4.3: Maneras en que las bacterias pueden resistir a los agentes químicos de control

Objetivos de aprendizaje

1. Nombra dos bacterias que tienen barreras de membrana de baja permeabilidad y por lo tanto son intrínsecamente resistentes a muchos antibióticos.
2. Describa brevemente 4 mecanismos diferentes como resultado de cambios genéticos en una bacteria que pueden permitir que esa bacteria resista a un antibiótico.
3. Describir los plásmidos R (Resistencia) y señalar su significación para la microbiología médica.
4. Exponga lo que significa: MRSA, VRE, CRE y XDR TB.
5. Definir la tolerancia a antibióticos.

La base del control quimioterapéutico de las bacterias es la toxicidad selectiva. Toxicidad selectiva significa que el químico que se utiliza debe inhibir o matar al patógeno pretendido sin dañar seriamente al huésped. Un agente de amplio espectro es uno generalmente efectivo contra una variedad de bacterias grampositivas y gramnegativas; un agente de espectro estrecho generalmente funciona contra solo grampositivos, gramnegativos o solo unas pocas bacterias. Dichos agentes pueden ser de acción de tipo cida o estático. Un agente cida mata al organismo mientras que un agente estático inhibe el crecimiento del organismo el tiempo suficiente para que las defensas del organismo lo eliminen. Existen dos categorías de agentes quimioterapéuticos antimicrobianos: antibióticos y drogas sintéticas. Los antibióticos son productos metabólicos de un microorganismo que inhiben o matan a otros microorganismos. Los fármacos sintéticos son medicamentos antimicrobianos sintetizados por procedimientos químicos en el laboratorio. Muchos de los antibióticos actuales son ahora en realidad semisintéticos y algunos incluso se hacen sintéticamente.

Ahora veremos los dos lados de la historia con respecto al control de bacterias por medio de químicos:

1. Formas en las que nuestros agentes de control afectan las estructuras o funciones bacterianas
2. Maneras en las que las bacterias pueden resistir a nuestros agentes de control

Ahora veremos las diversas formas en que las bacterias se vuelven resistentes a nuestros agentes de control.

Algunos patógenos oportunistas, como las especies de Pseudomonas aeruginosa, Mycobacterium tuberculosis y Enterococcus, tienen barreras de membrana de baja permeabilidad y, por lo tanto, son intrínsecamente resistentes a muchos antibióticos. Sin embargo, la mayoría de las bacterias se vuelven resistentes a los antibióticos como resultado de una mutación o transferencia genética horizontal. La mutación en el ADN bacteriano puede alterar el orden de las bases nucleotídicas en un gen y alterar ese producto génico. La transferencia horizontal de genes puede alterar o agregar genes bacterianos, alterando nuevamente los productos génicos de la bacteria. Ver función del ADN.

La mayoría de las bacterias, se vuelven resistentes a los antibióticos por medio de uno o más de los siguientes mecanismos que están codificados por genes en el cromosómero bacteriano en plásmidos:

1. Producir una enzima capaz de inactivar el antibiótico;
2. Alterar el receptor del sitio diana para que el antibiótico reduzca o bloquee su unión;
3. Prevenir la entrada del antibiótico en la bacteria y/o usar una bomba de eflujo para transportar el antibiótico fuera de la bacteria; y/o
4. Modulando la expresión génica para producir más de la enzima bacteriana que está siendo atada o alterada por el antibiótico.

Bonito resumen de casos resistentes a antibióticos y muertes asociadas; de los CDC.

Mejorando el uso de antibióticos en pacientes hospitalizados; desde CDC.

Estimaciones de Infecciones Asociadas a la Atención de Salud (ICH) 2011; de los CDC.

Cómo ser inteligente sobre los antibióticos; de los CDC.

Ahora veremos cada uno de estos mecanismos de resistencia.

Produciendo para inactivar el antibiótico

(ver Figura\(\PageIndex{1}\)).

Las bacterias pueden adquirir nuevos genes que codifican una enzima que inactiva un antibiótico o grupo de antibióticos en particular. Por ejemplo:

a. Las bacterias generalmente se vuelven resistentes a las penicilinas, monobactámicos, carbapenémicos y cefalosporinas se conocen químicamente como antibióticos beta-lactámicos (ver Figura\(\PageIndex{2}\)) y muchas bacterias se vuelven resistentes a estos antibióticos al producir diversas betalactamasas que son capaces de inactivar algunas formas de estas drogas. Las beta-lactamasas rompen el anillo beta-lactámico del antibiótico, inactivando así el fármaco. (La penicilinasa es una beta-lactamasa que inactiva ciertas penicilinas). Para superar este mecanismo de resistencia, a veces se combinan antibióticos beta-lactámicos como amoxicilina, ticarcilina, imipenem o ampicilina con inhibidores de beta-lactamasa como clavulanato, tazobactam o sulbactam (ver Antibióticos comunes), químicos que se asemejan a antibióticos betalactámicos (ver Figura\(\PageIndex{2}\)). Estos agentes se unen a las beta-lactamasas bacterianas y las neutralizan.

b. Las bacterias pueden volverse resistentes a aminoglucósidos (estreptomicina, neomicina, netilmicina, tobramicina, gentamicina, amikacina, etc.) y estreptograminas al agregar enzimáticamente nuevos grupos químicos a estos antibióticos, inactivando así el fármaco.

Animación flash que muestra una bacteria que produce una enzima capaz de destruir el antibiótico.

Versión html5 de animación para iPad mostrando una bacteria produciendo una enzima capaz de destruir el antibiótico.

Alterar el receptor del sitio diana para que el antibiótico en la bacteria reduzca o bloquee su unión.

Los antibióticos funcionan uniéndose a algún sitio diana bacteriano, como una subunidad ribosómica 50S, una subunidad ribosómica 30S o una enzima bacteriana particular como una transpeptidasas o una ADN topoisomerasa. Las bacterias pueden adquirir nuevos genes que alteren la forma molecular de la porción de la subunidad ribosómica o la enzima a la que normalmente se une el fármaco. Por ejemplo:

a. Las bacterias pueden volverse resistentes a los macrólidos (eritromicina, azitromicina, claritromicina, diritromicina, troleandomicina, etc.) al producir una subunidad ribosómica 50S ligeramente alterada que aún funciona pero a la que el antibiótico ya no puede unirse (ver Figura\(\PageIndex{3}\)).

b. Las bacterias pueden volverse resistentes a los antibióticos betalactámicos (penicilinas, monobactámicos, carbapenémicos y cefalosporinas) produciendo transpeptidasas alteradas (proteínas de unión a penicilina) con una afinidad muy reducida por la unión de antibióticos beta-lactámicos.

c. Las bacterias pueden volverse resistentes a la vancomicina al producir péptidos de reticulación alterados en el peptidoglicano al que el antibiótico ya no se une.

d. Las bacterias pueden volverse resistentes a las fluoroquinolonas (norfloxacina, lomefloxacina, fleroxacina, ciprofloxacina, enoxacina, trovafloxacina, etc.) al producir ADN girasa alterada u otras topoisomerasas a las que el fármaco ya no se une (ver Figura\(\PageIndex{4}\)).

Animación flash que muestra una bacteria que produce una subunidad ribosómica alterada a la que el antibiótico ya no se une.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria que produce una subunidad ribosómica alterada a la que el antibiótico ya no se une.

Animación flash que muestra una bacteria que produce una enzima alterada a la que el antibiótico ya no se une.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria produciendo una enzima alterada a la que el antibiótico ya no se une.

Para Más Información: Ribosomas de la Unidad 1

Para Más Información: Péptidoglicano de la Unidad 1.

Para Más Información: El Nucleoide de la Unidad 1.

Alterar las membranas y los sistemas de transporte para evitar la entrada del antibiótico en la bacteria y/o usar una bomba de eflujo para transportar el antibiótico fuera de la bacteria.

Los antibióticos que se dirigen a los ribosomas o enzimas dentro de la bacteria deben pasar primero a través de las porinas en la membrana externa de las paredes celulares bacterianas gramnegativas y ácido-resistentes, y luego la membrana citoplásmica en el caso de todas las bacterias. Posteriormente, el antibiótico tiene que acumularse a una concentración lo suficientemente alta dentro de la bacteria como para inhibir o matar al organismo.

a. Una bacteria Gram-negativa o acidorresistente puede bloquear la entrada de un fármaco antimicrobiano adquiriendo genes que alteran las porinas en la membrana externa de la pared celular (ver Figura\(\PageIndex{5}\)).

b. Una bacteria puede bloquear la entrada de un fármaco antimicrobiano mediante la adquisición de genes que alteran las proteínas portadoras (de transporte) utilizadas para transportar el fármaco a través de la membrana citoplasmática de la bacteria (ver Figura\(\PageIndex{6}\)). Por lo general, este no es un mecanismo común de resistencia a los antibióticos.

c. Una bacteria puede adquirir genes que codifican una bomba de eflujo impulsada por energía en su membrana citoplásmica que es capaz de bombear el antibiótico fuera de la bacteria y evitar que se acumule a una concentración lo suficientemente alta como para inhibir o matar al organismo (ver Figura\(\PageIndex{7}\)). Este es el método más común que usan las bacterias para evitar que los niveles tóxicos de los medicamentos antimicrobianos se acumulen dentro del citoplasma.

Animación flash que muestra una bacteria que produce porinas alteradas para bloquear el transporte del fármaco a través de la membrana externa.

Animación flash que muestra una bacteria que produce una proteína portadora alterada para bloquear el transporte del fármaco a través de la membrana citoplásmica.

Animación flash que muestra una bacteria que produce una nueva proteína transportadora capaz de bombear el fármaco fuera de la bacteria.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria produciendo porinas alteradas para bloquear el transporte del fármaco a través de la membrana externa.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria produciendo una proteína portadora alterada para bloquear el transporte del fármaco a través de la membrana citoplásmica.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria productora de nueva proteína transportadora capaz de bombear el fármaco fuera de la bacteria.

Para Más Información: La Membrana Citoplásmica de la Unidad 1.

Modulando la expresión génica para producir más de la enzima bacteriana que está siendo atada o alterada por el antibiótico.

Recuerde que las enzimas funcionan como catalizadores y están presentes en las células en pequeñas cantidades debido a que no se alteran ya que llevan a cabo sus reacciones bioquímicas específicas. Como se mencionó en el apartado anterior, numerosos medicamentos antimicrobianos actúan inactivando las enzimas bacterianas y bloqueando las reacciones metabólicas. Hacer una enzima en particular y la cantidad de enzima que se elabora está bajo control genético.

El control genético de la actividad enzimática se refiere al control de la transcripción del ARNm necesario para la síntesis de una enzima. En las células procariotas, esto implica la inducción o represión de la síntesis enzimática por proteínas reguladoras que pueden unirse al ADN y bloquear o potenciar la función de la ARN polimerasa, la enzima requerida para la transcripción.

Las bacterias también utilizan el control traslacional de la síntesis enzimática. En este caso, las bacterias producen ARN no codificantes (ncRNAs) o ARNs antisentido tales como microARN (miRNAs) que son complementarios a una porción temprana del ARNm que codifica la enzima. Cuando el ARN no codificante se une al ARNm por apareamiento de bases complementarias, los ribosomas no pueden unirse, el ARNm no se puede traducir en proteína y la enzima no se elabora (Ver Figura\(\PageIndex{8}\)).

Para Más Información: Regulación de Enzimas de la Unidad 2.

Las mutaciones o la transferencia horizontal de genes pueden resultar en una modulación de la expresión génica o eventos traduccionales que favorecen una mayor producción de la enzima que está ligada o alterada por el agente antimicrobiano (ver Figura\(\PageIndex{9}\)). Dado que las enzimas se producen normalmente en cantidades limitadas, la producción de cantidades excesivas de enzima puede permitir que aún se produzca la actividad metabólica que está siendo bloqueada por el agente.

Animación flash que muestra antagonismo competitivo.

Versión html5 de animación para iPad mostrando antagonismo de competencia.

Animación flash que muestra una bacteria que produce más de una enzima limitada.

Versión html5 de animación para iPad que muestra una bacteria produciendo más de una enzima limitada.

Animación GIF que muestra ARN antisentido.

Muchas bacterias patógenas, así como flora normal, forman comunidades bacterianas complejas como biopelículas.

Las bacterias en las biopelículas a menudo son capaces de comunicarse entre sí mediante un proceso llamado detección de quórum y son capaces de interactuar y adaptarse a su entorno como una población de bacterias en lugar de como bacterias individuales. Al vivir como una comunidad de bacterias como biopelícula, estas bacterias son:

• mejor capaz de resistir el ataque de antibióticos, y
• son más capaces de resistir el sistema inmune del huésped.

Por qué las bacterias dentro de una biopelícula son más resistentes a los antibióticos no se entiende completamente pero se han prepuesto diversos mecanismos. El polisacárido extracelular puede dificultar que el antibiótico llegue a todas las bacterias. Las bacterias dentro de una biopelícula generalmente se encuentran en un estado metabólicamente más inerte y esto podría ralentizar la acción antibacteriana del fármaco. Muchos antibióticos son estáticos, no de acción cida; el cuerpo depende de los fagocitos para eliminar las bacterias inhibidas. La estructura de la biopelícula hace que el engullido por los fagocitos sea prácticamente imposible.

La exposición a antibióticos no “causa” que las bacterias se vuelvan resistentes a los medicamentos. Los cambios anteriores en la bacteria que le permiten resistir al antibiótico ocurren de forma natural como resultado de una mutación o como resultado de la transferencia génica horizontal. Por ejemplo, cuando están bajo estrés por antibióticos, algunas bacterias encienden genes cuyos productos proteicos pueden aumentar la tasa de mutación dentro de la bacteria 10,000 veces más rápido que la tasa de mutación que ocurre durante la fisión binaria normal. Esto provoca una especie de hiperevolución donde la mutación actúa como un mecanismo de autodefensa para la población bacteriana al aumentar la probabilidad de formar un mutante resistente a antibióticos que es capaz de sobrevivir a expensas de la mayoría de la población. (Recuerda que la mayoría de las mutaciones son dañinas para una célula.)

Para Más Información: Mutación de la Unidad 7.

Además, la transferencia horizontal de genes como resultado de la transformación, transducción y conjugación puede transferir la resistencia a los antibióticos de una bacteria a otra. La transferencia horizontal de genes permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente que la mutación al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.

Para Más Información: Transferencia Génica Horizontal de la Unidad 2

Mapa conceptual de Formas en las que las bacterias resisten a antibióticos y agentes químicos

Preguntas de Think-Pair-Share

1. Describir brevemente 3 mecanismos diferentes, como resultado de la mutación o transferencia horizontal de genes en una bacteria, que pueden permitir que esa bacteria resista a un antibiótico
2. Indicar al menos 4 peligros médicos asociados con el uso indebido de antibióticos y enumerar 3 ejemplos comunes de uso indebido de antibióticos.

La exposición al antibiótico normalmente selecciona cepas del organismo que se han vuelto resistentes a través de estos procesos naturales. El mal uso de los antibióticos, como prescribirlos para infecciones no bacterianas (resfriados, influenza, la mayoría de las infecciones respiratorias altas, etc.) o prescribir el antibiótico “más nuevo” en el mercado cuando las marcas más antiguas aún pueden ser tan efectivas simplemente incaasa la velocidad a la que ocurre esta selección natural de resistencia. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, hasta un tercio (50 millones de 150 millones) de las recetas de antibióticos que se dan de forma ambulatoria son innecesarias. El incumplimiento del paciente con la terapia antimicrobiana, es decir, no tomar la cantidad prescrita del antibiótico en los intervalos adecuados durante el período de tiempo apropiado, también juega un papel en la selección de cepas resistentes de bacterias.

La propagación de la resistencia antibiótica en bacterias patógenas se debe tanto a la selección directa como a la selección indirecta.

• La selección directa se refiere a la selección de patógenos resistentes a antibióticos en el sitio de infección.
• La selección indirecta es la selección de floras normales resistentes a antibióticos dentro de un individuo cada vez que se administra un antibiótico. En una fecha posterior, esta flora normal resistente puede transferir genes de resistencia a los patógenos que ingresan al cuerpo. Además, estas resistentes flora normales pueden transmitirse de persona a persona a través de medios tales como la vía fecal-oral o a través de secreciones respiratorias.

Como ejemplo, muchas bacterias Gram-negativas poseen plásmidos R (Resistencia) que tienen genes que codifican múltiples resistencias antibióticas a través de los mecanismos señalados anteriormente, así como genes de transferencia que codifican para un pilus de conjugación (sexo) (ver Figs. 10A-10F). Es posible que los plásmidos R acumulen transposones para aumentar la resistencia bacteriana. Dicho organismo puede conjugar con otras bacterias y transferirles un plásmido R. E. coli, Proteus, Serratia, Enterobacter, Salmonella, Shigella y Pseudomonas son bacterias que frecuentemente tienen plásmidos del factor R.

Animación flash que ilustra la conjugación del plásmido R.

Versión html5 de animación para iPad que ilustra la conjugación del plásmido R.

Además de los plásmidos, los transposones conjugativos también transmiten frecuentemente resistencia antibiótica de una bacteria a otra. Los transposones conjugativos, como los plásmidos conjugativos, portan los genes que permiten formar pares de apareamiento para la conjugación. Por lo tanto, los transposones conjugativos también permiten transferir plásmidos movilizables y transposones no conjugativos a una bacteria receptora durante la conjugación.

Para Más Información: Transferencia Génica Horizontal de la Unidad 2

Ejemplos de Bacterias Antibilóticas Resistentes

Ejemplos de cepas resistentes de bacterias de importancia médica cada vez mayor incluyen:

• Neisseria gonorrhoeae productora de penicilinasa (PPNG): La mayoría de las cepas de Neisseria gonorrhoeae tienen plásmidos de penicilinasa y se conocen como PPNG (Neisseria gonorrhoeae productora de penicilinasa). En consecuencia, la penicilina ya no es el medicamento de elección para la gonorrea.
• Enterobacteriaceae resistentes a carbapenémicos (CRE): Más recientemente, las cepas de Klebsiella pneumoniae (KPC) productoras de carbapenemasas (KPC) se identifican con frecuencia entre los patógenos nosocomiales a nivel mundial. La carbapenemasa es una enzima beta-lactamasa de amplio espectro que se encuentra por primera vez en aislados de K. pneumoniae que da como resultado resistencia a todas las penicilinas, cefalosporinas, carbapenémicos (es decir, imipenem, ertapenem, metropenem) y monobactámicos (es decir, aztreonam). Estas beta-lactamasas de amplio espectro también se conocen como betalactamasas de espectro extendido o ESBLs. Estas BLEE se están viendo ahora en una variedad Enterobacteriaceae incluyendo Enterobacter spp., E. coli, Serratia spp., y Salmonella enterica. Estas Enterobacteriaceae productoras de ESB se conocen como Enterobacteriaceae resistentes a carbapenémicos, o CRE.
• Staphylococcus aureus resistente a meticilina (MRSA): La resistencia de Staphylococcus aureus a la meticilina confiere resistencia a todas las penicilinas y cefalosporinas.
• Enterococcus resistente a la vancomicina (VRE): Los Enterococcus resistentes a la vancomicina (VRE) son intrínsecamente resistentes a la mayoría de los antibióticos y han adquirido resistencia al fármaco de primera línea de elección, la vancomicina.
• TB XDR: Tuberculosis extensamente resistente a los medicamentos (XDR TB), un tipo relativamente raro de Mycobacterium tuberculosis multirresistente que es resistente a casi todos los medicamentos utilizados para tratar la TB, incluyendo los dos mejores medicamentos de primera línea: isoniazida y rifampicina. La TB XDR también es resistente a los mejores medicamentos de segunda línea: fluoroquinolonas y al menos uno de los tres medicamentos inyectables, es decir, amikacina, kanamicina o capreomicina.

Persistentes latentes: Otro mecanismo que protege algunas bacterias de los antibióticos es la tolerancia a los antibióticos. En el caso de la tolerancia a antibióticos, la bacteria tolerante no se mata sino que simplemente deja de crecer cuando el antibiótico está presente. Entonces es capaz de recuperarse una vez que el antibiótico ya no está en el huésped. Por ejemplo, Streptococcus pneumoniae tolerante a la vancomicina parece reprimir sus autolisinas en presencia del fármaco y no se someten a lisis osmótica. La tolerancia a los antibióticos es especialmente significativa en términos de bacterias que forman biopelículas asociadas con catéteres, válvulas cardíacas, dispositivos ortopédicos y personas con fibrosis quística. Estas biopelículas suelen contener un pequeño porcentaje de persistentes latentes que, por no estar dividiendo, toleran los antibióticos.

Se encontró que las bacterias producen simultáneamente toxinas que inhiben su propio crecimiento y antitoxinas que se unen a la toxina y provocan su neutralización. Un pequeño número de bacterias en la población, sin embargo, se vuelven persistentes debido a que producen niveles más bajos de antitoxina o la antitoxina se degrada por el estrés. Como resultado, la toxina libre detiene el crecimiento bacteriano permitiendo un estado persistente que es capaz de sobrevivir a factores estresantes como los antibióticos y el hambre.

Bacterias como E. coli, Proteus, Enterobacter, Serratia, Pseudomonas, Staphylococcus aureus y Enterococcus mencionadas anteriormente, son la principal causa de infecciones asociadas a la atención de la salud. Según el sitio web de la infección asociada a la atención médica de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC), “solo en los hospitales estadounidenses, las infecciones asociadas a la atención médica representan aproximadamente 1.7 millones de infecciones y 99.000 muertes asociadas cada año” en Estados Unidos. Los CDC también estiman que “más de dos millones de personas en Estados Unidos contraen infecciones que son resistentes a los antibióticos y como consecuencia mueren al menos 23 mil personas”.

Finalmente, las endosporas bacterianas, como las producidas por Bacillus y Clostridium, también son resistentes a los antibióticos, la mayoría de los desinfectantes, y a los agentes físicos como la ebullición y el secado. Aunque ellos mismos son inofensivos, están involucrados en la transmisión de algunas enfermedades a los humanos. Los ejemplos incluyen ántrax (Bacillus anthracis), tétanos (Clostridium tetani), botulismo (Clostridium botulinum), gangrena gaseosa (Clostridium perfringens) y colitis pseudomembranosa (Clostridium difficile).

Resumen

1. La mayoría de las bacterias se vuelven resistentes a los antibióticos por medio de uno o más mecanismos que están codificados por genes en el cromosoma bacteriano y/o en plásmidos bacterianos.
2. Los genes bacterianos pueden codificar la producción de una enzima que inactiva el antibiótico.
3. Los genes bacterianos pueden codificar un receptor de sitio diana alterado (subunidad ribosómica, enzima, etc.) para que el antibiótico reduzca o bloquee su unión.
4. Los genes bacterianos pueden codificar componentes alterados de membrana que impiden la entrada del antibiótico en la bacteria y/o usar una bomba de eflujo para transportar el antibiótico fuera de la bacteria.
5. Los genes bacterianos pueden codificar la expresión génica modulada para producir más de la enzima bacteriana que está siendo atada o alterada por el antibiótico.
6. Cuando están bajo estrés por antibióticos, algunas bacterias encienden genes cuyos productos proteicos pueden aumentar la tasa de mutación dentro de la bacteria provocando una hiperevolución para aumentar la probabilidad de formar un mutante resistente a los antibióticos que es capaz de sobrevivir.
7. La transferencia horizontal de genes como resultado de la transformación, transducción y conjugación puede transferir la resistencia a los antibióticos de una bacteria a otra. La transferencia horizontal de genes permite que las bacterias respondan y se adapten a su entorno mucho más rápidamente que la mutación al adquirir grandes secuencias de ADN de otra bacteria en una sola transferencia.
8. Otro mecanismo que protege a algunas bacterias de los antibióticos es la tolerancia a los antibióticos mediante la cual la bacteria tolerante, llamada persistente latente, no se mata sino que simplemente deja de crecer cuando el antibiótico está presente.
9. Los CDC estiman que “más de dos millones de personas en Estados Unidos contraen infecciones que son resistentes a los antibióticos y al menos 23 mil personas mueren como resultado”.