Alteraciones del metabolismo de las células dendríticas en la infección con Mycobacterium tuberculosis
Resumen
La tuberculosis (TB) continúa siendo un problema de salud global, causando millones de muertes por año. Actualmente, no existen vacunas efectivas que combatan la TB de manera adecuada. La única vacuna disponible en regiones donde la TB es endémica es la Bacillus Calmette-Guérin (BCG), que es una vacuna atenuada. Aunque la BCG protege eficientemente contra la TB meníngea en infantes, su efectividad varía considerablemente en adolescentes y adultos.
Mycobacterium tuberculosis (Mtb), agente causal de la TB, presenta diversas adaptaciones que le permiten debilitar la respuesta inmune humana, tales como la capacidad de interferir en las funciones de las células dendríticas (DCs), lo que afecta el inicio y desarrollo de la inmunidad adaptativa. Existen evidencias que sugieren que, durante la TB, la migración de las DCs hacia los ganglios linfáticos drenantes se encuentra alterada, lo que enlentece el desarrollo de una inmunidad protectora mediada por células T específicas. Sin embargo, los mecanismos que provocan esta reducción en la migración de las DCs durante la TB no se comprenden completamente.
Por otro lado, está ampliamente aceptado que las vías metabólicas influyen en las funciones efectoras de las células inmunes, campo de estudio conocido como inmunometabolismo. En particular, la inducción de la glicólisis aeróbica se relaciona con la potenciación de los procesos de activación celular.
Teniendo en cuenta que el establecimiento de DCs inmunogénicas es un paso crucial para generar una respuesta inmune protectora contra Mtb, y que la vía glicolítica de las células inmunes está íntimamente asociada con la activación celular, nuestra hipótesis en esta tesis doctoral es que la modulación de la vía glicolítica impacta en la calidad de la respuesta inmune frente a Mtb y, por ende, en el curso de la enfermedad tuberculosa.
En este trabajo, demostramos que la infección con Mtb desencadena la glicólisis aeróbica mediada por el factor de transcripción HIF1A de manera dependiente del receptor de tipo Toll (TLR) 2 en las DCs, siendo este perfil metabólico esencial para su migración. Observamos que la inhibición tanto de la glicólisis (mediante el uso del fármaco oxamato), como de la actividad de HIF1A (utilizando PX-478), anula por completo la migración de las DCs a los ganglios linfáticos inducida por Mtb tanto en modelos in vitro como in vivo. Además, utilizamos un modelo de BCG en murinos que nos permitió observar que una menor actividad migratoria de las DCs expuestas a un inhibidor de HIF1A se traduce en una disminución del número de células T CD4+ productoras de IFN-γ específicas para Mtb en las etapas tempranas posteriores a la inmunización. Esto sugiere que la actividad de HIF1A también es crucial para la migración de DCs infectadas con BCG hacia los ganglios linfáticos y, potencialmente, para promover la respuesta inmune adaptativa.
Curiosamente, encontramos que las DCs derivadas de monocitos de pacientes con TB presentaron una deficiencia en la activación de su glicólisis y su capacidad migratoria en respuesta a Mtb. A pesar de esto, los precursores de estas DCs, en particular las poblaciones de monocitos CD16+, exhibieron una alta capacidad glicolítica en comparación con los monocitos derivados de individuos sanos. Nuestros resultados indican también que la glicólisis exacerbada depende de las inmunoglobulinas de tipo G presentes en el plasma de pacientes tuberculosos.
En conjunto, estos hallazgos sugieren que el estado altamente glicolítico de los monocitos circulantes de los pacientes con TB los torna refractarios a la generación de DCs migratorias, lo que podría explicar el retraso en la migración de estas células durante el curso de la enfermedad, y abrir nuevos caminos para el diseño racional de estrategias terapéuticas dirigidas contra moléculas del hospedador a fin de controlar la TB. Tuberculosis (TB) remains a significant global health problem, causing millions of deaths each year. Currently, there are no effective vaccines that adequately combat TB. The only vaccine available in regions where TB is common is the Bacillus Calmette-Guérin (BCG) vaccine, which is a live attenuated vaccine. Although BCG efficiently protects against meningitis due to TB, in infants, its effectiveness varies widely among adolescents and adults. Mycobacterium tuberculosis (Mtb), the causative agent of TB, has several adaptations that allow it to weaken the human immune response, such as the ability to interfere with the functions of dendritic cells (DCs), thereby affecting the initiation and development of adaptive immunity. Evidence suggests that during TB, migration of DCs to the draining lymph nodes is altered, hindering the rapid development of protective T-cell mediated immunity. However, the mechanisms involved in the delayed migration of DCs during TB are still poorly defined.
On the other hand, its widely accepted that the metabolic pathways influence the effector functions of immune cells, a field of study known as immunometabolism. In particular, the induction of aerobic glycolysis is linked to the enhancement of cellular activation processes.
Therefore, considering that the establishment of immunogenic DCs represents a crucial step for generating a protective immune response against Mtb, and that the glycolytic pathway in immune cells is intimately intertwined with cellular activation, our hypothesis in this doctoral thesis is that the modulation of the glycolytic pathway impacts the quality of the immune response to Mtb, and, consequently, the course of the TB disease.
In this work, we found that infection of DCs with Mtb triggers aerobic glycolysis mediated by the transcription factor HIF1A in a Toll-like receptor 2 (TLR2)-dependent manner in DCs, with this metabolic profile being essential for their migration. We observed that the inhibition of both glycolysis (using the drug oxamate) and HIF1A activity (using PX-478), completely abrogated the Mtb-induced migration of DCs to lymph nodes in both in vitro and in vivo models. Furthermore, we utilized a mouse model of BCG, which allowed us to observe that reduced migratory activity of DCs exposed to an HIF1A inhibitor translated into a lower number of CD4+- IFN-γ+ T cells specific for Mtb in the early post-immunization stages. This indicates that HIF1A activity is also crucial for the migration of BCG-infected DCs to lymph nodes and, potentially, for promoting the adaptive immune response.
Interestingly, we found that monocyte-derived DCs from TB patients exhibited a deficiency in glycolytic activation and migratory capacity in response to Mtb. Despite this, the precursors of these DCs, particularly CD16+ monocyte populations, exhibited a high glycolytic capacity compared to monocytes derived from healthy individuals. In this sense, our results indicate that this exacerbated glycolysis depends on the presence of immunoglobulin G in the plasma of tuberculosis patients.
Taken together, these findings suggest that the highly glycolytic state of circulating monocytes in TB patients renders them refractory to the generation of migratory DCs, which may explain the delayed in the migration of these cells during the course of the disease and open new pathways for the rational design of therapeutic strategies targeting host molecules to control TB.