En la biología celular, es una vesícula formada alrededor de una partícula envuelta por un fagocito a través de la fagocitosis.
Los fagocitos profesionales incluyen macrófagos, neutrófilos y células dendríticas (CD).
Un fagosoma se forma por la fusión de la membrana celular alrededor de un microorganismo, una célula senescente o una célula apoptótica.
Los fagosomas tienen proteínas unidas a la membrana para reclutar y fusionar con los lisosomas para formar fagolisosomas maduros.
Los lisosomas contienen enzimas hidrolíticas y especies de oxígeno reactivo (SRO, por sus siglas en ingles) que matan y digieren los patógenos.
Los fagosomas también pueden formarse en fagocitos no profesionales, pero solo pueden englobar un rango más pequeño de partículas y no contienen especies reactivas de oxígeno.
Los materiales útiles (por ejemplo, aminoácidos) de las partículas digeridas se mueven al citosol, y los desechos se eliminan por exocitosis.
La formación del fagosoma es crucial para la homeostasis tisular y la defensa del huésped tanto innata como adaptativa contra los patógenos.
Sin embargo, algunas bacterias pueden explotar la fagocitosis como una estrategia de invasión.
O bien se reproducen dentro del fagolisosoma (por ejemplo, Coxiella spp.) o escapan al citoplasma antes de que los fagosomas se fusionen con el lisosoma (por ejemplo, Rickettsia spp.).
Muchas micobacterias, incluida Mycobacterium tuberculosis y Mycobacterium avium paratuberculosis, pueden manipular el macrófago huésped para evitar que los lisosomas se fusionen con los fagosomas y creen fagolisosomas maduros.
Tal maduración incompleta del fagosoma mantiene un ambiente favorable para los patógenos dentro de él.
Formación
Los fagosomas son lo suficientemente grandes como para degradar bacterias enteras, o células apoptóticas y senescentes, que generalmente tienen un diámetro> 0.5μm.
Esto significa que un fagosoma es varios órdenes de magnitud más grande que un endosoma, que se mide en nanómetros.
Los fagosomas se forman cuando los patógenos u opsoninas se unen a un receptor transmembrana, que se distribuyen aleatoriamente en la superficie de las células de los fagocitos.
Tras la unión, la señalización de «afuera hacia adentro» desencadena la polimerización de actina y la formación de pseudópodos, que rodea y fusiona detrás del microorganismo.
La proteína quinasa C, la fosfoinositida 3-quinasa y la fosfolipasa C (PLC, por sus siglas en inglés) son todas necesarias para señalizar y controlar la internalización de partículas.
Más receptores de superficie celular pueden unirse a la partícula en un mecanismo parecido a una cremallera a medida que el patógeno está rodeado, lo que aumenta la avidez de la unión.
El receptor de Fc (FcR), los receptores del complemento (RC), el receptor de manosa y Dectin-1 son receptores fagocíticos, lo que significa que pueden inducir fagocitosis si se expresan en células no fagocíticas como los fibroblastos.
Otras proteínas, como los receptores Toll-like, están implicadas en el reconocimiento del patrón de patógenos y, a menudo, se reclutan para los fagosomas, pero no desencadenan específicamente la fagocitosis en las células no fagocíticas, por lo que no se consideran receptores fagocíticos.
Opsonización
Las opsoninas son etiquetas moleculares, como anticuerpos y complementos que se unen a los patógenos y regulan al alza la fagocitosis. La inmunoglobulina G (IgG) es el tipo principal de anticuerpo presente en el suero.
Es parte del sistema inmune adaptativo, pero se vincula a la respuesta innata al reclutar macrófagos para fagocitar patógenos. El anticuerpo se une a los microbios con el dominio variable Fab, y el dominio Fc se une a los receptores Fc (FcR) para inducir la fagocitosis.
La internalización mediada por el complemento tiene protuberancias de membrana mucho menos significativas, pero la señalización descendente de ambas vías convergen para activar Rho GTPasas.
Controlan la polimerización de actina que se requiere para que el fagosoma se fusione con los endosomas y los lisosomas.
Células no fagocíticas
Otros fagocitos no profesionales tienen algún grado de actividad fagocítica, como células epiteliales tiroideas y vesicales que pueden englobar a los eritrocitos y las células epiteliales de la retina que internalizan las varillas de la retina.
Sin embargo, los fagocitos no profesionales no expresan receptores fagocíticos específicos, como el receptor Fc, y tienen una tasa de internalización mucho más baja.
Algunas bacterias invasivas también pueden inducir fagocitosis en células no fagocíticas para mediar en la captación del huésped. Por ejemplo, Shigella puede secretar toxinas que alteran el citoesqueleto del huésped e ingresan al lado basolateral de los enterocitos.
Estructura
Como la membrana del fagosoma está formada por la fusión de la membrana plasmática, la composición básica de la bicapa de fosfolípidos es la misma.
Los endosomas y lisosomas luego se fusionan con el fagosoma para contribuir a la membrana, especialmente cuando la partícula envuelta es muy grande, como un parásito.
También entregan varias proteínas de membrana al fagosoma y modifican la estructura del orgánulo.
Los fagosomas pueden engullir perlas artificiales de látex de baja densidad y luego purificarse a lo largo de un gradiente de concentración de sacarosa, lo que permite estudiar la estructura y la composición.
Al purificar los fagosomas en diferentes puntos de tiempo, el proceso de maduración también se puede caracterizar. Los primeros fagosomas se caracterizan por Rab5, que pasa a Rab7 a medida que la vesícula madura en los fagosomas tardíos.
Proceso de maduración
El fagosoma naciente no es intrínsecamente bactericida. A medida que madura, se vuelve más ácido desde pH 6.5 a pH 4, y gana marcadores proteicos característicos y enzimas hidrolíticas.
Las diferentes enzimas funcionan a diversos pH óptimos, formando un rango para que cada uno trabaje en etapas estrechas del proceso de maduración. La actividad de la enzima se puede ajustar modificando el nivel de pH, lo que permite una mayor flexibilidad.
El fagosoma se mueve a lo largo de los microtúbulos del citoesqueleto, fusionándose con los endosomas y los lisosomas secuencialmente de una manera dinámica «beso y huida».
Este transporte intracelular depende del tamaño de los fagosomas.
Los orgánulos más grandes (con un diámetro de aproximadamente 3 μm) se transportan muy persistentemente desde la periferia de la célula hacia la región perinuclear.
Mientras que los organelos más pequeños (con un diámetro de aproximadamente 1 μm) se transportan más bidireccionalmente entre el centro celular y la periferia celular.
Las bombas de protones Vacuolar (v-ATPase) se entregan al fagosoma para acidificar el compartimiento de los orgánulos, creando un ambiente más hostil para los patógenos y facilitando la degradación de las proteínas.
Las proteínas bacterianas se desnaturalizan a pH bajo y se vuelven más accesibles para las proteasas, que no se ven afectadas por el entorno ácido.
Las enzimas se reciclan más tarde desde el fagolisosoma antes de la egestión para que no se desperdicien. La composición de la membrana de fosfolípidos también cambia a medida que madura el fagosoma.
Fusion puede tomar de minutos a horas dependiendo del contenido del fagosoma; La fusión mediada por el receptor de FcR o manosa dura menos de 30 minutos, pero los fagosomas que contienen cuentas de látex pueden tardar varias horas en fusionarse con los lisosomas.
Se sugiere que la composición de la membrana del fagosoma afecta la velocidad de maduración.
Mycobacterium tuberculosis tiene una pared celular muy hidrófoba, que tiene la hipótesis de evitar el reciclado de la membrana y el reclutamiento de factores de fusión, por lo que el fagosoma no se fusiona con los lisosomas y la bacteria evita la degradación.
Las moléculas lumenales más pequeñas se transfieren por fusión más rápido que las moléculas más grandes, lo que sugiere que se forma un pequeño canal acuoso entre el fagosoma y otras vesículas durante el «beso y fuga», a través del cual solo se permite el intercambio limitado.
Regulación de fusión
Poco después de la internalización, la F-actina se despolimeriza a partir del fagosoma recién formado, por lo que los endosomas se vuelven accesibles para la fusión y la administración de proteínas.
El proceso de maduración se divide en etapas tempranas y tardías dependiendo de los marcadores de proteínas características, reguladas por pequeñas Rab GTPasas.
Rab5 está presente en los primeros fagosomas, y controla la transición a los fagosomas tardíos marcados por Rab7.
Rab5 recluta PI-3 cinasa y otras proteínas de anclaje tales como Vps34 a la membrana del fagosoma, por lo que los endosomas pueden suministrar proteínas al fagosoma.
Rab5 participa parcialmente en la transición a Rab7, a través del complejo CORVET y el complejo HOPS en levadura.
La vía de maduración exacta en los mamíferos no se conoce bien, pero se sugiere que el HOPS puede unirse a Rab7 y desplazar al inhibidor de la disociación del nucleótido de la guanosina (GDI). Rab11 está involucrado en el reciclaje de la membrana.
Fagolisosómica
El fagosoma se fusiona con los lisosomas para formar un fagolisosoma, que tiene diversas propiedades bactericidas.
El fagolisosoma contiene especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (ROS y RNS) y enzimas hidrolíticas.
El compartimiento también es ácido debido a las bombas de protones (v-ATPasas) que transportan H + a través de la membrana, que se utiliza para desnaturalizar las proteínas bacterianas.
Las propiedades exactas de los fagolisosomas varían según el tipo de fagocito. Los que están en las células dendríticas tienen propiedades bactericidas más débiles que los de los macrófagos y neutrófilos.
Además, los macrófagos se dividen en M1 «asesino» proinflamatorio y M2 «reparador».
Los fagolisosomas de M1 pueden metabolizar arginina en óxido nítrico altamente reactivo, mientras que M2 usa arginina para producir ornitina para promover la proliferación celular y la reparación de tejidos.
Función del fagosoma
Degradación de patógenos
Los macrófagos y neutrófilos son fagocitos profesionales a cargo de la mayor parte de la degradación de los patógenos, pero tienen diferentes métodos bactericidas.
Los neutrófilos tienen gránulos que se fusionan con el fagosoma. Los gránulos contienen NADPH oxidasa y mieloperoxidasa, que producen oxígeno tóxico y derivados del cloro para matar patógenos en un estallido oxidativo.
Las proteasas y péptidos antimicrobianos también se liberan en el fagolisosoma. Los macrófagos carecen de gránulos y dependen más de la acidificación de los fagolisosomas, las glucosidasas y las proteasas para digerir los microbios.
Los fagosomas en las células dendríticas son menos ácidos y tienen una actividad hidrolítica mucho más débil, debido a una menor concentración de proteasas lisosómicas e incluso a la presencia de inhibidores de la proteasa.
Inflamación
La formación del fagosoma está ligada a la inflamación a través de moléculas de señalización comunes. La PI-3 quinasa y la fosfolipasa C están involucradas tanto en el mecanismo de internalización como en la activación de la inflamación.
Las dos proteínas, junto con las Rho GTPasas, son componentes importantes de la respuesta inmune innata, que inducen la producción de citoquinas y activan la cascada de señalización de MAP quinasa.
Se producen citoquinas proinflamatorias, incluidas IL-1β, IL-6, TNFα e IL-12.
El proceso está estrictamente regulado y la respuesta inflamatoria varía según el tipo de partícula dentro del fagosoma.
Las células apoptóticas infectadas con patógenos desencadenarán inflamación, pero las células dañadas que se degradan como parte del recambio de tejido normal no lo hacen. La respuesta también difiere según la fagocitosis mediada por opsonina.
Las reacciones mediadas por receptores de FcR y manosa producen especies de oxígeno reactivas proinflamatorias y moléculas de ácido araquidónico, pero las reacciones mediadas por los receptores del complemento no dan como resultado esos productos.
Presentación de antígeno
Las células dendríticas inmaduras (CDI) pueden fagocitar, pero las células dendríticas maduras no pueden debido a los cambios en las Rho GTPasas implicadas en la remodelación del citoesqueleto.
Los fagosomas de las células dendríticas son menos hidrolíticos y ácidos que los de los macrófagos y neutrófilos, ya que las células dendríticas están principalmente involucradas en la presentación del antígeno en lugar de en la degradación del patógeno.
Necesitan retener fragmentos de proteínas de un tamaño adecuado para el reconocimiento bacteriano específico, por lo que los péptidos están solo parcialmente degradados.
Los péptidos de las bacterias se trafican al complejo mayor de histocompatibilidad (MHC).
Los antígenos peptídicos se presentan a los linfocitos, donde se unen a los receptores de las células T y activan las células T, acortando la brecha entre la inmunidad innata y la adaptativa.
Esto es específico para mamíferos, aves y peces con mandíbulas, ya que los insectos no tienen inmunidad adaptativa.
Nutrientes
Los organismos unicelulares antiguos como la ameba utilizan la fagocitosis como una forma de adquirir nutrientes, en lugar de una estrategia inmune.
Envuelven a otros microbios más pequeños y los digieren dentro del fagosoma de alrededor de una bacteria por minuto, que es mucho más rápido que los fagocitos profesionales.
Para la ameba del suelo Dictyostelium discoideum, su principal fuente de alimento es la bacteria Legionella pneumophila, que causa la enfermedad del legionario en humanos.
La maduración del fagosoma en la ameba es muy similar a la de los macrófagos, por lo que se utilizan como organismo modelo para estudiar el proceso.
Liquidación de tejidos
Los fagosomas degradan las células senescentes y apoptóticas para mantener la homeostasis tisular. Los eritrocitos tienen una de las tasas de rotación más altas en el cuerpo, y son fagocitados por los macrófagos en el hígado y el bazo.
En el embrión, el proceso de eliminación de las células muertas no está bien caracterizado, pero no lo realizan los macrófagos u otras células derivadas de las células madre hematopoyéticas.
Es solo en el adulto que las células apoptóticas son fagocitadas por fagocitos profesionales.
La inflamación solo se desencadena por ciertos patrones moleculares asociados a patógenos o daños (DAMP, por sus siglas en inglés) o patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP, por sus siglas en inglés), la eliminación de células senescentes no es inflamatoria.
Autofagosoma
Los autofagosomas son diferentes de los fagosomas, ya que se utilizan principalmente para degradar de forma selectiva los orgánulos citosólicos dañados, como las mitocondrias (mitofagia).
Sin embargo, cuando la célula está hambrienta o estresada, los autofagosomas también pueden degradar de manera no selectiva los orgánulos para proporcionar a la célula aminoácidos y otros nutrientes.
La autofagia no se limita a los fagocitos profesionales, sino que se descubrió por primera vez en hepatocitos de rata por el biólogo celular Christian de Duve.
Los autofagosomas tienen una membrana doble, la interna del orgánulo engullido, y se especula que la membrana externa se formará a partir del retículo endoplásmico o el compartimiento intermedio ER-Golgi (ERGIC, por sus siglas en inglés).
El autofagosoma también se fusiona con los lisosomas para degradar su contenido. Cuando M. tuberculosis inhibe la acidificación del fagosoma, el interferón gamma puede inducir la autofagia y rescatar el proceso de maduración.
Evasión y manipulación bacteriana
Muchas bacterias han evolucionado para evadir las propiedades bactericidas de los fagosomas o incluso explotar la fagocitosis como una estrategia de invasión.
Mycobacterium tuberculosis tiene como objetivo los macrófagos M2 en las partes inferiores de la vía respiratoria, que no producen especies de oxígeno reactivo.
M. tuberculosis también puede manipular las vías de señalización mediante la secreción de fosfatasas como PtpA y SapM, que interrumpen el reclutamiento de proteínas y bloquean la acidificación del fagosoma.
Legionella pneumophila puede remodelar la membrana del fagosoma para imitar vesículas en otras partes de la vía secretora, por lo que los lisosomas no reconocen el fagosoma y no se fusionan con él.
La bacteria secreta toxinas que interfieren con el tráfico de host, por lo que la vacuola que contiene Legionella recluta proteínas de membrana que generalmente se encuentran en el retículo endoplásmico o compartimiento intermedio ER-Golgi.
Esto redirige las vesículas secretoras al fagosoma modificado y entrega nutrientes a la bacteria.
Listeria monocytogenes secreta una proteína formadora de poros listeriolisina O para que la bacteria pueda escapar del fagosoma hacia el citosol. La listeriolisina se activa por el ambiente ácido del fagosoma.
Además, Listeria secreta dos enzimas de fosfolipasa C que facilitan el escape del fagosoma.
Comentarios finales y perspectivas para futuras investigaciones
Los cambios dinámicos y profundos que experimentan los fagosomas durante su maduración permiten a las células inmunes mantener la homeostasis y responder rápidamente a las amenazas microbianas.
Por lo tanto, la maduración del fagosoma tiene un impacto directo en el resultado de las respuestas inmunitarias y está regulado no solo a nivel celular, sino también a nivel del orgánulo.
En los últimos años, un creciente cuerpo de evidencia ha demostrado varios vínculos entre la maquinaria de maduración del fagosoma y las diferentes vías de señalización.
Además, la polarización de las poblaciones de células de fagocitos permite que el sistema inmune innato inicie y forme respuestas inmunes.
Por ejemplo, los fenotipos de tipo M1 y similares a M2 durante la polarización de MΦ pueden inducir diferentes características de la maduración del fagosoma, incluso cuando se encuentran en el mismo tejido.
Curiosamente, estas características no están restringidas a MΦs, como bien lo demuestra el concepto emergente de polarización de neutrófilos.
La cinética de maduración fagosomal es susceptible a diversos estímulos que van desde citoquinas y patrones moleculares asociados a patógenos hasta patrones moleculares asociados a daños y opsoninas.
Otros factores, como la duración de la estimulación y el tipo de fagocito comprometido, también influyen en el destino fagosomal.
Por lo tanto, la maduración del fagosoma puede estimularse para mejorar la muerte del patógeno o para prevenir la presentación de péptidos propios y la autoinmunidad.
Por el contrario, la maduración del fagosoma puede retrasarse para preservar los péptidos patógenos para su presentación a las células T para inducir de manera eficiente la inmunidad adaptativa.
Se necesita más trabajo para identificar las vías de señalización hacia y desde el fagosoma y para comprender mejor cómo los diferentes fagocitos regulan estos aspectos a nivel molecular.
Actualmente no se sabe si las señales inmunes modulan la maduración del fagosoma al activar una vía única de transducción de señales o si están involucradas múltiples rutas.
Además, los efectos de otros tipos de estímulos ambientales (por ejemplo, alérgenos) aún no se han estudiado.
Con base en el progreso actual, surge la idea de que los fagosomas funcionan como plataformas de señalización que integran múltiples señales intrafagosómicas, intracelulares y extracelulares, que pueden modular la maduración del fagosoma.
Los estudios proteómicos revelaron que muchas proteínas que se sabe que están implicadas en la señalización, como los receptores y las quinasas, están presentes en los fagosomas.
El estado de fosforilación de estas proteínas es solo un aspecto que influye en la maduración del fagosoma.
Finalmente, las diversas interacciones entre los fagosomas, el inflamasoma y los orgánulos circundantes, como los autofagosomas y las mitocondrias, sugieren que el fagosoma no es un orgánulo solitario y puede comunicarse con otros orgánulos.
La investigación futura podría centrarse en estas interacciones y el impacto de las señales inmunes, especialmente cuando la maduración del fagosoma se ve afectada por los patógenos para evadir la inmunidad del huésped.
Esto podría ayudar a desarrollar nuevas terapias que mejoren la eliminación de patógenos y la inmunidad adaptativa.
