La crisis de los antibióticos: una batalla contrarreloj

Por: Ana Galván del Rey, Sofía García Soto y Clara Gordillo. 3º Biología Molecular, Biología Sanitaria, Universidad de Alcalá de Henares.


Desde su descubrimiento, los antibióticos han sido nuestros principales aliados en el tratamiento de infecciones bacterianas o fúngicas. Por desgracia, su uso excesivo e ineficiente ha propiciado la aparición de peligrosos mecanismos de resistencia que dificultan la terapia de enfermedades infecciosas.

Con ello se han abierto numerosas líneas de investigación encaminadas a solucionar este problema sanitario de interés global.


Mecanismos de resistencia bacteriana

La resistencia a antibióticos puede ser adquirida de distintas maneras: Mediante mutaciones y posterior presión evolutiva, lo cual conlleva a la supervivencia de solo aquellas cepas adaptadas. O bien, mediante procesos de transmisión horizontal de genes de una bacteria a otra. De esta forma, a través de la conjugación bacteriana, cepas susceptibles a antibióticos pueden convertirse en bacterias resistentes por la adquisición de determinados plásmidos.

Los genes y mutaciones responsables de cada resistencia van a ser muy variados. El objetivo de este post no es el estudio concreto de cada una de ellas, sin embargo hemos considerado pertinente presentar una breve clasificación de las mismas, ya que es importante conocer el fundamento del funcionamiento de cada resistencia para conseguir enfrentarnos a ellas de forma efectiva.

Podemos clasificar las resistencias en (McManus, 1997)[1]:

Inactivación de fármacos: Las bacterias presentan la capacidad de sintetizar ciertas enzimas que actúan modificando el fármaco de tal forma que queda inutilizable. En este grupo encontramos resistencias tan importantes como a antibióticos b-lactámicos (penicilina) gracias a las b-lactamasas (Appelbaum, 2007)[2]. Otras enzimas destacables son acetilasas, adenilasas o fosforilasas.

Disminución de la accesibilidad del fármaco al interior de la bacteria: Entre ellas destacan las resistencias a tetraciclinas, b-lactámicos y  cefalosporinas.

Modificación de la diana objetivo: pese a que el fármaco está intacto y puede penetrar en la célula, se impide la interacción con el blanco. Por ejemplo, son las resistencias a rifampicina, fluroquinas  o macrólidos


Estrategias contra las resistencias

GoPhAST-R, un aliado en la lucha contra bacterias multirresistentes

La comunidad científica coincide en que la selección rápida del tratamiento más eficaz para una infección bacteriana es clave para reducir el uso innecesario de antibióticos de amplio espectro, y combatir la aparición de resistencias a los mismos.

Actualmente las pruebas de susceptibilidad a antibióticos pueden llevar varios días hasta encontrar el tratamiento óptimo. Además, las pruebas de secuenciación del genoma son imprecisas, ya que el ADN bacteriano esta sujeto a cambios constantes por presión evolutiva y se desconocen todos los mecanismos genéticos de resistencia.

Debido a estas limitaciones, el Instituto Broad de la Universidad de Harvard ha desarrollado una herramienta que combina el análisis fenotípico y genotípico de la susceptibilidad a antibióticos en un solo ensayo; a través de la detección de expresión genética.

GoPhAST-R («ir más rápido») es capaz de detectar diferencias en la expresión de ARN mensajero en bacterias tras una breve exposición a un antibiótico, y de esta forma distinguir entre bacterias susceptibles y resistentes a dicho antibiótico. (Bhattacharyya et al., 2019)[3]

Imagen 1: Su método consiste en la hibridación, detección por fluorescencia y cuantificación de transcritos específicos, que dan información acerca de la susceptibilidad o mecanismos de resistencia bacteriana en cuestión de horas. Estos fueron descritos previamente mediante secuenciación de ARN (RNA seq).

Esta herramienta permite la caracterización de cepas resistentes, y reconoce inmediatamente mecanismos de resistencia desconocidos hasta el momento gracias al análisis genotípico.

Por tanto, aunque aún no está listo para la práctica clínica, sin duda promoverá un uso más eficiente e inteligente de los antibióticos.

Anti-virulencia

Una alternativa a los antimicrobianos convencionales es la inhibición de la patogenia bacteriana, a través del bloqueo de la expresión de factores de virulencia. Esto frena la infección considerablemente y ejerce una menor presión evolutiva sobre el patógeno, disminuyendo la aparición de genes de resistencia. (Belete, 2019)[4]

Algunas de las principales dianas son la producción de biopelículas, toxinas, factores de adhesión o la síntesis de señales de comunicación (quorum-sensing compound).

Un ejemplo interesante es el Bezlotoxumab, fármaco que se basa en el uso de anticuerpos monoclonales frente a la toxina B de Clostridium difficile (imagen 2). (DIckey, Cheung and Otto, 2017)[5]. De esta forma, la inmunidad pasiva previene las infecciones recurrentes de este patógeno en pacientes hospitalizados y se administra en conjunto la terapia tradicional. (Rounds and Strain, 2017)[6]

Imagen 2: Toxina B TcdB. PDB 5UQN/Chimera UCSF
Imagen 3: Bezlotoxumab, IgG humano frente a toxina B de C. difficile. BioRender.com

Nanopartículas

Las nanopartículas son sistemas con un tamaño comprendido entre los 10-100 nm con una gran superficie de actuación y una alta reactividad.

El encapsulamiento de fármacos en sistemas nanoparticulados es una alternativa innovadora encaminada a mejorar la eficacia terapeútica (ya que son retenidos en el cuerpo más tiempo que los antibióticos) y reducir efectos secundarios de algunos fármacos. Estos nanosistemas se diseñan para ser capaces de transportar y dirigir de forma segura los agentes antimicrobianos al sitio diana. Para ello, se está llevando a cabo la elaboración de nanomateriales antimicrobianos que no generan resistencias. Un ejemplo son las nanopartículas a base de metales y óxidos de metales, cuyo carácter antimicrobiano se relaciona con la formación de radicales libres y/o desorganización de la membrana de la bacteria.

Otra tecnología son los nanovehículos trasportadores de fármacos, que permitirían una eficaz administración de los antibióticos. (Olmeda Pérez, 2017)[7].

Péptidos antimicrobianos

Los péptidos antimicrobiamos (AMPs) son proteínas de origen natural efectoras del sistema inmune innato. Juegan un papel esencial en la defensa frente a infecciones bacterianas, mediante interacción a través de su membrana y desestabilizando mecanismos como replicación del ADN y síntesis proteica. Se están investigando como posibles soluciones futuras al tratamiento antimicrobiano, debido a su actividad de amplio espectro y a que inducen un menor número de resistencias que los antibióticos (Germán Alberto Téllez and Castaño, 2010) [8].

Sin embargo, se han descrito otro tipo de resistencias como la degradación por proteasas, inhibición por proteínas o cambios en la conformación de la membrana externa del patógeno; así como que su producción supone un elevado consumo energético. Para solucionar esto se ha desarrollado una nueva clase de péptidos antimicrobianos, unos “peptidomiméticos” que tienen un mecanismo similar. Además, son resistentes a la degradación enzimática y potentes contra las bacterias multi-resistentes (Méndez-Samperio, 2014)[9].

Fagoterapia

Los bacteriofagos son virus que infectan de forma exclusiva a organismos procariotas. Pueden presentar dos mecanismos de infección: ciclo lítico y ciclo lisogénico. En el primero, el fago actúa como un virus típico (imagen 4) y en el segundo inserta su material genético en el cromosoma de la bacteria (profago) y lo transmite en cada división celular. Cada fago es específico de un determinado género o especie bacteriana.

Imagen 4: Ciclo lítico de un bacteriófago, en donde se produce la fijacion de este sobre la membrana bacteriana (A), inyección del material genético (B), reproducción y ensamblaje de los componentes del fago (C) y lisis (D)

La fagoterapia se basa en la utilización de los virus bacteriófagos líticos como tratamiento para infecciones bacterianas. Nace como alternativa al uso de antibióticos y supone una serie de ventajas frente a estos.

En primer lugar, a diferencia de algunos antibióticos los fagos son siempre bactericidas inhibiendo la mayoría de los mecanismos celulares necesarios para la bacteria, y permitiendo una mayor eficacia frente a la resistencia bacteriana. Además, debido a la sencillez del genoma de los fagos es posible realizar modificaciones genéticas. Lo cual permite su utilización conjunta con un antibiótico, incrementando su actividad bactericida y disminuyendo el desarrollo de resistencias. Se han llegado a elaborar fagos genéticamente modificados con el sistema CRISPRCas9 para que detecten los genes bacterianos de resistencia y los inactiven.

Asimismo, mientras los antibióticos deben ser dosificados continuamente para eliminar la infección, los fagos son capaces de amplificarse en el sitio de la infección (necesitándose menores dosis) y son eliminados del cuerpo cuando las bacterias susceptibles desaparecen. Además, el tratamiento con fagos no supone una alteración ni modificación del microbioma humano.  

También, uno de los principales problemas para el tratamiento de enfermedades bacterianas es la formación de biofilms, algunos fagos son capaces de penetrar en estos biofilms y podrían servir como suplemento al tratamiento tradicional (Criscuolo and Spadini, 2020)[10].

Por otro lado, hay que tener en cuenta que los fagos no son terapeúticos para cualquier tipo de enfermedad, ya que mientras los antibióticos son capaces de tratar patógenos bacterianos intracelulares, los bacteriófagos no pueden penetrar en células eucariotas.

De otra forma, podría ocurrir que los fagos fueran reconocidos por el sistema inmune como patógenos y fueran eliminados del sistema circulatorio antes de que lleguen a los tejidos infectados, disminuyendo así su eficacia, especialmente en administraciones repetidas y prolongadas. También hay que tener en cuenta la posibilidad de que las bacterias desarrollen fago-resistencias. Pudiendo modificar o perder su receptor de membrana para la penetración del fago y dejar de ser susceptible al mismo. Actualmente no se sabe qué cantidad de fagos o como se produce esta resistencia.

Por último, una de las principales desventajas de la fagoterapia es que la alta especificidad de muchos fagos ralentiza el tratamiento. Por ello, se están realizando lo que se denomina “cocktails de fagos” o combinados de fagos, para ampliar el rango de hospedadores de fagos y reducir el estrecho espectro (Kortright et al., 2019) [11].  

Por tanto, el uso de fagos como terapia antimicrobiana es un paso más, bastante eficaz contra la lucha de las resistencias; pero que no sustituye a los antibióticos.

Oligonucleótidos antisentido

Otra forma que se está investigando para las sustitución de antibióticos clásicos, con prometedores resultados, es la inhabilitación del ARN mensajero gracias a los oligonucleótidos antisentido (ASOs)

Consisten en ácidos nucleicos, de cadena corta (10 a 30 nucleótidos) cuya secuencias es complementaria a un mARN diana. De tal manera que se va a formar un ARN duplexo ASO/RNA, que va a ser degradado por la enzima RNAasa H o producir un bloqueo de la traducción (imagen 5)(Hegarty and Stewart, 2018) [12].

Esta técnica tiene la ventaja de que permite el ataque selectivo de cepas concretas de bacterias, y se evita el daño a la propia microbiota o células eucariotas (Vogel, 2020) [13].

La degradación de mensajeros concretos, puede ser utilizada no solo para la eliminación selectiva de bacterias, sino para modificar sus resistencias. De tal forma que se ha estado estudiando su aplicación en la reconversión de bacterias a cepas sensibles a antibióticos, buscando el poder hacer un uso conjunto en terapia de estos mecanismos con los antibióticos de uso común.

Imagen 5

Problemas que presenta la técnica y soluciones en estudio

Como toda técnica en proceso de estudio, presenta una serie de dificultades que aún suponen un importante campo de investigación.

Los problemas principales radican en la inestabilidad de los ASOs, su transporte a través de las barreras físicas de la bacteria y las interacciones electrostáticas con la superficie de la célula y con el ARN mensajero.

  • Estabilidad de la molécula:

El ARN en su forma natural es una molécula inestable, además los ASOs son rápidamente atacados por las nucleasas de la célula, por lo que se va a requerir la protección del olígomero frente a la degradación de enzimas.

Para ello se han descrito muchas modificaciones de estas moléculas, que pueden ayudar a mejorar su estabilidad, evitar su degradación por nucleasas y mantener su especificidad de diana. Principalmente consisten en modificaciones en los azucares, el eje, el las bases y en los extremos 3’ y 5’terminal (Hegarty and Stewart, 2018) [12]:

Tabla 1
Imagen 6
  • Entrada a la célula:

Para facilitar la entrada a través de membranas y paredes celulares de las bacterias se están usando de péptidos que previamente ya se haya demostrado su efectividad.

El uso de carriers va a ayudar a disminuir notablemente la concentración mínima inhibitoria, igualándolas a las concentraciones que se utilizan en los antibióticos clásicos.

La selección de péptidos debe centrarse en evitar dañar la membrana en la penetración, para asegurar el mantenimiento intacto de la microbiota.

A continuación se presenta una tabla en la que se describen los principales recursos sujetos de estudio:

Cell-penetrating peptides (CPPs)Péptidos cortos de menos 30 aminoácido. Normalmente presentan abundantes aminoácido cargados, como lisina o arginina; o presentan carácter antipático, combinando aminoácidos polares/cargados  y aminoácidos con grupos hidrofóbico.
Penetran a través de las membranas sin causar un daño significativo
NanomaterialesIncluyen polímeros, lípidos, componentes inorgánicos.
Fluidosomas
(Fillion et al., 2001) [15]
Liposomas cargados negativamente, sin colesterol, formados por dipalmitolfosfaditilcolina (DPPC) y dimiristolilfosfatifilglicerol (DMPG).
No inducen ningún tipo de respuesta inmune.
Tabla 2

Selección de secuencias de ataque

Al llevar a cabo un ataque específico, se requiere un amplio conocimiento del genoma de las bacterias, de sus plásmidos, sus genes de resistencia. Aunque es cierto que muchas cepas si son bien conocidas, muchas otras aun suponen un campo importante de estudio. Hoy en día, técnicas como RNA-seq resuelven en gran medida este problema.

Para elegir las secuencias a las que atacar, en los experimentos también se ha estado utilizando información obtenida de sRNA y de técincas de Maching learning.

Las principales secuencias objetivo en las que se va a centrar la técnica son:

  • Genes importantes para el crecimiento celular : síntesis de ácidos grasos, genes para la división celular, RNA polimerasas
  • Genes de resistencia a antibióticos
  • Genes productores de toxinas o de formación de biofilms
  • SD y codón de inicio, consiguiendo un bloqueo de la traducción

A día de hoy todavía hay un entendimiento incompleto de cómo se consigue la hibridación, sin embargo si se conocen ciertas condiciones de las secuencias que hay que tener en cuenta para que se produzca el duplexo ASO/RNA: por ejemplo, deshacer estructuras secundarias supone un coste termodinámico durante la unión, por lo que se tendrá a buscar dianas en las que la región de  ARN se encuentre como cadena simple.

CRISPR-Cas9

Otro método que se está estudiando para la sustitución de antibióticos comunes es el uso del conocido CRISPR-Cas9.

Cuyo funcionamiento queda descrito en detalle en otra entrada de nuestro blog escrita por Lidia Mayordomo Soler, Raquel Míguez Rodríguez, Andrea Rivera Solera http://www3.uah.es/chemevol/index.php/2021/02/10/fundamentos-del-crispr-cas/

Esta técnica ya ha tenido resultados favorables en el laboratorio, tanto por conjugación de plásmidos, como por transducción viral. Existen estudios muy prometedores en los que se consigue la eliminación de cepas específicas de E.Coli (Gomaa et al., 2014)[16] , o cepas de Staphylococcus Aureus (Bikard et al., 2014) [17]. Sin embargo para el perfeccionamiento de esta técnica se requiere una profundización mayor en el estudio de la trasferencia de genes a las bacterias (Citorik, Mimee and Lu, 2014) [18].

Una de las grandes ventajas de esta técnica, al igual que la anterior, es que permite tanto eliminar bacterias, como simplemente modificarlas para suprimir genes responsables de la resistencia adquirida.

Además, cabe destacar que CRISPR-cas9 tiene la capacidad para realizar cortes distinguiendo con una especificad de nucleótidos. Lo cual es especialmente útil para enfrentarse a resistencias derivadas de mutaciones de un solo nucleótido, como es el caso de resistencias a quinolona (que difieren en una mutación de un solo aminoácido de la DNA girasa) (Citorik, Mimee and Lu, 2014)[18],


La búsqueda y desarrollo de herramientas innovadoras juega un papel esencial para hacer frente a la llamada “crisis de los antibióticos”.

No obstante, no debemos olvidar la eficacia de las terapias antimicrobianas tradicionales y las aproximaciones para mejorarlas; tales como modificaciones químicas de las estructuras básicas de antibióticos conocidos y búsqueda de nuevos fármacos. Por ejemplo, a través del estudio de microorganismos que habitan en nichos ecológicos recónditos o sustancias metabólicas de la microbiota humana (lugdunina producida por Staphylococcus lugdunensis). (Vila, Moreno-Morales and Ballesté-Delpierre, 2020)[19].

Por tanto, las estrategias descritas constituyen un avance en la lucha contra las multirresistencias pero no son excluyentes entre sí y es necesario un consenso interdisciplinar.


Bibliografía

[1] McManus, M. C. (1997) ‘Mechanisms of bacterial resistance to antimicrobial agents’, American Journal of Health-System Pharmacy, 54(12), pp. 1420–1433. doi: 10.1093/ajhp/54.12.1420.

[2] Appelbaum, P. C. (2007) ‘Microbiology of antibiotic resistance in Staphylococcus aureus’, Clinical Infectious Diseases, 45(SUPPL. 3), pp. 323–334. doi: 10.1086/519474.

[3] Bhattacharyya, R. P., Bandyopadhyay, N., Ma, P., Son, S. S., Liu, J., He, L. L., Wu, L., Khafizov, R., Boykin, R., Cerqueira, G. C., Pironti, A., Rudy, R. F., Patel, M. M., Yang, R., Skerry, J., Nazarian, E., Musser, K. A., Taylor, J., Pierce, V. M., Earl, A. M., Cosimi, L. A., Shoresh, N., Beechem, J., Livny, J. and Hung, D. T. (2019) ‘Simultaneous detection of genotype and phenotype enables rapid and accurate antibiotic susceptibility determination’, Nature Medicine. Springer US, 25(12), pp. 1858–1864. doi: 10.1038/s41591-019-0650-9.

[4] Belete, T. M. (2019) ‘Novel targets to develop new antibacterial agents and novel alternatives to antibacterial agents’, Human Microbiome Journal. Elsevier, 11(January), p. 100052. doi: 10.1016/j.humic.2019.01.001.

[5] Rounds, J. and Strain, J. (2017) ‘Bezlotoxumab for Preventing Recurrent Clostridium difficile Infections’, South Dakota medicine : the journal of the South Dakota State Medical Association, 70(9), pp. 422–423. doi: 10.1056/nejmoa1602615.

[6] DIckey, S. W., Cheung, G. Y. C. and Otto, M. (2017) ‘Different drugs for bad bugs: Antivirulence strategies in the age of antibiotic resistance’, Nature Reviews Drug Discovery. Nature Publishing Group, 16(7), pp. 457–471. doi: 10.1038/nrd.2017.23.

[7] Olmeda Pérez, R. (2017) ‘FACULTAD DE FARMACIA-DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA Y BIOINORGÁNICA-UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID TRABAJO FIN DE GRADO Nanovehículos para el tratamiento de la infección bacteriana I AUTOR: Raquel Olmeda Pérez TUTORA: Montserrat Colilla Nieto CONVO’.

[8] Germán Alberto Téllez and Castaño, J. C. (2010) ‘Péptidos antimicrobianos Antimicrobial peptides’, Iunics, 14(1), pp. 55–67. Available at: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed.

[9] Méndez-Samperio, P. (2014) ‘Peptidomimetics as a new generation of antimicrobial agents: Current progress’, Infection and Drug Resistance, 7, pp. 229–237. doi: 10.2147/IDR.S49229.

[10] Criscuolo, E. and Spadini, S. (2020) ‘Phage therapy: An alternative to antibiotics’, Biocommunication of Phages, 31(2), pp. 335–346. doi: 10.1007/978-3-030-45885-0_16.

[11] Kortright, K. E. et al. (2019) ‘Phage Therapy: A Renewed Approach to Combat Antibiotic-Resistant Bacteria’, Cell Host and Microbe, 25(2), pp. 219–232. doi: 10.1016/j.chom.2019.01.014.

[12] Hegarty, J. P. and Stewart, D. B. (2018) ‘Advances in therapeutic bacterial antisense biotechnology’, Applied Microbiology and Biotechnology, 102(3), pp. 1055–1065. doi: 10.1007/s00253-017-8671-0.

[13] Vogel, J. (2020) ‘An RNA biology perspective on species-specific programmable RNA antibiotics’, Molecular Microbiology, 113(3), pp. 550–559. doi: 10.1111/mmi.14476.

[14] Eckstein, F. (2014) ‘Phosphorothioates, essential components of therapeutic oligonucleotides’, Nucleic Acid Therapeutics, 24(6), pp. 374–387. doi: 10.1089/nat.2014.0506.

[15] Fillion, P. et al. (2001) ‘Encapsulation of DNA in negatively charged liposomes and inhibition of bacterial gene expression with fluid liposome-encapsulated antisense oligonucleotides’, Biochimica et Biophysica Acta – Biomembranes, 1515(1), pp. 44–54. doi: 10.1016/S0005-2736(01)00392-3.

[16] Gomaa, A. A. et al. (2014) ‘Programmable removal of bacterial strains by use of genome- targeting CRISPR-cas systems’, mBio, 5(1). doi: 10.1128/mBio.00928-13.

[17] Bikard, D. et al. (2014) ‘Exploiting CRISPR-cas nucleases to produce sequence-specific antimicrobials’, Nature Biotechnology, 32(11), pp. 1146–1150. doi: 10.1038/nbt.3043.

[18] Citorik, R. J., Mimee, M. and Lu, T. K. (2014) ‘Sequence-specific antimicrobials using efficiently delivered RNA-guided nucleases’, Nature Biotechnology, 32(11), pp. 1141–1145. doi: 10.1038/nbt.3011.

[19] Vila, J., Moreno-Morales, J. and Ballesté-Delpierre, C. (2020) ‘Current landscape in the discovery of novel antibacterial agents’, Clinical Microbiology and Infection. European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases, 26(5), pp. 596–603. doi: 10.1016/j.cmi.2019.09.015.

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15 Respuestas to “La crisis de los antibióticos: una batalla contrarreloj

  • Un artículo de fácil lectura que te deja la sensación de haber aprendido sin esfuerzo. ¡Enhorabuena!

    +1
  • Un artículo muy interesante! Nos deja ver que hay muchos avances esperanzadores para un grave problema que debería preocuparnos y concienciarnos a todos

    0
  • Mónica B.
    2 meses hace

    Gran abordaje de un problema real que tenemos y del que no estamos muy concienciados.
    Nos quedamos sin antibióticos y los retos del futuro son muy esperanzadores.
    Muchas gracias por divulgar la información de manera tan clara.

    0
  • Belén del Rey
    2 meses hace

    Gran artículo. Muy bien expuesto, felicidades.

    0
  • Muy divulgativo y claro ! estupendo artículo

    0
  • Un articulo súper interesante. Merece la pena leerlo.

    0
  • Enhorabuena por el estupendo artículo.

    +2
  • Me ha gustado mucho! Muy interesante!!

    +1
  • Merece la pena leerlo! Muy interesante. Qué necesaria es la medicina biomolecular y la investigación! Apostemos por la salud

    +1
  • Ignacio Rodrigálvarez
    2 meses hace

    ¡De lo más interesante! Una buena indagación en este tema tan recurrente hoy en día y especialmente muy interesante para aquellos que no teníamos mucho conocimiento en cuanto a ello.
    ¡Buen trabajo!

    +1
  • Un artículo muy curioso e interesante, y muy comprensible para todo el mundo. Muy recomendable, muchas gracias!

    +1
  • Muy buen artículo! Muy ameno y fácil de entender para todo tipo de lectores. Enhorabuena.

    +1
  • Olivia García Maldonado
    2 meses hace

    ¡Increíble artículo! Una explicación clara y amena sobre un tema del que todos deberíamos tener un mínimo de conocimientos. Enhorabuena a las redactoras.

    +3
  • Super interesante!!!

    +5

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