Caballos de Troya vs. microorganismos

Caballos de Troya vs.
microorganismos patógenos
multirresistentes
Andrés Garzón, Diego Gamba
Fotografía: http://static.cinemagia.ro/img/db/movie/00/58/13/troy-585616l.jpg
Caballos de Troya vs. microorganismos
patógenos multirresistentes
Cuando se descubrió la penicilina, en 1928, se pensó que tal
hallazgo constituiría el fin de las infecciones causadas por microorganismos. Sin embargo, desde la aparición de las primeras cepas de Staphylococcus aureus resistentes a antibióticos,
en la década de 1940 tan solo cinco años después de la implementación del uso generalizado de la penicilina, se ha venido
estableciendo una especie de carrera armamentista entre los
diferentes microorganismos patógenos y los seres humanos
dedicados a hacerles frente.
Es justo decir, además de necesario, que el panorama referente a tal situación actualmente no luce
muy esperanzador, principalmente, si se tiene en cuenta el hecho de que en las últimas décadas,
la cantidad de nuevos antibióticos desarrollados y comercializados es realmente muy baja. Además,
Figura 1. Farmacia alemana anuncia la producción de penicilina en 1954.
Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bundesarchiv_Bild_183-23912-0002,_K%C3%B6nigs_Wusterhausen,_%22M%C3%A4rkische_
Apotheke%22,_Schaufenster.jpg
68 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 18, 2015
Andrés Garzón
M. Sc., estudiante de doctorado
en Química en la Universidad de
los Andes.
Diego Gamba
Ph. D., profesor asociado e
investigador del Departamento
de Química de la Universidad de
los Andes.
se han reportado cepas resistentes a casi todos los antibióticos
usados en ensayos clínicos. De la misma manera, las infecciones causadas por patógenos multirresistentes, una vez confinadas a ambientes hospitalarios, se han venido presentando en
ambientes no relacionados con áreas de la salud. Adicionalmente, los reportes del impacto en la salud pública mundial de las
infecciones causadas por estos patógenos son cada vez más
negativos, sin mencionar los múltiples informes que indican el
profundo impacto de esta situación en la economía mundial [1].
Sin embargo, la urgencia por desarrollar nuevos métodos para
derrotar a nuestros microscópicos agresores, lejos de incapacitarnos, ha sido un importante aliciente para numerosos desarrollos en ciencias médicas, biológicas, físicas y químicas.
Si bien la evolución de los antibióticos desde la penicilina hasta
el reciente teixobactin ha permitido la cura de innumerables procesos infecciosos. Este proceso también ha traído, y casi seguramente traerá consigo, la aparición de cepas microbianas cada
vez más resistentes, agresivas en términos infecciosos y difíciles
de controlar, terapéuticamente hablando.
En el abanico de mecanismos que despliegan los microorganismos para inutilizar los antibióticos se pueden destacar tres en
particular:
a. Degradación y consecuente inactivación del antibiótico. En
este caso, los patógenos son capaces de producir enzimas
que degradan el antibiótico antes de que lleve a cabo su
función; también son capaces de modificar el antibiótico,
disminuyendo así su potencial terapéutico.
b. Desarrollo de barreras no permeables. En este caso los microorganismos tienen la habilidad de modificar sus capas
protectoras externas para hacerlas menos afines al ataque
de los antibióticos; incluso son capaces de variar las características de sus estructuras protectoras externas para
lograr que no sean dañadas por la acción de la droga. En
esta categoría se podría situar también un mecanismo relacionado, que consiste en la expulsión del interior del microorganismo del antibiótico que ha logrado ingresar, en un
proceso que si bien requiere energía, es capaz de liberar de
antibiótico al microorganismo, incluso cuando ya el antibiótico ha logrado superar las capas externas de protección.
c. Alteración del blanco intracelular. Este mecanismo comprende la modificación de sitios particulares de la anatomía celular del patógeno. Dado que los antibióticos tienen
diseños específicos, y por tanto selectivos, al cambiar su
objetivo en el interior del microorganismo terminan por no
llevar a cabo su acción antibacterial.
De igual manera, es importante señalar que la aparición y diseminación de estos mecanismos de resistencia están ligadas a la
modificación de la estructura genética de los microorganismos.
Ya se conoce la capacidad que estos tienen para transferir fragmentos de información genética, pues se presenta el fenómeno
por el cual las características de resistencia pueden ser copiadas por patógenos de la misma especie, e incluso por patógenos
Bombas de expulsión
Enzima que degrada
el fármaco
Modificación del
blanco intracelular
Modificación de la
capa protectora externa
Antibiótico
Figura 2. Algunos de los mecanismos de resistencia a antibióticos desarrollados por microorganismos
Fuente: autores
Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 69
de especies distintas, lo que a todas luces posibilita la expansión
del fenómeno de resistencia a antibióticos [2].
Fe3+
Transportador
En Colombia, específicamente en la red hospitalaria de Bogotá, se han desarrollado estudios tendientes a buscar cepas de
Staphylococcus aureus resistentes a la meticilina (MRSA por sus
siglas en ingles). Este es un antibiótico desarrollado en 1969 para
el tratamiento de infecciones causadas por cepas de S. aureus
resistentes a la penicilina, que actualmente no es utilizado clínicamente, pero se mantiene en uso como referencia de resistencia
microbiana. Se ha encontrado que cepas de MRSA están presentes en cerca del 27% de los 2.308 aislamientos analizados [4].
En Bogotá también se han reportado casos de infecciones por
MRSA que han causado neumonía necrosante. De igual manera,
un estudio realizado en pobladores de Montería, Córdoba, mostró que de un total de 253 muestras tomadas en tres grupos:
internos de una cárcel, jóvenes universitarios y niños en edad
escolar de 4 a 9 años; 62 resultaron positivas para S.aureus, y de
estas, 4 fueron resistentes a meticilina, aunque ninguna resultó
resistente a vancomicina (antibiótico de origen natural utilizado
ocasionalmente casi como último recurso para el tratamiento
de infecciones por MRSA). Sin embargo, debe anotarse que el
método utilizado en este análisis para detectar resistencia a vancomicina reporta una sensibilidad muy baja, cercana al 22% [5].
La supervivencia de muchos microorganismos, especialmente
bacterias, durante los procesos de infección depende en gran
medida de su habilidad para adquirir nutrientes clave. En este
sentido, el hierro es uno de los más importantes, ya que se
encuentra directamente involucrado con numerosos procesos
fisiológicos bacterianos. Sin embargo, in vivo, en el caso específico de los seres humanos, el hierro se encuentra presente
en concentraciones extremadamente bajas y, se podría decir,
fuertemente custodiado por proteínas específicas, lo que dificulta aún más el acceso al metal por las bacterias. Incluso en
los mamíferos, como medida extra de protección, durante una
infección, el sistema inmune limita la absorción intestinal de
hierro, lo que evidencia la importancia de este elemento en los
procesos infecciosos [6].
Para superar la baja disponibilidad de hierro en sus ambientes,
las bacterias han desarrollado varias estrategias para la capta-
70 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 18, 2015
Fe+3
Sideróforo
Sideróforo
Exterior de la célula
Debido a su amplio espectro de resistencia a los antibióticos comúnmente usados, la aparición de microorganismos patógenos
multirresistentes ha desencadenado grandes dificultades en el
aseguramiento del tratamiento adecuado de los pacientes infectados, con el consecuente impacto negativo en la situación
económica de las diferentes naciones. Se estima que únicamente para los países miembros de la Unión Europea, los costos de
tratamientos, hospitalización de pacientes, medicamentos y el
uso de equipo de protección del personal médico representan
anualmente una cifra cercana a los 400 millones de euros [3].
Quelación
Receptor/Transportador
Interior de la célula
Enzima
Fe+3
Sideróforo
Sideróforo
Fe3+
Figura 3. Mecanismo de acción de los sideróforos
Fuente: autores
Quelación
Fe3+
Sid-Enlace-Fármaco
Sid-Enlace-Fármaco
Fe3+
Receptor/Transportador
¿Liberación
del fármaco?
Enzima
Fe3+
Sid-Enlace-Fármaco
Sid-Enlace-Fármaco
Fe3+
Figura 4. Estrategia caballo de Troya mediada por sideróforos
Fuente: autores
ción del hierro, siendo la más común la síntesis de compuestos
orgánicos denominados sideróforos, moléculas de bajo peso
molecular y diversas estructuras químicas con elevada capacidad para formar complejos con el hierro (III). Estas moléculas
son secretadas por microorganismos bajo condiciones pobres
de hierro, como las encontradas en los tejidos infectados. Seguidamente, el complejo hierro-sideróforo es reconocido y
transportado al interior de la célula por un sistema de proteínas
ancladas en la membrana celular (véase la figura 3) [7].
Muchos microorganismos producen enzimas que, una vez ingresado el complejo hierro-sideróforo, pueden liberar el metal del
complejo, con lo que se obtiene el metal libre. De esta manera el
sideróforo puede ser secretado al medio otra vez para realizar el
proceso de captación y transporte nuevamente. Hasta la fecha
se ha reportado la existencia de alrededor de 500 sideróforos
diferentes, provenientes tanto de bacterias gram positivas como
gram negativas.
Este mecanismo de ingreso al patógeno brinda la posibilidad de
usar los sideróforos como sistemas de entrega de antibióticos
directamente en el interior del microorganismo, superando así
uno de los principales mecanismos de defensa exhibido por las
bacterias que utilizan cambios en las barreras externas y bombas activas de expulsión contra los antibióticos de uso extendido. Lo que se reporta resulta en una acción bactericida mucho
más eficiente, 100 veces más comparada con la difusión pasiva.
Esta estrategia se conoce como caballo de Troya (figura 4) [8].
Por otra parte, este sistema de recolección de hierro mediado
por sideróforos también puede ser aprovechado para definir otros
mecanismos para controlar el microorganismo. Por ejemplo, es
posible atacar la biosíntesis de estos agentes colectores de hierro
directamente, o también existe la posibilidad de privar al microor-
ganismo del hierro creando y esparciendo en el medio moléculas
que sean aún más afines al metal que los mismos sideróforos.
A lo largo de cientos de miles de años de evolución, las bacterias
han desarrollado una gran variedad de trucos relacionados con
la adquisición de nutrientes, de los cuales, por supuesto, dada
su importancia, el hierro no ha sido la excepción. Es válido mencionar, por ejemplo, que numerosas bacterias son capaces de
reconocer complejos hierro-sideróforo, incluso si el sideróforo
no ha sido producido por miembros de su propia especie. En ese
caso particular se habla de reconocimiento bacterial de exosideróforos. También se ha logrado establecer, mediante ensayos
clínicos, que algunas de las cepas bacterianas más virulentas
que se conocen son capaces de liberar el metal de las estructuras proteicas en las que el huésped normalmente lo almacena;
tienen la habilidad de secretar enzimas que destruyen las proteínas y liberan el hierro que necesitan para acelerar la infección. De la misma manera, se sabe de algunos microorganismos
—principalmente hongos y bacterias— que han sido capaces
de desarrollar métodos para eliminar a sus competidores biológicos uniendo sustancias tóxicas a sideróforos, mediante algo
muy similar a la estrategia caballo de Troya. Estas moléculas se
conocen como sideromicinas (figura 5) [9].
Iluminados por este inteligente mecanismo de control biológico
de origen natural, numerosos grupos de investigación de todo el
mundo han desarrollado programas de investigación tendientes
a demostrar que el diseño racional de conjugados sideróforo sintético-antibiótico puede ser usado como un sistema efectivo de
entrega de antibióticos en el interior de los patógenos. En este
sentido, cabe destacar reportes de obtención de diversos conjugados sideróforos sintetico-antibióticos activos contra diferentes
Pseudomonas, así como varias especies de Staphylococcos y
Streptococcos, incluidas cepas multirresistentes. Como era de
esperarse, existen reportes también de cepas resistentes a esta
estrategia. Sin embargo, los estudios muestran que las cepas
que se vuelven resistentes resultan ser menos virulentas in vivo
que las cepas sensibles, ya que merman su capacidad de asimilación de hierro, lo que las pone en desventaja de crecimiento.
En este momento se desconocen muchos procesos relacionados con el mecanismo de acción del mencionado conjugado.
Por ejemplo, no se tiene aún completamente claro si la acción
biológica se lleva a cabo por el conjugado antibiótico-sideróforo
como tal, o si es necesaria la liberación de la droga en el interior
de la bacteria para llevar a cabo la acción bactericida.
Sideromicina
Figura 5. Estructuras de las sideromicinas
Fuente: autores
R = O, NH, o, NCONH2
En nuestro caso particular, en la Universidad de los Andes, el Grupo de Investigación en Síntesis Orgánica, Bio y Organocatálisis del
Departamento de Química se encuentra trabajando en la síntesis
total de la anachelina H, una compleja molécula reconocida como
un sideróforo, aislada de la bacteria anabaena cilíndrica en el año
2001. La molécula está conformada estructuralmente por tres
unidades: policétido, alcaloide y péptido (figura 6).
Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 71
Posibles sitios
de funcionalización
NH2
HO
HO
N+
O
HO
HO
HO
HO
O
OH
O
HN
N
H
HO
HN
O
Péptido
O
OH
NH2
OH
O
O
HN
OH
OH
O
HO
O
N
H
HO
CH3
HN
HN
O
OH
HO
O
N
H
O
N+
Me2
HO
HN
HO
O
OH
HN
O
N
H
O
N+
Me2 OH OH
H
N
HO
HO
H
N
O
Alcaloide
O
CH3
HO
O
HO
Policétido
Figura 6. Estructura molecular de la anachelina H
Fuente: autores
Figura 7. Posiciones de posible funcionalización con antibióticos comerciales de la anachelina H
Fuente: autores
Al analizar detalladamente la estructura molecular de la anachelina H se encuentra una característica muy importante: es un sideróforo mixto. Esto quiere decir que puede ser reconocido por dos
diferentes grupos de proteínas de transporte en las membranas
bacterianas, ya que su grupo derivado del catecol y su grupo
derivado del acido salicílico se encuentran entre los arreglos moleculares más comunes en este tipo de productos naturales. Este
hecho, de acuerdo con varios reportes, podría constituirse en una
ventaja aún mayor para la acción terapéutica del conjugado.
molécula, en teoría, la funcionalización podría llevarse a cabo con
diferentes tipos de antibióticos, mediante diferentes tipos de enlaces químicos, lo que a la larga representa el acceso a un gran
número de antibióticos diversos que, si bien contienen el mismo
sistema transportador en el interior del microorganismo, podrían
tener diferentes blancos moleculares intracelulares, e incluso diferentes propiedades en el interior del patógeno.
En este momento, la síntesis de los fragmentos policétido y peptídico ya ha sido alcanzada y se está trabajando en la optimización
de la metodología para la obtención del fragmento alcaloide. Una
vez se logre, el paso siguiente será la unión de los respectivos
fragmentos para contar con la molécula completa, y la posterior
funcionalización de la molécula con un antibiótico comercial sería el paso final. En este sentido, revisando la literatura científica
pertinente, se plantea unir el mencionado antibiótico al fragmento
peptídico del sideróforo, ya que se puede suponer que los fragmentos policétido y alcaloide son los encargados de llevar a cabo
el proceso de acomplejamiento con el hierro, dado su constante
presencia en numerosos sideróforos ya reconocidos (figura 7).
Para finalizar, es importante resaltar que una vez sintetizada la
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En conclusión, con un alarmante incremento en el fenómeno
de resistencia a fármacos de numerosos patógenos, y con una
significativa caída en el desarrollo de nuevos antibióticos, la
necesidad de implementar estrategias novedosas para limitar
el fenómeno de resistencia microbiana es prioridad de orden
mundial. Tomar ventaja de las necesidades fisiológicas de las
bacterias y aprovechar el uso de sideróforos como métodos de
entrega intracelular de antibióticos se constituye, a su vez, en
una metodología promisoria que atrae la atención de numerosos
grupos de investigación, tanto médicos como químicos. Por supuesto, algunos aspectos relacionados, por ejemplo, el relativo
a la liberación del fármaco o el mejor blanco intracelular, deben
continuar bajo investigación, pero muy seguramente este tipo de
estrategia estará a la vanguardia de la lucha contra los patógenos multirresistentes. •
REFERENCIAS
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[6]
[7]
[8]
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Figura 8. Microorganismos patógenos multirresistentes
Fuente: https://www.flickr.com/photos/niaid/8436193898/
Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 73