Tema 9. Antibióticos (2)-fusionado PDF

Tema 9 Antibióticos Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Tipos de agentes antimicrobianos ✓ Clasificación por su diana Pared celular Ribosomas Membrana plasmática Ácidos nucleicos...

Tema 9 Antibióticos Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Tipos de agentes antimicrobianos ✓ Clasificación por su diana Pared celular Ribosomas Membrana plasmática Ácidos nucleicos Rutas metabólicas Resistencia a antibióticos ✓ Mecanismos de resistencia © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Antibiogramas Uso combinado de antibióticos 2 ANTIBIÓTICOS Los antibióticos son sustancias sintetizadas por seres vivos (o derivados sintéticos de estas sustancias) que poseen actividad antimicrobiana, ya que son capaces de: ✓ Desencadenar la muerte del microorganismo (-cidas). ✓ Impedir el desarrollo y multiplicación de los microorganismos (-státicos). Los antibióticos pueden ser utilizados en terapéutica por vía oral o parenteral (por inyecciones) para el tratamiento de las enfermedades infecciosas ya que constituyen lo que Paul Erlich denominó una bala mágica (→T1D37). Es decir, son fármacos que (idealmente): © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Actúan específicamente contra el agente infeccioso que se va a tratar. ✓ No provocan efectos secundarios ni son tóxicos (en general). La toxicidad selectiva contra los microorganismos se debe a que los antibióticos afectan estructuras o procesos específicos de los microbios que carecemos los seres humanos, como por ejemplo la síntesis de peptidoglicano, la síntesis de proteínas por el ribosoma 70S, etc… 3 CLASIFICACIÓN Según el tipo de microorganismos sobre los que actúan: ✓ Antibacterianos: bacterias Son antibióticos (literalmente “contra la vida”): actúan sobre ✓ Antifúngicos: hongos la maquinaria metabólica y la síntesis de biomoléculas que poseen todos los organismos vivos. ✓ Antiparasitarios: parásitos NO son antibióticos, actúan sobre procesos virales ajenos al ✓Antivirales: virus metabolismo celular (interacción con la célula hospedadora, replicación del genoma viral, ensamblaje y maduración de viriones, etc…). Los estudiaréis más adelante en la asignatura © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados de Virología. Según su generación, es decir, en qué momento se aislaron y formularon. Cada familia de antibióticos tiene una o varias generaciones. P.e: ✓ Cefalosporinas de 1ª, 2ª, 3ª, 4ª y 5ª generación. ✓ Quinolonas de 1ª, 2ª, 3ª y 4ª generación. 4 CLASIFICACIÓN Según su espectro de acción, es decir, el rango de microorganismos a los que afecta. ✓ Espectro reducido: son antibióticos específicos de alguna especie, género o grupo reducido de especies microbianas. P.e. existen antibióticos específicos de grampositivas o gramnegativas, de anaerobios, etc… ✓ Amplio espectro: son activos frente a un gran número de microorganismos. Según su efecto antimicrobiano: ✓ Bacteriostáticos/fungistáticos: impiden el desarrollo y multiplicación de los microorganismos (bacterias u hongos respectivamente) sin destruirlos. Para que tengan efecto terapéutico, es fundamental que los © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados mecanismos inmunológicos del paciente eliminen finalmente al microorganismo. ✓ Bactericidas/fungicidas: su acción es letal, producen la muerte microbiana. En efecto letal se puede conseguir simplemente aumentando la dosis del antibiótico, pero también se incrementan las posibilidades de que aparezcan efectos secundarios indeseados. 5 CLASIFICACIÓN Según su estructura química, es decir, según sus motivos moleculares. Grupos Subgrupos Antibióticos Penicilinas Penicilina, ampicilina, amoxicilina… Cefalosporinas Cefalotina, cefuroxima, cefotaxima, ceftriaxona… Betalactámicos Carbapenemas Imipenem, meropenem… Monobactámicos Aztreonam Aminoglucósidos Estreptomicina, kanamicina, neomicina, gentamicina… Macrólidos Eritromicina, claritromicina, azitromicina… Tetraciclinas Tetraciclina, doxiciclina Aminoglucósidos (kanamicina) Quinolonas Quinolonas Ácido nalidíxico, cinoxacino © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Fluoroquinolonas Levofloxacino, ciprofloxacino Betalactámicos 6 Tetraciclina Macrólidos (eritromicina) CLASIFICACIÓN Según su mecanismo de acción, es decir, según el proceso metabólico afectado por el antibiótico (p.e. la síntesis de peptidoglicano), que dependerá de la diana celular (p.e. la pared celular) y molecular (p.e. las transpeptidasas) con los que interaccione. ✓ El mecanismo de acción de cada antibiótico depende íntimamente de la estructura química. P.e. los antibióticos β-lactámicos siempre interaccionan con las transpeptidasas de la pared celular que establecen los entrecruzamientos peptídicos del peptidoglicano (→T2D31). ✓ El mecanismo de acción de cada antibiótico, así como la estructura y bioquímica de cada especie microbiana, condicionan que cada antibiótico sea activo frente a determinados microorganismos de forma específica pero no frente a otros. P.e. un antibiótico como la colistina, que tiene como diana la membrana externa de la pared celular de las © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados gramnegativas (→T2D37), no afectará a ninguna grampositiva. 7 CLASIFICACIÓN Según su diana celular y molecular. ✓ Sobre la pared celular, inhibiendo la acción de enzimas implicadas en su síntesis. ✓ Sobre el ribosoma, inhibiendo la síntesis proteica. ✓ Sobre las membranas celulares, alterando su permeabilidad. ✓ Sobre los ácidos nucleicos, impidiendo la acción de enzimas que participan en su síntesis. ✓ Sobre determinadas vías metabólicas, inhibiendo las enzimas implicadas en la síntesis de biomoléculas imprescindibles para el metabolismo. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados En este tema, estudiaremos los antibióticos en función de su diana celular y molecular, que a su vez dependen de su estructura química y determina su mecanismo de acción. 8 CLASIFICACIÓN Como se puede apreciar, los antibióticos no son enzimas (no tienen capacidad catalítica de ningún tipo), sino que más bien son moléculas que inhiben a las enzimas microbianas. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 9 DIANA: PARED CELULAR La mayoría de los antibióticos disponibles en el mercando hoy día afectan a la síntesis de la pared celular ya que son capaces de interferir en alguna etapa del proceso de síntesis del peptidoglicano (→T2D32). ✓ Como este proceso sólo ocurre en bacterias, las células humanas no se ven afectadas. Al carecer de pared celular, la célula no puede contrarrestar la elevada presión osmótica que se produce como consecuencia de la entrada de agua en el protoplasto por ósmosis. Como consecuencia, la célula sufre lisis osmótica (estalla por entrada masiva de agua, →T2D19). Existen varios tipos de antibióticos que afectan a la síntesis de pared celular: ✓ β-lactámicos: penicilinas, cefalosporinas, carbapenemas y monobactámicos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Glucopéptidos. ✓ Fosfomicina. ✓ Bacitracina. 10 DIANA: PARED CELULAR Los antibióticos β-lactámicos poseen en su estructura molecular un anillo β– lactámico, imprescindible para su función inhibitoria de las transpeptidasas de la pared celular denominadas PBPs (penicillin-binding proteins) (→T2D33). A su vez, estos antibióticos se dividen en cuatro subgrupos en función del grupo N-acilo específico acoplado al anillo β-lactámico. ✓ Penicilinas: penicilina G, amoxicilina, ampicilina, oxacilina, meticilina... ✓ Cefalosporinas: cefazolina, cefuroxima, cefaclor, cefotaxima, ceftazidima, cefepima... Anillo β–lactámico ✓ Carbapenemas: imipenem, meropenem… ✓ Monobactámicos: aztreonam. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 11 Anillo β–lactámico en rojo, grupo N-acilo específico en azul DIANA: PARED CELULAR El primer antibiótico β-lactámico obtenido fue la penicilina G (→T1D38), un antibiótico natural aislado del hongo Penicillium notatum que únicamente es efectivo contra bacterias grampositivas y que es muy sensible al ácido (no se puede consumir por vía oral pues los ácidos estomacales lo destruyen) y a las β-lactamasas. Por este motivo, en la actualidad la mayoría de las penicilinas son semisintéticas, es decir, a la estructura nativa de la penicilina G se le realizan © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados modificaciones químicas en el grupo N-acilo para aumentar el espectro de acción o la estabilidad química. 12 DIANA: PARED CELULAR Los β-lactámicos se unen a las transpeptidasas de la pared celular denominadas PBPs (penicillin-binding proteins) responsables de la síntesis de los entrecruzamientos peptídicos del peptidoglicano (transpeptidación para la formación de entrecruzamientos peptídicos, →T2D31). Como consecuencia, la acción de estas transpeptidasas se inhibe, bloqueando la síntesis de la pared celular y produciendo la lisis osmótica de la bacteria. ✓ Hay distintos tipos de PBPs, distinta cantidad de PBPs según © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados bacteria y distinta afinidad de cada β-lactámico por cada tipo de PBP. 13 DIANA: PARED CELULAR Los glucopéptidos son antibióticos compuestos por péptidos cíclicos glucosilados que afectan a la síntesis de la pared celular, pero a través de una diana diferente a los β-lactámicos: se unen a los dos últimos aminoácidos del pentapéptido de glicano (D-Ala-D-Ala) y de esta manera inhiben tanto la transglicosilación (→T2D29) como la transpeptidación (→T2D31) por impedimento estérico. ✓ Como son muy hidrofílicos, no atraviesan la membrana externa de las gramnegativas y no acceden al peptidoglicano de estas bacterias. Por este motivo, los glucopéptidos sólo son efectivos contra las grampositivas. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Son antibióticos como la vancomicina o la teicoplanina. Vancomicina 14 DIANA: PARED CELULAR Muchos otros antibióticos inhiben la síntesis de pared celular a diferentes niveles de la síntesis del peptidoglicano, de ahí que se imprescindible conocer el proceso de síntesis de la pared celular (→T2D32). ✓ Fosfomicina: inhibe la formación de ácido N-acetilmurámico (NAM) (→T2D25). ✓ Bacitracina: se une al bactoprenol e © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados inhibe la movilización del lípido II a través de la membrana plasmática (→T2D27). 15 Síntesis de peptidoglicano y antibióticos que afectan a la síntesis DIANA: RIBOSOMA Muchos antibióticos afectan al ribosoma 70S bacteriano, impidiendo la síntesis de proteínas de alguna manera (→T3D35). ✓ Suelen ser antibióticos de amplio espectro que afectan tanto a grampositivas como a gramnegativas. ✓ Estos antibióticos generan más efectos secundarios que los inhibidores de la síntesis de pared celular porque también afectan a los ribosomas 70S de las mitocondrias. Existen antibióticos que se unen a la subunidad pequeña 30S: ✓ Aminoglucósidos. ✓ Tetraciclinas. Otros se unen a la subunidad grande 50S: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Macrólidos. ✓ Cloranfenicol. 16 DIANA: RIBOSOMA Los aminoglucósidos están compuestos de azúcares aminados unidos por enlaces glucosídicos. ✓ Incluyen varias moléculas: estreptomicina, kanamicina, neomicina, gentamicina… Kanamicina © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Las tetraciclinas poseen cuatro anillos cíclicos en su estructura sobre los cuales se disponen diferentes grupos funcionales. ✓ Incluyen la tetraciclina propiamente dicha, pero también la doxiciclina. Tetraciclina 17  DIANA: RIBOSOMA Los macrólidos están compuestos por un gigantesco anillo tipo lactona unido a diferentes azúcares. ✓ Incluyen moléculas como eritromicina, claritromicina y azitromicina. Eritromicina © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados El cloranfenicol es un antibiótico de amplio espectro que posee bastantes efectos secundarios, por lo que sólo se prescribe bajo ciertos supuestos. Cloranfenicol 18 DIANA: MEMBRANAS CELULARES Los antibióticos que hacen diana en las membranas celulares son lipopéptidos de carácter anfipático, es decir, poseen una parte polar y otra apolar. Esta última es la región hidrofóbica de la molécula que interacciona con los fosfolípidos de las membranas biológicas y altera su función. La daptomicina se une a la membrana plasmática. Como consecuencia, forma poros que despolarizan la membrana. ✓ En general, la daptomicina sólo es efectiva contra las grampositivas. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados La colistina se une a la membrana externa de las bacterias gramnegativas al interaccionar con las moléculas de LPS (→T2D37). Mecanismo de acción de la daptomicina ✓ Por este motivo, la colistina sólo es efectiva contra las gramnegativas. 19 DIANA: ÁCIDOS NUCLEICOS Los antibióticos que afectan a la síntesis de ácidos nucleicos impiden la replicación del DNA y/o la transcripción del mRNA necesario para generar proteínas. ✓ Aunque estos procesos también se dan en eucariotas, las enzimas diana son bacterianas y diferentes de sus homólogos eucariotas para evitar los efectos adversos. Hay diferentes tipos: ✓ Quinolonas. De primera generación: ácido nalidíxico. Fluoroquinolonas: ciprofloxacino, levofloxacino… ✓ Rifamicinas © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Rifampicina ✓ Nitroimidazoles Metronidazol 20 DIANA: ÁCIDOS NUCLEICOS Las quinolonas interfieren en la actividad de las DNA girasas (topoisomerasa II), enzimas que son indispensables para el mantenimiento de la topología y superenrollamiento del cromosoma bacteriano (→T2D16). ✓ Las DNA girasas tienen dos actividades para relajar (superenrollamiento positivo) o retorcer (superenrollamiento negativo) la hebra de DNA: una actividad nucleasa, que corta las hebras, y una actividad ligasa, que las une de nuevo. ✓ Concretamente, las quinolonas inhiben la actividad ligasa, de modo que las DNA girasas trocean el DNA sin volver a unirlo. Existen diferentes tipos de quinolonas: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados De primera generación: ácido nalidíxico. Fluoroquinolonas, que son quinolonas de sucesivas generaciones que incluyen flúor en su composición: ciprofloxacino, levofloxacino… Superenrollamiento negativo por DNA girasas, 21 con la acción en dos pasos: nucleasa y ligasa. Ácido nalidíxico Ciprofloxacino DIANA: ÁCIDOS NUCLEICOS Las rifamicinas se unen a la RNA polimerasa bacteriana, bloqueando la síntesis de mRNA (→T4D10). ✓ Incluyen antibióticos como la rifampicina o la rifamixina. Rifampicina Los nitroimidazoles son antibióticos específicos contra bacterias anaerobias, aunque también contra ciertos parásitos. Estos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados antibióticos se reducen como consecuencia del metabolismo anaeróbico, creando intermediarios tóxicos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos. ✓ Incluyen el metronidazol, un importante antiparasitario pero también el antibiótico más usado en infecciones de bacterias anaerobias como los Metronidazol clostridios (→T11). 22 DIANA: SÍNTESIS DEL ÁCIDO FÓLICO Algunos antibióticos afectan a vías metabólicas imprescindibles para el mantenimiento celular. P.e. algunos antibióticos inhiben la síntesis del ácido fólico (vitamina B9), una molécula imprescindible para la síntesis de algunas bases nitrogenadas del DNA y ciertos aminoácidos. ✓ La forma activa del ácido fólico es cuando está reducido a ácido tetrahidrofólico (THF), que se sintetiza a partir del ácido para-aminobenzoico (PABA). De este modo surgen distintos antibióticos: Sulfonamidas, como la sulfamida, el primer antibiótico desarrollado (→T1D37). Son análogos del PABA que impiden la síntesis de ácido dihidrofólico (DHF). Trimetoprim: inhibe la dihidrofolato reductasa, la enzima que reduce el DHF a THF. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Sulfonamidas Trimetoprim Bases púricas PABA DHF THF Aminoácidos 23 RESISTENCIA A ANTIBIÓTICOS La resistencia a los antibióticos es la capacidad que tienen algunas bacterias de sobrevivir en presencia de antibióticos. La presencia de una bacteria resistente a un antibiótico hace que el tratamiento terapéutico con ese agente antimicrobiano sea ineficaz. Las resistencias se pueden dividir en dos tipos según el origen: ✓ Resistencias intrínsecas: son las que poseen todos los microorganismos de un determinado tipo por sus características innatas que los definen como tal. P.e. todas las bacterias grampositivas son resistentes a la colistina porque carecen de membrana externa en la pared celular. ✓ Resistencias adquiridas: son las que adquieren determinados © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados individuos de una especie por la modificación de su genotipo, bien por la aparición de mutaciones (mutantes, →T5D19) o bien por transferencia genética horizontal de DNA exógeno (transformantes, →T5D23). Muchas cepas resistentes son transformantes que han incorporado un Plásmido R con resistencia a plásmido R (de resistencia) (→T2D42), que otorga protección frente a sulfonamidas (sul), estreptomicina múltiples antibióticos simultáneamente. (str), cloranfenicol (cat) y 24 tetraciclinas (tet). RESISTENCIA A ANTIBIÓTICOS La adquisición de resistencia por una única cepa microbiana se selecciona por el uso de antibióticos que matan al resto de población sensible, permitiendo que la resistente se reproduzca sin competencia. De este modo, la cepa resistente en logra sustituir a la población original sensible muy poco tiempo. Cepa mutante o Cepa silvestre transformante (resistente) (sensible) Agente selector (antibiótico): © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Selecciona sólo la cepa mutante o Tiempo transformante que es resistente. ¡Las cepas mutantes/transformantes ahora conforman la población, que es resistente al antibiótico! 25 RESISTENCIA A ANTIBIÓTICOS Existen distintos mecanismos de resistencia que evitan que el antibiótico ejerza su acción alterando o impidiendo la unión a su diana molecular: ✓ Inactivación enzimática. ✓ Modificación de la diana sobre la que actúa el antibiótico. ✓ Bombas de expulsión activa. ✓ Reducción de la permeabilidad al antibiótico. ✓ Nueva vía metabólica (by-pass). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 26 RESISTENCIA A ANTIBIÓTICOS La resistencia a un determinado antibiótico depende tanto del mecanismo de acción del compuesto como de las características estructurales y metabólicas del microorganismo. ✓ En ocasiones, en una sola cepa microbiana pueden coexistir distintos mecanismos de resistencia a un mismo antibiótico. ✓ Además, existen cepas que poseen resistencias a distintos antibióticos simultáneamente (cepas multirresistentes), como las que portan los © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados plásmidos R. Múltiples mecanismos pueden conferir resistencia frente 27 a antibióticos β-lactámcio como la penicilina G. INACTIVACIÓN ENZIMÁTICA El antibiótico se inactiva por acción de alguna enzima microbiana, que lo destruye o inutiliza de algún modo. ✓ Suelen ser enzimas que transfieren grupos químicos: metilasas, acetilasas, fosforilasas, etc… Metilasa Metilo Metilo Acetilasa © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Acetilo Acetilo Antibiótico Fosforilasa Fosfato Fosfato 28 Antibióticos inactivados INACTIVACIÓN ENZIMÁTICA En ocasiones, el antibiótico se destruye por una enzima β-lactamasa hidrolítica. Es el caso paradigmático de las β-lactamasas, enzimas bacterianas que hidrolizan el anillo de los H2O antibióticos β-lactámicos impidiendo de este modo que puedan unirse a las PBPs. Anillo β-lactámico Anillo β-lactámico íntegro hidrolizado ✓ La aparición de resistencia por β-lactamasas ha provocado que muchos antibióticos β-lactámicos hayan perdido eficacia en los últimos años. ✓ Sin embargo, en la actualidad algunos de esos antibióticos se están volviendo a utilizar gracias a que junto a β-lactámicos se añaden inhibidores de β-lactamasas, es decir, compuestos que bloquean la acción de las © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados enzimas hidrolíticas bacterianas que destruyen al antibiótico. Es el caso del ácido clavulánico, que se suele administrar de forma combinada con la amoxicilina. La formulación final es amoxicilina + ácido clavulánico, esto es, una antibiótico β-lactámico con un inhibidor de β-lactamasas. Inhibidor de Antibiótico β-lactamasas β-lactamasa β-lactámico 29 MODIFICACIÓN DE LA DIANA La diana molecular del antibiótico se modifica, con lo que se impide la interacción y la acción de la molécula antimicrobiana. Existen varios tipos de modificaciones según el mecanismo de acción: Síntesis de peptidoglicano Síntesis proteica Síntesis de ácidos nucleicos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ β-lactámicos: mutaciones en los ✓ Macrólidos: metilación del rRNA ✓ Quinolonas: mutaciones en los genes de las PBPs o modificaciones de la subunidad 50S. genes de las DNA girasas. químicas en las PBPs. ✓ Aminoglucósidos: mutación en el ✓ Glucopéptidos: modificación de D- gen del rRNA de la subunidad Ala-D-Ala a D-Ala-D-Lac o D-Ala-D- 30S. Ser). 30 EXPULSIÓN ACTIVA Ciertos microorganismos poseen en sus membranas complejos proteicos que representan bombas de expulsión activa, que mediante el consumo de energía expulsan los antibióticos del interior celular impidiendo que interaccione con la diana molecular. ✓ Este efecto se puede contrarrestar incrementando la dosis de antibiótico. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 31 REDUCCIÓN DE LA PERMEABILIDAD Algunos antibióticos hidrofílicos acceden al interior celular atravesando las membranas Antibiótico gracias a proteínas transportadoras. Membrana externa ✓ Es el caso de las porinas presentes en la Porinas membrana externa de la pared celular gramnegativa (→T2D37). Si estas proteínas sufren algún cambio, es posible que los antibióticos que viajaban a través de ellas se transporten de forma menos eficiente. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Una vez más, este efecto se puede contrarrestar incrementando la dosis de antibiótico. Membrana plasmática Espacio periplásmico Ejemplo de reducción de permeabilidad en gramnegativas. Si las porinas permiten el paso del antibiótico (izquierda), este podrá llegar a su diana (p.e. un β-lactámico llegará a las PBPs del espacio periplásmico). En cambio, si las porinas están 32 modificadas y no permiten el paso (derecha), el antibiótico no podrá acceder a la diana molecular. NUEVA VÍA METABÓLICA La resistencia a algunos antibióticos de debe a que se genera una nueva ruta que puede sortear el paso biosintético bloqueado (by-pass). ✓ Este mecanismo es muy común en los inhibidores de síntesis de ácido fólico. Por eso habitualmente se usan por parejas (p.e. sulfamida + trimetoprima), reduciendo la posibilidad de que aparezcan resistencias de un solo paso. El segundo antibiótico garantiza que la ruta Sulfonamidas Trimetoprima biosintética siga bloqueada pese al by-pass. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Bases púricas PABA DHF THF Aminoácidos Posible by-pass en la ruta biosintética por una nueva enzima 33 resistente a la sulfonamida que transforma el PABA en DHF ANTIBIOGRAMAS Sensible El conocimiento de los tipos de resistencias que Halo de lisis = 21 mm poseen los microorganismos patógenos es vital para utilizar el tratamiento antibiótico adecuado. ✓Los microorganismos se catalogan como resistentes (R), intermedios (I) o sensibles (S) a los diferentes antibióticos. El estudio in vitro de la sensibilidad o resistencia a Resistente los antibióticos se denomina antibiograma, que Halo de inhibición = 1 mm básicamente puede ser de dos tipos: ✓ Antibiograma de difusión de disco en placa: un microorganismo se cataloga como sensible, intermedio 1 mg/L 2 mg/L 4 mg/L 8 mg/L 16 mg/L © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados o resistente al antibiótico en función del halo de inhibición medido en mm. Ampicilina ✓Antibiograma por dilución (en agar o en caldo): un microorganismo se cataloga como sensible, intermedio Cefotaxima o resistente en función de la concentración mínima de antibiótico necesaria para inhibir su crecimiento (MIC) medida en mg/L. MIC Ampicilina = 16 mg/L 34 MIC Cefotaxima = 4 mg/L UTILIZACIÓN CORRECTA DE ANTIBIÓTICOS Los antibióticos sólo son eficaces contra microorganismos metabólicamente activos (bacterias, hongos, protistas…). ¡No sirven contra virus! Se pueden usar tanto para el tratamiento (curación) como la prevención (profilaxis) de enfermedades microbianas. La forma de utilizar los antibióticos así como su dosis varía si es para tratamiento o para profilaxis. El tipo de antibiótico que se debe utilizar se puede deducir de las características del microorganismo (estructura de pared celular, metabolismo, etc…) o conociendo la especie. En ocasiones se realiza un tratamiento empírico, en el que los pacientes se tratan con antibióticos de amplio espectro o combinaciones de antibióticos y se evalúa su progreso, lo que permite ir ajustando las dosis. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados En todo caso, lo ideal sería identificar el agente etiológico de la enfermedad y/o conocer los datos de los antibiogramas para poder realizar un tratamiento dirigido que ataque específicamente la infección. La pauta de antibióticos se debe respetar para evitar la aparición de cepas resistentes (es fundamental el compromiso de los usuarios de antibióticos). Los antibióticos no son inocuos: altas dosis pueden provocar efectos adversos o secundarios, como ocurre en cualquier medicamento. 38  ¡GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN! 39 Tema 8 Infecciones e intoxicaciones Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Patogénesis Factores de virulencia ✓ Factores de adhesión ✓ Enzimas degradativas ✓ Toxinas Exotoxinas Endotoxinas ✓ Evasión de la respuesta inmunológica ✓ Endosporas © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Vías de transmisión Vías de entrada 2 PATOGÉNESIS La patogénesis es el estudio de los mecanismos de una enfermedad. Las enfermedades infecciosas están provocadas por microorganismos parásitos denominado patógenos, que pueden ser de distintos tipos: ✓ Patógenos obligados o estrictos: siempre deben parasitar a un hospedador para completar sus ciclos biológicos. Por lo tanto, provocan patologías siempre. P.e. Treponema pallidum, agente etiológico de la sífilis (→T16). ✓ Patógenos facultativos u oportunistas: son microorganismos bien de vida libre o bien de la microbiota (comensales o incluso mutualistas) que provocan patologías sólo bajo ciertas circunstancias en el ser humano: Ruptura de barrera: aparición de vías de entrada anómalas (heridas, traumas, lesiones…) que dan acceso a fluidos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados y tejidos estériles (sangre, orina, tejido conectivo, líquido cefalorraquídeo…) o donde no debería estar presente el microorganismo. Inmunodeficiencia o inmunosupresión: el sistema inmunológico no es capaz de hacer frente a la invasión. Los niños jóvenes y los ancianos caen dentro de esta categoría, ya que poseen un sistema inmunológico poco maduro y muy maduro, respectivamente. Disbiosis: desequilibrios en las comunidades de la microbiota (→T7). 3 PATOGÉNESIS Se denomina infección a la multiplicación del microorganismo patógeno en el hospedador. Cuando un microorganismo lleva a cabo una infección, existen tres posibles resultados: ✓ Infección resuelta: el sistema inmunológico del hospedador controla la infección y elimina al patógeno. ✓ Portador asintomático: el sistema inmunológico controla la infección, pero no elimina completamente al patógeno. No se dan síntomas, pero la persona afectada puede transmitir la enfermedad. ✓ Enfermedad infecciosa: el sistema inmunológico no controla ni elimina al patógeno. Se desarrolla la patología, que se puede transmitir a otros individuos. Resolución © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Colonización Transmisión de Desarrollo de y crecimiento Invasión de un hospedador respuesta en el sitio de tejidos Portador a otro inmunológica inoculación asintomático Enfermedad infecciosa Portadores de la 4 enfermedad PATOGÉNESIS Por tanto, la enfermedad infecciosa sólo se produce cuando el sistema inmunológico no controla la infección. ✓ Una infección no es equivalente a una enfermedad infecciosa, pero todas las enfermedades infecciosas se producen por una infección. Cuando se da, la patología puede producirse por: ✓ Daño directo: los microorganismos provocan el daño en los tejidos y alteran la homeostasis. Por la presencia del microorganismo en sí (p.e. patógenos intracelulares). Por la presencia de moléculas del microorganismo (toxinas, factores de virulencia…). ✓ Daño indirecto (daño inmunopatológico): en su intento por eliminar a los microorganismos, el sistema © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados inmunológico daña los tejidos del hospedador. Por una respuesta inmunológica exacerbada. Por la cronificación de la infección: el sistema inmunológico no elimina la infección, por lo que periódicamente se producen síntomas. 5 PATOGÉNESIS Cuando el microorganismo invade los tejidos internos del hospedador se utilizan estos conceptos: ✓ Bacteriemia: es la presencia de bacterias en tejidos, en especial en la sangre. ✓ Sepsis: es la respuesta inflamatoria sistémica contra una infección, habitualmente desmesurada. ✓ Septicemia: es cuando hay una bacteriemia que está provocando sepsis. En ocasiones, la enfermedad se produce no tanto por la colonización e invasión de un determinado microorganismos (lo que se denomina infección) sino por el contacto con toxinas, que son moléculas microbianas que alteran la fisiología celular. Si la enfermedad no implica la invasión y replicación de los microorganismos no se habla de © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados infección sino de intoxicación de origen microbiano. ✓ Infección: se invaden los tejidos y hay replicación activa del agente patógeno. Patología de origen microbiano ✓ Intoxicación: no hay replicación del patógeno, la patología 6 se produce por acción de las toxinas. PATOGÉNESIS Postulados de Koch para demostrar que un agente causa una determinada enfermedad infecciosa. 1. En una enfermedad infecciosa, el microorganismo causante se encuentra en todos los casos. 2. El microorganismo debe poder ser cultivado a partir de los productos o secreciones del enfermo en todas las ocasiones. 3. Cuando se inocula el microorganismo a un animal sano, debe reproducir la misma enfermedad infecciosa. 4. El microorganismo debe poder ser aislado de nuevo a partir del animal experimentalmente infectado y debe ser el mismo que el original. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 7 PATOGÉNESIS El desarrollo de una enfermedad infecciosa por un patógeno depende de diferentes factores: ✓ Del hospedador Susceptibilidad individual a la infección (por la condición genética o por condiciones ambientales como dieta, enfermedades debilitantes, etc… Estado de inmunocompetencia (sistema inmunológico sano) o inmunodepresión (defectos en el sistema inmunológico). ✓ Del patógeno Presencia de factores de virulencia, es decir, moléculas y estructuras que facilitan el desarrollo del patógeno, la aparición de síntomas o la evasión de la respuesta inmunológica. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados La virulencia es una medida cuantitativa de la capacidad de un determinado microorganismo de provocar una patología o de lo grave que es esta. ✓ De este modo puede haber patógenos con diferente grado de virulencia (p.e. dependiendo de la cepa). 8 FACTORES DE VIRULENCIA Los factores de virulencia son moléculas y estructuras que incrementan la virulencia y patogenicidad de un determinado microorganismo: ✓ Factores de adhesión. ✓ Enzimas degradativas (de tejidos, de mecanismos inmunológicos…). ✓ Exotoxinas. ✓ Endotoxinas. ✓ Factores que evitan la respuesta inmunológica efectiva. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Endosporas. ✓ Otros (resistencia a medio ácido, resistencia a deshidratación, a alta salinidad, etc…). Factores de virulencia en Salmonella spp. Algunos factores de virulencia son constitutivos de los microorganismos (p.e. el LPS de las gramnegativas) pero otros son facultativos (muchos están codificados por genomas de fagos, 9 que incorporan el factor de virulencia mediante el proceso de transducción, →T5D29). FACTORES DE ADHESIÓN Glicocálix (→T2D45): la capa mucosa y las cápsulas colaboran en la adhesión a superficies y tejidos. ✓ Las biopelículas formadas por las capas mucosas son estructuras que mantienen comunidades bacterianas ya que permiten adherencia, resistencia a antibacterianos, comunicación intercelular, resistencia a la desecación… Por ello, se consideran factores de virulencia de primer orden. Fimbrias y pelos (→T2D55). Adhesinas: moléculas de superficie que facilitan la adhesión. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 10 Fimbrias Biopelícula bacteriana ENZIMAS DEGRADATIVAS Diversas enzimas colaboran induciendo daño en el hospedador en beneficio del patógeno. ✓ Los síntomas de muchas infecciones se deben a la acción de estas enzimas. ✓ Muchas veces se puede identificar la actividad de estas enzimas mediante pruebas bioquímicas (p.e. galería API) para estimar la virulencia de un patógeno. A lo largo de la asignatura se estudiarán diversas enzimas degradativas como: ✓ Colagenasa (gelatinasa) e hialuronidasa: lesionan el tejido conectivo que subyace la epidermis. ✓ Proteasas: destruyen proteínas, como los anticuerpos (inmunoglobulinas) del sistema inmunológico. ✓ Otras enzimas degradativas: leucocidinas, lecitinasa, fosfolipasa C… © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 11 Actividad gelatinasa negativa (izquierda) o positiva (derecha) en galería API 20E TOXINAS Las toxinas son moléculas que actúan sobre el hospedador provocando daños estructurales o alterando las funciones celulares normales. Por tanto, son moléculas que alteran la homeostasis. ✓ Las toxinas pueden estar presentes incluso cuando el microorganismo que las produjo ha sido erradicado. En ese caso la enfermedad producida es una intoxicación, no una infección. Existen dos tipos de toxinas, las exotoxinas y las endotoxinas. Exotoxinas Endotoxinas Naturaleza química Proteínas Lipopolisacárido © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Localización Extracelular (secretadas) Membrana externa de la pared celular gramnegativa Codificas en Plásmidos o profagos Cromosoma bacteriano Umbral de toxicidad Picogramos (10-12 gramos) Nanogramos (10-9 gramos) Efectos Múltiples, dependiendo de la toxina Inflamación y shock séptico 12 EXOTOXINAS Las exotoxinas son proteínas que se secretan al medio en forma soluble, gracias a sistemas de secreción bacterianos (→AD5). ✓ Las pueden poseer todos los microorganismos (bacterias, hongos, protistas): En bacterias están presentes tanto en grampositivas como en gramnegativas. En hongos se denominan genéricamente micotoxinas. ✓ Habitualmente están codificadas en plásmidos o fagos (no en el cromosoma microbiano). ✓ Son los tóxicos más potentes conocidos (presentan actividad a picogramos, 10-12 gramos). ✓ Algunos ejemplos: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Toxina tetánica (tétanos por Clostridium tetani) (→T11). Toxina botulínica (botulismo por Clostridium botullinum) (→T11). Toxina pirogénica (escarlatina por Streptococcus pyogenes) (→T12). Toxina diftérica (difteria por Corynebacterium diphtheriae) (→T13). Toxina colérica (cólera por Vibrio cholerae) (→T15). 13 TOXINAS Cada exotoxina tiene un mecanismo de acción distinto que provoca distintas patologías: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Inhibición de la síntesis proteica: toxina Hiperactivación: toxina colérica (→T15), que diftérica (→T13). provoca la liberación desmesurada de iones y agua 14 a la luz del intestino, provocando diarrea acuosa. TOXINAS Cada exotoxina tiene un mecanismo de acción distinto que provoca distintas patologías: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Efectos en la enervación motora: toxinas tetánica y botulínica (→T11). Ambas toxinas afectan a la transmisión del impulso nervioso, pero con efectos opuestos ya que la toxina tetánica provoca una excitación continua mientras que la botulínica produce una relajación continua. 15 ENDOTOXINAS Las endotoxinas son las diferentes moléculas de lipopolisacárido o LPS (→T2D39). En realidad, de estas moléculas la parte verdaderamente tóxica es el lípido A, que está muy conservada para casi todas las especies. EL LPS sólo está en bacterias gramnegativas, formando parte de la membrana externa de la pared celular. Los genes para producir LPS están presentes en el cromosoma bacteriano (no en plásmidos). La endotoxina es “menos” tóxica que las exotoxinas (presentan actividad a nanogramos, 10-9 gramos). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Producen efectos fundamentalmente sistémicos (como fiebre o la hipotensión). Su mecanismo de acción se basa en que son rápidamente reconocidas por el sistema inmunológico y, como consecuencia, se produce una reacción inflamatoria global denominada shock séptico. Estructura del LPS ✓ Si no se detiene, esta inflamación generalizada conduce a una situación de hipovolemia (insuficiente volumen de sangre para satisfacer la demanda de 16todos los órganos), que provoca a fallo multiorgánico. EVASIÓN DE LA RESPUESTA INMUNOLÓGICA El sistema inmunológico puede destruir por varios mecanismos, entre los que cabe destacar: ✓ Neutralización de los patógenos por anticuerpos y otras proteínas, que recubren a los patógenos e impiden sus funciones. ✓ Fagocitosis por células fagocíticas, como los macrófagos residentes de tejido. En la fagocitosis, los microorganismos son incorporados en un fagosoma que avanza por la vía endocítica al interior celular. Los lisosomas, que contienen enzimas degradativas (sobre todo del © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados tipo proteasa) y un pH ácido, se fusionan con los fagosomas para formar los denominados fagolisosomas, compartimentos donde se digiere y destruye al patógeno. Proceso de 17 fagocitosis EVASIÓN DE LA RESPUESTA INMUNOLÓGICA Muchos factores de virulencia permiten evadir o disminuir la respuesta inmunológica del hospedador de diferentes maneras: ✓ Evitando el reconocimiento por moléculas específicas del sistema inmunológico, como los anticuerpos. ✓ Alojándose dentro de las células a las que infectan (patógenos intracelulares), evitando el escrutinio del sistema inmunológico que patrulla los tejidos. ✓ Evitando la fagocitosis al impedir la formación de los fagolisosomas o la lisis en su interior. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados La cápsula bacteriana es un importante factor de virulencia, 18 puesto que impide la fagocitosis y el reconocimiento por Bacterias intracelulares moléculas inmunológicas. ENDOSPORAS Las endosporas son estructuras de resistencia de algunas bacterias grampositivas de los órdenes Bacillales y Clostridiales (→T2D58, →T11). ✓ Aunque impiden la replicación, las endosporas son capaces de resistir condiciones ambientales muy adversas: altas temperaturas, alta salinidad, radiación, depleción de nutrientes, presencia de sustancias tóxicas. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 19 Endosporas de Bacillus cereus VÍAS DE TRANSMISIÓN Las rutas de transmisión de los patógenos son esencialmente tres: ✓ De persona a persona. Por contacto directo. Por contacto indirecto (objetos). Por aerosoles. ✓ Por vectores, es decir, por transporte a través de seres vivos. Muchos vectores son artrópodos hematófagos (mosquitos, garrapatas, pulgas…). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Por vehículos, es decir, por elementos no biológicos. Agua Alimentos Aire Suelo 20 VÍAS DE TRANSMISIÓN En ocasiones, las enfermedades se adquieren con más frecuencia en los ambientes hospitalarios o clínicos. En este caso, se denominan enfermedades nosocomiales. Muchas enfermedades infecciosas se transmiten de animales (tanto domésticos, incluido ganado, como salvajes) a los humanos. Son las denominadas enfermedades zoonóticas o simplemente zoonosis. Varias enfermedades infecciosas se transmiten a través de fómites, es decir, objetos de uso cotidiano que se usan con asiduidad pero que se desinfectan con poca frecuencia. Los mosquitos son importantes © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados vectores de zoonosis. ✓ Ejemplos de fómites son el teléfono móvil, los pomos de las puertas, los teclados y ratones de los ordenadores, las monedas y billetes, etc… 21 Fómites de todo tipo: se usan mucho, se limpian poco. VÍAS DE ENTRADA La entrada de un patógeno puede ser a través de 4 vías: ✓ Vía respiratoria: por aerosoles o microgotas que se generan al hablar, gritar, estornudar, toser… y posteriormente se inhalan al respirar. ✓ Vía gastrointestinal: los microorganismos que utilizan esta vía se transmiten por ruta fecal-oral, es decir, se ingieren en la dieta y se expulsan en las heces. Cuando las heces contaminan agua o alimentos se cierra el ciclo. ✓ Vía genitourinaria o vía sexual: son microorganismos que acceden al sistema excretor o que se transmiten durante el intercambio sexual, provocando las denominadas enfermedades de transmisión sexual (ETS). En ocasiones se produce transmisión vertical, en la que el patógeno se transmite de la madre al feto o recién nacido porque el patógeno es capaz de atravesar la placenta o se transfiere durante el parto. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Vía cutánea: la piel es impenetrable para los microorganismos, así que para acceder siempre requieren de que haya rupturas locales: heridas, pinchazos, quemaduras… En muchos casos la herida la provoca un artrópodo hematófago (mosquitos, garrapatas, piojos…) que funcionan como vectores de una determinada enfermedad infecciosa. Se habla de vía parenteral cuando la infección se produce por una inyección que atraviesa la piel o mucosas. 22 VÍAS DE ENTRADA En esta tabla se resumen algunas especies o géneros que se estudiarán en el Bloque II atendiendo a su ruta de entrada. Parásitos como los virus también utilizan alguna de estas vías. Ruta Ejemplos Ingestión Salmonella spp., Shigella spp., Escherichia coli, Vibrio spp., Campylobacter spp., Clostridium botulinum, Bacillus cereus, Listeria spp., Brucella spp. Inhalación Mycobacterium spp., Nocardia spp., Mycoplasma pneumoniae, Legionella spp., Bordetella pertussis, Chlamydophila psittaci, Chlamydophila pneumoniae, Streptococcus spp. Trauma y heridas Staphylococcus aureus, Clostridium tetani, Pseudomonas spp. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Mordedura de Rickettsia spp., Francisella tularensis, Borrelia spp., Yersinia pestis artrópodos Transmisión sexual Neisseria gonorrhoeae, Chlamydia trachomatis, Treponema pallidum subsp. pallidum 23  ¡GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN! Microbiota sobre Microbiota sobre una herida la piel 24 Tema 7 Microbiota humana Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Microbiota Funciones de la microbiota Eubiosis y disbiosis Compuestos bióticos © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Lactobacillus spp. son habitantes de la microbiota oral y vaginal humana y también probióticos de muchos productos lácteos. Esta 2 muestra fue obtenida por estudiantes de 4º de Biotecnología y teñida por alumnas de 1º de Biomedicina. MICROBIOTA La microbiota es el conjunto de microorganismos que viven en simbiosis mutualista o comensal (simbiosis positivas) con organismos superiores, como plantas y animales (incluyendo humanos). En contraste, el microbioma es un término más amplio que se refiere a los microorganismos de la microbiota, pero también sus moléculas (genoma, proteoma, metabolitos, etc…). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados + GENES, METABOLITOS, CONDICIONES AMBIENTALES… Microbiota Microbioma Conjunto de microorganismos que El microbioma es la microbiota y sus viven en asociación con un organismo circunstancias 3 FUNCIONES DE LA MICROBIOTA En términos generales, la microbiota cumple tres grandes funciones: ✓ Proporciona funciones metabólicas: síntesis de vitaminas (vit B12, vit K…), factores de crecimiento, neurotransmisores, fijación de nitrógeno (en la rizosfera de las leguminosas), etc… ✓ Modula el desarrollo y actividad del sistema inmunológico: inmunomodulación y educación inmunológica. ✓ Previene la colonización de patógenos, al competir con ellos por los nichos biológicos. Además, muchos microorganismos de la microbiota secretan sustancias que inhiben la proliferación de patógenos, como son las bacteriocinas y los AMPs (antimicrobial peptides o péptidos antimicrobianos), o que inhiben la acción de muchas toxinas. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Además, en animales superiores la microbiota intestinal favorece la digestión de los alimentos como las fibras alimenticias (oligosacáridos en humanos, celulosa en rumiantes, lignina en termitas…). 4 MICROBIOTA La composición de la microbiota difiere en números y abundancia de especies según la localización anatómica, pero es relativamente estable para cada una de estas localizaciones. De este modo, en humanos se puede hablar de la microbiota intestinal, la microbiota oral, la microbiota vaginal, la microbiota cutánea… ✓ Dependiendo de las características fisicoquímicas de cada ambiente anatómica, el perfil de bacterias será distinto en base a sus características metabólicas y su tolerancia © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados a condiciones fisicoquímicas (→T4). ✓ En ocasiones a la microbiota se la denomina la flora microbiana, aunque es un término poco preciso que se recomienda no usar. 5 MICROBIOTA La composición de la microbiota es dinámica, es decir, fluctúa y cambia con el contexto dependiendo de: ✓ La localización anatómica. ✓ La edad del individuo. ✓ La alimentación y nutrición. ✓ El ecosistema (vida rural vs. urbana). ✓ La higiene personal. Variación de la microbiota con la edad. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ El ciclo menstrual y el embarazo. ✓ Los hábitos (deporte, sedentarismo, tabaquismo…). ✓ Ciertas enfermedades crónicas (aunque es difícil saber qué es causa y efecto). ✓ El uso de determinados fármacos y drogas. En este sentido, los antibióticos (→T8) tienen un efecto muy importante ya que eliminan o inhiben el crecimiento 6 de determinadas especies beneficiosas para la homeostasis fisiológica. MICROBIOTA En los animales terrestres (incluyendo los humanos), la mayor parte de los microorganismos de la microbiota se disponen en el tracto gastrointestinal, e incluso ahí, los números y la abundancia de cada especie depende de las características fisiológicas y bioquímicas de la sección del tubo digestivo. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 7 ORIGEN Y DESARROLLO DE LA MICROBIOTA Una microbiota diversa y equilibrada se relaciona con salud. En este sentido, es especialmente importante la colonización por microorganismos durante la infancia para prevenir el desarrollo de trastornos, sobre todo de carácter inmunológico (enfermedades autoinmunes y alergias). En este sentido aparece la teoría de la higiene: se ha demostrado que un exceso de higiene y una menor exposición a microorganismos durante la infancia se relaciona con la aparición de alergias y trastornos autoinmunes en el adulto. Esta correlación se ha visto en todos los lugares del mundo y en todas las sociedades. Mayor higiene → mayor número de Menor higiene → menor número de © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados alergias de adulto alergias de adulto Países desarrollados Países en vías de desarrollo Entornos urbanos Entornos rurales Sin animales de compañía Con animales de compañía Exceso de limpieza Limpieza moderada Exceso de higiene y productos Higiene moderada y productos respetuosos desinfectantes con la microbiota 8 ORIGEN Y DESARROLLO DE LA MICROBIOTA Un ejemplo clásico que avala la teoría de la higiene: el caso alemán ✓ Antes de la unificación de Alemania, la RFA (parte occidental) tenía mayores estándares de higiene que la RDA (parte oriental) pero también más alergias en la población. Esto no lo podían explicar otros factores como la dieta, el clima, la cultura… porque esencialmente seguían siendo el mismo país, con costumbres y hábitos similares. La única explicación es que en la RDA predominó un modo de vida rural frente al urbano de la RFA. ✓ Tras la caída del Muro de Berlín y la consecuente reunificación de Alemania , esta diferencia este-oeste desapareció y ahora todos los alemanes sufren alergias por igual (igual que la RFA, concretamente). RFA RDA © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados República Democrática República Federal Alemana Alemana 9 COMPOSICIÓN DE LA MICROBIOTA Se va a estudiar la microbiota normal (en eubiosis o equilibrio) de diferentes localizaciones anatómicas. Cada región posee un género o filo de bacterias que es más abundante de forma característica. ✓ Microbiota de la piel ✓ Microbiota oral © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Microbiota vaginal Todas las microbiotas se caracterizan por estar colonizadas ✓ Microbiota gastrointestinal mayoritariamente por un género de microorganismos. 10 MICROBIOTA DE LA PIEL En la piel abundan especies grampositivas que en general son halófilas o halotolerantes y ligeramente acidófilas. Además, la mayoría de las especies son aerobias estrictas o facultativas. ✓ En ambientes anaerobios como los folículos pilosos se pueden encontrar en ocasiones anaerobias. Aunque la piel en conjunto es un órgano, existen diferentes zonas (piel sebácea, húmeda y seca) que constituyen microhábitats con una composición diferente de la microbiota. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 11 MICROBIOTA ORAL En la región bucofaríngea abundan especies grampositivas. Una gran parte de estas especies forman parte de las bacterias del ácido láctico (BAL, →T12), que son bacterias acidófilas y, generalmente, anaerobias facultativas. ✓ Estas bacterias llevan a cabo la fermentación láctica y generan un ambiente ácido que sirve como barrera frente a potenciales patógenos. Al igual que la piel, existen diferentes zonas © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados (dientes, surco gingival, lengua, encía…) que constituyen microhábitats con una composición diferente. La alteración en la diversidad y abundancia de la microbiota oral (disbiosis) está relacionada con el desarrollo de caries y periodontitis. 12 MICROBIOTA VAGINAL La microbiota vaginal está compuesta fundamentalmente por bacterias grampositivas, fundamentalmente BAL (→T12). La composición definitiva de la vagina ocurre tras la pubertad, pues las hormonas sexuales femeninas inducen un aumento del glucógeno, que es utilizado por las BAL. ✓ Especies como Lactobacillus llevan a cabo la fermentación láctica, generando un ambiente ácido que protege de la entrada de potenciales patógenos por la vía vaginal. Además de bacterias, es común la presencia de levaduras del género Candida, que pueden actuar como patógenos oportunistas cuando aumenta el pH tras una disminución de las BAL. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Tinción de Gram de Lactobacillus acidophilus 13 MICROBIOTA GASTROINTESTINAL La microbiota gastrointestinal es la más abundante y diversa de toda la microbiota humana. A diferencia del resto de regiones corporales, hay una mayor predominancia de bacterias gramnegativas. Si bien la composición del esófago es similar a la microbiotal oral, la diversidad microbiana es muy diferente en el estómago y los intestinos. En el estómago y el duodeno la concentración de microorganismos es muy baja, pero hay ciertas bacterias acidófilas de relevancia clínica (Helicobacter pylori, →T15). A lo largo del intestino delgado el pH va © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados aumentando y, consecuentemente, la concentración de microorganismos. Finalmente, en el colon se encuentra la microbiota más abundante y diversa. ✓ La investigación del microbioma del colon es un campo de estudio muy prolífico, pues está relacionado con el desarrollo de múltiples enfermedades. 14 EUBIOSIS Y DISBIOSIS Los microorganismos de la microbiota normalmente se mantienen en un equilibrio con el hospedador, de forma que la comunidad microbiana permanece estable. Esta situación se denomina eubiosis. La disrupción de la homeostasis y equilibrio entre la microbiota y el hospedador se denomina disbiosis. La disbiosis está relacionada con una gran cantidad de enfermedades. En humanos, dos de © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados las causas principales que alteran la microbiota y generan disbiosis son las dietas alimenticias y el uso de antibióticos. 15 COMPUESTOS BIÓTICOS Muchos alimentos o fármacos incluyen compuestos bióticos, que estimulan el desarrollo de la microbiota para corregir las disbiosis y restaurar la eubiosis. Existen diferentes tipos: ✓ Prebióticos: son compuestos que estimulan el crecimiento de especies microbianas consideradas benignas o asociadas a estado de salud. Muchas veces son fibras alimentarias: carbohidratos indigeribles por el sistema digestivo pero aprovechables por los microorganismos mediante procesos fermentativos. ✓ Probióticos: se trata de microorganismos vivos que cuando son administrados a las cantidades adecuadas confieren beneficios de salud al hospedador. Muchos probióticos son especies de la microbiota como Lactobacillus spp. y Bifidobacterium spp. En los probióticos hay diferentes categorías: Farmabióticos: probióticos que tienen efectos beneficiosos comprobados en la prevención o tratamiento de una © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados patología concreta. Es el caso de los trasplantes de microbiota fecal, efectivos frente a la enterocolitis necrotizantes provocada por Clostridioides difficile. Psicobióticos: probióticos que aportan beneficios frente a patologías neurológicas o psiquiátricas (depresión, TDAH, Alzeheimer, Parkinson…). Inmunobióticos: probióticos que poseen efectos beneficiosos en el sistema inmunológico, reforzándolo (p.e. para prevenir infecciones) o modulándolo (p.e. para prevenir alergias o enfermedades autoinmuniatarias). 16 COMPUESTOS BIÓTICOS ✓ Simbióticos: son preparados que poseen al mismo tiempo probióticos y prebióticos, es decir, microorganismos saludables y los suplementos nutricionales que estos necesitan para proliferar. ✓ Postbióticos: son metabolitos producidos por microorganismos considerados beneficiosos (peptidoglicano, proteínas de superficie bacterianas, ácidos teicoicos, ácidos orgánicos, exopolisacáridos…). Los postbióticos parecen tener parte de los efectos de la microbiota (inmunomodulación, regulación del metabolismo, protección frente a patógenos…) pero se consideran más seguros ya que no contienen microorganismos vivos (p.e. se pueden usar en pacientes inmunosuprimidos). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 17 Los alimentos vegetales suelen ser ricos en fibras, es Los productos lácteos fermentados, como el yogur o decir, poseen prebióticos. el kéfir, son ricos en probióticos.  ¡GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN! 18 Tema 6 Sistemática y ecología microbiana Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Sistemática Taxonomía ✓ Nomenclatura Filogenia Ecología Simbiosis Interacciones microorganismo-humano ✓ Patogénesis © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Microbiota Filos más abundantes de bacterias DIVERSIDAD MICROBIANA Los microorganismos muestran una gran diversidad en función de su tamaño, forma, metabolismo, genética, hábitat… © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 3 DIVERSIDAD La gran Diversidad de especies procariotas se puede consultar en la base de datos más completa hasta la fecha, que es la Lista de nombres Procariotas con Posición en la Nomenclatura (LPSN, List of Prokaryotic Names with Standing in Nomenclature), que sigue las normas del Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias (ICBN). https://lpsn.dsmz.de/ Otra base de datos muy interesante donde aparece información estandarizada de las bacterias es BacDive, donde además se © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados detallan características del cultivo y metabolismo de cada especie, así como la resistencia a antibióticos, hábitat, etc…. https://bacdive.dsmz.de/ ¡Prueba a buscar alguna especie microbiana! Estas bases de datos te resultarán útiles 4 para tus trabajos e investigaciones. SISTEMÁTICA La sistemática es la rama de la ciencia que estudia la diversidad de organismos y sus relaciones. La sistemática establece enlaces entre: ✓ La filogenia, que estudia el origen y evolución de los organismos. ✓ La taxonomía, que se ocupa de la clasificación biológica agrupando a los organismos en grupos o taxones según la similitud que exista entre ellos. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 5 FILOGENIA La filogenia estudia las relaciones evolutivas entre los organismos. En la actualidad, los análisis filogenéticos se realizan en base a secuencias moleculares de ácidos nucleicos (DNA o RNA) y/o proteínas que determinan la proximidad evolutiva entre las diferentes especies. La filogenia se representa mediante árboles filogenéticos, en los que se observan ramas y nodos que unen esas ramas: ✓ El final de cada rama representa una especie. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Un conjunto de ramas que provienen de un mismo nodo son organismos relacionados evolutivamente y pertenecen al mismo género, familia, etc… (→T6D8). ✓ Por tanto, cada nodo representa una divergencia evolutiva entre las especies de las diferentes ramas. 6 Árbol filogenético universal TAXONOMÍA La taxonomía es la ciencia que clasifica los organismos en taxones, es decir, grupos de organismos que comparten las mismas características. ✓ Cada taxón puede recibir un nombre diferente como dominio, reino, filo, clase, orden, familia, género y especie. La taxonomía se compone de tres partes: ✓ Nomenclatura: asignación de nombres a los grupos taxonómicos. ✓ Descripción: caracterización de cada taxón. Actualmente el enfoque taxonómico es polifásico, en el que se evalúan las características: Fenotípicas: morfología, metabolismo, fisiología y características químicas. Genotípicas: características del genoma. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Filogenéticas: características moleculares que agrupan a los organismos evolutivamente. ✓ Clasificación: inclusión de géneros y especies a cada taxón. 7 TAXONOMÍA Los taxones, incluyendo las especies, se agrupan de forma jerarquizada. De este modo, un taxón puede incluir varios taxones que son más excluyentes en sus características. ✓ P.e. una familia bacteriana posee varios géneros, que a su vez contienen distintas especies. TAXONES Dominio Filo más excluyente Clase © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Orden Familia Género Especie Cepa Strain 8 TAXONOMÍA El nombre de los taxones se ha ido modificando con el tiempo. Actualmente se encuentran sistematizados en función del sufijo: ✓ Filo: -ota ✓ Orden: -ales ✓ Familia: -aceae La nomenclatura de los filos tradicionales se ha modificado en los últimos años, de modo que los nombres antiguos ahora están estandarizados en base al género tipo de cada filo: © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Antigua Moderna Firmicutes Bacillota Tenericutes Mycoplasmatota Proteobacteria Pseudomonadota Spirochaetes Spirochaetota Cyanobacteria Cyanobacteriota 9 TAXONOMÍA El taxón básico es la especie. ✓ Una definición clásica para definir cuándo un individuo pertenece a una especie es si al hibridar con un individuo de dicha especie generan descendencia fértil. ✓ Sin embargo, debido a la ausencia de recombinación sexual, este concepto de especie no se puede aplicar a procariotas, por lo que el criterio para determinar las especies se basa en enfoques filogenéticos. ✓ De este modo, una especie procariota es una población de microorganismos que: Desciende del mismo ancestro común. Es coherente genéticamente y fenotípicamente. Se puede diferenciar fácilmente de otras especies. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Una especie, a su vez, puede contener varias cepas. Existen diferentes clasificaciones de las cepas de una especie: ✓ Biovares o biovariedades: diferencias bioquímicas o metabólicas. ✓ Morfovares o morfovariedades: diferencias morfológicas. ✓ Serovares o serovariedades: diferencias en los antígenos que reconoce el sistema inmunológico. 10 NOMENCLATURA La nomenclatura de los microorganismos sigue el sistema binomial de Carl Linneaus (Linneo). De este modo, los nombres de los microorganismos siempre poseen: ✓ Nombre del género (en mayúscula). P.e. Salmonella. ✓ Epíteto de la especie (en minúscula). P.e. enterica. ✓ De este modo, el nombre completo de la especie es Salmonella enterica. Los nombres científicos están latinizados o grecizados y tienen una serie de reglas: ✓ Siempre se escriben en cursiva (o subrayado, en su defecto). ✓ Se consideran nombres propios: no se puede escribir la Salmonella o el Staphylococcus. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ La primera vez que se escribe en un texto el nombre de la especie hay que manifestarlo complemamente (p.e. Staphylococcus aureus), pero las siguientes veces se puede contraer el género (p.e. S. aureus). ✓ Si nos referimos a todas las especies dentro de un género, se coloca sp. (singular) o spp. (plural) tras el género. P.e. Salmonella spp. se refiere a todas las especies del género Salmonella. 11 NOMENCLATURA En las actividades un nombre de microorganismo que no esté en cursiva o subrayado supone una falta de ortografía, así como si el género está en minúscula o el epíteto de especia en mayúscula. Con 3 faltas de ortografía, la actividad estaría suspensa. ✓ Un ejemplo: Staphylococcus aureus streptococcus pneumoniae ¡Suspenso! © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Mycobacterium Tuberculosis Profesores de microbiología corrigiendo exámenes Además, si el nombre aparece por primera vez, hay que definir el género: no está permitido poner S. aureus para evitar definir si es Staphylococcus aureus (que es una 12 especie que existe) o Streptococcus aureus (que no existe). ECOLOGÍA MICROBIANA La ecología microbiana es el estudio de la dinámica de la comunidad y la interacción de los microorganismos entre ellos, con otros organismos (plantas, animales…) y el medio ambiente donde viven. En ecología se estudian diferentes agrupaciones, que se pueden categorizar en: ✓ Población: agrupación de organismos similares (de la misma especie). ✓ Comunidad: mezclas de poblaciones diferentes (diferentes especies). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Ecosistema: complejo dinámico de comunidades de plantas, animales y microorganismos, así como su entorno inerte, que interactúan entre sí actúan como una unidad funcional. 13 ECOLOGÍA MICROBIANA La diversidad microbiana es la variabilidad de microorganismos que existe en un ecosistema dado. Se puede definir por dos conceptos: ✓ Riqueza: es el número total de especies o taxones presentes. ✓ Abundancia: es la proporción de cada especie o taxón en la comunidad. La diversidad de un ecosistema es un parámetro dinámico que depende de las complejas interrelaciones entre los organismos entre sí y de ellos con el medio ambiente. ✓ P.e. la microbiota humana es una comunidad dinámica que se modifica con la edad, los hábitos, el estado de salud, etc… (→T7). © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados 14 Diversidad en la microbiota humana en diferentes edades y estados ECOLOGÍA MICROBIANA Gracias a los análisis moleculares (sobre todo por técnicas de metagenómica del rRNA 16S) hoy en día se conoce la existencia de multitud de especies microbianas que pueblan determinados ecosistemas. ✓ Prácticamente, no existe ningún hábitat en el planeta Tierra en el que no se detecten microorganismos. Sin embargo, en la actualidad se da la paradoja de que la mayoría de las especies identificadas molecularmente no se han podido cultivar con éxito in © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados vitro. Estos microorganismos se conocen como la “materia oscura” microbiana y en algunos ecosistemas representan más del 99% de la riqueza. Especies cultivadas (en verde) frente a identificadas molecularmente (en rojo) para los filos más 15 representativos de bacterias. Téngase en cuenta que el número está representado en magnitud logarítmica. SIMBIOSIS Las simbiosis son interacciones estrechas entre diferentes organismos. Cuando estas relaciones se establecen, ambos organismos son simbiontes del otro. Existen distintos tipos según su rango de beneficios: ✓ Simbiosis positivas: ningún organismo recibe perjuicio. Mutualismo. Comensalismo. ✓ Simbiosis negativas: algún organismo recibe perjuicio. Parasitismo. Competición. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados Además, las relaciones simbióticas pueden ser obligadas, cuando uno de los individuos no puede completar su desarrollo biológico sin el otro, o facultativas, cuando la relación se puede interrumpir bajo determinadas circunstancias. ✓ Estas categorías se pueden combinar con las anteriores y así hablar por ejemplo de parásitos obligados, como los virus, o de parásitos facultativos, como la mayoría de las bacterias patógenas. 21 SIMBIOSIS El mutualismo es una relación simbiótica en la que los dos miembros + reciben beneficios. Beneficio ✓ Un caso especial de mutualismo es la sintrofía, cuando dos microorganismos A B dependen metabólicamente el uno del otro. Beneficio + ✓ Muchas especies de la microbiota son mutualistas, como ciertas bacterias que habitan en el intestino de los animales (→T7) o aquellas que permanecen en Mutualismo contacto con las raíces de las plantas (micorrizas →T10 y rizobios →T15). ✓ Otra asociación mutualista típica son los líquenes, en los que un microorganismo fotoautótrofo (una cianobacteria o un alga) se asocia con un hongo. © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados El comensalismo es una relación simbiótica en la que un organismo, el comensal, obtiene beneficios mientras que el otro ni se beneficia ni se ve + perjudicado. Beneficio A B ✓ El comensalismo suele surgir cuando los productos de desecho de un microorganismo constituyen los nutrientes del comensal. P.e. en las bacterias Comensal nitrificantes, existen bacterias como Nitrosomonas spp. que oxidan NH3 a NO2- Comensalismo mientras que otras como Nitrobacter spp. utilizan el NO2- para generar NO3-. 22 SIMBIOSIS + Beneficio El parasitismo es una relación simbiótica entre organismos en la que uno A B de ellos, el parásito, se beneficia, mientras que el otro, el hospedador, Hospedador Parásito recibe perjuicio. Perjuicio - Parasitismo La competición una relación simbiótica entre organismos en las que ambos compiten por el mismo recurso o nicho ecológico, el cual desean explotar en exclusiva. Como consecuencia de esta relación, ambos organismos reciben perjuicio ya que están invirtiendo recursos en la competición. - Perjuicio ✓ Los fenómenos de competición se observan claramente © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados A B en los microorganismos productores de antibióticos, que secretan estas moléculas para impedir que otras Perjuicio - especies utilicen sus nutrientes y nicho: la relación es perjudicial para la especie que no puede crecer en Competición antibiótico, pero también para el microorganismo productor de antibióticos ya que está invirtiendo recursos en sintetizar estas moléculas tan complejas. 23 Moho compitiendo con bacterias INTERACCIONES MICROBIANAS CON HUMANOS Los microorganismos establecen relaciones con los seres humanos. En estos casos, el ser humano es el hospedador o portador de determinados microorganismos. En las interacciones entre los microorganismos y los humanos encontramos tres categorías básicas: ✓ Comensalismo: no hay daño para el ser humano. P.e. los saprótrofos, que son microorganismos descomponedores de materia orgánica que no producen daño. ✓ Mutualismo: hay beneficio tanto para el microorganismo como para el ser humano. P.e. la microbiota intestinal. ✓ Parasitismo: provocan perjuicio para el hospedador y habitualmente desembocan en el desarrollo de una © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados enfermedad, por lo que a estos microorganismos se les suele denominar patógenos. Existen dos tipos: Patógenos obligados o estrictos: sin parasitar, estos microorganismos no pueden completar su ciclo biológico. Patógenos facultativos u oportunistas: no es necesario que se comporten como parásitos ya que habitualmente son microorganismos de vida libre o incluso forman parte de la microbiota. 24  ¡GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN! 25 Tema 5 Genética microbiana Fundamentos de Microbiología Grado en Biomedicina Ve más allá ÍNDICE Genoma Dogma central de la biología molecular ✓ Replicación ✓ Transcripción ✓ Traducción Fenotipo y genotipo Modificación genética ✓ Mutación © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados ✓ Transferencia genética Transformación Transducción Conjugación Manipulación genética 2 GENOMA Los genes son secuencias de nucleótidos que codifican para uno o más productos funcionales (habitualmente péptidos, polipéptidos y proteínas, pero también tRNA o rRNA). El genoma es la secuencia total del material genético de un organismo. El genoma incluye: ✓ Los genes, con capacidad codificante. ✓ Las secuencias no codificantes: muchas de estas secuencias regulan la expresión génica (promotores, terminadores, enhancers…). El genoma de los procariotas es haploide (sólo poseen una copia de cada elemento en su único © Copyright Universidad Europea. Todos los derechos reservados cromosoma) mientras que la mayoría de los eucariotas son diploides (poseen dos copias de cada cromosoma) o poliploides (poseen varias copias). Los procariotas habitualmente poseen elementos genéticos extracromosómicos (plásmidos o profagos, que es el genoma de un virus bacteriófago). 3 ESTRUCTURA DEL DNA H H N O HN H El material genético de tanto procariotas N N G N H N C N H como eucariotas es DNA (ácido Sugar H N H O desoxirribonucleico). Esta molécula adopta la Sugar phosphate Nitrogen Sugar forma de una doble hélice de hebras de