Streptomyces

Streptomyces es un género de bacterias Gram-positivas que crece en diversos ambientes, con una forma filamentosa similar a los hongos. La diferenciación morfológica de Streptomyces implica la formación de una capa de hifas que puede diferenciarse en una cadena de esporas. Este proceso es único entre los Gram-positivos y requiere un metabolismo especializado y coordinado. La propiedad más interesante de Streptomyces es la capacidad de producir metabolitos secundarios bioactivos como antifúngicos, antivirales, antitumorales, antihipertensivos, y principalmente antibióticos e inmunosupresores.1-3 Otra característica es del género es el complejo desarrollo multicelular, en el que sus esporas germinativas forman hifas, con micelio aéreo multinucleado, que forma septos a intervalos regulares, creando una cadena de esporas uninucleadas.4

Cuando una espora encuentra condiciones favorables de temperatura, nutrientes y humedad, se forma el tubo germinal y se desarrolla la hifa. Le sigue la hifa aérea, y un conjunto de etapas inicia la organización de varios procesos como el crecimiento y el ciclo celular. La célula esporógena puede contener 50 o más copias del cromosoma; el orden, la posición y la segregación de los cromosomas durante la esporulación es lineal, lo que implica al menos dos sistemas (ParAB y FtsK), que conducen a la diferenciación y septación de las células apicales en cadenas de esporas. En S. coelicolor se han descrito otros genes esenciales para la esporulación de las hifas aéreas, por ejemplo, los genes whiG, whiH, whiI, whiA, whiB y whiD. La explicación de la presencia de esporas en Streptomyces es probablemente que estos fragmentos aparecieron micelialmente bajo presión selectiva, que podría implicar la necesidad de sobrevivir fuera de las plantas e invertebrados, o en ambientes extremos.

La capacidad de las esporas para sobrevivir en estos ambientes hostiles debe haber aumentado debido al pigmento y el aroma presentes en las esporas en algunas especies,5 que estimula el desarrollo celular y la producción de metabolitos secundarios.6 Otro punto importante es la punta de la hifa, que se considera la región más importante donde se pueden secretar proteínas de membrana y lípidos, especialmente en la zona apical de crecimiento.7 En algunos Streptomyces, el metabolismo secundario y la diferenciación pueden estar relacionados.8,9 Filogenéticamente, los Streptomyces forman parte de las Actinobacterias, un grupo de Gram-positivos cuyo material genético (ADN) es rico en GC (70%) en comparación con otras bacterias como Escherichia coli (50%). La gran importancia concedida a Streptomyces se debe, en parte, a que se encuentran entre los microorganismos del suelo más numerosos y versátiles, dada su gran tasa de producción de metabolitos y sus procesos de biotransformación, su capacidad para degradar la lignocelulosa y la quitina, y su papel fundamental en los ciclos biológicos de la materia orgánica.10 Dos especies de Streptomyces han sido especialmente bien estudiadas: S. griseus, el primer Streptomyces utilizado para la producción industrial de un antibiótico, la estreptomicina, y S. coelicolor, el más utilizado en los estudios genéticos. Se han secuenciado varias cepas y se han mapeado sus genomas (Tabla 1).

El genoma de S. coelicolor, por ejemplo, codifica un gran número de proteínas secretadas (819), entre las que se encuentran 60 proteasas, 13 quitinasas/quitosanasas, ocho celulasas/endoglucanasas, tres amilasas y dos pactato liasas. Los Streptomyces también son importantes en la descomposición inicial de la materia orgánica, en su mayoría especies saprofitas.11

La producción de la mayoría de los antibióticos es específica de cada especie, y estos metabolitos secundarios son importantes para que los Streptomyces spp. puedan competir con otros microorganismos que puedan entrar en contacto, o incluso dentro del mismo género. Otro proceso importante que implica la producción de antibióticos es la simbiosis entre Streptomyces y las plantas, ya que el antibiótico protege a la planta contra los patógenos, y los exudados de la planta permiten el desarrollo de Streptomyces.12 Los datos de la literatura sugieren que algunos antibióticos se originaron como moléculas de señal, que son capaces de inducir cambios en la expresión de algunos genes que no están relacionados con una respuesta al estrés.11

Antibióticos

A pesar del éxito del descubrimiento de los antibióticos, y de los avances en el proceso de su producción, las enfermedades infecciosas siguen siendo la segunda causa de muerte en todo el mundo, y las infecciones bacterianas causan aproximadamente 17 millones de muertes al año, afectando principalmente a niños y ancianos. La historia de los antibióticos derivados de Streptomyces comenzó con el descubrimiento de la estreptotricina en 1942, y con el descubrimiento de la estreptomicina dos años después, los científicos intensificaron la búsqueda de antibióticos dentro del género. Hoy en día, el 80% de los antibióticos proceden del género Streptomyces, siendo los actinomicetos los más importantes.16 Esto se puede ver en la Fig. 1.

Replicación del ADN

La ADN girasa (topoisomerasa) controla la topología del ADN catalizando el patrón de escisión y la unión del ADN. Esta reacción es importante para la síntesis del ADN y la transcripción del ARNm, y el complejo topoisomerasa-quinolona-ADN impide la replicación, lo que conduce a la muerte de la bacteria.18-20

Síntesis del ARN

La ARN polimerasa dependiente del ADN media el proceso de transcripción y es el principal regulador de la expresión génica en procariotas. El proceso enzimático es esencial para el crecimiento celular, lo que lo convierte en un objetivo atractivo para los antibióticos. Un ejemplo es la rifamicina, que inhibe la síntesis de ARN mediante una conexión estable con alta afinidad a la subunidad β en el canal ARN/ADN, separando el sitio activo al inhibir el inicio de la transcripción y bloquear el camino del crecimiento de la cadena de ribonucleótidos.18-20

Síntesis de la pared celular

La pared celular bacteriana está formada por peptidoglicano, que ayuda a mantener la presión osmótica, confiriendo la capacidad de sobrevivir en diversos ambientes. La biosíntesis del peptidoglicano implica tres etapas: la primera ocurre en el citoplasma, donde se sintetizan los precursores de bajo peso molecular. En la segunda etapa, la síntesis de la pared celular es catalizada por enzimas unidas a la membrana; y en la tercera etapa el antibiótico actúa impidiendo las β-lactamasas y la polimerización de la síntesis de glicanos de las enzimas de la pared celular, actuando sobre las transpetidas.18-20

Síntesis de proteínas

El proceso de traducción del ARNm ocurre en tres fases: iniciación, elongación y terminación en las que intervienen los ribosomas citoplasmáticos y otros componentes. El ribosoma está compuesto por dos subunidades (50S y 30S), que son las dianas del principal antibiótico que inhibe la síntesis de proteínas. Los macrólidos actúan bloqueando la subunidad 50S, impidiendo la formación de la cadena peptídica: la tetraciclina en la subunidad 30S actúa bloqueando el acceso del aminoacil ARNt-ribosoma; la espectinomicina interfiere en la estabilidad de la unión del peptidil-ARNt al ribosoma; y la estreptomicina, la kanamicina y la gentamicina actúan en el ARNr 16S que forma parte de la subunidad 30S del ribosoma.18-20

Membrana citoplasmática

La membrana citoplasmática actúa como barrera de difusión para el agua, los iones y los nutrientes. Los sistemas de transporte están compuestos principalmente por lípidos, proteínas y lipoproteínas. La daptomicina se inserta en la membrana citoplasmática de las bacterias de forma dependiente del calcio, formando canales de iones, lo que provoca la liberación de potasio intracelular. Varios antibióticos pueden provocar la alteración de la membrana. Estos agentes pueden dividirse en catiónicos, aniónicos y neutros. Los compuestos más conocidos son la polimixina B y el colistemetato (polimixina E). Las polimixinas no son muy utilizadas porque son tóxicas para el riñón y para el sistema nervioso.18-20 El último antibiótico lanzado en 2006 por Merck (platensimicina) tiene un mecanismo de acción diferente a los anteriores, ya que actúa inhibiendo las beta-cetoacil sintasas I / II (FabF / B), que son enzimas clave en la producción de ácidos grasos, necesarios para la membrana celular bacteriana.13

Resistencia

Según Nikaido20 se producen anualmente 100.000 toneladas de antibióticos, que se utilizan en agricultura, alimentación y salud. Su uso ha impactado en las poblaciones de bacterias, induciendo la resistencia a los antibióticos. Esta resistencia puede deberse a cambios genéticos como la mutación o la adquisición de genes de resistencia a través de la transferencia horizontal, que ocurre con mayor frecuencia en organismos de diferente taxonomía.21,22 Las mutaciones pueden provocar cambios en el lugar de acción del fármaco, dificultando la acción del antibiótico.23 La mayoría de los genes de resistencia se encuentran en el mismo grupo que el gen de biosíntesis del antibiótico.24 En la naturaleza, la función principal de los antibióticos es inhibir a los competidores, que son inducidos a inactivar estos compuestos mediante modificaciones químicas (hidrólisis), y cambios en el sitio de acción y en la permeabilidad de la membrana.25 Un estudio realizado con Streptomyces de suelo urbano mostró que la mayoría de las cepas son resistentes a múltiples antibióticos, lo que sugiere que estos genes son frecuentes en este entorno.20 Muchos genes de resistencia se localizan en plásmidos (plásmido A), que pueden transmitirse por conjugación a una cepa susceptible; estos plásmidos son estables y pueden expresar el gen de resistencia.26 La susceptibilidad a un determinado antibiótico puede verse afectada por el estado fisiológico de las bacterias y la concentración del antibiótico; esto puede observarse en las biopelículas a través de un mecanismo conocido como formación de persister -pequeñas subpoblaciones de bacterias sobreviven a la concentración letal de antibiótico sin ningún mecanismo de resistencia específico, aunque este mecanismo no produce una resistencia de alto nivel.27

Los microorganismos que crecen en una biopelícula están asociados a infecciones humanas crónicas y recurrentes y son resistentes a los agentes antimicrobianos.28 La propagación de cepas resistentes no sólo está relacionada con el uso de antibióticos, sino también con la migración de personas, que dispersan las cepas resistentes entre los habitantes de comunidades remotas donde el uso de antibióticos es muy limitado.24 Debido a la dificultad de obtener nuevos antibióticos, la industria farmacéutica ha realizado cambios en los antibióticos existentes; estos semisintéticos son más eficientes y menos susceptibles a la inactivación por enzimas que causan resistencia. Esta práctica se ha convertido en la estrategia para los antibióticos actuales utilizados hoy en día y se conoce como segunda, tercera y cuarta generación de antibióticos.29,30

Genoma y nuevos antibióticos

Con la disponibilidad de los genomas de un gran número de patógenos, se han evaluado cientos de genes como objetivos para nuevos antibióticos. Se reconoce que un gen es esencial cuando la bacteria no puede sobrevivir mientras el gen está inactivo, y puede convertirse en un objetivo cuando una pequeña molécula puede alterar su actividad.31 El análisis genético ha demostrado que un gen puede codificar una función que es importante en una bacteria pero no en otra.32 Se ha determinado que 167 genes son esenciales para el crecimiento bacteriano y son objetivos potenciales de nuevos antibióticos.33,34 GlaxoSmithKline ha realizado estudios con el antibiótico GKS299423 que actúa sobre la topoisomerasa II, con el fin de evitar que las bacterias desarrollen resistencia.35

Uso

La demanda mundial de antibacterianos (antibióticos) no deja de crecer. Desde su descubrimiento en el siglo XX, los antibióticos han reducido sustancialmente la amenaza de las enfermedades infecciosas. El uso de estos «medicamentos milagrosos», combinado con las mejoras en el saneamiento, la vivienda, la alimentación y la llegada de los programas de inmunización masiva, condujo a un descenso drástico de las muertes por enfermedades que antes eran generalizadas y a menudo mortales. A lo largo de los años, los antibióticos han salvado vidas y aliviado el sufrimiento de millones de personas. Al mantener bajo control muchas enfermedades infecciosas graves, estos fármacos también contribuyeron al aumento de la esperanza de vida durante la última parte del siglo XX.

La creciente resistencia de los organismos patógenos, que da lugar a formas graves de infección difíciles de tratar, ha complicado aún más la situación, como en el caso de la Klebsiella pneumoniae resistente al carbapenem,36,37 y otros microorganismos.38 Las infecciones causadas por bacterias resistentes no responden al tratamiento, lo que da lugar a una enfermedad prolongada y a un mayor riesgo de muerte. Los fallos en el tratamiento también dan lugar a largos periodos de infectividad con altas tasas de resistencia, lo que aumenta el número de infectados que circulan en la comunidad y, por tanto, expone a la población al riesgo de contraer una cepa multirresistente.39

A medida que las bacterias se hacen resistentes a los antibióticos de primera generación, el tratamiento tiene que cambiarse por fármacos de segunda o tercera generación, que suelen ser mucho más caros y, en ocasiones, tóxicos. Por ejemplo, el fármaco necesario para tratar el Streptococcus pneumoniae multirresistente, el Staphylococcus aureus, la Klebsiella pneumoniae y el Mycobacterium tuberculosis, puede costar 100 veces más que los fármacos de primera generación utilizados para tratar las formas no resistentes. Lo más preocupante es que la resistencia a prácticamente todos los antibióticos ha aumentado.

Aunque la industria farmacéutica ha intensificado los esfuerzos para desarrollar nuevos fármacos que sustituyan a los que están en uso, las tendencias actuales sugieren que algunas infecciones no tendrán terapias eficaces en los próximos diez años. El uso de los antibióticos es el factor crítico en la selección de la resistencia.40,41 Paradójicamente, la infrautilización por falta de acceso y tratamiento inadecuado puede desempeñar un papel tan importante como la sobreutilización. Por estas razones, el uso adecuado es una prioridad para prevenir la aparición y propagación de la resistencia bacteriana. Los factores relacionados con los pacientes son las principales causas del uso inadecuado de los antibióticos. Por ejemplo, muchos pacientes creen que los fármacos nuevos y caros son más eficaces que los más antiguos.

Además de provocar un gasto innecesario, esta percepción fomenta la selección de resistencias a estos nuevos fármacos, así como a los más antiguos de su clase.42 La automedicación con antibióticos es otro factor importante que contribuye a la resistencia, porque los pacientes pueden no tomar las cantidades adecuadas del fármaco. En muchos países en vías de desarrollo, los antibióticos se compran en dosis únicas y se toman sólo hasta que el paciente se siente mejor, lo que puede ocurrir antes de que se eliminen las bacterias.43

Los médicos pueden verse presionados a recetar antibióticos para satisfacer las expectativas de los pacientes, incluso en ausencia de indicaciones adecuadas, o por la influencia de los fabricantes. Algunos médicos tienden a recetar antibióticos para curar infecciones víricas, haciéndolos ineficaces contra otras infecciones. En algunos contextos culturales, los antibióticos administrados por inyección se consideran más eficaces que las formulaciones orales. Los hospitales son un componente crítico del problema de la resistencia a los antimicrobianos en todo el mundo.14,44 La combinación de pacientes altamente susceptibles, pacientes con infecciones graves y el uso intenso y prolongado de antibióticos ha dado lugar a infecciones nosocomiales altamente resistentes, que son difíciles de controlar, lo que hace que la erradicación del patógeno sea costosa.

En septiembre de 2001, la Organización Mundial de la Salud (OMS) puso en marcha la primera estrategia mundial para combatir los graves problemas causados por la aparición y propagación de la resistencia a los antimicrobianos. Conocida como la Estrategia mundial de la OMS para la contención de la resistencia a los antimicrobianos,45 la estrategia reconoce que la resistencia a los antimicrobianos es un problema mundial que debe ser abordado en todos los países. Ninguna nación, por muy eficaz que sea, puede cerrar sus fronteras a las bacterias resistentes, por lo que es necesario un control adecuado en todos los lugares. Gran parte de la responsabilidad recae en los gobiernos nacionales, con una estrategia y una atención especial a las intervenciones que impliquen la introducción de legislación y políticas que regulen el desarrollo, la concesión de licencias, la distribución y la venta de antibióticos.46

Encontrar nuevos antibióticos que sean eficaces contra la resistencia bacteriana no es imposible, pero es un área de investigación compleja y desafiante. También es un área que no ha sido el foco principal de la industria farmacéutica en los últimos años, porque los antibióticos representan generalmente un retorno de la inversión relativamente bajo, y los altos estándares para el desarrollo de medicamentos son también factores que influyen en esta falta de interés.

A pesar de las tendencias de crecimiento esperadas para el mercado global de antibióticos, su éxito a largo plazo está principalmente influenciado por dos factores principales: la resistencia y la competencia de los genéricos. La resistencia a los antibióticos obliga a reducir su uso. El aumento de la resistencia a los antibióticos dificulta la curación de las infecciones. Una de las principales desventajas es la dificultad de la industria para encontrar nuevos antibióticos: los que se utilizan suelen ser modificaciones continuas para producir nuevas formas. A pesar de las ventajas que tienen las grandes empresas en el desarrollo de nuevos antibióticos: a) objetivos bien definidos, b) modo de investigación efectivamente establecido, c) biomarcadores para el seguimiento, d) herramientas sofisticadas para estudiar la dosificación, y e) aprobación más rápida por parte de las agencias reguladoras, han dado prioridad a otras enfermedades, porque el retorno de la inversión en antibióticos es bajo, a pesar de representar un mercado de 45.000 millones de dólares, sólo superado por los medicamentos para problemas cardiovasculares y del sistema nervioso central.47 Otro problema es la competencia de los genéricos a precios mucho más bajos.48 En algunos casos, las grandes empresas han transferido a las pequeñas la responsabilidad de desarrollar nuevos antibióticos, como la daptomicina, desarrollada por Cubist y licenciada a Lilly.49

Perspectivas

A pesar de este escenario, algunas empresas han establecido una posición social y una responsabilidad para mantener el desarrollo de nuevos antibióticos. Un ejemplo es el potencial de estas asociaciones en la lucha contra la tuberculosis (TB). En la actualidad, la tuberculosis multirresistente afecta a medio millón de personas al año, se tarda dos años en tratarla, sólo se cura en la mitad de los casos y se da principalmente en zonas donde el índice de desarrollo humano es bajo.

Para acelerar el desarrollo de nuevos tratamientos, una importante colaboración, la Alianza contra la Tuberculosis, está explorando mecanismos creativos de financiación y apoyo a la fase final de los ensayos clínicos. Otra acción importante es la recolección de microorganismos en diferentes ambientes, como los marinos, para el aislamiento de nuevas sustancias; estos estudios han logrado importantes resultados evaluando estos actinomicetos del ambiente.30,50 Otra iniciativa es el Centro de Biotecnología de la Amazonía-CBA, que viene estudiando los microorganismos de la región amazónica, ya que esta región, con su alta diversidad de microorganismos, tiene la capacidad de producir nuevos antibióticos; se han logrado excelentes resultados principalmente en lo que respecta al Mycobacterium tuberculosis.

Sigue siendo necesaria la regulación del uso de antibióticos para incentivar a las empresas farmacéuticas a invertir en el desarrollo de nuevos antibióticos. El principal reto sigue siendo a nivel normativo, para encontrar una solución que garantice la viabilidad comercial del desarrollo de antibióticos. La fusión de estas empresas tiene un impacto inmediato, al reducir el número de grupos de investigación y desarrollo que compiten entre sí; estos cambios suelen provocar una revisión estratégica de las áreas terapéuticas de investigación y desarrollo, en las que el desarrollo de nuevos antibióticos debe competir con otras áreas que pueden ser más atractivas desde el punto de vista comercial.

A diferencia del primer antibiótico, en el que se desconocía el modo de acción molecular hasta después de su introducción en el mercado, las tecnologías han evolucionado (genómica funcional), permitiendo la evaluación de la interacción entre el mecanismo de acción de la diana antibiótica y el desarrollo de resistencias específicas de las bacterias.51,52 A pesar de los proyectos de secuenciación de organismos patógenos y del estudio de nuevas dianas, se ha conseguido poco éxito.53,54 Desde el punto de vista técnico, las empresas que sigan comprometidas con la investigación de nuevos antibióticos utilizando las nuevas tecnologías tendrán éxito; los retos son grandes, pero no insuperables.

Conflicto de intereses

Todos los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.