Streptomyces

Streptomyces é um gênero de bactérias Gram-positivas que cresce em vários ambientes, com uma forma filamentosa semelhante a fungos. A diferenciação morfológica das Streptomyces envolve a formação de uma camada de hifas que pode se diferenciar em uma cadeia de esporos. Este processo é único entre as Gram-positivas, exigindo um metabolismo especializado e coordenado. A propriedade mais interessante da Streptomyces é a capacidade de produzir metabolitos secundários bioactivos como antifúngicos, antivirais, antitumorais, anti-hipertensivos, e principalmente antibióticos e imunossupressores.1-3 Outra característica do gênero é o desenvolvimento multicelular complexo, no qual seus esporos germinativos formam hifas, com micélio aéreo multinuclear, que forma septos a intervalos regulares, criando uma cadeia de esporos não-inucleados.4

Quando um esporo encontra condições favoráveis de temperatura, nutrientes e umidade, o tubo germinativo se forma e a hifa se desenvolve. As hifas aéreas seguem, e um conjunto de etapas inicia a organização de vários processos, como crescimento e ciclo celular. A célula esporogênica pode conter 50 ou mais cópias do cromossomo; a ordem, posição e segregação dos cromossomos durante a esporulação é linear, o que envolve pelo menos dois sistemas (ParAB e FtsK), que levam à diferenciação e separação das células apicais em cadeias de esporos. Vários outros genes que são essenciais para a esporulação de hifas aéreas têm sido relatados em S. coelicolor, por exemplo, os genes whiG, whiH, whiI, whiA, whiB, e whiD. A explicação para a presença de esporos em Streptomyces é provavelmente que estes fragmentos apareceram miceliais sob pressão seletiva, o que pode envolver a necessidade de sobreviver fora das plantas e invertebrados, ou em ambientes extremos.

A capacidade dos esporos de sobreviverem nestes ambientes hostis deve ter sido aumentada devido ao pigmento e aroma presentes nos esporos em algumas espécies,5 o que estimula o desenvolvimento celular e a produção de metabólitos secundários.6 Outro ponto importante é a ponta da hifa, que é considerada a região mais importante onde proteínas de membrana e lipídios podem ser secretados, especialmente na área de crescimento apical.7 Em algumas Streptomyces, metabolismo secundário e diferenciação podem ser relacionados.8,9 Fisiologicamente, as Streptomyces fazem parte da Actinobacteria, um grupo de Gram-positivas cujo material genético (DNA) é rico em GC (70%) quando comparado com outras bactérias como a Escherichia coli (50%). A grande importância dada às Estreptomices deve-se em parte ao facto de estas se encontrarem entre os microrganismos do solo mais numerosos e versáteis, dada a sua grande taxa de produção de metabolitos e os seus processos de biotransformação, a sua capacidade de degradar a lignocelulose e a quitina e o seu papel fundamental nos ciclos biológicos da matéria orgânica.10 Duas espécies de Streptomyces têm sido particularmente bem estudadas: S. griseus, a primeira Streptomyces a ser utilizada na produção industrial de um antibiótico – streptomicina, e S. coelicolor, a mais utilizada em estudos genéticos. Várias estirpes foram sequenciadas e seus genomas foram mapeados (Tabela 1).

O genoma de S. coelicolor, por exemplo, codifica um grande número de proteínas secretadas (819), incluindo 60 proteases, 13 quitinases/quitosanases, oito celulases/endoglucanases, três amilases, e duas liasas pactato. As Streptomyces também são importantes na decomposição inicial da matéria orgânica, principalmente das espécies saprófitas.11

A produção da maioria dos antibióticos é específica da espécie, e estes metabolitos secundários são importantes para que as Streptomyces spp. possam competir com outros microrganismos que possam entrar em contacto, ou mesmo dentro do mesmo género. Outro processo importante envolvendo a produção de antibióticos é a simbiose entre a Streptomyces e as plantas, uma vez que o antibiótico protege a planta contra patógenos e os exsudados vegetais permitem o desenvolvimento de Streptomyces.12 Dados da literatura sugerem que alguns antibióticos se originaram como moléculas de sinal, que são capazes de induzir mudanças na expressão de alguns genes que não estão relacionados com uma resposta ao stress.11

Antibióticos

Apesar do sucesso da descoberta dos antibióticos e dos avanços no processo da sua produção, as doenças infecciosas continuam a ser a segunda principal causa de morte no mundo e as infecções bacterianas causam aproximadamente 17 milhões de mortes por ano, afetando principalmente crianças e idosos. A história dos antibióticos derivados da Streptomyces começou com a descoberta da estreptomicina em 1942, e com a descoberta da estreptomicina dois anos depois, os cientistas intensificaram a busca de antibióticos dentro do gênero. Hoje, 80% dos antibióticos são provenientes do gênero Streptomyces, sendo a actinomicetos a mais importante.16 Isto pode ser visto na Fig. 1.

Mecanismo de ação dos antibióticos

A base molecular desta ação é bem compreendida e os principais alvos são bem conhecidos. Eles são classificados pela interação de antibióticos visando funções celulares essenciais, princípio fundamental para inibir o crescimento bacteriano.17 Este é um processo complexo que se inicia com a interação física da molécula e seus alvos específicos e envolve mudanças bioquímicas, moleculares e estruturais, atuando sobre múltiplos alvos celulares, como por exemplo: 1) replicação de DNA, 2) síntese de RNA, 3) síntese da parede celular, e 4) síntese de proteínas (Fig. 2).

Replicação de ADN

Girase de ADN (topoisomerase) controla a topologia do ADN através da catalisação do padrão de clivagem e ligação do ADN. Esta reação é importante para a síntese do DNA e transcrição do mRNA, e a clivagem complexo-quinolona topoisomerase-DNA previne a replicação, levando à morte da bactéria.18-20

Síntese do RNA

A polimerase do RNA dependente do DNA medeia o processo de transcrição e é o principal regulador da expressão gênica em procariotas. O processo enzimático é essencial para o crescimento celular, tornando-o um alvo atraente para os antibióticos. Um exemplo é a rifamicina, que inibe a síntese de RNA usando uma conexão estável com alta afinidade com a subunidade β no canal RNA/DNA, separando o local ativo inibindo o início da transcrição e bloqueando o caminho de crescimento da cadeia de ribonucleotídeos.18-20

Síntese da parede celular

A parede celular bacteriana consiste em peptidoglicano, que ajuda a manter a pressão osmótica, conferindo capacidade de sobrevivência em ambientes diversos. A biossíntese do peptidoglicano envolve três estágios: o primeiro estágio ocorre no citoplasma, onde precursores de baixo peso molecular são sintetizados. No segundo estágio, a síntese da parede celular é catalisada por enzimas ligadas à membrana; e no terceiro estágio, o antibiótico atua prevenindo a síntese de β-lactams e a polimerização da síntese de glicanos das enzimas da parede celular, atuando sobre transpetidades.18-20

Síntese de proteínas

O processo de translação do mRNA ocorre em três fases: iniciação, alongamento e terminação envolvendo ribossomos citoplasmáticos e outros componentes. O ribossomo é composto por duas subunidades (50S e 30S), que são alvos do principal antibiótico que inibe a síntese protéica. Macrolides atuam bloqueando a subunidade 50S, impedindo a formação da cadeia do peptídeo: tetraciclina na subunidade 30S atua bloqueando o acesso do aminoacil tRNA-ribossomo; espectinomicina interfere na estabilidade da ligação peptidil-tRNA ao ribossomo; e estreptomicina, canamicina e gentamicina atuam no 16S rRNA que faz parte da subunidade 30S ribossomo.18-20

Membrana citoplasmática

A membrana citoplasmática atua como uma barreira de difusão para água, íons e nutrientes. Os sistemas de transporte são compostos principalmente de lipídios, proteínas e lipoproteínas. A daptomicina se insere na membrana citoplasmática de bactérias de forma dependente do cálcio, formando canais iônicos, desencadeando a liberação de potássio intracelular. Vários antibióticos podem causar a ruptura da membrana. Estes agentes podem ser divididos em catiónicos, aniónicos e neutros. Os compostos mais conhecidos são a polimixina B e o colistemetato (polimixina E). As polimixinas não são amplamente utilizadas porque são tóxicas para os rins e para o sistema nervoso.18-20 O último antibiótico lançado em 2006 pela Merck (platensimycin) tem mecanismo de ação diferente dos anteriores, uma vez que age inibindo as beta-cetoactil-sintases I / II (FabF / B), que são enzimas-chave na produção de ácidos graxos, necessários para a membrana celular bacteriana.13

Resistência

De acordo com Nikaido20 são produzidas anualmente 100.000 toneladas de antibióticos, que são utilizados na agricultura, alimentação e saúde. O seu uso tem impactado populações de bactérias, induzindo resistência aos antibióticos. Essa resistência pode ser devida a mudanças genéticas como mutação ou aquisição de genes de resistência através de transferência horizontal, o que ocorre com mais freqüência em organismos de diferentes taxonomias.21,22 Mutações podem causar mudanças no local de ação do medicamento, dificultando a ação do antibiótico.23 A maioria dos genes de resistência está no mesmo grupo que o gene da biossíntese antibiótica.24 Na natureza, a principal função dos antibióticos é inibir os concorrentes, que são induzidos a inativar esses compostos pela modificação química (hidrólise) e mudanças no local de ação e na permeabilidade da membrana.25 Um estudo realizado com Streptomyces de solo urbano mostrou que a maioria das cepas é resistente a múltiplos antibióticos, sugerindo que estes genes são frequentes neste ambiente.20 Muitos genes de resistência estão localizados em plasmídeos (plasmídeo A), que podem ser passados por conjugação a uma cepa susceptível; estes plasmídeos são estáveis e podem expressar o gene de resistência.26 A susceptibilidade a um determinado antibiótico pode ser afetada pelo estado fisiológico da bactéria e pela concentração do antibiótico; isso pode ser observado em biofilmes através de um mecanismo conhecido como formação de persistência – pequenas subpopulações de bactérias sobrevivem à concentração letal do antibiótico sem nenhum mecanismo de resistência específico, embora esse mecanismo não produza resistência de alto nível.27

Microorganismos que crescem em um biofilme estão associados a infecções humanas crônicas e recorrentes e são resistentes a agentes antimicrobianos.28 A disseminação de cepas resistentes não está ligada apenas ao uso de antibióticos, mas também à migração de pessoas, que dispersam cepas resistentes entre pessoas em comunidades remotas onde o uso de antibióticos é muito limitado.24 Devido à dificuldade de obtenção de novos antibióticos, a indústria farmacêutica fez alterações nos antibióticos existentes; estes semissintéticos são mais eficientes e menos suscetíveis à inativação por enzimas que causam resistência. Esta prática tornou-se a estratégia para os antibióticos atuais utilizados atualmente e é conhecida como a segunda, terceira e quarta geração de antibióticos.29,30

Genoma e novos antibióticos

Com a disponibilidade de genomas de um grande número de patógenos, centenas de genes têm sido avaliados como alvos para novos antibióticos. Um gene é reconhecido como essencial quando a bactéria não consegue sobreviver enquanto o gene está inativo, e pode tornar-se um alvo quando uma pequena molécula pode alterar sua atividade.31 A análise genética mostrou que um gene pode codificar uma função que é importante em uma bactéria, mas não em outra.32 167 genes foram determinados como essenciais para o crescimento bacteriano e são alvos potenciais para novos antibióticos.33,34 A GlaxoSmithKline realizou estudos com o antibiótico GKS299423 atuando na topoisomerase II, a fim de evitar que as bactérias desenvolvam resistência.35

Uso

A demanda mundial por antibacterianos (antibióticos) está em constante crescimento. Desde a sua descoberta no século XX, os antibióticos têm reduzido substancialmente a ameaça de doenças infecciosas. O uso desses “medicamentos milagrosos”, combinado com melhorias no saneamento, moradia, alimentação e o advento de programas de imunização em massa, levou a uma queda dramática nas mortes por doenças que antes eram generalizadas e muitas vezes fatais. Ao longo dos anos, os antibióticos salvaram vidas e aliviaram o sofrimento de milhões de pessoas. Ao manter muitas doenças infecciosas graves sob controle, esses medicamentos também contribuíram para o aumento da expectativa de vida na segunda metade do século XX.

A crescente resistência dos organismos patogênicos, levando a formas graves de infecção de difícil tratamento, complicou ainda mais a situação, como no caso do Klebsiella pneumoniae resistente ao carbapenem,36,37 e outros microorganismos.38 Infecções causadas por bactérias resistentes não respondem ao tratamento, resultando em doenças prolongadas e maior risco de morte. As falhas no tratamento também levam a longos períodos de infecciosidade com altas taxas de resistência, que aumentam o número de pessoas infectadas que circulam na comunidade e assim expõem a população ao risco de contrair uma estirpe multirresistente.39

As bactérias se tornam resistentes aos antibióticos de primeira geração, o tratamento tem que ser mudado para medicamentos de segunda ou terceira geração, que muitas vezes são muito mais caros e às vezes tóxicos. Por exemplo, a droga necessária para tratar Streptococcus pneumoniae multirresistente, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, e Mycobacterium tuberculosis, pode custar 100 vezes mais do que as drogas de primeira geração usadas para tratar formas não-resistentes. O mais preocupante é que a resistência a praticamente todos os antibióticos aumentou.

Apesar de a indústria farmacêutica ter intensificado esforços para desenvolver novas drogas para substituir as em uso, as tendências atuais sugerem que algumas infecções não terão terapias eficazes dentro dos próximos dez anos. O uso de antibióticos é o fator crítico na seleção da resistência.40,41 Paradoxalmente, o subuso por falta de acesso e tratamento inadequado pode desempenhar um papel tão importante quanto o uso excessivo. Por estas razões, o uso adequado é uma prioridade para evitar o surgimento e a propagação da resistência bacteriana. Os fatores relacionados ao paciente são as principais causas do uso inadequado de antibióticos. Por exemplo, muitos pacientes acreditam que medicamentos novos e caros são mais eficazes que os medicamentos mais antigos.

Além de causar gastos desnecessários, essa percepção estimula a seleção de resistência a esses novos medicamentos, bem como aos medicamentos mais antigos de sua classe.42 A automedicação com antibióticos é outro fator importante que contribui para a resistência, pois os pacientes podem não tomar quantidades adequadas do medicamento. Em muitos países em desenvolvimento, os antibióticos são adquiridos em doses únicas e tomados apenas até que o paciente se sinta melhor, o que pode ocorrer antes da eliminação da bactéria.43

Os médicos podem ser pressionados a prescrever antibióticos para atender às expectativas do paciente, mesmo na ausência de indicações apropriadas, ou por influência dos fabricantes. Alguns médicos tendem a prescrever antibióticos para curar infecções virais, tornando-os ineficazes contra outras infecções. Em alguns contextos culturais, os antibióticos administrados por injeção são considerados mais eficazes do que as formulações orais. Os hospitais são um componente crítico do problema da resistência antimicrobiana em todo o mundo.14,44 A combinação de pacientes altamente suscetíveis, pacientes com infecções graves e uso intenso e prolongado de antibióticos tem resultado em infecções nosocomiais altamente resistentes, que são difíceis de controlar, tornando cara a erradicação do patógeno.

Em setembro de 2001, a Organização Mundial de Saúde (OMS) lançou a primeira estratégia global para combater os graves problemas causados pelo surgimento e disseminação da resistência antimicrobiana. Conhecida como a Estratégia Global da OMS para a Contenção da Resistência Antimicrobiana,45 a estratégia reconhece que a resistência antimicrobiana é um problema global que deve ser abordado em todos os países. Nenhuma nação, por mais eficaz que seja, pode fechar sua fronteira para bactérias resistentes, portanto, é necessário um controle adequado em todos os lugares. Grande parte da responsabilidade cabe aos governos nacionais, com uma estratégia e atenção particular às intervenções que envolvem a introdução de legislação e políticas que regem o desenvolvimento, licenciamento, distribuição e venda de antibióticos.46

Encontrar novos antibióticos eficazes contra a resistência bacteriana não é impossível, mas é uma área complexa e desafiadora de pesquisa. É também uma área que não tem sido o foco principal da indústria farmacêutica nos últimos anos, pois os antibióticos geralmente representam um retorno de investimento relativamente baixo, e os altos padrões de desenvolvimento de medicamentos também são fatores que influenciam esta falta de interesse.

Embora as tendências de crescimento esperadas para o mercado global de antibióticos, seu sucesso a longo prazo é influenciado principalmente por dois fatores principais – resistência e competição genérica. A resistência aos antibióticos força a redução do uso. O aumento da resistência aos antibióticos torna difícil a cura das infecções. Uma grande desvantagem é a dificuldade da indústria em encontrar novos antibióticos – aqueles em uso são geralmente modificações contínuas para produzir novas formas. Apesar das vantagens que as grandes empresas têm no desenvolvimento de novos antibióticos: a) metas bem definidas, b) modo de pesquisa efetivamente estabelecido, c) biomarcadores para monitoramento, d) ferramentas sofisticadas para estudar a dosagem e e) aprovação mais rápida pelas agências reguladoras, deram prioridade a outras doenças, pois o retorno do investimento em antibióticos é baixo, apesar de representar um mercado de 45 bilhões de dólares, atrás apenas dos medicamentos para problemas cardiovasculares e do sistema nervoso central.47 Outro problema é a concorrência dos genéricos a preços muito mais baixos.48 Em alguns casos, as grandes empresas transferiram a responsabilidade para pequenas empresas para desenvolver novos antibióticos, como a daptomicina, desenvolvida pela Cubist e licenciada para Lilly.49

Perspectivas

Apesar deste cenário, algumas empresas estabeleceram uma posição social e responsabilidade para manter o desenvolvimento de novos antibióticos. Um exemplo é o potencial para tais parcerias na luta contra a tuberculose (TB). Hoje, a TB multirresistente afeta meio milhão de pessoas anualmente, leva dois anos para tratar, é curada em apenas metade dos casos e ocorre principalmente em áreas onde o índice de desenvolvimento humano é baixo.

Para acelerar o desenvolvimento de novos tratamentos, uma importante colaboração, a TB Alliance, está explorando mecanismos criativos de financiamento e apoio para a fase final dos ensaios clínicos. Outra ação importante é a coleta de microorganismos em diferentes ambientes, como ambientes marinhos, para o isolamento de novas substâncias; estes estudos têm alcançado resultados importantes na avaliação destes actinomicetos ambientais.30,50 Outra iniciativa é o Centro de Biotecnologia da Amazônia-CBA, que vem estudando microorganismos na região amazônica, pois esta região, com sua alta diversidade de microorganismos, tem a capacidade de produzir novos antibióticos; excelentes resultados foram alcançados principalmente no que diz respeito ao Mycobacterium tuberculosis.

Ainda há necessidade de regulamentação do uso de antibióticos para incentivar as empresas farmacêuticas a investir no desenvolvimento de novos antibióticos. O principal desafio permanece no nível regulatório, a fim de encontrar uma solução que garanta a viabilidade comercial do desenvolvimento de antibióticos. A fusão dessas empresas tem um impacto imediato, reduzindo o número de grupos de pesquisa e desenvolvimento concorrentes; tais mudanças muitas vezes causam uma revisão estratégica das áreas terapêuticas de pesquisa e desenvolvimento, onde o desenvolvimento de novos antibióticos deve competir com outras áreas que possam ser mais atraentes comercialmente.

Em contraste com o primeiro antibiótico, onde o modo de ação molecular era desconhecido até depois da sua introdução no mercado, as tecnologias evoluíram (genômica funcional), permitindo a avaliação da interação entre o mecanismo de ação do alvo antibiótico e o desenvolvimento de resistência específica da bactéria.51,52 Apesar dos projetos de seqüenciamento de organismos patogênicos e do estudo de novas metas, pouco sucesso foi alcançado.53,54 Do ponto de vista técnico, as empresas que continuam comprometidas com a pesquisa de novos antibióticos usando as novas tecnologias terão sucesso; os desafios são grandes, mas não intransponíveis.

Conflito de interesses

Todos os autores declaram não ter conflito de interesses.