Bacterias y Virus: Cómo Nos Defendemos (PDF)

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp) Vol. 103, Nº. 1, pp 115-172, 2009 X Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica BACTERIAS Y VIRUS ¿CÓMO NOS DEFENDEMOS? Mª ANTONIA LIZARBE IRACHETA * * Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales (A. Correspondiente). Departamento d...

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. Vol. 103, Nº. 1, pp 115-172, 2009 X Programa de Promoción de la Cultura Científica BACTERIAS Y VIRUS ¿CÓMO NOS DEFENDEMOS? Mª ANTONIA LIZARBE IRACHETA * * Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas Químicas, Universidad Complutense. [email protected]. han ido controlando gracias a los conocimientos sobre las estructuras celulares y acerca de las bases molecu- lares de la replicación, transcripción y traducción en células procariotas y eucariotas. Todo ello, en último término, ha posibilitado el desarrollo de los agentes antimicrobianos. debe con- Cabe resaltar que, aunque ciertos microorganismos son los agentes etiológicos responsables de algunas enfermedades, la mayor parte de ellos no son perjudi- ciales para el hombre. El hombre convive con los microorganismos y se beneficia de ellos. El beneficio de los microorganismos se extiende a numerosos aspectos de la actividad humana. Afectan no solo a la salud humana y su bienestar, sino también participan o desarrollan procesos valiosos para la sociedad en agri- cultura, alimentación, energía y medio ambiente, biotecnología, etc. Algunas aplicaciones de los microorganismos, actualmente aún bajo estudio, parecen prometedoras. Ciertas bacterias producen antibióticos, como la actinobacteria Streptomyces griseus productora de la estreptomicina, otras par- ticipan en la elaboración de la mayoría de quesos, como las bacterias Lactococcus, Lactobacillus o Streptococcus, o la en producción del yogur, donde se utiliza Lactobacillus acidophilus. Si se considera el microambiente diverso del tracto intestinal, se ha descrito que la comunidad microbiana la constituyen alrededor de 500 especies de bacterias. Entre éstas están los probióticos o microorganismos vivos benefi- ciosos para el hombre y, aunque se requieren todavía numerosos estudios para poder establecer con firmeza la bondad de los microorganismos probióticos para la salud, hay evidencias de que pueden prevenir enfer- medades como la diarrea asociada a los antibióticos, el síndrome de intestino irritable y la enfermedad infla- Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 genoma incapacitándoles para replicarse en el interior de la célula. Los vectores virales utilizados en terapia génica, algunos de ellos aún en la fase clínica de estudio, son los derivados de retrovirus (p.e. lentivirus) o de virus DNA (p.e. adenovirus o virus herpes simple) [5-7]. Los vectores retrovirales fueron la estrategia pionera en la terapia génica ex vivo; en 1994, se público el primer ensayo de terapia génica humana ex vivo, en el que se trató la hipercolesterolemia familiar empleando retrovirus recombinantes, obteniéndose una corrección estable de la enfermedad. Otro de los tratamientos en desarrollo en la actualidad se basa en la utilización de bacteriófagos o fagos (virus capaces de infectar bacterias) para la profilaxis y tratamiento eficaz de infecciones bacterianas, ya que son activos frente a bacterias pero inactivos frente a células eucariotas. Además, los bacteriófagos podrían ser utilizados como plataformas con péptidos que puedan inducir efectos anticancerígenos y, con la ventaja adicional de que activan al sistema inmunitario en células eucariotas, la terapia fágica podría resultar muy útil para tratar a pacientes con cáncer. En el campo de la diagnosis, se están intentando sustituir técnicas invasivas, como la cirugía, por otras no inva- sivas que aumenten la calidad de vida del paciente. Por ello, se ha recurrido a la nanotecnología, al diseño de nanopartículas basadas en virus (VNP, Virus-based nanoparticles), para el seguimiento por imagen y el tratamiento del cáncer y de enfermedades cardiovascu- lares. Con estos nanosistemas se intenta repartir de una forma localizada las drogas terapéuticas permi- tiendo concentraciones locales elevadas en el foco de la enfermedad y minimizando los efectos colaterales adversos. En relación al tratamiento del cáncer también se ha propuesto el empleo de virus oncolíticos, virus capaces de reconocer, infectar y lisar específicamente células tumorales [13, 14]. Se ha que contem- llegado incluso a sugerir una mejora de la actividad oncolítica de estos virus introduciendo en el genoma viral genes suicidas. LAS PANDEMIAS o Los estudios históricos sobre las epidemias analizan datos demográficos, evaluando la incidencia y mortalidad, la estructura social, el impacto económico y las repercusiones sociológicas y políticas que pudiera ocasionar la epidemia. Un precursor de la Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 117 población actual, ha alertado sobre la rapidez con la que una epidemia puede diseminarse en nuestros días, lo que por desgracia ya se ha podido comprobar recientemente. Diversas pandemias han ido apareciendo a lo largo de la historia de la humanidad. La peste, la viruela, la gripe, la tuberculosis, la fiebre amarilla, etc., se han sucedido a lo largo de los siglos. La pandemia de la peste negra o brote de peste bubónica, que hoy sabemos que está causada por la bacteria Yersinia pestis, de gran virulencia y letalidad, acaeció durante varios siglos (XIV al XVII). En el siglo XIV fue devastadora; entre los años 1348 y 1400 causó la muerte de cerca de un tercio de la población europea. Una ilustración de la biblia de Toggenburg de 1411 sobre la muerte por la peste negra se recoge en la Figura 1. La viruela, enfermedad infecciosa grave y conta- giosa causada por el virus variola, fue en el siglo XVIII el mayor azote de la humanidad, dando cuenta de alrededor de 60 millones de muertos. Para esta enfermedad no se ha descrito un tratamiento tera- péutico; la única forma de prevención es la vacu- nación. El nombre viruela proviene del latín varus o militar improvisa- barro, que hace referencia a las marcas que per- manecen en la cara y en el cuerpo de una persona infectada. El poeta y dramaturgo inglés Ben Johnson. (1572-1637) le rogaba a la viruela que “dejara al menos una persona bella de cada generación”. El efecto preventivo de la vacuna, que descubrió en 1796 Edward Jenner, redujo sustancialmente la mortalidad. Jenner abrió las puertas a la vacunación; en 1798 acuñó el término variolae vaccinae (viruela de la vaca) en su trabajo “An inquiry into the causes and effects of the variolæ vaccinæ”, cuya primera página se reproduce en la Figura 2. Estos trabajos fueron conti- nuados en los años siguientes: en 1799 publica “Further observations on the variolæ vaccinæ”, y en 1800 “A continuation of facts and observations rela- tive to the variolæ vaccinæ”. En 1870 Francia y Alemania propusieron una vacunación forzosa. En la epidemia de 1890 en España, la enfermedad es cata- logada como una vergüenza social: “falta de previsión de autoridades y escasa cultura del pueblo han facili- tado la resurrección de una patía dieciochesca”. En 1979 la Organización Mundial de la Salud declaró erradicada la viruela. Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 duciendo un cataclismo demográfico. En 1831, en Hungría se contabilizaban cerca de 300.000 victimas. Varias pandemias de cólera han afectado a España, como en 1833-34 (300.000 muertes; 2,25% de la población), en 1853-55 (236.000 muertes), en 1865 (119.000 muertes) y en 1885 (120.000 muertes). En el brote de 1890 en Madrid se produce una triple epi- demia; en este caso el cólera no se cobra ningún falle- cimiento pero la gripe y la viruela provocan 3.000 muertes cada una de ellas. En la actualidad, ya que las epidemias de cólera todavía emergen en países subdesarrollados, se atiende a la importancia de las vacunas para su control. La gripe se presenta en epidemias estacionales desde el siglo XVI; desde 1510 se han descrito una treintena de pandemias y, en el siglo XX, fue otro de los grandes azotes para la humanidad. El primer registro detallado sobre una pandemia de gripe procede de 1850. Una de las pandemias más virulentas y de gran morbilidad fue la de 1830-1833 que infectó a casi una cuarta parte de la población expuesta. A dife- rencia del cólera, que respeta a las clases sociales aco- modadas, la gripe reparte democráticamente sus ataques. La gripe está causada por virus RNA de la familia de los Orthomyxoviridae, los virus influenza tipos A, B y C. El virus de la influenza A se compone de una cubierta proteica o cápsida que contiene el genoma viral, una sola hebra de RNA. Uno de los genes codifica para la hemaglutinina (HA, hay 16 sub- tipos de HA), un antígeno de superficie que utiliza el virus para unirse y penetrar en las células del huésped. Un segundo gen produce otro antígeno de superficie, la neuraminidasa (NA, hay nueve subtipos de NA), que ayuda a que los virus recién formados se liberen para infectar a otras células al romper la unión entre la hemaglutinina y el ácido siálico de las células infec- tadas. Los humanos han estado expuestos a los virus H1, H2, H3 y, más recientemente, al H5N1 [20, 21]. Ya que se pueden producir cambios en los antígenos de superficie HA y NA, la vacuna humana habitual con- tiene proteínas purificadas e inactivadas de las cepas del virus que se consideran que van a ser más comunes en la siguiente epidemia. La historia de las epidemias es larga y dilatada en el tiempo. La pandemia de gripe de 1890, conocida como la gripe rusa, se considera uno de los cataclismos del siglo XIX, con un cálculo de un millón de muertes. En 1918-1919 la gran pandemia de gripe, y la más letal, se conoce como la gripe española, Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 119 detectaron más de 250 casos de infección con una mor- talidad asociada de cerca del 60%. En 2009, en México y EEUU se detecta el brote de gripe porcina, posteriormente llamada gripe A (subtipo H1N1) , y el virus causante de la epidemia se caracteriza in vivo e in vitro el mismo año. de inci- En el año 2003 un equipo multidisciplinar se planteó analizar las causas de la pandemia del virus de la gripe de 1918. Dos años más tarde la revista Science publica la reconstrucción, por primera vez en la his- toria, de un virus totalmente extinguido, el virus de la gripe de 1918 (H1N1) ; el virus fue totalmente reconstruido in vitro a partir de las secuencias obtenidas del análisis de muestras históricas de tejidos. La finalidad de esta reconstrucción era realizar estudios de infectividad, identificando genes responsa- bles de su virulencia y la de otros virus de la gripe, incrementando así el conocimiento sobre el virus y las dianas para su terapia, lo que podría permitir estar preparados para responder a futuras pandemias de gripe. De hecho, se ha descrito que la especifi- cidad del receptor de hemaglutinina es esencial para la transmisión del virus de la gripe entre mamíferos. Además, análisis genómicos han mostrado que el virus bloquea la transcripción de múltiples genes estimu- lados por el interferón, disminuye la expresión de genes de mediadores proinflamatorios e incrementa la de genes de citoquinas y quimioquinas implicados en el reclutamiento de células inmunes. Por tanto, el virus afecta a la respuesta inmune innata modificando genes que son parte de la respuesta antiviral de la célula. sobre el La tuberculosis es la enfermedad que mayor número de muertes ha causado en la historia de la humanidad (1,9 millones de muertos en 2005); el agente etiológico es la Mycobacterium tuberculosis o bacilo de Koch, su descubridor en 1882. Destruye el tejido pulmonar y se transmite por vía respiratoria humanos. Es también una enfermedad ligada a deficiencias socio-sanitarias, pobreza, hacinamiento y desnu-. Otras epidemias de gripe posteriores son la gripe trición. Actualmente afecta a 2.500 millones de per- sonas; se estima que está infectada una tercera parte de la población mundial y se calcula que cada año se pro- ducen alrededor de 8 millones de casos nuevos y 2 mi- llones de fallecimientos. En España la incidencia es de 40 enfermos por cada 100.000 habitantes/año, una fre- cuencia cuatro veces superior a la de otros países con un nivel de desarrollo similar. En estos países la enfer- Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 toxoides: contienen una toxina producida por el micro- organismo que no manifiesta su acción tóxica porque está modificada (por ejemplo, por efecto del calor o con formol), pero que mantiene sus propiedades en cuanto a una inmunización específica. Uno de los ejemplos de vacunas conjugadas es el del Streptoco- ccus pneumoniae, uno de los gérmenes bacterianos que con mayor frecuencia produce infecciones en los niños (neumonía, meningitis, otitis). En la preparación de una de las vacunas se ha utilizado la conjugación de los polisacáridos de los neumococos a una proteína transportadora para mejorar la respuesta inmunológica [33, 34]. Actualmente existen dos tipos de vacunas antineumocócicas, la vacuna polisacárida 23-valente y la polisacárida conjugada pentavalente. Esta última incluye siete antígenos polisacáridos conjugados de la cápsula de S. pneumoniae (serotipos 4, 6B, 9V, 14, 18C, 19F y 23F), cada uno de los cuales se encuentra unido a una variante no tóxica de la toxina diftérica (CRM197). También se encuentran en estudio las vacunas obtenidas por ingeniería genética basadas en técnicas del DNA recombinante, que implican la uti- lización de vectores derivados de virus, como se comentará en el caso de la evolución de las vacunas frente al virus vaccinia. Para preparar muchas de las vacunas actuales frente a virus, para enfermedades como la polio, el sarampión, las paperas, la rubeola y la varicela, se utilizan cultivos de células de mamíferos para la propagación de los correspondientes virus y como método de atenuación, como se comentará pos- teriormente. idea de la De entre las vacunas desarrolladas con éxito, a con- tinuación se hacen algunos apuntes sobre la de la tuberculosis, la de la fiebre amarilla y la de la polio- mielitis. La primera vacuna frente a la tuberculosis se elaboró en 1921 por Albert Calmette (1863-1933) y Camille Guérin (1872-1961) (vacuna BCG: Bacilo de Calmette y Guérin), preparada a partir de bacilos de. Koch vivos atenuados de una cepa de Mycobacterium bovis. El tratamiento con una mezcla de antibióticos, en la que cada uno de ellos tiene un mecanismo de acción diferente (estreptomicina, isoniacida etambutol y rifampina), y la vacuna ha eliminado la tuberculosis en países desarrollados pero han emergido algunas cepas resistentes. Por ello, y considerando que la vacuna BCG no es muy efectiva frente a la tubercu- losis pulmonar de adultos, se están desarrollando otras vacunas. En la actualidad se está llevando a cabo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 121 lizado en la erradicación de la viruela, y que todavía es actualmente un centro de interés para la generación de nuevas vacunas. Para eliminar efectos adversos (dolor de cabeza, náuseas, fatiga, etc.), evitar la uti- lización de animales e incrementar la efectividad de la primera vacuna, la jenneriana, se describió una vacuna de segunda generación. Ésta se producía inoculando el virus en huevos de embrión de pollo o tras su propa- gación en cultivos de células Vero. Para la vacuna de tercera generación se buscó provocar una alteración del genoma del virus para crear una forma no replicativa o altamente atenuada pero que mantuviera sus propiedades como agente inmunizador frente a la viruela. Esto se consiguió propagando el virus durante períodos muy largos de tiempo, alternando cultivos de células procedentes de diferentes tejidos y especies; la obtención de estos virus atenuados es laboriosa y requiere largo tiempo. La vacuna de cuarta generación se ha preparado contando con el desarrollo de la tec- nología del DNA recombinante y los avances en téc- nicas de Biología Molecular y Biotecnología. El material genético del virus se manipula por deleción de genes esenciales; se eliminan uno a uno y se estudian las características de los nuevos virus obtenidos defi- cientes en un gen. Además, se insertan genes que modulen la respuesta inmunológica, como el de la interleuquina-15, una citoquina con funciones inmu- noestimuladoras potentes [42, 43]. Por último, cabe resaltar que la manipulación genética de este virus ha posibilitado su utilización para nuevas vacunas frente a agentes heterólogos. Así, se han usado virus vaccinia que han perdido el gen de la timidina quinasa viral y se ha insertado un gen que expresa una proteína del virus de la rabia; la vacuna preparada con este sistema ha sido efectiva en la inmunización de coyotes y zorros y, por tanto, en el control de la rabia. Por otro lado, este virus es eficiente para la infección de células tumorales por lo que se considera un potencial agente. Con las campañas de vacunación contra la antitumorigénico de la viroterapia oncolítica [44, 45]. El virus vaccinia no es el único que se manipula para conseguir una mayor efectividad, otro ejemplo es el poliovirus. El químico suizo Peter Seeberger recibió el Premio Körber 2007 a la Ciencia Europea por su investigación pionera sobre la elaboración de vacunas contra enfer- medades como la malaria. Desarrolló un sintetizador automático de oligosacáridos. Por síntesis química se obtienen los oligosacáridos, o hidratos de carbono Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 natural fases y la tuber- diagnóstico Figura 3. Micrografías electrónicas mostrando la morfología de diferentes bacterias. (A) Cultivo de Escherichia coli. (B) Cultivo de una cepa de la bacteria Staphylococcus aureus resistente a vancomicina. (C) Detalles de la bacteria gram-posi- tiva Mycobacterium tuberculosis. (D) Bacteria Vibrio cholerae que infecta el aparato digestivo. (E) Bacteria Helicobacter pylori mostrando numerosos flagelos sobre la superficie celular. (F) Bacteria gram-positiva Bacillus anthracis (teñido de púrpura) desarrollándose en el líquido cefalorraquídeo; cada pequeño segmento es una bacteria. Microscopía electrónica de barrido de superficie (A-D), (E) microscopía electrónica de transmisión (F) tinción de Gram. en pared celular que es química y morfológicamente com- pleja que contiene péptidoglicanos. Éstos capacitan a la bacteria para resistir la presión intracelular evitando que se produzca una lisis osmótica, les protege frente a sustancias tóxicas, es el blanco de acción de varios antibióticos y les permite adoptar una forma definida que se transmite de generación en generación. La mayoría de las bacterias se clasifican en gram-posi- tivas y gram-negativas, en función de la pared celular y la respuesta a la tinción con el reactivo de Gram. En la Figura 4 se representa la estructura de la pared celular de bacterias gram-positivas y gram-negativas. La estructura química y la composición del pépti- doglicano son distintas a la de cualquier otra estructura o macromolécula de mamíferos. La pared de una bac- teria gram-negativa es compleja, posee una capa de péptidoglicanos que rodea la membrana plasmática y una membrana externa, mientras que la pared de las bacterias gram-positivas está formada por una capa de péptidoglicanos separada de la membrana plasmática por el espacio periplásmico. El constituyente básico de Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 123 pared de una bacteria gram-negativa posee, rodeando la membrana plasmática, una La pared de una bacteria gram-positiva, más sencilla, está formada por una capa por el espacio periplásmico. En la parte inferior de la figura se muestra la El esqueleto del glicano contiene dos tipos de hidratos de carbono (NAG: N-acetil- y una corta cadena con cinco aminoácidos. En el péptidoglicano de bacterias gram- por un aminoácido proteico (L-Ala) y aminoácidos no proteicos (D-Ala, D-Glu y ácido se unen por enlaces de covalentes establecidos entre las cadenas de aminoácidos las cadenas de tetrapéptidos entrecruzadas. En el péptidoglicano de bacterias gram- composición en aminoácidos diferente y también difieren en el entrecruzamiento que se de Gly. Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 algún caso, monofuncionales; en conjunto, son respon- sables de la polimerización del péptidoglicano, de su inserción en la pared celular y de su recambio. En función de su estructura y de la actividad catalítica del dominio amino-terminal se clasifican al menos en dos grupos, las clases A y B. En ambos tipos, la actividad transpeptidasa reside en el dominio carboxilo-ter- minal, donde se une la penicilina. En la clase A, el dominio amino-terminal es responsable de su activi- dad de transglicosidasa, catalizando la elongación de las cadenas de glicanos no entrecruzados, mientras que en la clase B este dominio parece desempeñar un papel en la morfogénesis celular interaccionando con otras proteínas implicadas en el ciclo celular. teicoicos Uno de los organismos procariontes más estudiado y que se ha utilizado ampliamente en investigación es la bacteria E. coli; fue una fuente clave para el conocimiento de rutas metabólicas y procesos de regu- lación. Es un bacilo anaeróbico facultativo y gram- negativo. En 1885 fue descrita por el bacteriólogo alemán Theodore von Escherich, quién la llamó Bacterium coli, pero posteriormente se renombró como Escherichia coli, en honor a su descubridor. En E. coli se han estudiado con detalle las PBP; se han descrito hasta 12 PBP, 3 de la clase A, dos de la clase B y siete de baja masa molecular (LMM, Low Molecular Mass). Dos de la clase A, PBP1a y PBP1b, son las principales transpeptidasas-transglicosilasas y la deleción de alguna de ellas es letal para la bacteria al pépti-. Las LMM están implicadas en la maduración o el reciclaje del péptidoglicano; entre ellas hay dos endopeptidasas (PBP4 y PBP7) que rompen los enlaces de entrecruzamiento entre las cadenas de glicano, y la PBP5 tiene actividad de carboxipeptidasa, rompiendo el enlace D-Ala-D-Ala del pentapéptido incapacitándolo para la reacción de transpeptidización tanto, dismi- Dada la similitud estructural entre el sustrato natural (D-Ala-D-Ala) del pentapéptido precursor y la penicilina y demás E-lactámicos, las enzimas que par- ticipan en la última etapa de la síntesis del pépti- doglicano son sensibles a penicilina. Ésta forma un complejo acil-enzima que no tiene capacidad para entrecruzar el péptidoglicano. Además, la inhibición produce una acumulación de los precur- sores del péptidoglicano, los cuales inducen la acti- vación de enzimas como hidrolasas y autolisinas que Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 125 diversos microorganismos. Algunos premios Nobel relacionados con la Bacteriología se presentan también en la Tabla I. Una extensa revisión de aspectos históricos se recoge en Historia de la antibioterapia muy. En la literatura científica de los últimos años, el número de publicaciones en las que aparecen los tér- minos bacteria o antibiótico es inmenso; así, en los años 2007, 2008, 2009 y primer trimestre de 2010 aparece el término “bacteria” 67.735, 70.195, 67.397 y 1.002 veces, y “antibiótico” 18.581, 19.508, 18.420 y 3.481 veces. bacterias El establecimiento de la relación causal entre una enfermedad específica y el agente que la produce, como los descubrimientos iniciales acerca de los microorganismos y enfermedades asociadas, fue la base para el desarrollo de la Microbiología y la Virología. De la antigüedad, cabe señalar al médico de la antigua Grecia, Hipócrates de Cos (460 a.C.-370 a.C.), considerado como el padre de la Medicina. Rechazó las supersticiones y creencias populares, que señalaban a las fuerzas divinas como causantes de las enfermedades, y realizó observaciones sobre varias enfermedades infecciosas. A mediados del siglo XIX se refuta la teoría de la generación espontánea con numerosas pruebas experi- mentales. Friedrich Gustav Jakob Henle, en 1840, defendió desde un punto de vista científico el origen microbiano de las enfermedades contagiosas y la especificidad de los gérmenes. Louis Pasteur descubre en 1857 la especificidad de las fermentaciones micro- bianas implicadas en la elaboración del queso, la cerveza y el vino y, entre 1877 y 1895, extendió el con- cepto a las enfermedades. Pasteur realizó la primera observación de lo que hoy denominamos efecto antibiótico; descubrió que algunas bacterias saprófitas podían destruir gérmenes del carbunco (ántrax) y desarrolló la vacuna contra la rabia. En 1878 se populariza el concepto de la teoría sobre el origen microbiano de algunas enfermedades; a ello con- tribuyeron Pasteur y Koch, entre otros. En 1884 Henle, Koch, Loeffler y Chamberland establecen los criterios requeridos para proponer a un microorganismo como la causa u origen de una enfermedad, lo que quedó afianzado con los postulados de Henle-Koch. A finales de siglo (1888-1890) el descubrimiento de las toxinas microbianas y las antitoxinas (Loeffler, Roux, Yersin, von Behring) y el del virus del mosaico del tabaco c.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 (Esp), 2009; 103 127 c.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 (Esp), 2009; 103 129 c.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 (Esp), 2009; 103 131 c.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 133 australiano Robin Warren redescubre la bacteria en 1979 y, posteriormente, junto a Barry Marshall, la ais- laron y cultivaron a partir de las mucosas de estómagos humanos. En su trabajo publicado en 1984, Warren y Marshall proponen que muchas de las úlceras estomacales y gastritis están causadas por esta bacteria. Marshall y Warren posteriormente descri- bieron que los antibióticos son efectivos para el tratamiento de la gastritis. En 2005, Warren y Marshall fueron galardonados con el Premio Nobel de Medicina por sus trabajos acerca de H. pylori. aerobia Los antibióticos, así como su uso como agentes te- rapéuticos para el tratamiento de enfermedades bacte- rianas como la tuberculosis, peste bubónica, la lepra u otras, no se aislaron e identificaron hasta el siglo XX. En la primera década de dicho siglo, Paul Ehrlich desarrolla diversos métodos de tinción selectivos para diferentes tipos de células. En el campo de la quimio- terapia, descubre el salvarsán cuya acción selectiva frente a las espiroquetas permitió su uso para el tratamiento de la sífilis. Así, se abrió el paso a la uti- lización terapéutica de los antibióticos que se irían des- cubriendo a lo largo del siglo. El salvarsán fue el único tratamiento eficaz contra la sífilis hasta la purificación de la penicilina en los años cuarenta. hay que En 1909, P. Laschtschenko, profesor de la Universidad de Tomsk (Rusia), observó que la clara de huevo era capaz de lisar cultivos de Bacillus subtilis, y que esta propiedad desaparecía al calentarla. Sin embargo, no fue hasta 1922 cuando el microbiólogo Sir Alexander Fleming describió la lisozima, una pro- teína antimicrobiana que se encuentra en secreciones corporales, como la saliva y las lágrimas, y en la clara del huevo. El descubrimiento de la penicilina, arquetipo de los antibióticos, constituyó una adqui- sición clave de la terapéutica moderna. Aunque el des- cubrimiento se atribuye a Fleming, las propiedades curativas de ciertos “mohos” eran ya conocidas desde tiempos muy antiguos. En 1870, Sir John Scott Burdon-Sanderson (1828-1905) describió que los cul- tivos bacterianos cubiertos por mohos impedían el crecimiento bacteriano, estudios que fueron conti- nuados por Joseph Lister y por John Tyndall, todos ellos en Inglaterra. En 1897, Ernest Duchesne (1874- 1912) en su Tesis Doctoral describió la actividad antibiótica de hongos Penicillium y su capacidad para curar cobayas infectadas con bacilos del tifus, pero no Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 prodroga que se metaboliza en el organismo para con- vertirse en sulfanilamida (p-aminofenilsulfonamida). El segundo antibiótico natural, la estreptomicina, fue descubierta en 1943 por Albert Schatz en el labora- torio de Selman Abraham Waksman, y está clasificada dentro del grupo de los aminoglucósidos. Está producida por actinomicetos, y resultó efectiva para el tratamiento de la tuberculosis. Además, Waksman y sus colaboradores aislaron alrededor de otros 20 antibióticos pero algunos de ellos resultaron excesiva- mente tóxicos para su utilización en humanos: actino- micina (1940), clavacina y estreptotricina (1942), griseína (1946), neomicina (1949). Estreptomi- cina y neomicina tienen aplicaciones en numerosas infecciones. Waksman recibió el premio Nobel en Fisiología y Medicina 1952 “por su descubrimiento de la estreptomicina, el primer antibiótico efectivo contra la tuberculosis”. Posteriormente se fueron des- cubriendo otros antibióticos, como la cloromicetina o cloranfenicol (1947; John Ehrlich y Paul R. Burkholder), las tetraciclinas (1948; Benjamin M. Duggar) , las cefalosporinas (1951; H.S. Burton y Edward P. Abraham) la eritromicina o Iloticina (1952; J.M. McGuire) , la kanamicina (1957; Ken Yanagisawa y Naoyuki Sato) , la gentamicina y el ácido nalidíxico (1963) y muchos otros. tirotricina, ANTIBIÓTICO (1901- sólo se El término antibiótico, del griego “DQWL – anti” (en contra) y “ELRWLNR] – biotikos” (dado a la vida), fue propuesto en 1942 por Selman A. Waksman, des- cubridor de la estreptomicina y considerado el padre de los antibióticos. Los define como “aquellas sus- tancias químicas producidas por microorganismos que, a bajas concentraciones, inhiben el desarrollo o destruyen la vida de otros microorganismos”. Esta definición, que hace referencia a los antibióticos natu- rales, como la penicilina, se amplió para incluir a moléculas con actividad similar pero que son sintéticas (obtenidas por síntesis química, como por ejemplo las sulfamidas) o semi-sintéticas (obtenidas a partir de cultivos microbianos y, posteriormente, sometidas a una modificación química, como la ampicilina). En términos estrictos, un antibiótico es una sustancia se- cretada por un microorganismo, u obtenida por síntesis química, que tiene la capacidad de afectar a otros Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 135 produce un antibiótico? Aunque los antibióticos no son esenciales para el crecimiento del microorganismo que los produce, la síntesis de estos productos secundarios les proporciona ventajas para sobrevivir en ambientes competitivos. Por ejemplo, la producción de antibió- ticos durante el proceso de esporulación, en condi- ciones limitantes de nutrientes, garantizaría la no pro- liferación y competencia con otros microorganismos. Los hongos filamentosos producen alrededor del 25% de los antibióticos naturales conocidos [de los géneros Penicillium (penicilina), Cephalosporium (cefalospo- rinas) y Aspergillus (penicilina y otros)]. Las bacterias producen el 75% restante de los antibióticos. Así, los actinomicetos (bacterias gram-positivas), del género Streptomycetaceae, los Streptomyces, producen el mayor número de antibióticos, tanto bactericidas como fungicidas. Hasta 1997 se habían aislado alrededor de 3.000 compuestos de los cuales casi el 10% podrían ser de utilidad en medicina humana, veterinaria y agri- cultura ; algunos ejemplos son las tetraciclinas, la eritromicina o la estreptomicina. De la familia Bacillaceae (también bacterias gram-positivas), Bacillus subtilis produce bacitracina y muchos otros mayoritariamente de naturaleza peptídica y Bacillus polymyxa sintetiza polimixina. Los antibióticos pueden actuar como agentes bacte- ricidas, produciendo la muerte de las bacterias, o pueden funcionar como agentes bacteriostáticos, inhi- biendo su crecimiento y multiplicación para ser poste- riormente eliminadas por los sistemas de defensa de nuestro organismo. Estos efectos dependen de la con- centración del antibiótico en el sitio de la infección, del tipo de bacterias sobre las que actúan, de la fase de crecimiento en la que se encuentran las bacterias y de la densidad de la población bacteriana. En la Figura 5 se muestra una curva de crecimiento de un cultivo bac- teriano en medio líquido que, tras una fase de latencia en la que no se modifica el número de células, las células proliferan durante la fase exponencial. El creci- miento logarítmico se reduce y se inicia la fase esta- el número de célu- exponencial; el creci- cionaria; si los nutrientes se agotan o se acumulan sus- tancias que pueden ser tóxicas, el cultivo entra en la fase de muerte. La adición de un agente bacte- el cultivo entra en la riostático, como el cloranfenicol, bloquea el creci- la división miento celular manteniéndose el número de células constante. Si se añade un agente bactericida, como la como penicilina, se produce la muerte de las bacterias con la consiguiente disminución del número de células. Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 (A) Estructura de la penicilina G derivada del ácido 6-aminopenicilánico mostrando (con de la molécula que es reconocido por la transpeptidasa. En la parte inferior se muestra la la parte final de la cadena peptídica (R-D-Ala-D-Ala) del péptidoglicano de bacterias gram- para formar los enlaces de entrecruzamiento. (B) Estructura del complejo de la de Streptomyces R61. La figura se ha creado a partir del fichero PDB PDB ProteinWorkshop v3.7. lactámicos. En este contexto se encontrarían las cefalosporinas de 4ª generación (p.e., cefepima y cef- piroma), que no sólo tienen un mayor espectro de actuación que las anteriores, sino que también son más resistentes a la acción de las E-lactamasas. Como ya se ha comentado, por la analogía del enlace del anillo E-lactámico de la penicilina con la región del enlace D-Ala-D-Ala terminal de la cadena pentapeptídica del péptidoglicano, las penicilinas fun- cionan como inhibidores del proceso de transpepti- dación interfiriendo en la formación del pépti- doglicano. De esta forma, la penicilina provoca la for- mación de una pared bacteriana débil, lo que favorece la lisis osmótica de la bacteria durante el proceso de multiplicación o su fagocitación. En la Figura 6 se compara la estructura del núcleo de una penicilina y su analogía con la región D-Ala-D-Ala del pépti- doglicano. Además, los análisis cristalográficos han permitido analizar los complejos acil-enzima y antibióticos E-lactámicos; una de estas estructuras, la del complejo de la penicilina G unida a la D-alanil-D- alanina transpeptidasa de Streptomyces R61 [código Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 137 antibiótico debe interferir sólo sobre estructuras, enzimas o mecanismos presentes en bacterias, pero no en el huésped. Por ejemplo, el efecto de la penicilina sobre las células humanas es muy débil ya que estas carecen del péptidoglicano de la pared celular. La sen- sibilidad de los microorganismos a los antibióticos varía según el tipo considerado. Las bacterias gram- positivas son generalmente más sensibles que las gram-negativas. Cuando un antibiótico actúa eficaz- mente sobre ambas se dice que es de amplio espectro; si actúa sólo sobre un número reducido de patógenos se dice que es de espectro reducido. Ejemplos de antibióticos con un espectro de acción amplio, sobre bacterias gram-negativas y gram-positivas son el clo- ranfenicol, las tetraciclinas y las penicilinas de amplio espectro; de espectro intermedio, sobre gram-posi- tivas, la penicilina G y la oxacilina; de bajo espectro, frente a cocos gram-positivos y bacilos gram-nega- tivos, la vancomicina y la polimixina; de espectro selectivo, la nistatina que actúa casi exclusivamente sobre Candida albicans. Además, un antibiótico no debe inducir resistencia, debe ser estable en líquidos corporales (o se deberá utilizar sólo tópicamente) y su período de actividad debe ser largo; no debe ejercer efectos dañinos en el paciente ni generar una respuesta alérgica. Los antibióticos se pueden clasificar teniendo en cuenta su estructura química o su mecanismo de acción. En función de su estructura química se describen diferentes grupos. Dentro de los bactericidas se encuentran los E-lactámicos (penicilinas y cefalos- que contienen porinas), los glicopéptidos (vancomicina, teicopla- nina), los aminoglucósidos (estreptomicinas), las quinolonas (norfloxacinos, ácido nalidíxico), lactonas que con- macrocíclicas (rifampicina) y las polimixinas. Como bacteriostáticos actúan los macrólidos (eritromicinas), las tetraciclinas, las sulfamidas, el cloranfenicol, la fosfomicina, etc. En la Figura 7 se recogen las fór- mulas de algunos antibióticos representativos de cada subgrupo. MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS ANTIBIÓTICOS hacia Los antibióticos, según su estructura química, actúan sobre diferentes dianas de la bacteria blo- queando procesos clave para su supervivencia. Para c.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 139 de acción de los antibióticos. Los antibióticos pueden actuar sobre los patógenos de la pared celular, inhibición de la biosíntesis de proteínas, alteración de la membrana de la síntesis de ácidos nucleicos. En cada caso se indican algunos ejemplos concretos por alguna de las vías mencionadas. [PABA: ácido p-aminobenzoico; DHF: ácido produce una acción sinérgica, incrementando la efec- tividad del tratamiento. o En la síntesis y ensamblaje de los componentes de la pared bacteriana pueden interferir distintos tipos de antibióticos. Las penicilinas, como ya se ha comentado anteriormente, inhiben la formación de la pared bacteriana en células en crecimiento que están biosintetizando el péptidoglicano; ello implica que, en último término, se activen las autolisinas con la con- siguiente muerte celular. Los glicopéptidos, como la vancomicina, se unen con una gran afinidad y especifi- cidad a la región D-Ala-D-Ala de los precursores del péptidoglicano impidiendo el acceso a éste de las transglicosilasas y transpeptidasas inhibiendo el Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 vierte en ácido dihidrofólico y éste, a su vez, en el ácido tetrahidrofólico por la acción de la enzima dihidrofolato reductasa; esta enzima es inhibida de forma específica por la trimetoprima. A la célula huésped, a nuestras células, no les afectan estos antibióticos ya que carecen de la ruta de biosíntesis de ácido fólico, que tiene que ser suministrado en la dieta. de cataliza la Dos familias de antibióticos inhiben la biosíntesis de los ácidos nucleicos, las quinolonas y las rifami- cinas (rifampicina y análogos). Sus dianas específicas que impide son enzimas involucradas en la síntesis de ácidos o, nucleicos: la DNA girasa y la topoisomerasa IV. Éstas son topoisomerasas de tipo II que modulan el estado del topológico del DNA; regulan su estructura superheli- coidal reduciendo la tensión molecular causada por el superenrollamiento del DNA. Para que el DNA pueda replicarse y transcribirse es necesario que su estructura superhelicoidal se relaje. Estas enzimas producen cortes en la cadena de DNA, lo desenrollan y, poste- riormente, sellan la rotura. Las quinolonas bloquean la reparación del DNA una vez cortado, lo cual conlleva una serie de respuestas que determinan la degradación del genoma bacteriano. El resultado es la muerte rápida de la bacteria. La diana primaria de las diversas quinolonas depende del derivado en cuestión, del tipo de bacteria y de la actividad intrínseca de los distintos compuestos o afinidad por las dianas. Por lo general, en los bacilos gram-negativos la diana es la DNA girasa, mientras que en los cocos gram-positivos es la topoisomerasa IV. Por otro lado, las rifamicinas inhiben la transcripción del DNA a RNA; la rifam- picina es uno de los antibióticos más potentes y de amplio espectro frente a patógenos bacterianos y es un componente clave en la terapia antituberculosa. La rifampicina interacciona con la subunidad E de la RNA polimerasa bacteriana dependiente de DNA. Se sitúa en el canal DNA/RNA, en una región desplazada 12 Å del centro catalítico. Este inhibidor actúa bloqueando la elongación del RNA cuando el tránscrito que ha empezado a sintetizarse sólo tiene 2-3 nucleótidos La RNA polimerasa II de las células humanas no es sensible a las rifamicinas. La nitrofurantoína es un derivado del nitrofurano que puede actuar sobre la síntesis de proteínas o provocar, en su forma reducida, un daño en el DNA bacteriano. Una vez reducida en el interior de la bacteria por la nitrofurano reductasa, puede unirse a proteínas ribosómicas y bloquear la tra- ducción o alterar el metabolismo. Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 141 y biosíntesis de proteínas. En la parte izquierda de la figura se esquematizan los ribo- y los ribosomas 80S eucariotas (subunidades 60S y 40S). El esquema de la derecha peptídico de la etapa de elongación de la cadena polipeptídica en crecimiento. Se indican la biosíntesis de proteínas y su modo de actuación. estructura de ambas subunidades del ribosoma ha quedado reflejada en la concesión, en 2009, del premio Nobel de Química a Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz y Ada E. Yonath por “los estudios sobre la estructura y función del ribosoma”. Además, todo ello posibilita el diseño de otros potenciales agentes terapéuticos que interaccionen con el ribosoma. Una revisión exhaustiva puede encon- trarse en el trabajo de Daniel N. Wilson titulado “The A-Z of bacterial translation inhibitors”. En la Figura 9 se recoge un esquema de la fase de formación del enlace peptídico durante la etapa de elongación de la cadena polipeptídica en crecimiento; se indican algunos ejemplos de antibióticos que bloquean la biosíntesis de proteínas y su modo de actuación. En el ribosoma bacteriano, el centro de descodifi- cación lo constituye una pequeña región del RNA ribo- somal 16S de la subunidad 30S, y la unión del antibiótico puede producirse en un surco poco pro- fundo (por ejemplo, la estreptomicina) o en el surco mayor de la hélice 44 del RNA 16S (p.e., los Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 cuyo bloqueo determina el desprendimiento del pep- tidil-tRNA. Las estreptograminas se unen tanto al centro de formación del enlace peptídico como a las mismas bases de adenina de la entrada del túnel a las que se fijan los macrólidos. Los cetólidos poseen un punto de anclaje adicional a una adenina del dominio II del RNA ribosomal que, en general, les permite seguir bloqueando el túnel de salida. con alta La mayor parte de los antibióticos que inhiben la biosíntesis de proteínas tienen como diana el RNA ribosómico, mientras que son escasos los que interac- cionan con las proteínas o enzimas. Un ejemplo de éstos últimos es el ácido fusídico, que actúa por un mecanismo distinto: se une al factor de elongación EF- G ya unido al ribosoma y estabiliza el complejo formado entre ese factor y el GDP, bloqueando el proceso de translocación. Otro grupo de antibióticos descritos recientemente son los inhibi- dores de las aminoacil-tRNA sintetasas, que están siendo utilizados para el control de infecciones tópicas causadas por cepas de Streptococcus aureus resistentes a meticilina (E-lactámico) y otras bacterias resistentes a los antibióticos “clásicos” [114, 115]. La mupirocina (mezcla de ácidos pseudomónicos) fue el primer antibiótico descrito dentro de este grupo; es un antibiótico de uso tópico que inhibe la isoleucil-tRNA sintetasa. Si se inhibe la enzima, la no disponibilidad del isoleucil-tRNA impide la incorporación de isoleucina a las cadenas polipeptídicas en crecimiento produciéndose un bloqueo de la síntesis proteica. Se han descubierto otros inhibidores de aminoacil- tRNA sintetasas naturales, pero muchos de ellos no son específicos sólo para las dianas bacterianas o tienen un espectro muy restringido: indolmicina y chuangxinmicina (Trp), borrelidina (Thr), granaticina (Leu), furanomicina (Ile), ochratoxina A (Phe) o cis- pentacina (Pro). Los esfuerzos actuales van dirigidos a mejorar estos prometedores antibióticos naturales mediante procesos sintéticos para conseguir que sean específicos sólo para las aminoacil-tRNA sin- tetasas bacterianas y aume

Bacterias y Virus: Cómo Nos Defendemos (PDF)

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue