TEMA 4. Patogénesis Bacteriana y Terapias Antibacterianas PDF

TEMA 4. PATOGÉNESIS BACTERIANA Y TERAPIAS ANTIBACTERIANAS ______________________________________________________________________ CÓMO CAUSAN LAS BACTERIAS ENFERMEDAD La enfermedad es un desequilibrio entre los microorganismos y el hombre. Normalmente hay → Colonización: relación de simbiosis con la...

TEMA 4. PATOGÉNESIS BACTERIANA Y TERAPIAS ANTIBACTERIANAS ______________________________________________________________________ CÓMO CAUSAN LAS BACTERIAS ENFERMEDAD La enfermedad es un desequilibrio entre los microorganismos y el hombre. Normalmente hay → Colonización: relación de simbiosis con la microbiota Cuando hay enfermedad hay → Infección: interacción entre un microorganismo patógeno y el huésped. El desarrollo de la enfermedad infecciosa no se da hasta que no hay un desequilibrio entre los FV y los mecanismos de defensa del huésped. Proceso de infección → ○ Tras una exposición, el patógeno entra se adhiere a piel y mucosas gracias a factores de virulencia como las adhesinas, pili, o el cápside. ○ Invasión: atraviesa los tejidos y profundiza en el cuerpo gracias a hemolisinas, toxinas de degradación o colagenasas - Escapa de las defensas naturales y evade la RI gracias a la cápsula, formación de biofilms, proteasas para Ig o microorganismos de vida intracelular. ○ Infección: las bacterias se multiplican y crecen generando daño directo e indirecto*. Además invade el resto del cuerpo por vía circulatoria o linfática. * Directo: - Mecanismo invasivo → penetran en tejidos donde se multiplica, y su crecimiento genera daño. Indirectos: - Mecanismo toxigénico → por la producción de toxinas; enfermedad toxigénica. Puede que las bacterias no se diseminen pero las toxinas solubles sí. - Mecanismo inmunopatológico → daño causado por el SI, sobre todo citoquinas proinflamatorias que pueden dar daño tisular ______________________________________________________________________ FACTORES DE VIRULENCIA Identificarlos es importante para saber cómo funciona la bacteria e identificar posibles dianas. Una enfermedad puede venir causada por un único factor de virulencia (tétanos). Pero lo más normal es que venga causada por muchos factores de virulencia que generan muchas respuestas distintas. La enfermedad que genere dependerá de la expresión concreta de factores y de las condiciones del huésped. 19 Tratamientos a lo largo de la historia: Remedios tradicionales → Antibacterianos no basados en dianas → Basados en modelos animales → Contra metabolismos y receptores de superficie → Basados en diana → Basados en información genómica (estudia genoma/transcriptoma para buscar dianas) DIANA TERAPEÚTICA Molécula o proceso que si se inhibe provoca la muerte del patógeno o de su crecimiento. Tienen que ser lo más específicas posible para no dañar procesos del hospedador ni su microbiota. Normalmente está basado en los factores de virulencia porque no los produce el hospedador. Pueden ser: - Transferencia horizontal de genes - Proteínas de resistencia a antibióticos (bombas de flujo; B-lactamasas; PBP (uniones a penicilina)). - Fragmentos de proteínas concretas (U ribosoma para evitar que traduzca) - Complejo multiproteico de secreción → T3SS (transloca toxinas) → evitan la secreción de toxinas. - Genes → se inhibe la transcripción y traducción - Sistemas de regulación de factores de virulencia → si los inhibimos se dejan de expresar los factores de virulencia. FACTORES DE VIRULENCIA Virulencia → característica microbiana que se da en el momento de la enfermedad. Los factores de virulencia dependen de las condiciones del hospedador, del órgano que esté infectando, de si la infección es aguda o crónica. En cada infección los factores de virulencia van a variar; hay que ir estudiando el patógeno en cada una de las infecciones posibles. P-aeruginosa en fibrosis quística aguda vs crónica. Aguda → no mucoides, con tasas de mutaciones normales, sensible a antibióticos. A medida que se le trata con AB su fenotipo cambia Crónica → fenotipo mucoide con cápsula, establece biofilm (con metabolismo adaptado), reduce la expresión de factores de virulencia porque ya no los necesita, auxotrófica (no necesita todos los nutrientes) y aumenta la tasa de mutación. Vemos que no es lo mismo tratar una infección aguda que crónica, ya que los factores de virulencia cambian. 20 ______________________________________________________________________ DIANAS TERAPÉUTICAS Se pueden identificar diferentes dianas para un mismo factor de virulencia según la estrategias antimicrobiana usada: ○ Vacunas → Fácil en microorganismos poco variables con cepas parecidas. En cepas con muchos factores de virulencia y pangenoma se usan vacunas polivalentes que permiten adaptarse a la variabilidad genética y cubren varias cepas. Pueden ser de: - DNA, carrier, subunidades → no usan el patógeno completo, sino partes específicas como DNA, subunidades (proteínas inmunogénicas - que generan respuesta inmune) o carrier (usan un virus inofensivo (vector) para transportar fragmentos de genes del patógeno). - Vivas con genes deletivos de virulencia → patógeno vivo pero modificado genéticamente para eliminar genes de virulencia, pero no genes relacionados con la inmunogenicidad ○ Kit diagnóstico → detectan proteínas externas antigénicas, invariables y específicas, que no cambian mucho entre una cepa y otra, pero son específicas de cepa. ○ Fármaco antimicrobiano → contra genes específicos del patógeno, no necesariamente inmunogénico, pero si deben ser esenciales para la vida del patógeno. No ortólogos en hospedador. Antígeno vs Inmunógeno - Antígeno: molécula exógena o endógena extraña para el organismo. Puede unirse específicamente a un AC o a un TCR, pero no tiene porque generar R. Inmune. - Inmunógeno: moléculas que inducen una respuesta inmune ENCONTRAR NUEVAS DIANAS - IDENTIFICAR FV Para identificar factores que contribuyen a la virulencia hay que entender su papel en la infección y poder cuantificar la virulencia. Existen diversos métodos para identificar FV: ○ Métodos microbiológicos → mecanismos de modificación genética y transferencia horizontal de genes para adquirir nuevos FV. Para ello usa modelos animales y humanos en los que mide la infección (LD50, ID50, ensayos de competición…). Además se pueden usar modelos tisulares y organoides para medir la diseminación en placa o fluorescencia. ○ Métodos moleculares → mutagénesis (inducir mutaciones en la bacteria (eliminar o añadir un gen) y ver los efectos que tiene a nivel de infección), ensayos bioquímicos. ○ Métodos genómicos → técnicas -ómicas → menos invasivos pero más complejos. Estudiar el genoma de una cepa determinada. - Patogenómica → Predicción de la virulencia a partir de un genoma → Ver cuales son los genes presentes en cepas patogénicas y ver cuales se están expresando (transcriptómica) Una vez identificados y caracterizados los factores de virulencia se diseñan estrategias combinadas para combatir cada uno de los factores de virulencia 21 ______________________________________________________________________ MICROORGANISMOS CON MULTIRRESISTENCIA Desarrollan resistencia por - Uso inadecuado de AB: exposición continuada a antibióticos, que favorece la supervivencia de bacterias resistentes. O los propios AB inducen cambios en la expresión génica y aumentan la resistencia. - Malas condiciones sanitarias - Prácticas ineficaces de control de enfermedades infecciosas. RESISTENCIA CONTRA → Agentes antimicrobianos → compuestos o procesos que interfieren en el crecimiento de microorganismos. - De bajo peso molecular - Sintéticos o naturales - Antibacterianos (AB), antimicóticos/antifúngicos, antiparasitarios o antivirales. Los antibióticos se clasifican en función de su actuación sobre la bacteria en bacteriostáticos, inhiben crecimiento o bactericidas, producen muerte de la bacteria. Las principales dianas son la pared celular, la membrana celular, la síntesis de proteínas, DNA/RNA y el metabolismo. CAUSAS DE LA RESISTENCIA - TIPOS DE RESISTENCIA La adquisición de resistencia puede ser por: Por la propia bacteria - Naturales ○ Intrínseca: cápsula, biofilm o carencia de diana ○ Adquiridas: presión selectiva (exposición continuada a un antibiótico que favorece la aparición de mutaciones aumentando la resistencia), mutaciones de novo, transferencia horizontal de genes Por acción del hombre → uso inapropiado de antibióticos en clínica, diagnóstico inadecuado, sobreuso hospitalario y sobreuso agrícola. MECANISMOS DE RESISTENCIA 1. Dificultar el acceso del AB a su diana → mecanismos: - Bombas de expulsión: bombean el antibiótico hacia fuera de la célula. - Disminuir la permeabilidad de la membrana para que los AB no entren. - Modificar el antibiótico: enzimas en la membrana que los inactivan, o añadirle grupos químicos para que no pueda atacar al microorganismo. 2. Facilitar su transporte al exterior de la bacteria. 3. Modificar la estructura molecular del AB y que pierda su actividad antimicrobiana. 4. Modificación o bypass de la diana → dificulta la unión del antibiótico o incrementa la producción de dianas para que las cantidades de antibiótico sean insuficientes. Se hace por mutaciones o enzimas alternativas. 5. Desarrollar vías metabólicas alternativas a la que inhibe el antimicrobiano. 22 CONTROL DE LA RESISTENCIA 1. NUEVAS DIANAS ○ Genómica comparativa → comparación de genomas para identificar diferencias entre bacterias resistentes y no resistentes y así identificar dianas potenciales. Se usan bases de datos de genes esenciales. ○ Avances en conocimientos sobre fisiología, bioquímica y genética de patógenos y sus mecanismos de patogenicidad. Se pueden generar antibióticos específicos frente a un microorganismo o grupo de microorganismos que comparten el mismo mecanismo de virulencia, por ejemplo el LPS. - Colistina → antibiótico de la clase de las polimixinas. Se utiliza para tratar infecciones por bacterias G-; se une al LPS, lo que desestabiliza la membrana y lleva a lisis celular. - Acinetobacter baumannii → Colistina U LPS → pérdida completa del LPS de la membrana celular; pero la bacteria puede tolerarlo, es decir, tiene resistencia frente a la colistina. - P. aeruginosa, E. coli y K. pneumoniae → no pueden sobrevivir sin el LPS en su membrana externa, la eliminación total del LPS deriva en su muerte. La resistencia a la colistina está mediada por una enzima llamada MCR-1, que modifica el LPS, lo que reduce la unión de la colistina. Para las cepas que no pueden modificar el LPS se buscan maneras de aumentar la permeabilidad de la membrana. 2. NUEVAS MOLÉCULAS BIOACTIVAS Las moléculas bioactivas pueden actuar contra dianas ya conocidas o sobre nuevas dianas. Pueden ser: ○ Naturales → metabolitos primarios y secundarios - Bacteriocinas: espectro más reducido, atacan a cepas de la misma especie o especies muy próximas. - Antibióticos ○ Sintéticas → moléculas preexistentes modificadas para darles nuevo uso (simulaciones moleculares): - Se analiza la estructura a través de genómica comparativa (permite la identificación de potenciales hits), y se ve si la molécula puede interaccionar con alguna parte del microorganismo. - Buscar en colecciones de productos u organismos y ver si se pueden usar. - Antibióticos que ya tenemos y combinarlos entre sí → sinergias. Proceso de diseño de fármacos → es laborioso y conlleva mucho tiempo. - 3-6 Años → identificación de dianas y Hits → ver moléculas sintetizadas y de colecciones; a nivel molecular ver si puede encajar con alguna de las dianas. Después se seleccionan los compuestos que más interesan y más reactividad tienen y se estudian en ensayos animales (ensayos preclínicos). - 6-7 Años → ensayos clínicos de fármacos experimentales - 1-2 Años → aprobación por la especialidad médica para comercializar el fármaco. 23 3. PRODUCCIÓN DIRIGIDA DE NUEVOS ANTIMICROBIANOS Diseñar nuevas moléculas antimicrobianas basados en la estructura de la diana: ○ Análisis cristalográfico → hacer modelado molecular vemos como es la estructura y las características químicas etc. ○ Ingeniería metabólica → modificación de rutas biosintéticas de bacterias para que sinteticen nuestro compuesto. ○ Biologia sintética o de sistemas → Generación de nuevas rutas biosintéticas → diseñar genes específicos para dar lugar a una ruta y ver que bacteria puede asumir esos genes y el gasto E. ○ Modificación de QS + módulos de producción de antimicrobianos → - Manipular el QS para activar o aumentar la producción de antimicrobianos - Modificar las rutas de síntesis de antimicrobianos (↑ cantidad, calidad) Crear un sistema dirigido → diseñar una bacteria que produzca grandes cantidades de antimicrobiano cuando detecte una población alta. 4. COMBINACIÓN DE ANTIMICROBIANOS CON OTRAS MOLÉCULAS Unión a otras moléculas que fomentan sus características antimicrobianas. Hay que hacer ensayos clínicos también, pero se puede empezar desde fase 2 o 3. - Fármacos combinados con: - Helpers/adyuvantes → compuestos que magnifican efecto antibióticos - Inhibidores de factores de virulencia/resistencia → aumenta la sensibilidad al anticuerpo (Ac.Clavulánico + βlactámicos - inhibe degradación β-lactamasas). - Combinación de 2 antibióticos de amplio espectro con terapia de anticuerpos. ______________________________________________________________________ OTRAS TERAPIAS ANTIBACTERIANAS: PRODUCCIÓN ACTUAL DE FÁRMACOS ANTIBACTERIANOS Debido al alto número de resistencias, se buscan nuevas terapias distintas a los antibióticos. - Terapia fágica - Moléculas con actividad antibacteriana (anti-cáncer, antipsicóticos, antiinflamatorios) - Estatinas: interfieren en el ensamblaje de microdominios de membrana → impiden la síntesis de la pared celular. - Diseño computacional de nuevas moléculas (glicopéptidos, ketolidos,...) - Péptidos peques → Defensinas (sintéticas (++) o modificados) → lisan células - Inmunomoduladores - Promotores del crecimiento con actividad antimicrobiana - Inhibir procesos poblacionales: formación de biofilm, quorum sensing. - Microorganismos antagonistas a bacterias multirresistentes - Bactericinas: polipéptidos sintetizados por cepas para inhibir el crecimiento de otras de la misma especie (a veces, de otras especies → AS48 Enterococcus). - Fármacos con dos mecanismos de acción: atacar la membrana e inhibir alguna fase de la expresión génica. - Reformulación de antiguos antibióticos (neoglicósidos) y uso combinado. 24 MODIFICACIÓN DE FÁRMACOS ANÁLOGOS - Nuevos macrólidos y oxazolidinonas (antibióticos de último recurso) - Producción de polímeros: estructuras peptídicas - Péptidos que lisan células (sin dianas proteicas especificas como los retinoides) - Nanopartículas: alteran funciones quimicas de la bacteria, matándola - Biopharmaceuticals con actividad antimicrobiana → productos biológicos de metabolismo primarios y secundarios - Selección específica de portadores de resistencia: Terapias basadas en sistemas CRISPR. Introducir virus o bacterias para que ataque a un patógeno concreto. Uso de microorganismos para la liberación de fármacos: moléculas como caballo de troya para aportar el tratamiento. Se busca: - Liberación dirigida y controlada cuando queramos y donde queremos - Mótiles y quimiotácticas, que haya una sustancia que lo atraiga al punto de la infección. - Seguimiento desde el exterior → reporteros fluorescentes - Focalización específica en diana → adhesinas modificadas - Repertorio de citotoxicidad elegible y controlable cuidado con la citotoxicidad 25