Problemas en el desarrollo de antimicrobianos: emergencia de mecanismos de resistencia ARTÍCULO

ARTÍCULO
Problemas en el desarrollo de
antimicrobianos: emergencia de
mecanismos de resistencia
Mónica B. Wachsman y María C.Degrossi (FCEN - UB)
La introducción de las sulfonamidas y la penicilina abrió una nueva era en la medicina clínica y propició una ola de
optimismo en la lucha contra las enfermedades infecciosas. Sin embargo, muy pronto se comprendió que aún cuando habían
contenido epidemias devastadora, las enfermedades causadas por microorganismos continuaban siendo un grave problema.
Los antimicrobianos ejercen fuertes presiones selectivas sobre las poblaciones microbianas y favorecen a aquellos
microorganismos
que
son
capaces
de
resistirlas.
La resistencia puede ser natural o adquirida.


Natural: Cuando todos los integrantes de una determinada especie son resistentes.
Adquirida: Cuando afecta a algunos integrantes de una especie pero no a la totalidad.
La resistencia adquirida puede ser, a su vez, cromosómica o extracromosómica. La resistencia cromosómica se
origina por mutación espontánea, llevando a un cambio genético estable. La frecuencia de mutación se calcula
1/1.000.000 a 1/10.000.000 de divisiones celulares. En la primera etapa aparecen pocas bacterias resistentes pero a
medida que el antibiótico selecciona los microorganismos se desarrollan células resistentes hasta transformarse en un
cultivo antibiótico-resistente. Por otro lado, la resistencia extracromosómica se produce por incorporación del material
genético por fuera del cromosoma bacteriano. Se llama también mediada por plásmidos o transposones.
Los transposones son segmentos de DNA que poseen la capacidad de separase de un genoma e insertarse en otro,
pueden trasladarse desde una zona del cromosoma bacteriano o entre el cromosoma y el plásmido o el DNA de un
bacteriófago,
o
de
un
plámido
a
otro
o
de
un
plásmido
a
un
bacteriófago.
La expresión de la resistencia puede ser constitutiva, inducible o constitutiva-inducible.



Constitutiva: Cuando se produce con o sin exposición al estímulo.
Inducible: Cuando se produce sólo después de la exposición al estímulo.
Constitutiva-inducible: Cuando se produce a bajos niveles sin estímulo y la producción está muy aumentada
después de la estimulación.
Resistencia mediada por intercambio genético
Los plásmidos constituyen una forma muy eficiente y poderosa para la diseminación y reordenamiento de la
información genética. Por ej: los plásmidos R de Pseudomonas aeruginasa, pueden ser transmitidos a ciertas bacterias del
suelo que son fotosintéticas o a bacterias del género Neisseria.
La exposición ambiental de la flora del intestino normal a los antibióticos
microorganismos que transportan plásmidos R. Cuando las personas con este
infectan con cepas patógenas, los saprófitos resistentes a las drogas pueden
patógeno sensible, el que entonces puede si se emplean antibióticos en el
completo a los microorganismos inicialmente sensibles a la droga (Figura 1).
favorecen el desarrollo de
tipo de microorganismos se
trasmitir los plásmidos R al
tratamiento reemplazar por
Figura 1: Aparición, incremento y diseminación de la resistencia bacteriana
Mecanismos bioquímicos de las resistencias a las drogas
Entre los mecanismos bioquímicos por los cuales los microorganismos resisten el efecto inhibitorio antimicrobiano se
encuentran:
1.
2.
3.
4.
5.
La disminución de la permeabilidad del microorganismo a la droga.
La inactivación del inhibidor por enzimas producidas por el microorganismo resistente.
La modificación de las propiedades del sitio receptor de la droga.
El aumento de la síntesis de un metabolito que es antagónico para la droga.
Resistencia múltiple a antibióticos y eflujo
1- Disminución de la permeabilidad celular
La disminución de la permeabilidad celular se puede deber a:



Cambios en receptores específicos para la droga.
Pérdida de la capacidad de transporte activo a través de la membrana celular.
Alteraciones estructurales en uno o más componentes de la envoltura de la célula que influyen en la permeabilidad
de manera inespecífica.
La membrana externa de las bacterias G- que contiene lípidos proporciona una barrera efectiva contra la entrada de
muchos antibióticos dentro de la célula. La penetración de compuestos hidrófilos se produce por canales porina llenos de
agua que discriminan por las propiedades fisicoquímicas del soluto (ej: tamaño de la molécula, hidrofobicidad, carga
eléctrica).
Las moléculas cargadas negativamente se mueven más lentamente a través de la membrana externa que las moléculas
cargadas positivamente o sustancias anfóteras. El ambiente acuoso de las porinas excluye compuestos hidrofóbicos como
la meticilina, por eso es inactivo contra G-, en cambio el imipenem, es anfotérico e hidrofílico, es el b-lactámico que
atraviesa mejor la membrana externa de los G-.(Figura 2).
El mecanismo de tamizaje restrictivo de la membrana externa proporciona una resistencia intrínseca para la vancomicina
(glicopéptido que inhibe la síntesis del péptido glicano) y la bacitracina (polipéptido con mecanismo semejante a la
vancomicina), porque impide su ingreso, por lo que limita el espectro de acción de estos 2 antibióticos sólo para G+.
Cuando se produce una alteración de la porina de la membrana externa, se generan, en ocasiones, cambios en la
permeabilidad de la membrana externa que son las responsables de la resistencia a muchos agentes b-lactámicos nuevos.
La disminución de la permeabilidad es el mecanismo más frecuente de resistencia a las tetraciclinas, antibióticos que
inhiben la síntesis de proteínas por unión a la subunidad 30 S del ribosomas. Cabe resaltar que el mecanismo de
impermeabilidad es específico de cada droga, ya que la pérdida de sensibilidad a un antibiótico determinado no implica
necesariamente la resistencia a otro.
2- Inactivación enzimática de la droga
Este tipo de resistencia constituye el mecanismo primario de resistencia de la penicilina, del cloranfenicol
(bacteriostático que inhibe subunidad 50S del ribosoma) y de los aminoglucósidos (estreptomicina, kanamicina,
gentamicina, amikacina, se unen irreversiblemente a la subunidad 30S del ribosoma). Las enzimas que inactivan de forma
específica estos agentes estan en bacterias que transportan factores R y otros plásmidos.
Inactivación de antibióticos b-lactámicos
Las enzimas más importantes que atacan a los b-lactámicos son las b-lactamasas que rompen el anillo b-lactámico entre
el C-N.(Figura 3)
La naturaleza no ha creado a las b-lactamasas solamente para crearle un dolor de cabeza a los farmacéuticos y a los
médicos, sino que se ha demostrado que las b-lactamasas reestructuran al péptido glicano durante el crecimiento celular.
En general se inducen en presencia de antibióticos b-lactámicos y precursores de pared.
En las Gram positivas (Figura 3) la producción de las b-lactamasas se ve aumentada después de la exposición del
microorganismo al antibiótico, se forman en la membrana celular y son secretadas al extracelular.
Figura 3: Mecanismo de resistencia de algunas bacterias Gram positivas, mediante la síntesis de ß- lactamasas
En el laboratorio es posible matar al microorganismo antes que produzca la b-lactamasa si se expone a altas
concentraciones de antibiótico dando una idea falsa de susceptibilidad del microorganismo; también se puede matar un
número bajo in vivo (por ej: Staphylococcus aureus) antes de que el microorganismo produzca la b-lactamasa. Además en
el extracelular estas b-lactamasas pueden proteger a otras bacterias no productoras de b-lactamasas como los
estreptococos que en general son sensibles a la penicilina. O sea que no sólo se protege a si mismo sino también a sus
amigos y parientes.
Las Gram negativas (Figura 2) son menos sensibles que las Gram positivas a los antibióticos b-lactámicos por la compleja
envoltura celular de estos microorganismos. En generall producen b-lactamasas que tienen un amplio espectro de
actividad contra penicilinas y cefalosporinas.
Inhibidores de las beta-lactamasas
Se han desarrollado varios compuestos b-lactámicos que actúan como inhibidores de las b-lactamasas. Sus características
son:






Estructura similar a los antibióticos b-lactámicos
No tienen actividad antibiótica o es muy baja.
Alta afinidad por las b-lactamasas.
Inhiben b-lactamasas plamídicas pero no cromosómicas.
Se usan asociados a los antibióticos b-lactámicos. Actúan en forma sinérgica tanto contra Gram + como Gram -.
Atraviesan con facilidad los canales porina de las G-
Los más usados son: ácido clavulánico (oxapenam), sulbactam (sulfona del ácido penicilánico) y tazobactam (sulfona del
ácido clavulánico) (Figura 4). Las asociaciones más usadas son: ampicilina:sulbactam 2:1, amoxicilina: ácido clavulánico
2:1 y piperacilina:tazobactam 7:1.
Figura 4: Estructura química del ácido clavulánico
¿Cómo vencer la barrera de la membrana externa en Gram negativas?
El mayor esfuerzo se ha hecho con los antibióticos b-lactámicos, mediante:



Coadministración de un inhibidor de b-lactamasas
Utilización de permeabilizadores de la membrana externa (EDTA o polimixina B).
En la actualidad se prefiere péptidos catiónicos antimicrobianos que actúan en forma sinérgica con los antibióticos
contra Gram -.
Inactiavación del cloranfenicol
En las Gram + y Gram - la resistencia está mediada por plásmidos que codifican por una enzima la cloranfenicol-acetiltransferasa que inactiva la droga. En Gram - es constitutiva y en Gram + se puede inducir. La enzima es intracellular.
(Figura 5)
Figura 5: Acción de la cloranfenicol- acetil- transferasa
Inactivación de los aminoglucósidos
La resistencia de los Gram - a los aminoglucósidos se debe a la producción de enzimas que modifican en forma específica
a los antibióticos de modo que no puedan tener acceso a la célula. Los genes que codifican por enzimas que modifican
aminoglucósidos
se
encuentran
en
plásmidos
R
y
en
transposones.
Estas enzimas inactivan la droga por: acetilación, fosforilación o adenilación. Son producidas en forma constitutiva y
en encuentran en el espacio periplásmico.
Un antibiótico puede ser inactivado por más de una enzima o mecanismo. El efecto primario de la modificación enzimática
de antibiótico consiste en interferir en el transporte del antibiótico a la célula. El compuesto modificado es incapaz de
inducir el sistema de transporte necesario para ingresar.
Cierto número de derivados semisintéticos han sido introducidos con el fin de encontrar agentes resistentes a las enzimas
que modifican a los aminoglucósidos. La amicacina, es resistente a todas las enzimas o sea que su espectro es más amplio
que el de la canamicina, gentamicina y tobramicina.
3- Modificación del sitio receptor de la droga Resistencia a la penicilina
El ejemplo más claro de un sitio blanco alterado es el que se observa en S. aureus resistente a meticilina. En todos los
casos aislados hasta la fecha la resistencia se debe a la producción de una nueva proteína de unión PBP-2ª o PBP-2´ de
PM 78.000 y baja afinidad por la meticilina.
Resistencia a la estreptomicina
La estreptomicina se une a un sitio específico del ribosoma 30S inhibiendo la síntesis proteica, cualquier alteración en el
ribosoma que suprima ese sitio produce resistencia a la estreptomicina. En general la mutación consiste en el reemplazo
de un aminoácido en la proteína S12 del ribosoma 30S y está codidicada por el gen str A. Este mecanismo de resistencia
tiene una importancia clínica menor que la inactivación enzimática mediada por plásmidos.
Resistencia a la eritromicina
La eritromicina es el más importante de los antibióticos macrólidos. El sitio blanco es el ribosoma 50S. La resistencia se
asocia con una subunidad 50S alterada, en general la alteración ocurre en una proteína y se traduce in una reducción de
la afinidad de los ribosmas por la eritromicina. La resistencia puede ser cromosómica (mutación) o mediada por plásmidos.
Resistencia a la rifampicina
La rifampicina es la droga principal para el tratamiento de la tuberculosis y la lepra y para la profilaxis de la meningitis
meningocóccica. Inhibe la síntesis de proteínas por inhibición de la RNA-polimerasa DNA dependiente, se une a la
subunidad b. Las mutantes resistentes tienen una subunidad b alterada de la RNA polimerasa. Es el resultado de una
mutación cromosómica.
Resistencia a las quinolonas
La resistencia a las quinolonas se produce por mutaciones en la DNA-girasa que es el sitio blanco de la droga.
4- Síntesis de vías alternativas
Resistencia de la sulfonamida
La resistencia a las sulfonamidas puede ser por mutación o mediada por plásmidos y puede implicar más de un
mecanismo.
En los aislamientos clínicos lo más común es la producción mediada por plásmidos de una enzima dihidropteoratosintetasa que es 1000 veces menos sensible a la droga que la salvaje.
La síntesis de una enzima de reemplazo codifcada por plásmidos y que es selectivamente refractaria a los agentes
antimicrobianos, proporciona un mecanismo para eludir la reacción bloqueada.
Los investigadores han tratado de usar sus conocimientos sobre el modo de acción de los antibióticos para tratar de
construir combinaciones sinérgicas que puedan vencer a los mecanismos de resistencia de los microorganismos. Por
ejemplo:



sulfametaxol-trimetoprima
antibiótico b-lactámico-inhibidor de b-lactamasas
aminoglucósido-antibiótico b-lactámico
Resistencia múltiple a antibióticos y eflujo
La resistencia múltiple a antibióticos se pensó que se debía exclusivamente a la combinación de varios genes de
resistencia,
cada
uno
codificando
para
la
resistencia
a
una
única
droga.
Más recientemente se esclareció que estos fenotipos se obtenían por la actividad de bombas de eflujo de drogas. Algunas
de estas bombas, exhiben una amplia especificidad y cubren prácticamente todos los antibióticos, agentes
quimioterápicos, detergentes, colorantes y otros inhibidores. Estas bombas de eflujo trabajan con excepcional eficacia en
bacterias Gram negativas por su acción sinérgica con la barrera de la membrana externa. La resistencia a las tetraciclinas
se produce por estas bombas.
Algunas bombas de eflujo en Gram negativas y todas las bombas de eflujo de multidrogas en Gram positivas excretan
drogas a través de la membrana citoplasmática y estan compuestas por proteínas transportadoras localizadas en la
membrana citoplasmática. Estas bombas son bastante poco eficientes ya que tienen que competir con la entrada rápida y
espontanea de inhibidores al citoplasma, por lo que se necesita una velocidad de recambio alta (turnover) para producir
niveles significativos de resistencia.
Otras bombas de eflujo de multidrogas, características en Gram negativas, tienen una estructura más compleja y
atraviesan tanto la membrana citoplamática como la externa, utilizando tres componentes proteicos. Esta unidad compleja
puede mandar drogas para afuera evitando la barrera de la membrana externa. Esta es la causa de la resistencia
intrínseca bien conocida para bacterias G- no sólo a antibióticos, sino también a colorantes y detergentes.
En la Figura 6 se presenta un resumen de los mecanismos mencionados.
Mi resistencia, tu resistencia
El uso de antimicrobianos debe responder a la prescripción médica y nunca debe ser exagerado ya que los
antibióticos afectan una variedad de bacterias resistentes y no resistentes, tanto en el individua a ser tratado
como en el ambiente. Los investigadores han demostrado que cuando un miembro de una familia es tratado
crónicamente con antibióticos, por ejemplo para el tratamiento del acné, la concentración de bacterias en la
piel de otros miembros de la familia, aumenta ya que se seleccionó la población resistente.
De la misma manera, el uso indiscriminado de antibióticos en hospitales, geriátricos, guarderías, granjas (por
aplicación en animales) aumenta los niveles de resistencia en las personas y otros organismos que no fueron
tratados.
No ocurre lo mismo con las drogas anticáncer que sólo afectan a los individuos sometidos al tratamiento
quimioterápico.
Por otro lado, la utilización de antibióticos en agricultura, bajo la forma de aerosoles, como estrategia de
prevención de infecciones bacterianos, o en ganadería para promover el crecimiento del ganado puede
generar poblaciones resistentes que luego llegan al hombre por la cadena alimenticia. También se han
registrado casos de alergias por la presencia de residuos de penilicina en productos lácteos.
Bibliografía
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3.
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