Desafíos en el Tratamiento de Infecciones Micobacterianas

Los Antibióticos son medicamentos que se usan para matar bacterias o detener su crecimiento. El objetivo principal de usar antibióticos es deshacerse de las bacterias dañinas que causan infecciones. Muchas infecciones comunes responden bien a los antibióticos, y los pacientes a menudo se recuperan después de una o dos semanas de tratamiento. Sin embargo, algunas infecciones son más difíciles de tratar, requiriendo tratamientos mucho más largos, a veces que duran meses o incluso años. Las infecciones por micobacterias, como las causadas por la tuberculosis, son un buen ejemplo de este desafío. El tratamiento para estas infecciones es largo para evitar recaídas.

Una razón por la que las micobacterias son difíciles de matar con antibióticos es un fenómeno llamado "persistencia". Algunas células bacterianas, conocidas como persistentes, logran sobrevivir incluso cuando hay antibióticos presentes. Investigaciones de los años 40 mostraron que mientras la mayoría de las bacterias mueren rápidamente al exponerse a antibióticos como la penicilina, un pequeño grupo de Células Persistentes puede vivir mucho más tiempo. Estas células persistentes no son resistentes a los antibióticos y no se multiplican cuando el antibiótico está presente; en cambio, entran en un estado especial que les permite sobrevivir temporalmente.

La mayoría de las bacterias pueden formar células persistentes, y este mecanismo suele activarse durante situaciones estresantes, como cuando los nutrientes son escasos o cuando el ambiente se vuelve más ácido. Curiosamente, estos estreses también se encuentran en áreas del cuerpo donde el sistema inmunológico combate infecciones. Esto significa que a veces el sistema inmunológico puede dificultar que los antibióticos eliminen las infecciones bacterianas.

#Entendiendo las Células Persistentes

Se ha estudiado mucho las células persistentes en una bacteria común de laboratorio llamada Escherichia coli. Los investigadores han encontrado varias formas en que se forman estas células. Algunos sistemas importantes que ayudan en la formación de persistentes incluyen proteínas específicas que manejan cómo crecen y se dividen las bacterias. Sin embargo, todavía hay mucho que no sabemos sobre cómo funcionan estos procesos. Por ejemplo, no está claro cómo el estrés desencadena la formación de células persistentes y cómo estas células permanecen vivas cuando los procesos clave son detenidos por antibióticos.

Incluso la forma en que las bacterias mueren después de la exposición a antibióticos no se comprende del todo. Tradicionalmente, se creía que los antibióticos matan a las bacterias al detener sus funciones clave. Por ejemplo, ciertos antibióticos destruyen la pared celular, causando que las bacterias estallen. Sin embargo, algunos estudios sugieren que otros factores, como la acumulación de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS), podrían también jugar un papel en la muerte de las bacterias. Sin embargo, otras investigaciones no han encontrado una conexión entre ROS y la muerte inducida por antibióticos, lo que genera incertidumbre en este área.

#Enfoque del Estudio: Patógenos Micobacterianos

Estudiar células persistentes en bacterias micobacterianas ofrece algunas ventajas. Las células persistentes micobacterianas pueden sobrevivir mucho tiempo cuando se exponen a antibióticos. Por ejemplo, la bacteria Mycobacterium tuberculosis requiere períodos de tratamiento largos, a menudo duran cuatro meses o más, mientras que las micobacterias no tuberculosas pueden necesitar tratamiento durante un año y medio con altas tasas de recaída. Algunas especies, como Mycobacterium abscessus, presentan aún más desafíos debido a la resistencia inherente a muchos antibióticos, lo que resulta en el uso de medicamentos que son más perjudiciales para los pacientes y a menudo requieren períodos de tratamiento mucho más largos.

Estudios previos han analizado cómo las micobacterias responden a los antibióticos, algunos centrándose en cómo las bacterias pueden heredar resistencia mientras que otros examinan cómo se forman las células persistentes. Técnicas como la mutagénesis por transposón y CRISPR han ayudado a los investigadores a descubrir genes importantes relacionados con las respuestas a los antibióticos. Estos estudios destacaron el papel de la membrana celular bacteriana en el control de cuán bien pueden penetrar los antibióticos en las bacterias.

Sin embargo, estudiar células persistentes ha demostrado ser difícil debido a la amplia muerte celular durante los experimentos. Esto puede enmascarar los efectos de ciertas mutaciones. Un estudio exitoso se centró en el antibiótico rifampicina e identificó muchas mutaciones relacionadas con células persistentes. Sin embargo, no está claro si estos patrones se aplican a otros antibióticos o bacterias.

#Investigación Actual sobre Mycobacterium abscessus

En esta investigación, se estudió el proceso de formación de células persistentes en M. abscessus para encontrar genes requeridos tanto para la formación espontánea como para la inducida por hambre. Utilizando una pantalla genética integral, se identificaron varias vías relacionadas con la supervivencia de las células persistentes. Uno de los hallazgos clave fue que una enzima específica llamada KatG ayuda a las bacterias a sobrevivir al ser expuestas a ciertos antibióticos, lo que indica que las ROS son de hecho factores en la muerte bacteriana.

#Células Persistentes Inducidas por Hambre

Para entender mejor la Resistencia a los antibióticos, los investigadores primero necesitaban condiciones adecuadas para estudiar las micobacterias. Las pantallas genéticas enfrentan desafíos, como altas tasas de muerte celular que pueden oscurecer los resultados y la posibilidad de que surjan mutantes resistentes a medicamentos espontáneamente. Para abordar estos problemas, crearon condiciones de cultivo de alta densidad que mantenían la efectividad del antibiótico.

Probaron varios antibióticos usados para tratar infecciones por M. abscessus, incluyendo tigeciclina y linezolid, así como los usados para el tratamiento de tuberculosis, como rifampicina e isoniazida. Los investigadores descubrieron que en condiciones de escasez de nutrientes (hambre), el número de células persistentes aumentó significativamente en comparación con cultivos bien alimentados. Esta tendencia se observó en múltiples especies micobacterianas, lo que indica que la hambre es un desencadenante común para la formación de persistentes.

#Identificando Vías Clave en M. abscessus

Usando estas condiciones, los investigadores realizaron una pantalla de mutagénesis por transposón para identificar genes esenciales para la formación de células persistentes en respuesta a antibióticos. Trabajaron con miles de mutaciones para ver qué genes contribuían a la supervivencia durante el tratamiento con antibióticos. Encontraron cientos de genes vinculados a la creación de células persistentes, algunos de los cuales ya se sabía que jugaban papeles en la respuesta a antibióticos.

Curiosamente, aunque las bacterias fueron tratadas con antibióticos que inhiben la traducción, varios genes relacionados con la lucha contra el estrés oxidativo también eran necesarios para la supervivencia. Esto incluyó genes vinculados a manejar las ROS. El estudio sugirió que cuando las bacterias son expuestas a antibióticos, pueden acumular ROS, provocando daño y muerte celular.

#Validando Hallazgos con Deleciones Genéticas

Para confirmar el papel de genes específicos como KatG y otros identificados en la pantalla, los investigadores crearon cepas mutantes que carecían de estos genes. Probaron estos mutantes para ver cuán bien podían sobrevivir a la exposición a antibióticos. Los mutantes que carecían de KatG mostraron defectos significativos en la formación de células persistentes, reforzando la idea de que esta enzima juega un papel vital en la supervivencia.

#Investigando las ROS en la Muerte por Antibióticos

Dado que los estudios indicaron que KatG ayuda a manejar las ROS, los investigadores se adentraron más para ver si estas moléculas tóxicas contribuían a la muerte celular bacteriana. Usaron tintes específicos para detectar los niveles de ROS en las células bacterianas. Los resultados mostraron que cuando las bacterias estaban estresadas con antibióticos, los niveles de ROS aumentaron drásticamente.

Para investigar más, los investigadores intentaron cultivar las bacterias en condiciones de bajo oxígeno (hipóxicas) para reducir la producción de ROS. Descubrieron que en estas condiciones, las bacterias sobrevivieron mejor, sugiriendo que la acumulación de ROS contribuye a la letalidad de ciertos antibióticos.

#Implicaciones Clínicas

Los hallazgos de esta investigación tienen importantes implicaciones para tratar infecciones causadas por micobacterias. Dada las altas tasas de recaída asociadas con el tratamiento de M. abscessus, el estudio destaca estrategias potenciales que podrían dirigirse a las características únicas de las células persistentes. Este enfoque podría involucrar el uso de medicamentos que no maten directamente a las bacterias, sino que se centren en reducir la supervivencia de estos persistentes.

#Conclusión

En resumen, esta investigación ilumina los comportamientos complejos de las infecciones micobacterianas y cómo responden a los antibióticos. Subraya la importancia de factores como la hambre y el estrés oxidativo en la influencia de la supervivencia bacteriana. Al entender los mecanismos de formación de células persistentes y los roles de genes específicos y ROS, se pueden desarrollar nuevas estrategias terapéuticas para combatir eficazmente estas infecciones desafiantes.