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Revista: Evolución de la resistencia a antibióticos y su impacto


El diseño de nuevas estrategias terapéuticas frente a las infecciones bacterianas requiere de una mayor comprensión de la evolución de la resistencia a los antibióticos

  • Sara Hernando-Amado

  • Centro Nacional de Biotecnología. CSIC. Madrid, España.

  • Pablo Laborda

  • Centro Nacional de Biotecnología. CSIC. Madrid, España.

La resistencia a los antibióticos es uno de los problemas de salud pública más relevantes que nos afectan actualmente, siendo su origen la propia evolución bacteriana. La evolución, en términos generales, se considera un proceso impredecible, sujeto a estocasticidad. Sin embargo, diferentes estudios basados en Evolución Adaptativa en Laboratorio o evolución experimental, así como en modelos matemáticos, han demostrado que, en el caso particular de las bacterias, es posible observar evolución paralela (selección de las mismas variaciones genéticas) en presencia de una misma presión selectiva. Esto es así dado que el número y tipo de trayectorias evolutivas diferentes que pueden seguir las poblaciones bacterianas sometidas a la misma presión selectiva es limitado, presentando un cierto grado de predictibilidad, algo muy interesante si queremos aplicar en clínica el conocimiento evolutivo. Esta limitación del número y tipo de trayectorias evolutivas de adquisición de resistencia a los antibióticos resulta de la existencia de ciertos factores que restringen la evolución bacteriana, como son el nivel de resistencia o el coste fisiológico asociado a cada mutación. Sin embargo, ambos pueden variar dependiendo del contexto genético en el que dicha mutación de resistencia es adquirida. Esto hace que el efecto del contexto genético sea un factor clave a estudiar si queremos predecir la evolución de la resistencia, aunque la mayoría de estudios predictivos se han realizado haciendo uso de una única cepa modelo. 

 

Los estudios de evolución experimental realizados en un único contexto genético en presencia de una misma droga no tienen por qué ser extrapolables a otros contextos genéticos, dado que la fisiología bacteriana basal -que puede variar en diferentes mutantes pre-existentespuede afectar al efecto de cada mutación concreta. La razón es que la epistasia y la pleiotropía varían los costes fisiológicos asociados con la adquisición de resistencia, restringiendo así las mutaciones que podrían seleccionarse en cada contexto genético particular. Para muestra un botón: la pérdida de función de un único gen en Pseudomonas aeruginosa, que codifica un regulador de la respuesta de Quorum Sensing y cuya inactivación se produce con frecuencia durante sus infecciones en pacientes con fibrosis quística, modifica a nivel fenotípico (p.e. nivel de resistencia) y genético (p.e variaciones genéticas adquiridas) la evolución de la resistencia en esta bacteria. Y no sólo eso, modifica también trade-offs evolutivos asociados a la resistencia, como la sensibilidad colateral (aumento de sensibilidad a una droga asociada con el incremento de resistencia a otra distinta). La identificación de patrones de sensibilidad colateral conservados se complica aún más con la acumulación sucesiva de mutaciones de resistencia, dado que el tipo y el orden en que se adquieren éstas introduce restricciones históricas que derivan en una reducción de la variedad de trayectorias evolutivas que puede seguir cada contexto genético en presencia de una droga dada. Esto sugiere que el diseño de estrategias terapéuticas basadas en la evolución requiere de la identificación de patrones evolutivos robustos.

 

IDENTIFICACIÓN DE PATRONES DE SENSIBILIDAD COLATERAL ROBUSTOS: ESTRATEGIAS TERAPÉUTICAS CONSERVATIVAS

Multitud de estudios han tratado de comprender y caracterizar mejor ciertos patrones de sensibilidad colateral con la idea de combinar o alternar pares de drogas para tratar las infecciones desde un punto de vista conservador, haciendo uso de los antibióticos disponibles. Sin embargo, la evolución experimental de varias réplicas poblacionales de una cepa modelo en presencia del mismo antibiótico frecuentemente resulta en la adquisición de diferentes patrones de sensibilidad colateral, debido a la adquisición de diferentes mutaciones de resistencia, aunque casos de evolución paralela se han descrito. Más aún, los patrones de sensibilidad colateral que emergen, en presencia de una misma droga y en diferentes contextos genéticos bacterianos, raramente se conservan (Figura 1, “expuesto a tobramicina”).

 

 

Esta falta de conservación de la sensibilidad colateral dificulta el aprovechamiento clínico de éste trade-off evolutivo, con excepción de aquellas situaciones donde un mismo patrón de sensibilidad emerge independientemente del contexto genético de partida (Figura 1, “expuesto a ciprofloxacino”). Esto es así dado que las infecciones bacterianas son frecuentemente heterogéneas, conteniendo mutantes ya resistentes a diferentes antibióticos como resultado de tratamientos previos. Esto es, las infecciones pueden contener una mezcla variada de diferentes contextos genéticos, resultando en la emergencia de diferentes fenotipos (asociados a diferentes mutaciones de resistencia) cuando se trata un paciente con un mismo fármaco. En esta línea, en diferentes trabajos, hemos abordado esta cuestión, identificando patrones robustos de sensibilidad colateral asociados al uso de antibióticos comúnmente utilizados en clínica (Figura 2).

 

 

En particular, el análisis de diferentes mutantes resistentes de P. aeruginosa derivados de la cepa PA14 nos permitió identificar patrones robustos de sensibilidad colateral asociados con el uso de ceftazidima y ciprofloxacino. En el primer caso, este fenotipo resultó de evolución paralela, donde un mismo evento genético (grandes deleciones cromosómicas) se seleccionó, independientemente del mutante pre-existente. En el segundo caso, la sensibilidad colateral conservada se asoció a la adquisición de diferentes mutaciones de resistencia a ciprofloxacino; un caso de convergencia fenotípica en ausencia de evolución paralela (Figura 1, “expuesto a ciprofloxacino”). Con base a esta información evolutiva, hemos propuesto la alternancia de ceftazidima con tobramicina y la alternancia o combinación de ciprofloxacino con tobramicina o aztreonam para tratar infecciones causadas por P. aeruginosa. Estos trabajos sugieren que estudios de este tipo permitirían escoger las combinaciones de antibióticos más apropiadas para aplicar en terapias alternadas o combinadas para el tratamiento de las infecciones que, generalmente, son causadas por poblaciones bacterianas que incluyen diferentes contextos genéticos. 

 

En línea con la identificación de patrones robustos de sensibilidad colateral, también sería deseable que estos patrones conservados emergiesen en ambientes con una composición nutricional diferente, como lo son las diferentes localizaciones corporales donde pueden ocurrir infecciones bacterianas. En este sentido, recientemente hemos descrito que la composición nutricional condiciona la evolución de la resistencia a diferentes fármacos en P. aeruginosa. La razón es que cada mutación de resistencia seleccionada causa un nivel de resistencia y/o un coste fisiológico diferente dependiendo de la composición del medio de cultivo, condicionando así el estado nutricional los patrones de sensibilidad colateral que pueden emerger en cada ambiente particular. Por eso, proponemos que sería deseable que los patrones robustos de sensibilidad colateral detectados en diferentes contextos genéticos también se conserven en situaciones nutricionales diversas. O, al menos, sería necesario que la robustez de la sensibilidad colateral identificada esté preservada en situaciones nutricionales similares a las de la infección a tratar.

 

IDENTIFICACIÓN DE ELEVADOS COSTES FISIOLÓGICOS ROBUSTOS: ESTRATEGIAS TERAPÉUTICAS CONSERVATIVAS

Además de la alternancia o combinación de pares de fármacos, sería posible explotar el elevado coste fisiológico asociado a la adquisición de resistencia a determinadas drogas para diseñar estrategias basadas en la alternancia del uso de antibióticos con periodos de restricción del uso de los mismos. Para ello, sería necesario que el desarrollo de resistencia a una droga dada causase un elevado coste fisiológico en ausencia de presión selectiva y, además, sería necesario que las mutaciones compensatorias que se adquiriesen durante el periodo de restricción del uso de fármacos diesen lugar a una caída o reversión de la resistencia (Figura 3). Aunque generalmente se asume que la adquisición de resistencia puede tener asociado un coste fisiológico, algunas mutaciones de resistencia no lo generan e incluso dan lugar a una mayor aptitud o fitness en ambientes libres de antibióticos. Estos son algunos de los casos en que una restricción del uso de antibióticos sería probablemente ineficaz (Figura 3). De hecho, el motivo por el que la alternancia de un antibiótico con periodos de restricción del uso del fármaco ha fracasado con frecuencia podría ser éste, dado que estos programas se han basado principalmente en ensayos ciegos, bajo el supuesto de que cualquier mutación de resistencia presentará un elevado coste fisiológico en ausencia de droga y que, por tanto, la resistencia disminuirá en ausencia de presión selectiva. 

 

 

Apoyando este tipo de aproximaciones, algunos trabajos de evolución experimental han descrito una rápida caída de la resistencia en medio libre de antibióticos. Un dato fundamental a tener en cuenta es que la disminución o reversión de la resistencia es específica de cada antibiótico, ya que diferentes mecanismos moleculares afectados producirán diferentes costes fisiológicos. Además, hemos demostrado que esta caída de la resistencia puede depender del contexto genético en el que se compensan esos costes fisiológicos, ya que las interacciones epistásicas y el contexto genético no solo restringen la evolución de la resistencia sino también la evolución compensatoria. Por tanto, la identificación de antibióticos para los que la resistencia pudiera ser inestable cuando cesase la selección podría ser de gran relevancia para aplicar con éxito este tipo de estrategias terapéuticas. En este sentido, hemos descrito que la evolución compensatoria en ausencia de antibióticos del coste fisiológico asociado a la adquisición de resistencia a ceftazidima conduce a una rápida caída de la resistencia en diferentes contextos genéticos, debido a la adquisición de mutaciones compensatorias intragénicas. Además de una reversión fenotípica de la resistencia por la adquisición de nuevas variaciones genéticas, esta caída de la resistencia podría estar asociada con la reversión molecular de la resistencia, por la restauración del alelo mutado a uno de tipo silvestre. En cualquier caso, estos trabajos sugieren que el diseño de estrategias terapéuticas basadas en la alternancia de un antibiótico con periodos de restricción del fármaco es posible, pero que ésta debe estar basada en información detallada sobre los costes fisiológicos asociados a todas las posibles mutaciones que podrían seleccionarse en presencia de un fármaco específico -o al menos las que se adquieren con mayor frecuencia-, y sobre la posible reversión o caída de la resistencia que podría ocurrir en ausencia de presión selectiva.

 

IDENTIFICACIÓN DE MOLÉCULAS ANTIVIRULENCIA: ESTRATEGIAS TERAPÉUTICAS INNOVADORAS CON BASE EVOLUTIVA

Entender el papel original que algunos determinantes de resistencia desempeñaron antes de conferir resistencia a los antibióticos podría también permitirnos identificar nuevos compuestos o diseñar nuevas estrategias antibacterianas. En particular, las bombas de expulsión de drogas son determinantes de resistencia que, además de antibióticos, expulsan metabolitos bacterianos, metales pesados o moléculas de defensa innata del huésped, desempeñando un papel en la fisiología bacteriana que va desde la respuesta a situaciones de estrés, la detoxificación de compuestos dañinos, la colonización y propagación durante la infección del huésped animal o las interacciones planta-bacteria. Respecto a esto último, las bombas de expulsión de drogas son capaces de expulsar metabolitos de las plantas cuya función es inhibir la virulencia bacteriana y facilitan, por tanto, la colonización de las mismas (Figura 4). Además, estos compuestos de origen vegetal pueden también inducir la expresión de los genes codificantes de estas bombas, aumentando así la detoxificación de los mismos.

 

 

En base a este fenómeno de co-evolución planta-bacteria propusimos que sería posible identificar compuestos antivirulencia de origen vegetal, detectando aquellos compuestos que, al mismo tiempo, fuesen capaces de inducir la expresión de los genes codificantes de bombas de expulsión de drogas y que fuesen sustratos de las mimas en P. aeruginosa, una bacteria de origen ambiental que puede ser también un patógeno de plantas. Este trabajo sugiere una estrategia de base evolutiva para identificar nuevas moléculas que reduzcan el potencial de virulencia de este patógeno.

 

PARA LEER MÁS

Martinez JL, Baquero F, Andersson DI. Predicting antibiotic resistance. Nat Rev Microbiol. 2007;5(12):958-65.

Andersson DI, Hughes D. Antibiotic resistance and its cost: is it possible to reverse resistance? Nat Rev Microbiol. 2010;8(4):260-71.

Hughes D, Andersson DI. Evolutionary Trajectories to Antibiotic Resistance. Annual review of microbiology. 2017;71:579-96.

Pal C, Papp B, Lazar V. Collateral sensitivity of antibiotic-resistant microbes. Trends in microbiology. 2015;23(7):401-7.

Roemhild R, Schulenburg H. Evolutionary ecology meets the antibiotic crisis: Can we control pathogen adaptation through sequential therapy? Evolution, medicine and public health. 2019;2019(1):37-45.


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