aumento de la generación de ROS y producción de factor de necrosis tumoral (TNFα).  La activación de las células de Kupffer por T₃ dispara  una cascada  de respuestas en el hígado incluyendo un incremento en los niveles de TNFα e interleuquina-6 (IL-6), lo cual provoca la activación  de STAT3 y factor nuclear kappa-B (NFκB). La activación  de  ambas rutas  resulta en un aumento de la actividad de la iNOS  que a su vez provoca la producción  de grandes cantidades  de ROS y estrés oxidativo en el hígado y disminución del contenido de glutatión. Por otra parte, el incremento en la activación de células de Kupffer resulta en mayor actividad de la D2. Esto sugiere  que las células de Kupffer son también capaces  de generar T₃ localmente durante la inflamación. Las rutas exactas  a través de las cuales son mediados los efectos  de T₃ en las células de Kupffer aun no son claras. Es posible que las acciones no genómicas sean parcialmente atenuadas por los efectos genómicos  que inhiben la respuesta pro-inflamatoria  en estas células. En ratas, la inducción  de estrés oxidativo hepático por T₃ mejora los efectos perjudiciales   de la reperfusión isquémica, la cual provoca severo daño en el hígado.  El efecto protector  de la T₃ contra la reperfusión isquémica  es activado a través del desarrollo   transitorio y reversible de estrés oxidativo. 

Las microglías  derivan de células mieloides progenitoras  que migran al cerebro durante el desarrollo fetal. Las microglías de humanos y roedores   expresan altos niveles de LAT2, MCT10, OATP4a1, TRα1 y TRβ1. Las concentraciones fisiológicas de HT son cruciales para el crecimiento y la diferenciación morfológica de las microglías.  Las ratas hipotiroideas  muestran retardo en el crecimiento y diferenciación de microglías, mientras los animales hipertiroideos exhiben el fenotipo opuesto con  acelerado crecimiento y diferenciación  de microglías. La exposición a T₃  incrementa la migración, activación y fagocitosis  de las microglías  en ratones, lo que indica un desvío hacia  un fenotipo  más maduro y pro-inflamatorio. Estos efectos son mediados por  rutas genómicas y no genómicas. Sin embargo, la migración y los cambios morfológicos  asociados con la activación celular no dependen solamente de los transportadores y receptores de HT sino también de receptores de ácido gamma aminobutírico (GABA-A y GABA-B), NOS, entrada de Ca²⁺ y rutas de señalización mediadas por proteína G incluyendo PI3K y MAPK/ERK. Por el contrario, la estimulación  de la fagocitosis  inducida por T₃ en las microglías es mediada parcialmente por rutas de señalización que no involucran receptores de GABA. 

Las CD  expresan TRβ1 y en menor extensión TRα1, transportadores MCT10 y LAT2 y exhiben actividad enzimática D2 y D3.  Las HT tienen profundos efectos sobre el fenotipo de las CD. La administración de HT tiene efectos pro-inflamatorios en las CD, ilustrados por un incremento en la maduración de las células, producción de citoquinas pro-inflamatorias  y aumento de  la capacidad para provocar una respuesta de células T  citotóxicas. En este contexto, la incubación con HT de células mononucleares de sangre periférica humana  aumenta su capacidad para diferenciarse en CD funcionales. Más aún, la estimulación de CD derivadas de médula ósea  con niveles fisiológicos de  T₃ resulta  en  el inicio  de la respuesta inmune adaptativa por inducción de maduración de CD, incremento en la producción de IL-12 y aumento  de la capacidad de las CD para estimular la respuesta de las células T citotóxicas y disparar  respuestas específicas de antígeno. También aumenta la supervivencia de las CD y la capacidad para migrar a los nodos linfáticos. Los efectos de la T₃ sobre las CD son mediados por el receptor  TRβ1 y las rutas Akt y NFκB. El efecto  de la T₃ sobre las CD podría ser beneficioso en las vacunas anti-cáncer. Dado que las CD son células presentadoras de antígeno, las CD del propio paciente  pueden ser cargadas con antígeno tumoral  e inducir la maduración de CD. La CD son luego readministradas  al paciente resultando en una respuesta  de células T citotóxicas contra el tumor.  Esto necesita  el uso de moléculas coestimuladoras que incrementen la supervivencia  e inmunogenicidad de las CD. Como la T₃ incrementa  la supervivencia de las CD y su capacidad para migrar a los nodos linfáticos,  podría ser usada en las vacunas anti-cáncer basadas en CD.

En conclusión, las HT juegan un rol importante  en la función  de las células del sistema inmune innato. Neutrófilos, macrófagos y  células dendríticas contienen los elementos esenciales requeridos  para el metabolismo intracelular   y la acción de las HT, incluyendo transportadores de HT, desyodasas y TR.  Por otra parte, los niveles circulantes de HT tienen un profundo efecto sobre neutrófilos, macrófagos y CD. En general, niveles aumentados  de HT resultan en una amplificación  de la respuesta pro-inflamatoria de estas células.  Esto es ilustrado por el hecho  que la producción de ROS y la actividad MPO aumentan en neutrófilos hipertiroideos. Los altos niveles de HT también incrementan la producción de especies reactivas de nitrógeno, la fagocitosis y la acción bactericida  en macrófagos. De acuerdo con estos efectos, la T₃ polariza los macrófagos hacia  un fenotipo pro-inflamatorio M1 al tiempo que inhibe marcadores anti-inflamatorios M2 Además del efecto pro-inflamatorio de las HT extracelulares, la respuesta celular al estimulo pro-inflamatorio parece ser dependiente  del metabolismo intracelular de HT,  lo cual sugiere que  el metabolismo de HT juega un importante rol  en la defensa del huésped  contra la infección. Hasta la fecha, esto ha sido demostrado en macrófagos. En las CD, los efectos pro-inflamatorios de HT se manifiestan a través de  un incremento en la maduración celular, la producción de citoquinas pro-inflamatorias  y la capacidad para provocar una respuesta de células T citotóxicas. Los mecanismos involucrados en los efectos de las HT sobre las células inmunes innatas son solo parcialmente  entendidos.  En neutrófilos, la HT induce sus efectos pro-inflamatorios por unión a un receptor acoplado a proteína G desconocido cuyos efectos son mediados por la ruta de la PKC. En macrófagos,  se ha descrito una ruta no-genómica que involucra integrinas αvβ3 y la activación de las rutas ERK y PI3K. Los efectos de la T₃ en células dendríticas son mediados por TRβ1 y las rutas Akt y NFκB.

Fuente: van der Spek AH et al (2017). Thyroid hormone metabolism in innate immune cells. Journal of Endocrinology232: R67-R81.